SolidWorks頻率分析模態(tài)課件

1、學習要點 頻率分析的相關知識 案例分析頻率分析的相關知識 什么是振動 固有頻率 固有振動模態(tài) 共振頻率分析的相關知識 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。 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(chǎn)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。 如果在不平整的地上或公路上開車的話，也會感到讓人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)象的術語開始頻率分析的相關知

2、識 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。 振動頻率振動頻率：是單位時間里擺動的次數(shù)。 1秒鐘內(nèi)的次數(shù)用Hz（赫茲）來表示。 周期周期：擺動1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） 鐘擺的振動所經(jīng)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（振動）。 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。 鐘擺在沒有外

3、部而來的強迫它擺動的力（重力除外）作用下的振動稱為自由振動。 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振動稱為強迫振動。任何結(jié)構(gòu)都具有其固有頻率（固有周期），其值由其本身的結(jié)構(gòu)所決定任何結(jié)構(gòu)都具有其固有頻率（固有周期），其值由其本身的結(jié)構(gòu)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。Kd=F中K為剛度矩陣，d為節(jié)點位移的未知量，而F為節(jié)點載荷的已知量。 在動力學分析中，增加阻尼矩陣C和質(zhì)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

4、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。這種振動形式稱為弦的固有模態(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） 固有模態(tài)和固有頻率是一一對應的。對于1階固有模態(tài)，就有以1階固有頻率振動的振動形式，對于2階固有模態(tài)則有2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1階、2階、3階等多個振動形式。要點：要點：振動的形式（振

5、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） 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。 換句話說，與秋千的固有頻率（固有周期）相配合，這種狀況，稱為共振。 共振，對于機械和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

6、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。頻率分析的相關知識 設計就要避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象 洗衣機脫水結(jié)束，馬達的轉(zhuǎn)速低下來時，停止前發(fā)出突突的響聲并晃動起來。 這是洗衣機的固有頻率和馬達的轉(zhuǎn)速一致時產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。 要把脫水時馬達的轉(zhuǎn)速設計成洗衣機的1階固有頻率以上。從而，在脫水過程中不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 洗衣機的馬達的轉(zhuǎn)速直到停止前與它的固有頻率相一致，產(chǎn)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。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(chǎn)生時的條件有以下兩條：共振產(chǎn)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

7、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(jié)構(gòu)的共振頻率及對應振動模態(tài)，不計算位移和應力 固有頻率：結(jié)構(gòu)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 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頻率分析的相關知識 設計產(chǎn)品時，應保證產(chǎn)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1020以上。 為了改變結(jié)構(gòu)的固有頻率在危險范圍外，可通過改變產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)、材料、避震特性或在適

8、當?shù)牡胤教砑淤|(zhì)量單元。 對于結(jié)構(gòu)的固有頻率，如果結(jié)構(gòu)變剛，則頻率高，如果變?nèi)?，則頻率低。 另外，振動部件的重量重，則頻率變低，重量輕，頻率變高。 結(jié)構(gòu)要變剛，即提高結(jié)構(gòu)的剛性，可以加厚構(gòu)件，可以加入補強材。 結(jié)構(gòu)要變?nèi)?，也即進行結(jié)構(gòu)變剛那樣反過來設計，則可以用彈簧來支承。對于汽車或電車之類的乘用車的車輪使用了彈簧。頻率分析 加載荷的頻率分析 壓力或拉力載荷會改變結(jié)構(gòu)體抗彎的能力。 應力硬化：拉力 應力軟化：壓力案例一：音叉的頻率分析 案例描述 設計在440Hz的頻率下能夠釋放出一個較低的A音的音叉。運行一次頻率分析來驗證音叉是否會在正確的頻率下發(fā)生振動。此外，在音叉末端加載450N的載荷，以判

9、斷它對共振頻率的影響。 學習內(nèi)容 頻率分析的流程 剛體模式 列舉共振頻率案例一：音叉的頻率分析 關鍵步驟 添加約束。在音叉末端添加固定幾何體的約束，以模擬該手柄被人手握住的效果。 對模型劃分網(wǎng)格 運行分析 后處理結(jié)果 移除固定幾何體：移除約束以獲得更多的振型 加載后的影響。在音叉上作用一個載荷，并觀察添加預應力后對振動模式有何影響案例一：音叉的頻率分析 分析步驟（帶約束） 打開零件：tuning fork 新建頻率分析算例 設置算例屬性案例一：音叉的頻率分析 分析步驟（帶約束） 定義材料： 需要的材料屬性 彈性模量 泊松比 質(zhì)量密度 定義約束 模擬手柄被人手握住的效果為了模擬慣性剛度，頻率分析

10、中模型的材料屬性必須包括材料的密度為了模擬慣性剛度，頻率分析中模型的材料屬性必須包括材料的密度案例一：音叉的頻率分析 分析步驟（帶約束） 劃分網(wǎng)格 默認網(wǎng)格大小，高品質(zhì) 相對于同模型的應力分析而言，頻率分析可采用更粗糙的網(wǎng)格。 運行 查看結(jié)果 查看各階振型案例一：音叉的頻率分析 分析步驟（帶約束） 查看結(jié)果 列舉共振頻率案例一：音叉的頻率分析 剛體模式 模型沒有加約束或部分約束時為剛體運動模式，所有應變?yōu)榱悖逃蓄l率為零。 剛體模式的頻率分析，必須用FFEPlus解算器。 當頻率分析中包含載荷效果時，不能使用FFEPlus解算器。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟（不帶約束） 新建頻率算例 定義

11、材料 劃分網(wǎng)格 運行 查看結(jié)果 查看各階振型 列舉共振頻率 由【列舉模式】窗口可知，最初的6個模式對應的頻率接近為0Hz。最初的6個振動模式對應著剛體模式。由于沒有支撐，作為剛體對應它有6個自由度：3個平移自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟（帶載荷） 注意：運行一個預載荷（預應力）的頻率分析時，模型必須以某種形式支撐在載荷作用的方向上，在沒有支撐的條件下，將產(chǎn)生奇異剛度矩陣，從而導致模型無法求解。 施加載荷 在音叉末端施加450N的壓力 運行分析案例一：音叉的頻率分析 分析步驟（帶載荷） 查看結(jié)果 振型 列舉共振頻率壓力降低抗彎能力，使結(jié)構(gòu)壓力降低抗彎能力，使結(jié)構(gòu)變?nèi)幔l

12、率變?nèi)幔l率變變低。低。拉力提高拉力提高抗彎能力，使結(jié)構(gòu)抗彎能力，使結(jié)構(gòu)變變剛剛，頻率，頻率變大變大。案例一：音叉的頻率分析 總結(jié) 無論有無支撐，頻率分析都可以用于分析結(jié)構(gòu)變形的剛體模式。但現(xiàn)實中沒有無約束的情況，所以是沒有意義的。 頻率分析只計算固有頻率及對應的振動模態(tài)，并不計算振幅或應力。只考慮較低階次的固有頻率及振動模態(tài)。 頻率分析位移結(jié)果只能在相同的振動模式中比較模型不同部位的相對位移，其大小沒有意義。 載荷作用下會導致結(jié)構(gòu)的固有頻率改變，想要正確地分析，任何產(chǎn)生預應力的載荷都需要考慮在內(nèi)。練習 汽車懸架頻率分析 無支撐 有支撐案例二：風扇的頻率分析 項目描述 本練習的主要任務是在考慮

13、及不考慮離心力的情況下，對吹風機風扇進行頻率分析 對吹風機風扇進行一次頻率分析該風扇設計轉(zhuǎn)速可以容許一定范圍的差別。因風扇為對稱結(jié)構(gòu)，為簡化計算，采用一根葉片作為幾何體特征。對固定葉片和旋轉(zhuǎn)葉片各做一次分析，研究由于旋轉(zhuǎn)葉片離心力的作用而增加的剛性所產(chǎn)生的影響效果案例二：風扇的頻率分析 學習內(nèi)容 帶載荷的頻率分析 頻率分析結(jié)果處理 設計情形案例二：風扇的頻率分析 分析步驟（無離心力） 打開零件fan,選擇配置“section” 創(chuàng)建頻率分析算例 定義頻率數(shù)：5階 定義材料：1060合金鋼 添加約束：固定約束 網(wǎng)格劃分 默認網(wǎng)格大小，高品質(zhì)，勾選“自動過渡” 運行算例案例二：風扇的頻率分析 分析

14、步驟（無離心力） 查看結(jié)果案例二：風扇的頻率分析（參閱） 整個風扇不加載頻率分析（設置頻率數(shù)：10階） 前5階振型為單個葉片的上下擺動，頻率類似。案例二：風扇的頻率分析（參閱） 整個風扇不加載頻率分析（設置頻率數(shù)：10階） 后5階振型為單個葉片的左右扭動，頻率類似。案例二：風扇的頻率分析 分析步驟（有離心力） 其余各步驟相同 添加載荷：離心力 加速度：3000r/min，【所選參考】“Axisl”案例二：風扇的頻率分析 分析步驟（有離心力） 選擇解算器：自動或Direct sparse 劃分網(wǎng)格 運行算例注意：注意：當頻率分析中包含載荷效果時，不能使用當頻率分析中包含載荷效果時，不能使用FFE

15、Plus解算器。解算器。案例二：風扇的頻率分析 分析步驟（有離心力） 查看結(jié)果 當考慮離心力引起的拉伸應力時，風扇葉片的基本頻率會有顯著的不同有離心力無離心力案例二：風扇的頻率分析 如果能研究葉片的基本頻率在不同轉(zhuǎn)速下的效果，并畫出基本頻率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，非常有意義。利用Solidworks Simulation“設計情形”，查看在不同的離心載荷下的頻率的變化。將角速度設為6000，9000，12000，15000rpm，查看固有頻率的變化。 使用設計情形 定義參數(shù)：角速度案例二：風扇的頻率分析 使用設計情形 鏈接參數(shù) 添加參數(shù)數(shù)值 運行所有設計情形案例二：風扇的頻率分析 列舉設計情形摘要

16、案例二：風扇的頻率分析 總結(jié) 對于對稱結(jié)構(gòu)，固有頻率分析后振動模式為對稱，會出現(xiàn)幾階固有頻率非常接近的現(xiàn)象。 振動的模式階數(shù)越高，振動的形式越復雜。練習：葉輪的頻率分析 分析葉輪在2000rpm的轉(zhuǎn)速下的頻率。 混合網(wǎng)格 實體與曲面間的接觸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。Kd=F中K為剛度矩陣，d為節(jié)點位移的未知量，而F為節(jié)點載荷的已知量。 在動力學分析中，增加阻尼矩陣C和質(zhì)量矩陣M上式為典型的在有阻尼的交迫振動方程。當缺少阻尼及外力時，該缺少阻尼及外力時（自由振動），該方程式簡化為案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 知識點 頻率分析會涉及剛度系數(shù)和質(zhì)量矩陣，因而結(jié)

17、構(gòu)的外形就必須保持不變。 如下圖所示，在不同載荷作用下，兩個梁可以相互獨立，也可以相互接觸。這兩種情況下的振動特征會截然不同。案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 對裝配體進行分析，要求所有零件都接合接合在一起，不允許有不接觸或有縫隙的情況，不允許有干涉，同時也不能使用螺栓接頭不允許有干涉，同時也不能使用螺栓接頭。 在Simlation中螺栓接頭，我們假設螺栓頭/墊圈和螺母接觸面一直保持接觸，不會在剪切載荷下滑動。故不能使用螺栓接頭。 如果定義了無穿透接觸，由于無穿透接觸可允許接觸面之間分離和接觸，載荷施加后結(jié)構(gòu)的形狀就可能會改變。 因而本例中，無論是螺栓接觸還是無穿透接觸情況都必須使其貼近

18、實際情況。案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 項目描述 發(fā)動機支架支撐著一個較重的發(fā)動機。對該支架進行分析，以判斷發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是否發(fā)生共振。 為簡化模擬過程，假設與發(fā)動機直接接觸的連接部件的剛性很高，而且相對于發(fā)動機的質(zhì)量來說其自身的質(zhì)量可以忽略不計。這樣 ，在進行分析時就能忽略這些零部件。但仍然需要模擬裝配體中的其他連接。 關鍵步驟 遠程質(zhì)量 設置連接 結(jié)合與自由接觸條件案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 打開裝配體“FullBase.sldasm”，配置“no engine” 遠程質(zhì)量 當一個實體的質(zhì)量很重要但其應力和變形不重要時，可處理為遠程質(zhì)量。發(fā)動機不是此

19、次分析關注的對象，故將其視為遠程質(zhì)量。 被視為遠程質(zhì)量的實體會被排除到網(wǎng)格化外，但進行分析時會考慮它被視為遠程質(zhì)量的實體會被排除到網(wǎng)格化外，但進行分析時會考慮它們的質(zhì)量屬性和慣性張量。們的質(zhì)量屬性和慣性張量。案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 添加約束 固定幾何體案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 檢查結(jié)合接觸（結(jié)合配置）案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 劃分裝配體網(wǎng)格 為節(jié)省分析時間，選擇“草稿”品質(zhì)，默認網(wǎng)格大小 運行分析 列舉共振頻率 如果發(fā)動機的工作頻率正好處在這些頻率范圍之間，就必須重新設計以避免共振頻率(弧度/秒) 頻率(赫茲) 周期(秒

20、)873.83139.070.00719911.15145.010.0068962339.2372.290.0026864360.2693.940.0014414634737.530.001356案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 顯示前4階模式案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 顯示前4階模式案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 顯示前4階模式案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟 顯示前4階模式案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟（結(jié)合與自由接觸） 打開算例“Frequency-bonded” 本算例中將支桿與板面之間所有接觸設置為【自由】案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動機支架） 分析步驟（結(jié)合與自由接觸） 剛性銷釘接頭 由于