ansys有限元模态分析详解共105页文档

• 什么是模态分析？
– 模态分析可以用来确定研究对象的振动特性，是其它动力学分析的起点。
• 定义结构振动特性的方法：
– 固有频率 – 模态形式 – 模态参与因子（在特定方向上某个模态的参与的程度）
• 模态分析是各种动力学分析类型最基础的内容。
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ANSYS80模态分析——段志东制作
模态分析
… 定义和目的
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模态分析
… 术语与概念（接上页）
培训手册
• 模态提取 是用来描述特征值和特征向量计算的术语。
• 模态扩展有两重含义。对于缩减法，模态扩展是从缩减模态形式计算全 模态形式；对于其它的方法，模态扩展仅仅是表示把模态形式写入结果 文件。
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模态分析
段志东
模态分析
A. 模态分析定义和目的 B. 讨论相关的概念、术语及模态提取方法 C. 学习怎样在ANSYS中做模态分析 D. 一到两个模态分析习题 E. 模态分析高级主题
培训手册
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模态分析
A. 定义和目的
培训手册
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模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 – PowerDynamics法
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• PowerDynamics 法适用于提取很大的模型（100，000个自由度以上）的 较少振型（< 20）， 这种方法明显比分块Lanczos法或子空间法快，但 是：
– 内存和磁盘要求较低 – 它是所有方法中最快的 – 使用矩阵缩减法，即选择一组主自由度来减小[K]和[M]的大小 – 缩减的刚度矩阵[K]是精确的，但缩减的质量矩阵[M]是近似的 – 质量矩阵[M]精确程度取决于主自由度的数目和位置 – 通常不推荐使用，因为：
• 在选择主自由度需要有很高的要求 • 分块Lanczos 法能有效的取代该方法 • 降低了硬件的花费
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模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 – 非对称法
培训手册
• 非对称法适用于声学问题（具有结构藕合作用）和其它类似的具有非对称 质量矩阵[M]和刚度矩阵[K] 的问题：
– 计算以复数表示的特征值和特征向量
• 实数部分就是自然频率
• 虚数部分表示稳定性，负值表示稳定，正值表示不确定
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模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 - 分块Lanczos 法
• 分块LancΒιβλιοθήκη os 法可以在大多数应用场合下使用。
– 用于大型对称特征值问题，采用稀疏矩阵求解器 – 当需提取很多阶振型时（40+），这种方法很有效 – 经常应用在具有实体单元/壳单元/梁单元等复杂模型中 – 是在一个频率范围内模态的有效提取法 – 可以有效处理约束方程 – 很好地处理刚体模态
培训手册
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模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 – 子空间法
• 子空间法比较适合于提取中大模型中的较少模态（<40）
– 需要相对较少的内存，较大的磁盘空间 – 在具有刚体模态时可能会有收敛问题 – 建议在具有约束方程时不要用此法 – 通常被分块Lanczos 法取代 – 用于大型对称特征值问题
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模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 – 阻尼法
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• 在模态分析中一般忽略阻尼，但如果阻尼的效果比较明显，就要使用阻 尼法：
– 主要用于回转体动力学中，这时陀螺阻尼应是主要的 – 在ANSYS的BEAM4和PIPE16单元中，可以通过定义实常数中的SPIN（旋转速度
析 方
程
• 假定谐运动 (即： uUsint())
演 化
K 2 M u 0
• 这个方程的根是 i， 即特征值， i 的范围从1到自由度的数目， 相 应的向量是 {u}I， 即特征向量。
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模态分析
… 术语与概念
培训手册
培训手册
模态分析的优点
• 使结构设计避免共振或按特定频率进行振动（例如扬声器）
• 使工程师可以认识到对于不同类型的动力载荷结构是如何响应的
• 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）
建议： 由于结构的振动特性决定了结构对于各种动力载荷的响应情况，
所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。
– 需要很大的内存 – 当单元形状不好或出现病态矩阵时，用这种方法可能不收敛 – 可能丢失某些模态（没有Sturm系列检查） – 建议只将这种方法作为对大型模型的一种备用方法
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模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 – 缩减法
培训手册
• 如果模型中的集中质量不会引起局部振动，例如象梁和杆那样，可以使 用缩减法：
• 特征值的平方根是 i ，它就是结构的自然圆频率（弧度/秒）。并可得出 自然频率 fi = i /2p（圈/秒）。 自然频率 fi 可以由用户输入和用ANSYS 输出。
• ANSYS输出的是自然频率fi ，而不是圆频率i 。 • 特征向量 {u}i 表示振型， 即假定结构以频率 fi振动时的形状
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模态分析
B. 术语与概念
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• 动力学通用运动方程：
M u C u K u F t
模
态
• 假定为自由振动并忽略阻尼：
分
M u K u 0
，弧度/秒）选项来说明陀螺效应 – 计算以复数表示的特征值和特征向量
• 虚数部分就是自然频率
• 实数部分表示稳定性，负值表示稳定，正值表示不稳定
模态分析 – 术语和概念
模态提取法
培训手册
• 在ANSYS中有以下几种模态提取方法：
– 分块Lanczos 法（缺省） – 子空间法 – PowerDynamics法 – 缩减法 – 非对称法 – 阻尼法(full) – QR 阻尼法
• 使用何种模态提取方法主要取决于模型大小（相对于计算机的计算能 力而言）和具体的应用场合