(完整版)ANSYS模態(tài)分析教程及實例講解

1、第三講模態(tài)分析 在開始在開始ansys分析之前，您需要作一些決定，分析之前，您需要作一些決定，諸如分析類型及所要創(chuàng)建模型的類型。諸如分析類型及所要創(chuàng)建模型的類型。 標題如下：標題如下： a. 哪一種分析類型？哪一種分析類型？ b. 模擬什么？模擬什么？ c. 采用哪一種單元類型？采用哪一種單元類型？準備工作哪種分析類型？ 分析類型通常遵循以下原則：分析類型通常遵循以下原則：結構分析結構分析 實體的運動、壓力、接觸實體的運動、壓力、接觸熱分析熱分析 熱、高溫及溫度變化。熱、高溫及溫度變化。電磁場分析電磁場分析 裝置承受電流（交流或直流）、電磁波、裝置承受電流（交流或直流）、電磁波、電壓或電荷激勵

2、電壓或電荷激勵 流體分析流體分析： 氣體或液體的運動，或包容的氣體氣體或液體的運動，或包容的氣體/流體流體耦合場耦合場： 上述分析的任意組合上述分析的任意組合 在這里，我們將集中討論結構分析。在這里，我們將集中討論結構分析。準備工作哪種分析類型？ 當您選擇了結構分析，接下來的問題是：當您選擇了結構分析，接下來的問題是： 靜力還是動力分析？靜力還是動力分析？ 線性還是非線性分析？線性還是非線性分析？ 要回答這些問題，先要知道物體承受什么樣的要回答這些問題，先要知道物體承受什么樣的激勵（載荷），因為下述三種類型的力決定了激勵（載荷），因為下述三種類型的力決定了它的響應它的響應 靜力（剛度）靜力（剛

3、度） 慣性力（質量）慣性力（質量） 阻尼力阻尼力準備工作哪種分析類型？靜力與動力分析的區(qū)別靜力與動力分析的區(qū)別 靜力靜力分析假定只有剛度力是重要的。分析假定只有剛度力是重要的。 動力動力分析考慮所有三種類型的力。分析考慮所有三種類型的力。 例如：考慮跳水板的分析例如：考慮跳水板的分析 如果潛水者靜止地站在跳水板上，如果潛水者靜止地站在跳水板上，做一個靜力分析已經足夠了。做一個靜力分析已經足夠了。 但是如果潛水者在跳水板上下跳動，但是如果潛水者在跳水板上下跳動，必須進行動力分析必須進行動力分析準備工作 哪種分析類型？ 如果施加的荷載隨時間快速變化，則慣性力和如果施加的荷載隨時間快速變化，則慣性力

4、和阻尼力通常是重要的阻尼力通常是重要的 因此可以通過載荷是否是時間相關來選擇是靜因此可以通過載荷是否是時間相關來選擇是靜力還是動力分析力還是動力分析 如果在相對較長的時間內載荷是一個常數(shù)，請選擇靜態(tài)分析。 否則，選擇動態(tài)分析 總之，總之，如果激勵頻率小于結構最低階固有頻率如果激勵頻率小于結構最低階固有頻率的的1/3，則可以進行靜力分析。，則可以進行靜力分析。準備工作哪種分析類型？線性與非線性分析的區(qū)別線性與非線性分析的區(qū)別 線性分析假設忽略荷載對結構剛度變化的影響。線性分析假設忽略荷載對結構剛度變化的影響。典型的特征是：典型的特征是： 小變形 彈性范圍內的應變和應力 沒有諸如兩物體接觸或分離時

5、的剛度突變。應變應力彈性模量(ex)準備工作a. 哪種分析類型？ 如果加載引起結構剛度的顯著變化，必須進行如果加載引起結構剛度的顯著變化，必須進行非線性非線性分析。引起結構剛度顯著變化的典型因分析。引起結構剛度顯著變化的典型因素有：素有： 應變超過彈性范圍（塑性）應變超過彈性范圍（塑性） 大變形，例如承載的魚竿大變形，例如承載的魚竿 兩體之間的接觸兩體之間的接觸應變應變應力應力內容簡介ansys模態(tài)分析功能介紹模態(tài)分析實例操作演示模態(tài)分析的背景簡介學習要點 頻率分析的相關知識頻率分析的相關知識l什么是振動什么是振動l固有頻率固有頻率l固有振動模態(tài)固有振動模態(tài)l共振共振頻率分析的相關知識 什么是

6、振動？什么是振動？ 鐘擺和秋千的擺動，是我們身邊最典型的振動現(xiàn)象。鐘擺和秋千的擺動，是我們身邊最典型的振動現(xiàn)象。 樂器的弦振動而發(fā)出聲音。樂器的弦振動而發(fā)出聲音。 小提琴用弓拉弦，吉他用手指或撥片撥弦，在鋼琴上敲小提琴用弓拉弦，吉他用手指或撥片撥弦，在鋼琴上敲擊琴鍵則小錘打擊琴弦而使琴弦振動起來。擊琴鍵則小錘打擊琴弦而使琴弦振動起來。 洗衣機在脫水時也會突突突地產生很大的振動現(xiàn)象。洗衣機在脫水時也會突突突地產生很大的振動現(xiàn)象。 按摩機是機械的振動，地震則是大地的振動。按摩機是機械的振動，地震則是大地的振動。 如果在不平整的地上或公路上開車的話，也會感到讓人如果在不平整的地上或公路上開車的話，也

7、會感到讓人心情變壞的煩人的振動。心情變壞的煩人的振動。為便于理解振動現(xiàn)象，我們從了解為便于理解振動現(xiàn)象，我們從了解固有頻率（固有周期），固有模態(tài)，固有頻率（固有周期），固有模態(tài)，共振共振等表示振動特有現(xiàn)象的術語開始等表示振動特有現(xiàn)象的術語開始頻率分析的相關知識 固有頻率（以鐘擺為例）固有頻率（以鐘擺為例） 擺動鐘擺，則鐘擺以一定的周期和一定的頻率有規(guī)律地振動擺動鐘擺，則鐘擺以一定的周期和一定的頻率有規(guī)律地振動起來了。起來了。 振動的幅度（振幅）大也好小也好，周期和頻率總是一定的。振動的幅度（振幅）大也好小也好，周期和頻率總是一定的。 振動頻率：是單位時間里擺動的次數(shù)。振動頻率：是單位時間里擺動

8、的次數(shù)。 1秒鐘內的次數(shù)用秒鐘內的次數(shù)用hz（赫茲）來表示。（赫茲）來表示。 周期：擺動周期：擺動1次所需要的時間。次所需要的時間。 鐘擺的形狀（長度）決定了其固有的數(shù)值。鐘擺的形狀（長度）決定了其固有的數(shù)值。 鐘擺越長周期越長，鐘擺越短周期越短。鐘擺越長周期越長，鐘擺越短周期越短。振幅：大振幅：小振幅：大振幅：小 頻率分析的相關知識 固有頻率（以鐘擺為例）固有頻率（以鐘擺為例） 鐘擺的振動所經過的時間越來越小，最后停了下來。鐘擺的振動所經過的時間越來越小，最后停了下來。 這是因為空氣的阻礙、磨擦的阻礙等的阻力妨礙了鐘擺的擺動（振這是因為空氣的阻礙、磨擦的阻礙等的阻力妨礙了鐘擺的擺動（振動）。

9、動）。 因為這樣的阻力作用使振動衰減的力而起作用，被稱為因為這樣的阻力作用使振動衰減的力而起作用，被稱為衰減力衰減力。 。 鐘擺在沒有外部而來的強迫它擺動的力（重力除外）作用下的振動鐘擺在沒有外部而來的強迫它擺動的力（重力除外）作用下的振動稱為稱為自由振自由振動動。 。 與此相對應，地震和汽車因為地基能、發(fā)動機等的強迫力作用下的與此相對應，地震和汽車因為地基能、發(fā)動機等的強迫力作用下的振動稱為振動稱為強強迫振迫振動動。 。任何結構都具有其固有頻率（固有周期），其值由其本身的結構所決定任何結構都具有其固有頻率（固有周期），其值由其本身的結構所決定自由振動是一種無衰減力的振動狀態(tài)，它將永遠不停地振

10、動下去。自由振動是一種無衰減力的振動狀態(tài)，它將永遠不停地振動下去。頻率分析的相關知識 靜力分析中，節(jié)點位移是主要的未知量。靜力分析中，節(jié)點位移是主要的未知量。kd=f中中k為剛度為剛度矩陣，矩陣，d為節(jié)點位移的未知量，而為節(jié)點位移的未知量，而f為節(jié)點載荷的已知量。為節(jié)點載荷的已知量。 在動力學分析中，增加阻尼矩陣在動力學分析中，增加阻尼矩陣c和質量矩陣和質量矩陣m上式為典型的在有阻尼的交迫振動方程。當缺少阻尼及外力上式為典型的在有阻尼的交迫振動方程。當缺少阻尼及外力時，該缺少阻尼及外力時（自由振動），該方程式簡化為時，該缺少阻尼及外力時（自由振動），該方程式簡化為頻率分析的相關知識 固有振動模

11、態(tài)（以弦的振動為例）固有振動模態(tài)（以弦的振動為例） 兩端被固定住的弦，以手指彈一下張緊的弦，弦則振動兩端被固定住的弦，以手指彈一下張緊的弦，弦則振動起來，振動在空氣中傳播發(fā)出聲音。弦以下圖所示的各起來，振動在空氣中傳播發(fā)出聲音。弦以下圖所示的各個振動形式所對應的狀態(tài)，振動起來。這種振動形式稱個振動形式所對應的狀態(tài)，振動起來。這種振動形式稱為弦的為弦的固有模固有模態(tài)態(tài)。固有振動形態(tài)固有振動形態(tài)名稱名稱1階振動2階振動3階振動頻率分析的相關知識 固有振動模態(tài)（以弦的振動為例）固有振動模態(tài)（以弦的振動為例） 固有模態(tài)和固有頻率是一一對應的。對于固有模態(tài)和固有頻率是一一對應的。對于1階固有模態(tài)，階固有

12、模態(tài)，就有以就有以1階固有頻率振動的振動形式，對于階固有頻率振動的振動形式，對于2階固有模態(tài)階固有模態(tài)則有則有2階頻率振動的振動形式。階頻率振動的振動形式。 象這樣所定的頻率和振動模態(tài)組合起來則存在著象這樣所定的頻率和振動模態(tài)組合起來則存在著1階、階、2階、階、3階階等多個振動形式。等多個振動形式。要點：要點：振動的形式（振形）稱為振動模態(tài)。振動的形式（振形）稱為振動模態(tài)。 一般從低頻開始，稱為一般從低頻開始，稱為1階、階、2階、階、3階階固有頻率，并且具固有頻率，并且具 有與各個固有頻率對應的振動模態(tài)。有與各個固有頻率對應的振動模態(tài)。頻率分析的相關知識 共振（以蕩秋千為例）共振（以蕩秋千為例

13、） 蕩得好的人蕩幾下馬上就能蕩得很高蕩得好的人蕩幾下馬上就能蕩得很高 這是因為與秋千擺動的節(jié)拍和時間配合起來的原因。這是因為與秋千擺動的節(jié)拍和時間配合起來的原因。 換句話說，與秋千的固有頻率（固有周期）相配合，這換句話說，與秋千的固有頻率（固有周期）相配合，這種狀況，稱為種狀況，稱為共振。共振。 共振，對于機械和結構一般是應該要避免的一種現(xiàn)象。共振，對于機械和結構一般是應該要避免的一種現(xiàn)象。要點：要點：振動外力的周期和結構固有周期一致或接近則要發(fā)生共振。振動外力的周期和結構固有周期一致或接近則要發(fā)生共振。 共振因為會使振動變得越來越強，一般應該避免。共振因為會使振動變得越來越強，一般應該避免。

14、頻率分析的相關知識 設計就要避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象設計就要避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象洗衣機脫水結束，馬達的轉速低下來時，停止前發(fā)出突突的響聲并晃動起洗衣機脫水結束，馬達的轉速低下來時，停止前發(fā)出突突的響聲并晃動起來。來。這是洗衣機的固有頻率和馬達的轉速一致時產生的共振現(xiàn)象。這是洗衣機的固有頻率和馬達的轉速一致時產生的共振現(xiàn)象。要把脫水時馬達的轉速設計成洗衣機的要把脫水時馬達的轉速設計成洗衣機的1 1階固有頻率以上。從而，在脫水過階固有頻率以上。從而，在脫水過程中不會產生共振現(xiàn)象。程中不會產生共振現(xiàn)象。洗衣機的馬達的轉速直到停止前與它的固有頻率相一致，產生共振，發(fā)出洗衣機的馬達的轉速直到停止前與它的固有頻率相一

15、致，產生共振，發(fā)出突突聲音。此后，因為很短時間即停止，洗衣機不會損壞。突突聲音。此后，因為很短時間即停止，洗衣機不會損壞。頻率分析的相關知識 設計就要避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象共振產生時的條件有以下兩條：共振產生時的條件有以下兩條：激振力的周期（頻率）和物體的固有周期（固有頻率）相一致或接近激振力的周期（頻率）和物體的固有周期（固有頻率）相一致或接近 激振力的持續(xù)時間長到使物體振動以充分發(fā)展的時間激振力的持續(xù)時間長到使物體振動以充分發(fā)展的時間 頻率分析的相關知識 頻率分析就是計算結構的共振頻率及對應振動模態(tài)，不計頻率分析就是計算結構的共振頻率及對應振動模態(tài)，不計算位移和應力算位移和應力 固有頻率：結構趨

16、向于振蕩的頻率，固有的振動頻率。固有頻率：結構趨向于振蕩的頻率，固有的振動頻率。 基本頻率：最低的固有頻率基本頻率：最低的固有頻率 固有振動模態(tài)：特定的固有頻率對應唯一的振動形式。固有振動模態(tài)：特定的固有頻率對應唯一的振動形式。 每種模態(tài)對應著特定的固有頻率每種模態(tài)對應著特定的固有頻率頻率分析的相關知識 設計產品時，應保證產品的固有頻率不與激勵頻率相吻設計產品時，應保證產品的固有頻率不與激勵頻率相吻合。一般可將其固有頻率設計成遠離激振頻率合。一般可將其固有頻率設計成遠離激振頻率10102020以上以上。 為了改變結構的固有頻率在危險范圍外，可通過改變產為了改變結構的固有頻率在危險范圍外，可通過

17、改變產品的幾何結構、材料、避震特性或在適當?shù)牡胤教砑淤|品的幾何結構、材料、避震特性或在適當?shù)牡胤教砑淤|量單元。量單元。 對于結構的固有頻率，如果結構變剛，則頻率高，如對于結構的固有頻率，如果結構變剛，則頻率高，如果變柔，則頻率低。果變柔，則頻率低。 另外，振動部件的重量重，則頻率變低，重量輕，頻另外，振動部件的重量重，則頻率變低，重量輕，頻率變高。率變高。 結構要變剛，即提高結構的剛性，可以加厚構件，可結構要變剛，即提高結構的剛性，可以加厚構件，可以加入補強材。以加入補強材。 結構要變柔，也即進行結構變剛那樣反過來設計，則結構要變柔，也即進行結構變剛那樣反過來設計，則可以用彈簧來支承。對于汽車

18、或電車之類的乘用車的可以用彈簧來支承。對于汽車或電車之類的乘用車的車輪使用了彈簧。車輪使用了彈簧。模態(tài)分析的定義 模態(tài)分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數(shù)。 如果要進行模態(tài)疊加法諧響應分析或瞬態(tài)動力學分析，固有頻率和振型也是必要的。 所有動力學分析的基礎。模態(tài)分析的優(yōu)點 模態(tài)分析的用途： 使結構設計使結構設計避免共振避免共振或以特定頻率進行振動（例如橋梁或以特定頻率進行振動（例如橋梁設計）；設計）； 使工程師可以認識到結構對于不同類型的動力載荷是如使工程師可以認識到結構對于不同類型的動力載荷是如何響應的；何響應的； 有助于在其它動力分析中估算求

19、解控制參數(shù)（如時間步有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)（如時間步長）。長）。 建議：由于結構的振動特性決定結構對于各種動力載荷的響應情況，所以在準備進行其它動力分析之前首先要進行模態(tài)分析。模態(tài)分析的理論基礎通用動力學方程：假定為自由振動（忽略阻尼）：假定為諧運動：這個方程的根是 i， 即特征值， i 的范圍從1到自由度的數(shù)目， 相應的向量是 ui， 即特征向量。 tfukucum 0ukum 02umk模態(tài)分析假定結構是線性的模態(tài)分析假定結構是線性的(如如, m和和k保持為常數(shù)保持為常數(shù))簡諧運動方程簡諧運動方程u = u0cos( t), 其中其中 為自振圓周頻率為自振圓周頻率(rad/

20、s)(rad/s) 注意注意: :模態(tài)分析的理論基礎 特征值的平方根是 i ， 它是結構的自然圓周頻率（弧度/秒），并可得出自然頻率 fi = i /2p。 特征向量 ui 表示振型， 即假定結構以頻率 fi振動時的形狀。模態(tài)提取 是用來描述特征值和特征向量計算的術語。模態(tài)分析的用途 有預應力的結構進行模態(tài)分析。例如旋轉的渦輪葉片。 循環(huán)對稱結構模態(tài)分析。允許對循環(huán)對稱結構的一部分進行建模，而分析產生整個結構的振型。 ansys的模態(tài)分析都是線性分析。 ansys中的模態(tài)提取方法： block lanzos（默認）、子空間、powerdynamics、縮減法、非對稱法、阻尼法和qr 阻尼法。后

21、兩種允許結構中包含阻尼。模態(tài)分析的步驟 建立幾何模型（preprocessor） 劃分網(wǎng)格（mesh tool） 加載和求解（solution） 擴展模態(tài)（mode expansion） 查看結果和后處理（postprocessor）建立模型 定義工作文件名（change jobname） utility menu file change jobname 指定分析標題（change title） utility menu file change title 前處理器/prep7，main menu preprocessor 選擇單元類型 設置單元實常數(shù) 定義材料屬性 創(chuàng)建幾何模型change

22、jobname enter new jobname：輸入文件名 new log and error files？復選框打上鉤change title 在工作區(qū)右下角顯示標題 不能輸入中文 utility menu plot replot設置單元類型13設置單元選項注意：不是所有的單元都能設置單元選項！定義單元的實常數(shù)定義材料屬性加載及求解 進入ansys求解器/solu main menu solution 指定分析類型和分析選項 定義主自由度 僅適用于reduced模態(tài)提取法 在模型上施加載荷 指定載荷步選項 開始求解計算 退出solution main menu finish建模注意事項

23、模態(tài)分析中只有線性行為是有效的，如果指定了非線性單元，則作為線性處理。 例如，包含接觸單元，系統(tǒng)取其初始狀態(tài)的剛度值并且不再改變。 必須指定楊氏模量ex和密度dens，材料性質可以是線性、各向同性和不隨溫度變化的。非線性的特性將被忽略。模態(tài)分析的選項新的分析類型模態(tài)分析模態(tài)提取方法模態(tài)提取的階數(shù)模態(tài)擴展的階數(shù)質量矩陣歸一化預應力效果計算下面將詳細介紹各個選項的使用！選擇新的分析模態(tài)提取方法分塊蘭索斯法，大型對稱特征值問題，較快子空間法，大型對稱特征值問題適用非常大的模型，采用集中質量矩陣減縮的系統(tǒng)矩陣求解，速度快，精度相對低非對稱系統(tǒng)矩陣問題，例如流固耦合阻尼不可忽略的問題減速的阻尼矩陣計算復

24、雜阻尼問題，更高效除reduced方法外，所有的模態(tài)提取方法都要設置階數(shù)。分塊lanczos方法 默認方法，適用于大多數(shù)場合； 是一種功能強大的方法，當提取中型到大型模型（50000 100000 個自由度）的大量振型時（40），這種方法很有效； 經常應用在具有實體單元或殼單元的模型中； 在具有或沒有初始截斷點時同樣有效。（允許提取高于某個給定頻率的振型）； 可以很好地處理剛體振型； 需要較高的內存。子空間方法 比較適合于提取類似中型到大型模型的較少的振型 （40）； 需要相對較少的內存； 實體單元和殼單元應當具有較好的單元形狀； 在具有剛體振型時可能會出現(xiàn)不收斂的問題； 建議在具有約束方程時

25、不要用此方法。powerdynamics方法 powerdynamics 法適用于提取很大的模型（100000個自由度以上）的較少振型（是否擴展模態(tài)？是否擴展模態(tài)？模態(tài)擴展的階數(shù)模態(tài)擴展的階數(shù)計算單元上的結果計算單元上的結果推薦采用默認的集推薦采用默認的集中質量矩陣形成方式中質量矩陣形成方式默認系統(tǒng)處于無應力狀態(tài)默認系統(tǒng)處于無應力狀態(tài)節(jié)省內存節(jié)省內存模態(tài)擴展數(shù) 在縮減法、阻尼法、非對稱法中，必須設置模態(tài)擴展數(shù)。 如果還希望查看除了變形以外單元求解的其他結果，不管選擇了什么模態(tài)提取方法，都需要打開“calculate elem results”選項。 如果想為分塊lanczos方法或子空間法提供

26、標準化的模態(tài)形狀，也需要模態(tài)擴展。集中質量矩陣 這個選項根據(jù)單元類型指定默認的集中質量矩陣的近似方式，建議使用默認值。然而，在一些框架結構中，比如細梁、非常薄的殼或者薄膜問題中，采用集中質量矩陣將獲得更好的計算結果，并且使用集中質量的近似可以加快計算速度，減少內存占有量。預應力效應 默認情況下，ansys模態(tài)分析不包含預應力，結構在無初始應力的情況下進行模態(tài)分析。 考慮預應力效應時，單元文件中必須包括了已進行的靜力分析或瞬態(tài)分析的結果；質量矩陣形式必須和之前的分析一致。其他模態(tài)分析選項 縮減法上一步設置后的彈出對話框：起止頻率振型歸一化處理選項定義主自由度 僅對reduced模態(tài)提取法有效。

27、主自由度master degrees of freedom：指反映結構動力行為特點的重要自由度。選擇主自由度的基本原則 mdof的個數(shù)必須是想得到的模態(tài)數(shù)的2倍以上。 把預計結構或部件要振動的方向選為主自由度。 在有相對較大質量、轉動慣量加相對較低剛度的位置選擇主自由度。 如果最關心彎曲模態(tài)，可以忽略轉動和拉伸自由度。 在施加力或者非零位移的位置選擇主自由度。 對于對稱結構的殼模型，選擇模型中的平行或接近平行于中心線部分的所有節(jié)點的全局ux自由度為主自由度。施加載荷 模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束。 如果施加force/moment/pressure等載荷，將被忽略。使用全模型進行模

28、態(tài)分析 對稱邊界條件只產生對稱的振型，所以將會丟失一些振型。對稱邊界對稱邊界反對稱邊界反對稱邊界完整模型完整模型開始求解 main menu solution solve current ls 使用阻尼方法，特征值和特征向量都是復數(shù)解。求解狀態(tài)加載步選項阻尼選項質量阻尼質量阻尼剛度阻尼剛度阻尼材料阻尼比材料阻尼比輸出 固有頻率文件：jobname.out 固有振型文件：jobname.mode 如果使用了阻尼法，特征值和特征向量都是復數(shù)。特征值的虛部代表了特征頻率，實部代表系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度。正值表示穩(wěn)定。 要進行后處理，還需要對模態(tài)進行擴展。 模態(tài)擴展就是將振型寫入結果文件。擴展模態(tài)的步驟 進

29、入求解器main menu solution 激活擴展處理及相關選項 指定載荷步選項 開始擴展處理 重復24步 退出求解器main menu finish注意：軟件默認是不進行模態(tài)擴展。激活擴展模態(tài)擴展模塊的選項指定要擴展的模態(tài)數(shù)指定要擴展的模態(tài)數(shù)或指定一個頻率范圍或指定一個頻率范圍相對應力計算開關相對應力計算開關打印輸出選項 把結果數(shù)據(jù)（振型、應力、力等）包含到jobname.out中。數(shù)據(jù)庫和結果文件輸出選項 控制jobname.rst文件中的數(shù)據(jù)。選擇none或者every substep開始模態(tài)擴展計算 solution solve current ls 這里將模態(tài)擴展作為單獨一個求解步進行計算，然而，如果在模態(tài)提取選項中選擇了模態(tài)擴展選項的話