ANSYS模态分析教程及实例讲解

频率分析的相关知识
• 固有频率（以钟摆为例） – 钟摆的振动所经过的时间越来越小，最后停了下来。 – 这是因为空气的阻碍、磨擦的阻碍等的阻力妨碍了钟摆的摆动 （振动）。 – 因为这样的阻力作用使振动衰减的力而起作用，被称为衰减力。
– 钟摆在没有外部而来的强迫它摆动的力（重力除外）作用下的振 动称为自由振动。
电磁场分析 装置承受电流（交流或直流）、电磁波、
电压或电荷激励
流体分析：
气体或液体的运动，或包容的气体/
流体
耦合场：
上述分析的任意组合
• 在这里，我们将集中讨论结构分析。
准备工作
哪种分析类型？
• 当您选择了结构分析，接下来的问题是： – 静力还是动力分析？ – 线性还是非线性分析？
• 要回答这些问题，先要知道物体承受什么样的 激励（载荷），因为下述三种类型的力决定了 它的响应 – 静力（刚度） – 惯性力（质量） – 阻尼力
• 因此可以通过载荷是否是时间相关来选择是静 力还是动力分析
– 如果在相对较长的时间内载荷是一个常数， 请选择静态分析。
– 否则，选择动态分析 • 总之，如果激励频率小于结构最低阶固有频率
的1/3，则可以进行静力分析。
准备工作
哪种分析类型？
线性与非线性分析的区别
• 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。 典型的特征是：
程中不会产生共振现象。 – 洗衣机的马达的转速直到停止前与它的固有频率相一致，产生共振，发出
突突声音。此后，因为很短时间即停止，洗衣机不会损坏。
频率分析的相关知识
应力
应变
内容简介
模态分析的背景简介 ANSYS模态分析功能介绍 模态分析实例操作演示
学习要点
• 频率分析的相关知识
什么是振动 固有频率 固有振动模态 共振
频率分析的相关知识
• 什么是振动？
– 钟摆和秋千的摆动，是我们身边最典型的振动现象。 – 乐器的弦振动而发出声音。 – 小提琴用弓拉弦，吉他用手指或拨片拨弦，在钢琴上敲
种状况，称为共振。 –共振，对于机械和结构一般是应该要避免的一种现象。
要点：振动外力的周期和结构固有周期一致或接近则要发生共振。 共振因为会使振动变得越来越强，一般应该避免。
频率分析的相关知识
• 设计就要避免出现共振现象
– 洗衣机脱水结束，马达的转速低下来时，停止前发出突突的响声并晃动起 来。
– 这是洗衣机的固有频率和马达的转速一致时产生的共振现象。 – 要把脱水时马达的转速设计成洗衣机的1阶固有频率以上。从而，在脱水过
– 与此相对应，地震和汽车因为地基能、发动机等的强迫力作用下 的振动称为强迫振动。
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 Байду номын сангаас阵，d为节点位移的未知量，而F为节点载荷的已知量。
– 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
固有振动形态
名称
1阶振动
2阶振动 3阶振动
频率分析的相关知识
• 固有振动模态（以弦的振动为例） – 固有模态和固有频率是一一对应的。对于1阶固有模态， 就有以1阶固有频率振动的振动形式，对于2阶固有模态 则有2阶频率振动的振动形式。 – 象这样所定的频率和振动模态组合起来则存在着1阶、2 阶、3阶……等多个振动形式。
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
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：
– A. 哪一种分析类型？ – B. 模拟什么？ – C. 采用哪一种单元类型？
准备工作
哪种分析类型？
• 分析类型通常遵循以下原则：
结构分析
实体的运动、压力、接触
热分析
热、高温及温度变化。
准备工作
哪种分析类型？
静力与动力分析的区别 • 静力分析假定只有刚度力是重要的。 • 动力分析考虑所有三种类型的力。
• 例如：考虑跳水板的分析 – 如果潜水者静止地站在跳水板上， 做一个静力分析已经足够了。 – 但是如果潜水者在跳水板上下跳动， 必须进行动力分析
准备工作
哪种分析类型？
• 如果施加的荷载随时间快速变化，则惯性力和 阻尼力通常是重要的
• 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 个振动形式所对应的状态，振动起来。这种振动形式称 为弦的固有模态。
频率分析的相关知识
• 固有频率（以钟摆为例）
– 摆动钟摆，则钟摆以一定的周期和一定的频率有规律地振动 起来了。
– 振动的幅度（振幅）大也好小也好，周期和频率总是一定的。
– 振动频率：是单位时间里摆动的次数。
振幅：大 振幅：小
– 1秒钟内的次数用Hz（赫兹）来表示。
– 周期：摆动1次所需要的时间。
– 钟摆的形状（长度）决定了其固有的数值。 – 钟摆越长周期越长，钟摆越短周期越短。
击琴键则小锤打击琴弦而使琴弦振动起来。 – 洗衣机在脱水时也会突突突地产生很大的振动现象。 – 按摩机是机械的振动，地震则是大地的振动。 – 如果在不平整的地上或公路上开车的话，也会感到让人
心情变坏的烦人的振动。
为便于理解振动现象，我们从了解固有频率（固有周期），固有模态， 共振等表示振动特有现象的术语开始