第二章 有限元分析软件ANSYS-飞机机翼的模态分析
ansys有限元法解题实例
Ansys有限元课程设计问题一：飞机机翼振动模态分析机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成（如图所示）。
机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。
机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3一、操作步骤：1.选取5个keypoint，A（0,0,0）为坐标原点，同时为翼型截面的尖点；2.B（2，0，0）为下表面轮廓截面直线上一点，同时是样条曲线BCDE的起点;3.D(1.9,0.45,0)为样曲线上一点；4.C(2.3，0.2,0)为样条曲线曲率最大点，样条曲线的顶点；5.E(1,0.25,0)与点A构成直线，斜率为0.25；6.通过点A、B做直线和点B、C、D、E作样条曲线就构成了截面的形状。
沿Z 方向拉伸，就得到机翼的实体模型；7.创建截面如图：机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3 8.定义网格密度并进行网格划分：选择面单元PLANE42和体单元SOLID45进行划分网格求解。
面网格选择单元尺寸为0.00625，体网格划分时按单元数目控制网格划分，选择单元数目为109.对模型施加约束，由于机翼一端固定在机身上所以在机翼截面的一端所有节点施加位移和旋转约束二、有限元处理结果及分析：机翼的各阶模态及相应的变形：一阶振动模态图：二阶振动模态图：三阶振动模态图：四阶振动模态图：五阶振动模态图：命令流：/FILNAM,MODAL/TITLE,Modal analysis of a modal airplane wing /PMETH,OFF,0KEYW,PR_STRUC,1/UIS,MSGPOP,3/PREP7ET,1,PLANE42ET,2,SOLID45MP,EX,1,380012MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,1.033E-3K,1,K,2,2K,3,2.3,0.2K,4,1.9,0.45K,5,1,0.25/TRIAD,OFF/PNUM,KP,1LSTR,1,2LSTR,5,1BSPLIN,2,3,4,5,,,-1,0,,-1,-0.25,, AL,1,2,3ESIZE,0.25MSHKEY,0MSHAPE,0,2DAMESH,1SAVEESIZE,,10TYPE,2VEXT,1,,,0,0,10/SOLUANTYPE,MODAL MODOPT,SUBSP,5,,,,OFF EQSLV,SPARMXPAND,5,,,,0.001 LUMPM,0PSTRES,0ESEL,U,TYPE,,1NSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,ALLALLSEL,ALLSOLVE/POST1SET,LISTSET,FIRSTPLDI,,ANMODE,10,0.5,,0FINISH13/EXIT,ALL问题二：内六角扳手静力分析内六角扳手在日常生产生活当中运用广泛，先受1000N的力产生的扭矩作用，然后在加上200N力的弯曲，分析算出在这两种外载作用下扳手的应力分布。
机翼模态分析 [Ansys 11.0版本使用示例]
![机翼模态分析 [Ansys 11.0版本使用示例]](https://img.taocdn.com/s3/m/7332baf3aef8941ea76e053b.png)
运行Ansys Workbench
开始界面
建立几何模型或导入其他几何模型模型
此处：模型char6‐01
选好单位
拉伸后
存盘
存盘
回到workbench主界面，选择simulation
获取几何体信息
存盘
添加材料信息
选择Solid，添加材料信息
指定材料，选取钛合金
材料信息
几何模型solid指定材料为钛合金
划分网格mesh
选择单位mm
网格控制Sizing》Element size=100mm
划分网格‐右键
选取模态分析
施加约束
选择面
结果后处理（设置求解项，此处采用默认设置）
此处采用默认设置，求解
模型的前六阶模态
总变形
重命名Mode 1
一阶模态振型
继续添加其他模态
三阶模态振型
模型的固有频率。
ANSYS模态分析教程及实例讲解
ANSYS模态分析教程及实例讲解ANSYS是一款常用的有限元分析软件，可以用于执行结构分析、热分析、流体分析等多种工程分析。
模态分析是其中的一项重要功能，用于计算和分析结构的固有振动特性，包括固有频率、振型和振动模态，可以帮助工程师了解和优化结构的动态响应。
以下是一份ANSYS模态分析教程及实例讲解，包含了基本步骤和常用命令，帮助读者快速上手模态分析。
1.创建模型：首先需要创建模型，在ANSYS界面中构建出待分析的结构模型，包括几何形状、材料属性和边界条件等。
可以使用ANSYS的建模工具，也可以导入外部CAD模型。
2.网格划分：在模型创建完毕后，需要进行网格划分，将结构划分为小的单元，使用ANSYS的网格划分功能生成有限元网格。
网格划分的细腻程度会影响分析结果的准确性和计算时间，需要根据分析需要进行合理选择。
3.设置材料属性：在模型和网格创建完毕后，需要设置材料属性，包括弹性模量、密度和材料类型等。
可以通过ANSYS的材料库选择已有的材料属性，也可以自定义材料属性。
4.定义边界条件：在模型、网格和材料属性设置完毕后，需要定义结构的边界条件，包括约束和加载条件。
约束条件是指结构受限的自由度，例如固定支撑或限制位移；加载条件是指施加到结构上的载荷，例如重力或外部力。
5.运行模态分析：完成前面几个步骤后，就可以执行模态分析了。
在ANSYS中，可以使用MODAL命令来进行模态分析。
MODAL命令需要指定求解器和控制选项，例如求解的模态数量、频率范围和收敛准则等。
6.分析结果：模态分析完成后，ANSYS会输出结构的振动特性，包括固有频率、振型和振动模态。
可以使用POST命令查看和分析分析结果，例如绘制振动模态或振动模态的频率响应。
下面是一个实际的案例，将使用ANSYS执行模态分析并分析分析结果。
案例：矩形板的模态分析1.创建模型：在ANSYS界面中创建一个矩形板结构模型，包括矩形板的几何形状和材料属性等。
有限元作业：机翼模型
机翼模型的振动模态分析何题描述：一个简化的飞机机施模型如图所示，该机克沿延翼方向为等耳度，冇关的几何尺寸见图3・】，机翼 材料的常数为：弹件•模ftE=0.26GPa,泊松比u = 03密度p=886Kg/m 3/对该结构进行振动模态的分析。
(a)飞机机児模空(b)据形的几何坐标点图1-1撮动模态分析计算模型示意图二、问题分析解答：解答：这里休小元S0LID15进行建模.并计舁机冗模型的振动模态。
建模的要点：①首先根据机翼横截面的关键点，采用连接1'〔线以及样条函数< BSPL1N >进行连接以形成一个山封闭线甬 成的向：②在生成的鹵上采用门山网格划分生成【加单元(PLANE42)：③ 设魁体单元SOLID45.采用<EXTOPT>< VEXT >进比方向的参段扩展：④ 设呂模态分析< ANTYPE,2>.采用Lanczos 方法进行求解< NB >⑤ 在后处理中.通过<SET>调出柑关阶次的模态，：⑥ 显示变形百的结构图井进行动态演/j<<PLDI><ANMODE> =给出的基丁图形界而(GUI)的交互式操作(step by step)过程如下。
(1) 进入ANSYS(设定工作Fl 录和工作文件)程序一ANSYS -^AISYS Interactive -forking directory (设直工作目录)flnitial joZe (设置匚作文件名)：lodal-Run(2) 设雀计算类型ANSYS Main Menu ： Preferences ・・f Structural —OK(3) 选抒单元类熨ANSYS Main Menu ： Prqjrocessor 一Eleient Type -*Add/Edit/Delete ~*Add —Structural solid ： Quad 4node 42 Apply f solid f Brick 8node 45—OK —Close(4) 定义材料参数ANSYS Main Menu ： Preprocessor -*Iaterial Props -^Material Models Structural f Linear 〜 Elastic -Isotroplc ：EX:0- 26E9(弹性tM^)>PRXY:0. 3(i 白松比)一OK -Density:886 -OK ^laterial 一 Exit(5) 生成几何模型ANSYS Main Menu ： Preprocessor —Modeling f Create -^KeypointIn Active CS -*X, Y, Z location:0,0,0-Apply -*X,Y,Z locati<ai:0,05,0, 0-Apply -X, Y,Z location:0,0575, 0>005, 0 - Apply f X,Y,Z locatioii:0・0475QQ1250 f Apply f X,Y,Z knatiomO.025,0X)06250 fOKANSYS Main Menu ： Preprocessor -♦Modeling -^Create f Lines —Lines f Straight Line f 依 次选择关键点1, 2,5,1 -*OKANSYS Main Menu ： Preprocessor —Modeling —Create —Lines -*Splines — Witli Options — Spline tliru KPs -依次选择关键点2, 3, 4, 5 -OK -输入以F 数tt*； XVl:^025t YVl:0,ZVl:0_-输入以下 数据 XV6: 0・025・ YV6: 0.00625, ZV6：L~ OKANSYS Main Menu ： Preprocessor -*Modeling -*Create — Areas — Arbitrary f By Lines -*选 择所有3条线B (0.05.0.0) C (0.0S75.0.005.0) D (0.047$. 0.0125.0) F (0.025,0.0WS2K.0)一OK网格划分ANSYS Man Menu： Preprocessor f Meshing — Mesli Tool global f Set Element edge length:0.00625 〜OK -Merii -Pick AU -Close -Close(点击关闭Mesh Tool工具栏)ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Operate -* Extrude -* Elem Ext Opts f Element typenumba :2_SOLID45 —The No. of element divisions: 10 — OKANSYS Man Menu： Preprocessor f Modeling Operate f Extrude 一Areas —By XYZ Offset —Pick All —Offsetsfor extrusion in the Z direction:0.0,0.25 -^OK f Close(7)模型施加载荷ANSYS Utility Menu： Select Entities Elements —By Attributes —Elem type numThe element type numberQf Unselect f Apply(8)模型施加约束ANSYS Utility Menu: Select Entities Nodes —By Location f Z coordinates —The Z coordinate location:0-* From Full 〜即plyANSYS Man Menu — Preprocessor — Loads — Define Loads f Apply — Structuial — Displacement f On Nodes f Pick All f All DOF —OK f By Num/Pick f Select All f 点击Cancd(关闭窗口)(9)分析计算ANSYS Main Menu： Solution — Analyss Type —New Analysis Modal —OKANSYS Man Menu： Solution Analysis Type — Analysis Options f 点击Block Lanczos~*No. of modes to extract: 5 —No. of modes to expand: 5_-*OK —OKANSYS Main Menu： Solution f Solve Current LS —File —Close —OK —Yes —Yes f Close(Solution is done!)(10)结果显示ANSYS Main Menu： General Postproc-*Results Summary -*Close(各阶模态的频率见表7・5)。
基于anasys飞机机翼的模态分析报告
基于ANSYS飞机机翼的模态分析报告设计完成日期2015年5 月4 日目录1项目背景 (2)1.1 立项背景 (2)1.2研究内容 (3)1.3 分析方案 (3)2有限元模型的建立及分析 (3)2.1 建立模型 (3)2.2 划分网格并施加约束 (4)2．3定义分析类型 (5)3 求解 (5)3．1固有频率 (5)3．2振动模态 (6)4 有限元结果处理及分析 (7)5结语 (7)摘要:介绍了如何利用ANSYS软件建立飞机机翼的有限元模型。
应用ANSYS软件对机翼进行特定约束条件下的振动模态分析，得到了机翼的各阶固有频率及相应的变形云图，为机翼在高空飞行时的设计和改进提供了依据。
关键词:ANSYS;机翼;有限元模型;模态分析1项目背景1.1 立项背景随着航空事业的不断发展和进步，以及各国对民用飞机和军用运输机的要求不断提高，大型亚声速乃至超声速客机以及运输机已成为各军事、经济大国争先发展的项目。
为了未来大型飞机的载重多、飞的更快更高程的突出特点，无疑要增大飞机的尺寸、重量和气动弹性。
这将对飞机各部件的结构强度提出更高的要求，因此降低结构质量成为结构设计追求的一项重要指标，大型柔性成为很多航空结构的一个特点，这种大型柔性复杂结构极易受到外界及航空器本身扰动的影响而发生振动。
飞机机翼大型运载火箭、导弹、大型运输机等通常对振动环境有严格的要求，强烈的振动会严重地影响各种有效载荷的正常工作，导致系统性能下降甚至失效，直接威胁航空结构的安全。
这种由振动引起结构疲劳的问题也变得越来越突出。
因此，研究大型柔性航空结构的振动特性，并对其进行振动控制非常重要，航空结构系统的振动抑制问题历来是航空器设计中的一个重要问题和难点。
相对于固定翼飞机来说，大型飞机机翼的振动现象更为明显，而且过高的振动水平会引起机翼结构的疲劳破坏，影响机载设备的正常工作，飞行事故屡见不鲜。
例如，美军驻伊拉克的空运部队在一次给C-17运输机加油过程中发生了左机翼整体断裂的恶性事故;法国的一架超军旗飞机在飞行中由于机翼折断，造成飞行员坠机身亡;美国的一架F-15战斗机在飞行中由于机动动作太大，造成右机翼断裂脱落。
机翼的动力学分析 模态分析
Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas> By XYZ Offset 单击“pick all”，出现【Extrude Areas by XYZ Offset】菜单窗 口。在“offsets for extrusion”中输入“0，0，10”。
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
ANSYS 入门
… 动力学分析实例
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
图5-19 【Modal Analysis】 对话框
ANSYS 入门
… 动力学分析实例
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
图5-20 【Subspace Modal Analysis】窗口
ANSYS 入门
… 动力学分析实例
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window Options “Location of triad”滚动菜单中选中“Not shown” 。 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering。 “Keypoint numbers”设为“ON”，单击。
基于ANSYS的机翼振动模态分析
基于ANSYS的机翼振动模态分析机翼振动模态分析是通过ANSYS软件进行的一种分析技术，可以帮助工程师和设计师了解机翼在不同工作条件下的振动特性，以便优化设计和改进结构。
本文将详细介绍ANSYS在机翼振动模态分析中的应用，并展示其重要性和优势。
首先，机翼振动模态分析是用来计算和分析机翼在不同频率和振动模态下的振动特性。
这对于工程师和设计师来说非常重要，因为机翼的振动性能直接影响到航空器的性能和安全。
振动模态分析可以帮助确定机翼的自然频率，即机翼在没有外部激励下的自由振动频率。
此外，还可以分析机翼的模态形状和振动幅度，以便预测和评估机翼在不同工况下的振动响应。
ANSYS是一种用于有限元分析的强大软件工具，具有广泛的应用领域，包括航空航天、汽车和机械工程等。
在机翼振动模态分析中，ANSYS可以使用多个模块和工具来进行不同类型的分析，如静态分析、模态分析和频率响应分析。
其中，模态分析通常是机翼振动模态分析的主要技术。
在进行机翼振动模态分析之前，需要进行一些前期准备工作。
首先，需要绘制机翼的几何模型，并对其进行网格划分。
ANSYS提供了多种网格划分工具，如有限元网格划分器和自动网格生成器。
然后，需要定义机翼的材料特性和边界条件，如约束和加载条件。
在模态分析中，ANSYS可以计算机翼的固有频率和模态形状。
具体而言，可以通过求解机翼的特征方程来计算其固有频率和模态形状。
通过使用ANSYS的模态分析模块，可以自动求解特征方程，并得到机翼的不同模态频率和模态形状。
通过分析机翼的不同模态频率和模态形状，可以得到以下几点重要信息。
首先，可以确定机翼的固有频率范围，即机翼在不同频率范围内的振动特性。
这对于航空器的设计和改进非常重要，因为它可以帮助设计师避免机翼的固有频率与外部激励频率一致，从而减小机翼的共振现象。
其次，可以得到机翼的不同模态形状。
这对于分析机翼的结构刚度分布和优化结构设计非常重要。
值得一提的是，ANSYS还提供了其他一些分析技术和工具，如频率响应分析和降阶模型。
ansys有限元模态分析详解
• 只能使用线性单元
• 材料可以是线性的、各向同性或各向异性的、恒定或温度相关的
• 定义的任何非线性性质均会被忽略
• 参看第一章中有关建模要考虑的因素
1-20
模态分析步骤
选择分析类型和分析选项
建模
选择分析类型和选项：
• 进入求解器并选择模态分析 • 模态提取选项* • 模态扩展选项* • 其它选项*
• 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
1-6
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。
1-18
模态分析
C. 步骤
模态分析中的四个主要步骤： • 建模 • 选择分析类型和分析选项 • 施加边界条件并求解 • 评价结果
培训手册
1-19
ANSYS80模态分析——段志东制作
ANSYS80模态分析——段志东制作
模态分析步骤
建模
培训手册
• 必须定义杨氏模量（或某种形式的刚度）和密度（或某种质量形式）
• 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。
1-3
ANSYS80模态分析——段志东制作
模态分析
… 定义和目的
ANSYS——飞机机翼模态分析(12.0)详细操作
飞机机翼模态分析实例飞机机翼模态分析实例问题描述 :该实例对一个飞机模型的机翼进行模态分析，以确定机翼的模态频率和振型。
机翼沿长度方向轮廓一致，横截面由直线和样条曲线定义（如图9所示）。
机翼的一端固定在机体上，另一端为自由端。
机翼由低密度聚乙烯制成，相关参数如下：EX=3.8E3 PRXY=0.3 DENS=1.033e-3 slugs/in3图9模型飞机机翼简图GUI方式分析过程第1 步：指定分析标题并设置分析范畴1.选取菜单途径Utility Menu>File>Change Title2.输入文字“Modal analysis of a model airplane wing”，然后单击OK。
3.选取菜单途径Main Menu>Preference4.单击Structure选项使之为ON，单击OK。
第2 步：定义单元类型1.选取菜单途径:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。
2.Element Types对话框将出现。
3.单击Add。
Library of Element Types对话框将出现。
4.在左边的滚动框中单击“Structural Solid”。
5.在右边的滚动框中单击“Quad 4node 42”。
6.单击Apply。
7.在右边的滚动框中单击“Brick 8node 45”。
8.单击OK。
9.单击Element Types对话框中的Close按钮。
第3 步：指定材料性能1.选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isot ropic。
Isotropic Material Properties对话框将出现。
2.在OK上单击以指定材料号为1。
第二个对话框将出现。
3.输入EX为3800。
4.输入DENS为1.033e-3。
ansys飞机机翼的模态分析
求解
后处理—显示模态频率
动态显示模态振型
定义单元尺寸并划分网格
注：此时单元类型为1，可不指定
定义单元属性：单元类型为2
定义单元尺寸
将面沿Z轴拉伸10
有限元模型
定义求解类型—模态分析
设置模态求解方法和扩展模态阶数
可以设置频率范围
设置实体---面和节点：目的是为方约束
显示所有实体
1.定义单元类型、材料属性 2.建立几何模型 关键点 K1,（0,0,0） K2（2,0,0） K3（2.3,0.2,0） K4（1.9,0.45,0） K5（1,0.25,0）
Line:连线1和2；1和5
Spline→with options
2、3、4、5
→ spline
with Kps
由线形成面
飞机机翼的模态分析
如图所示，为一模型飞机的机翼。机翼沿长度方 向轮廓一致，其他的横截面由直线和样条曲线定 义。机翼的一端固定在机体上，另一端为悬空的 自由端。机翼由低密度聚乙烯制成，有关性质参 数为：EX,=38e3 PRXY=0.3 DENS=1.033e-3
飞机机翼的模态分析
单元类型：ET,1,PLANE42 ET,2,SOLID45 EX,=38e3 PRXY=0.3 DENS=1.033e-3
ansys有限元法解题实例
Ansys有限元课程设计问题一：飞机机翼振动模态分析机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成（如图所示）。
机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。
机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3一、操作步骤：1.选取5个keypoint，A（0,0,0）为坐标原点，同时为翼型截面的尖点；2.B（2，0，0）为下表面轮廓截面直线上一点，同时是样条曲线BCDE的起点;3.D(1.9,0.45,0)为样曲线上一点；4.C(2.3，0.2,0)为样条曲线曲率最大点，样条曲线的顶点；5.E(1,0.25,0)与点A构成直线，斜率为0.25；6.通过点A、B做直线和点B、C、D、E作样条曲线就构成了截面的形状。
沿Z 方向拉伸，就得到机翼的实体模型；7.创建截面如图：机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3 8.定义网格密度并进行网格划分：选择面单元PLANE42和体单元SOLID45进行划分网格求解。
面网格选择单元尺寸为0.00625，体网格划分时按单元数目控制网格划分，选择单元数目为109.对模型施加约束，由于机翼一端固定在机身上所以在机翼截面的一端所有节点施加位移和旋转约束二、有限元处理结果及分析：机翼的各阶模态及相应的变形：一阶振动模态图：二阶振动模态图：三阶振动模态图：四阶振动模态图：五阶振动模态图：命令流：/FILNAM,MODAL/TITLE,Modal analysis of a modal airplane wing /PMETH,OFF,0KEYW,PR_STRUC,1/UIS,MSGPOP,3/PREP7ET,1,PLANE42ET,2,SOLID45MP,EX,1,380012MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,1.033E-3K,1,K,2,2K,3,2.3,0.2K,4,1.9,0.45K,5,1,0.25/TRIAD,OFF/PNUM,KP,1LSTR,1,2LSTR,5,1BSPLIN,2,3,4,5,,,-1,0,,-1,-0.25,, AL,1,2,3ESIZE,0.25MSHKEY,0MSHAPE,0,2DAMESH,1SAVEESIZE,,10TYPE,2VEXT,1,,,0,0,10/SOLUANTYPE,MODAL MODOPT,SUBSP,5,,,,OFF EQSLV,SPARMXPAND,5,,,,0.001 LUMPM,0PSTRES,0ESEL,U,TYPE,,1NSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,ALLALLSEL,ALLSOLVE/POST1SET,LISTSET,FIRSTPLDI,,ANMODE,10,0.5,,0FINISH13/EXIT,ALL问题二：内六角扳手静力分析内六角扳手在日常生产生活当中运用广泛，先受1000N的力产生的扭矩作用，然后在加上200N力的弯曲，分析算出在这两种外载作用下扳手的应力分布。
ANSYS模态分析教程及实例讲解
任何结构都具有其固有频率（固有周期），其值由其本身的结构所决定 自由振动是一种无衰减力的振动状态，它将永远不停地振动下去。
频率分析的相关知识
• 静力分析中，节点位移是主要的未知量。[K]d=F中[K]为刚度 矩阵，d为节点位移的未知量，而F为节点载荷的已知量。
要点：振动的形式（振形）称为振动模态。 一般从低频开始，称为1阶、2阶、3阶……固有频率，并且具
有与各个固有频率对应的振动模态。
频率分析的相关知识
• 共振（以荡秋千为例） –荡得好的人荡几下马上就能荡得很高
–这是因为与秋千摆动的节拍和时间配合起来的原因。 –换句话说，与秋千的固有频率（固有周期）相配合，这
– 小变形 – 弹性范围内的应变和应力 – 没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变。
应力
弹性模量 (EX)
应变
准备工作
A. 哪种分析类型？
• 如果加载引起结构刚度的显著变化，必须进行 非线性分析。引起结构刚度显著变化的典型因 素有： – 应变超过弹性范围（塑性） – 大变形，例如承载的鱼竿 – 两体之间的接触
• 在动力学分析中，增加阻尼矩阵[C]和质量矩阵[M]
上式为典型的在有阻尼的交迫振动方程。当缺少阻尼及外力 时，该缺少阻尼及外力时（自由振动），该方程式简化为
频率分析的相关知识
• 固有振动模态（以弦的振动为例）
– 两端被固定住的弦，以手指弹一下张紧的弦，弦则振动 起来，振动在空气中传播发出声音。弦以下图所示的各
第三讲模态分析
• 在开始ANSYS分析之前，您需要作一些决定， 诸如分析类型及所要创建模型的类型。
• 标题如下：
ANSYS的航空航天的应用案例整机模态分析
ANSYS的航空航天的应用案例整机模态分析
航空航天工业无时无刻不面临着飞机及太空飞行器性能方面的挑战，从鸟撞分析到NASA航天飞机泵体结构最小化设计，有限元分析都扮演着至关重要的角色。
作为使用CAE技术的先驱，航空航天行业使用仿真技术进行整机设计、装配、部件测试等研制。
引领航空航天领域新一代最具代表性的仿真分析技术，安世亚太航空航天解决方案提供全面的分析功能、高品质的计算精度、可靠的质量保证体系，使得越来越多的航空航天企业选择我们为其提供CAE解决方案。
项目名称：整机模态分析
所在行业：航空航天
ANSYS提供的模态综合法为整机大模型的模态计算以及灵活的设计提供了方便。
首先对各部件的分别分析，最后通过综合得到整机模态，使得整机的模态分析不受硬件性能限制。
同时，对局部设计的修改之后的整机模态分析并不需要重新分析，只需修改后的部件进行重新分析便可得到精确的整机分析结果。
ANSYS实例分析-飞机机翼分解
ANSYS实例分析——模型飞机机翼模态分析一，问题讲述。
如图所示为一模型飞机机翼，其长度方向横截面形状一致，机翼的一端固定在机体上，另一端为悬空自由端，试对机翼进行模态分析并显示机翼的模态自由度。
是根据一下的参数求解。
机翼材料参数：弹性模量EX=7GPa；泊松比PRXY=0.26；密度DENS=1500kg/m3。
机翼几何参数：A(0，0)；B(2，0)；C(2.5，0.2)；D(1.8，0.45)；E （1.1，0.3）。
问题分析该问题属于动力学中的模态分析问题。
在分析过程分别用直线段和样条曲线描述机翼的横截面形状，选择PLANE42和SOLID45单元进行求解。
求解步骤：第1 步：指定分析标题并设置分析范畴1.选取菜单途径Utility Menu>File>Change Title2.输入文字“Modal analysis of a model airplane wing”，然后单击OK。
3.选取菜单途径Main Menu>Preferences.4.单击Structure选项使之为ON，单击OK。
主要为其命名的作用。
第2 步：定义单元类型1.选取菜单途径:MainMenu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。
2.Element Types对话框将出现。
3.单击Add。
Library ofElement Types对话框将出现。
4.在左边的滚动框中单击“Structural Solid”。
5.在右边的滚动框中单击“Quad 4node 42”。
6.单击Apply。
7.在右边的滚动框中单击“Brick 8node 45”。
8.单击OK。
9.单击Element Types对话框中的Close按钮。
第3 步：指定材料性能1.选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>MaterialProps>-Constant-Isot ropic。
机翼模型的模态分析
教程6：机翼模型的模态分析问题阐述这是一个机翼的简单模态分析。
该机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成（如图所示）。
机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。
问题研究的目的是计算机翼的固有频率和振型。
所给条件机翼的尺寸见上图所示，材料是低密度的聚乙烯，其杨氏模量为38×103 psi，泊松比为0.3，密度为1.033×10-3 slugs/in3。
近似与假设假设机翼与机身相连的一端所有自由度完全固定。
机翼材料特性为常数并是各向同性。
使用一个体模型来构造机翼横截面的2-D模型，创建一个合理的网格并将横截面拉伸成3-D的体模型，系统会自动对体模型进行网格划分。
为了以最少的时间来创建体模型，要简化翼面2-D模型的创建操作。
为了更好地模拟翼面的形状，需要建立更多的数据点。
此外，本例中所做的离散化是相当粗糙的，即单元网格太大，因此计算结果误差也非常大。
故该练习只作为一种方法练习，其计算精度不必考虑。
交互式的求解过程1． 建立几何模型1.1 创建给定位置的关键点1．Main Menu ：Preprocessor-Modeling-CreateKeypointIn Active CS 。
2．输入关键点号1。
3．分别输入0，0，0作为关键点1的坐标值。
4．按下Apply 按钮完成第一个点的创建。
5．输入关键点号2。
6．分别输入2，0，0作为关键点2的坐标值。
7．按下Apply 按钮完成第二个点的创建。
8．输入关键点号3。
39．输入2.3，0.2，0作为关键点3的坐标值。
10．按下Apply 按钮完成第三个点的创建。
11．输入关键点号4。
12．输入1.9，0.45，0作为关键点4的坐标值。
13．按下Apply 按钮完成第四个点的创建。
14．输入关键点号5。
15．分别输入1，0.25，0作为关键点5的坐标值。
16．按下OK 按钮完成所有点的创建。
1.2 创建关键点之间的直线和曲线1．Main Menu ：PreprocessorModeling-Create4 3 2Lines-LinesStraight Line2．依次选择关键点1，2，5，1（点1在原点处）。
ANSYS用于机翼有限元分析的建模研究
蒙皮 、 长桁的受压稳定性 ， 部分加 强翼 肋还可传递扭
矩． 蒙皮用来 构成机翼 外形和 承受局部空气 动力 ， 部
＊ 收稿 日 ： ０ — ３ ２ 期 ２ ６ ０ —１ ０
基金项目： 中国人民解放军总装备部预研管理中心十五装备预先研究项 目（１２０００） ４３７１１ ２ 第一作者： 黄旌（９５ ）男 ， １７ 一 ， 河南信阳人 ， 讲师， 主要从事力学、 航空测试的教学与科研工作 ．
中图分 类号 ： １３１ ３２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １０ —９２ （０ ６０ 一Ｏ０ —０ ０８ ｉ８ ２０ ）２ Ｏ ８ ４
Ａ ｓｓ ｎｙ 是融结构 、 、 热 流体、 电磁、 声学于一体的大 型通用有限元分析软件 ， 己广泛应用于机械 、 交通 、 军
分蒙皮还要承受较大的弯矩和扭矩 ． 在一般对机翼整
根据轻型飞 机机翼 的结构 特点可 以采 用 “ 一 杆 板” 机翼模型 ． 翼梁、 翼墙 、 长桁、 翼肋一般为工字型结 构或类工字型结构 ， 由上缘、 下缘 和之间的腹板组成 ．
上缘 、 下缘主要承担 由弯曲引起的拉、 压轴力 ， 腹板主 要承担由弯 曲和扭转引起 的剪力 ． 建立模 型时 ， 针对 结构受力特点可将上缘、 下缘 和腹板分开采用不 同的 元素 建 模 ． 缘、 缘 结 构可 采 用 Ａ ｓ 空 间杆件 上 下 ｎｙ ｓ
黄 旌， 高 涛
（ 空军第一航 空学院机械工程 系， 河南 信 阳 ４ ４０ ） ６００
摘 要： 以某型轻型飞机机翼为例， 讨论了在 ａ ｙ 中如何根据复杂结构的结构特点 ， ｍｓ 应用 Ａ Ｄ 语言， ＰＬ 建立合理
ansys模态结构分析教程解析
SOLID185 类似SOLID45;可模拟不可压缩塑性和 超弹性材料
SOLID186 类似SOLID95;可模拟不可压缩塑性和 超弹性材料
SOLID187 类似SOLID92;可模拟不可压缩塑性和 超弹性材料
感谢您的观赏！
但如果振型是相对于单位矩阵归一的，则可以在给定的振型中 比较不同点的应力，从而发现可能存在的应力集中。
练习1：机翼模态分析 练习2：上机指南练习5
练习1：机翼模态分析 网格拖拉：面单元——体单元
拖拉
1、设置拖拉选项
MainMenu>Preprocessor>-ModelingOperate>Extrude>ElemExtOpts
任一截面都是对称面。
w 0, zx xz 0, zy yz 0
z 0, zx zy 0
结论：
平面应变问题只有三个应变分量：
x x (x, y)
y y (x, y)
xy yx xy (x, y)
应力分量、位移分量也仅为 x、y 的函数，与 z 无关。
1、什么叫做轴对称问题
集中质量矩阵对角阵，按重心不变原则，不考虑质 量分布
m/2
m/2
m
M e
2
0
0
m
Al
2
1 0
0 1
2
集中质量矩阵
M
e
vN T
N
dv
Al
6
2 1
1 2
一致质量矩阵
四、ANSYS模态分析注意问 题
• 模态分析中的四个主要步骤： • 建模 • 施加边界条件 • 求解设置 • 后处理
模态分析是线性分析，所有非线性选项忽略。 模态分析不采用对称性（除循环对称外）
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刘玲 机械工程学院
第二章 有限元分析软件ANSYS
第二章 有限元分析软件ANSYS
§2.1 ANSYS软件介绍
§2.2 ANSYS程序的结构
§2.3 ANSYS图形用户界面 §2.4 ANSYS分析基本步骤
§2.5 ANSYS实例分析
§2.5 ANSYS实例分析
§2.5.1 六方孔螺钉头用扳手的静力分析 §2.5.2 飞机机翼的模态分析
ANSYS提供了强大的动力分析工具，可以很方便地进行各类动力分析
问题：模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析。
一、动力分析简介
动力学分析根据载荷形式的不同和所有求解的内容的不同我们可 以将其分为：
模态分析
谐响应分析
瞬态动力分析
谱分析
二、动力学分析分类_模态分析
模态分析在动力学分析过程中是必不可少的一个步骤。
§2.5.2 飞机机翼的模态分析
一、问题描述
二、建立模型
三、定义边界条件并求解
四、查看结果
五、命令流输入
一、问题描述
对一个飞机机翼进行模态分析。机翼沿长度方向的轮廓是一致的，横 截面由直线的样条曲线定义。机翼的一端固定在机体上，另一端悬空。要
求分析得到机翼的模态自由度。有关的几何尺寸见图1，机翼材料的常数为：
在谐响应分析、瞬态动力分析动分析过程中均要求先进行 模态分析才能进行其他步骤。
模态分析的定义
模态提取方法
二、动力学分析分类_模态分析
模态分析的定义
模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性(固有频率和 振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中 的重要参数。同时，也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如 瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。其中模态分析也是进行谱 分析或模态叠加法谱响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析 过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环 对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等模态分析，后者则允 许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和 接触(间隙)单元，即使定义了也将被忽略。
弹性模量取3.8e3Pa ，泊松比 0.3，密度8.3e-5Kg/m3 。
二、建立模型
1.定义单元类型、材料属性 单元类型：PLANE182和SOLID185
材料属性：EX:38000(弹性模量),PRXY:0.3(泊松比) Density:8.3e-5 2.建立几何模型 关键点
K1,（0,0,0） K2（2,0,0） K3（2.3,0.2,0） K4（1.9,0.45,0） K5（1,0.25,0）
在大多数分析过程中将选用Subspace法、Reduced法、Block Lanczos法或 PowerDynamics法。Unsymmetric法和Damped法只在特殊情形下会用到。在指 定某种模态提取方法后，ANSYS会自动选择合适的方程求解器。在 ANSYS/Linear Plus中Unsymmetric法和Damped法不可用。
代算法，主要适用于大型对称特征值求解问题。可以用几种求解控制选项来控 制子空间迭代过程。
二、动力学分析分类_模态分析
模态提取方法
Powerdynamics法
PowerDynamics法适用于非常大的模型（100,000个自由度以上）。此法特 别适合于只求解结构前几阶模态以了解结构将如何响应的情形，接着可以选择 合适的提取方法（Subspace或Block Lanczos）求得最终的解。这种方法自动采 用集中质量矩阵（LUMPM,ON）。当在批处理或命令方式中使用 PowerDynamics方法时，首先应该用命令MODOPT,SUBSPACE，接着再用命 令EQSLV,PCG。
一、动力分析简介
通常动力分析的工作主要有系统的动力特性分析(即求解结构的固有频
率和振型)，和系统在受到一定载荷时的动力响应分析两部分构成。根据系
统的特性可分为线性动力分析和非线性动力分析两类。根据载荷随时间变 化的关系可以分为稳态动力分析和瞬态动力分析。谐响应分析是用于确定 线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。 可以用瞬态动力学分析确定结构在静载荷，瞬态载荷，和简谐载荷的随意 组合作用下的随时间变化的位移，应变，应力及力。而谱分析主要用于确 定结构对随机载荷或随时间变化载荷的动力响应情况。
Reduced (缩减)法 Reduced法比Subspace法快，因为它使用了缩减的系统矩阵采计算解。但 是由于缩减质量矩阵是近似矩阵，此法的精度较低。 Unsymmetric (非对称)法 Unsymmetric法用于系统矩阵为非对称矩阵的问题，例如流体—结构相互作用问Leabharlann 。二、动力学分析分类_模态分析
模态提取方法
Damped (阻尼)法 Damped法用于阻尼不可忽略的问题，例如轴承问题。 QR Damped (QR阻尼)法 QR Damped (QR阻尼)法最关键的思想是，以线性合并无阻尼系统少量数目 的特征向量近似表示前几阶复阻尼特征值。采用实特征值求解无阻尼振型之后，
运动方程将转化到模态坐标系。然后，采用QR阻尼法，一个相对较小的特征值 问题就可以在特征子空间中求解出来了。 该方法能够很好地求解大阻尼系统模 态解。由于该方法的计算精度取决于提取的模态数目，所以建议提取足够多的 基频模态，这样才能保证得到好的计算结果。
二、动力学分析分类_模态分析
模态提取方法
Block Lanczos (分块兰索斯)法 分块兰索斯(Block Lanczos)法特征值求解器采用Lanczos算法，Lanczos算 法是用一组向量来实现Lanczos递归计算。当计算某系统特征值谱所包含一定范 围的固有频率时，采用分块兰索斯(Block Lanczos)法提取模态特别有效。计算 时，求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求 解低阶频率时基本上一样快。其特别适用于大型对称特征值求解问题。 Subspace (子空间)法 Subspace（子空间）法使用子空间迭代技术，它内部使用广义的Jacobi迭
二、动力学分析分类_模态分析
模态提取方法 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值 问题：
其中： [K]＝刚度矩阵， {Φi} ＝第i 阶模态的振型向量(特征向量)， ωi＝第i 阶模态的固有频率, [M]＝质量矩阵 有许多数值方法可用于求解上面的方程。ANSYS提供了 7种模态提取方法。
在右端面所有节点上施加所有自由度约束
显示所有实体
5、定义求解类型—模态分析
设置模态求解方法和扩展模态阶数
可以设置频率范围
6、求解
后处理—显示模态频率
动态显示模态振型
→ spline
Line:连线1和2；1和5 Spline→with options with Kps 2、3、4、5
由线形成面
3.定义单元尺寸并划分网 格
注：此时单元类型为1，可不指定
定义单元属性：单元类型为2
定义单元尺寸
将面沿Z轴拉伸10
有限元模型
4、定义约束：设置实体---面和节点：目的是为方便施加约束