06_Nastran正则模态分析

mass only
● BEND
● 集中质量仅包含对角线、平动分量（无转动分量）。
● 耦合质量包含非对角矩阵平动分析也包含转动分量，像
BAR (无扭矩，默认选择或使用 Nastran BARMASS=1)， BEAM和BEND单元。
S6-8
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S6-13
计算原理（续）
● 案例
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S6-14
计算自然模态的原因
● 评估结构系统的动态特性。例如，如果一个旋转机械将被
安装到某一个建筑上，为了避免共振，需要评估旋转机械 的旋转频率是否与建筑的自然频率接近。
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S6-18
自然模态和频率分析中的几个重要问题和结 果（续）
● 自然模态的（振幅）定标是任意的，例如;
1 300 1 = 1 = 0.5 150
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S6-22
计算模态方法（续）
● 兰索斯法（Lanczos Method）
这一方法是跟踪法－变换法的综合方法。是Nastran的推荐算 法的。
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S6-7
质量矩阵（续）
● 只有集中质量的单元是：Elements that have lumped
mass only
● CONEAX, SHEAR
● 只有耦合质量的单元是：Elements that have coupled
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计算模态方法（续）
变换为如下形式：
A = l
然后，使用Givens 方法或Householder 方法八矩阵A变换为 上对角矩阵。最后， 使用QR 算法将所有的特征值一次提 取出来。这里提供了两种Givens 方法和两种Householder 方法： GIV（基本的）， MGIV（修正的）， HOU（基 本的）， 和MHOU（修正的）。当需要提取大部分结构特 征值是，这一方法更加有效。
· ·= – kx mx or · · mx + kx = 0
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控制方程（续）
● 对于多自由度系统，控制方程为：
· · M x + K x = 0
S6-5
质量矩阵（续）
● 质量矩阵例子
2 1 L 3 4
这里： r A
= =
质量密度 截面面积
1 2 0 0 0 0 0 M = rAL 0 0 12 0 0 0
5 12 0 M = rAL 1 12 0 0 0 0 0
● 集中质量矩阵
● 耦合质量矩阵
0 0 0 0
0 0 0 0
S6-4
质量矩阵
●
质量矩阵代表结构的惯性属性。Nastran提供2个选择定义结 构质量：、
1. 集中质量矩阵(默认) 仅存在非零对角元素 2. 耦合质量矩阵 存在非零非对角元素 （注意: 对于杆单元，只有平动自由度是耦合的。）
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● 评估结构系统的动力学放大影响。 ● 利用自然模态分析指导后续动力学分析（瞬态响应、频响
分析等），采用合适的dt为瞬态分析等。
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S6-15
计算自然模态的原因（续）
det K – M = 0
需要用到数值方法。
2
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S6-20
计算模态方法
● Nastran提供下面三类模态特征值提取方法。 ● 跟踪方法（Tracking Methods）
· · x = – e
S6-9
2
it
计算原理（续）
● 将方程 6-2 和 6-3 带入方程 6-1, 我们可以得到
– M e
2 it
+ K e
it
=0
可以简化为
K M 0
2
这是一个特征值问题。
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计算原理
● 考虑
(6-1)
· · M x + K x = 0
● 假定解的形式为整形振动
(6-2)
x = e
it
(物理上，这意味着所有的坐标点完成同步运动。结构系统在振动中只是 振幅发生改变，而结构振动形状不发生改变。)
● 从方程6-2
(6-3)
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● 与自然频率 j 对应的是特征向量 j 。自然模态描述了
结构变形的形状特征
● 当结构振动时，其在任意给定时刻的形状变形都是自然模
态的线性组合。
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使用迭代技术，每次迭代确定一个特征值（自然频率），这 里提供两中可供选择的逆幂法：INV（基本型）和SINV （改进型）。当只有少数几个自然频率需要求解时，这一 方法比较方便，一般来讲，SINV比INV更可靠一些。
● 变换方法（Transformation Methods）
将初始的特征值问题
K lM 0
S6-23
自然模态分析工况定义卡片
● 执行控制
● SOL 103
● 工况控制
● METHOD = x
这里X是在模型数据中相对应的 EIGR 或EIGRL卡片标识 号， 可以被用在多个工况中。
● 模型数据
● EIGR 卡片- 特征值提取卡片
S6-16
自然模态和频率分析中的几个重要问题和 结果
● 如果结构没有被完全约束，或者如果结构有一个刚体模态（无
应力模态），或者结构系统中有一个机构，那么至少一个频率 为为零。 ● 例如: 下面无约束结构有一个刚体模态。
x1
x2
m k
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● PARAM,COUPMASS,1 是选择耦合质量，针对所有的 BAR, ROD, 和
PLATE 单元，这些包含弯曲弯曲刚度。 ● 默认是集中质量。
● 具有耦合或集中质量矩阵的单元类型如下：
● BAR, BEAM, CONROD, HEXA, PENTA, QUAD4, QUAD8, ROD,
TETRA, TRIA3, TRIA6, TRIAX6, TUBE
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S6-11
计算原理（续）
●
特征值问题就退化为求解如下问题
| ( [ K ] – 2 [ M ] ) | = 0
或者 |([K]–l[M]) |= 0 这里 l = 2
● 用自然模态分析为后续瞬态响应、频响等做准备，如果采
用模态法做动力学分析，如何确定合适截止模态频率。
● 指导结构试验布置，加速度传感器位置等。
● 你老板告诉你要这么做。
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.66 1 = .33
DAI代表同一个的“振动模态”
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S6-19
自然模态和频率分析中的几个重要问题和结 果（续）
● 确定自然频率，解下面的方程：
1 12 0 5 12 0
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S6-6
质量矩阵（续）
● 耦合质量与集中质量对比
● 耦合质量通常情况比集中质量更加准确。 ● 集中质量在动力学计算更加迅速。 ● 对模型单元，用户选择耦合质量方法:
这里 [K] [M] = = 结构刚度矩阵(和静力学相同) 结构质量矩阵(它代表结构的惯性属性)
[K] 和 [M] 必须是实阵、对称阵。
● 记住:
系统自由度数目要满足描述系统在任意给定时刻 振动的要求。
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SECTION 6
正则模态分析
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S6-1
正则模态分析
PAGE 控制方程 质量矩阵 理论结构 计算模态原因 自然模态频率计算中的重要问题 模态计算方法 模态分析卡片定义 质量属性定义 质量检查 输出节点重量 SUPORT 支持卡片定义 自然模态分析卡片
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4 6 10 16 18 22 25 26 29 30 31 33
S6-2
Hale Waihona Puke Baidu
控制方程
● 考虑单自由度系统SDOF，如下图：
k
这里：m k
= =
质量 刚度
m
x
● 系统自由振动方程(i.e. 没有外载荷和阻尼) 是:
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S6-12
计算原理（续）
● 如果有N个带附加质量的自由度，就会有N 个’s 的特征值
问题的解。这些 ’s (1, 2, ..., N) 是结构的自然频率， 也叫特征频率、基频、或者共振频率。
S6-10
计算原理（续）
●
因此, 有两种情况：
1. 如 | ( [ K ] – 2 [ M ] ) | = 0 , 根据方程 6-4) ，只可能是 {
0，这被称作平凡解且在物理上无意义。
2. 否则 | ( [ K ] – 2 [ M ] ) | = 0 才能使 { }有非平凡解。
m
1 1 = 0 1 = 1
S6-17
自然模态和频率分析中的几个重要问题和结 果（续）
● 自然频率(1, 2, ...,) 的结果用radians/seconds表示。它们
能够使用hertz (cycles/seconds)表示，如下：
j radians second f j hertz = -----------------------------------------------2