机械零件自由模态数字试验误差分析开题报告

扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题 目 机械零件自由模态数字试验误差分析 题目来源 指导老师出题 题目类型 为结合科研 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化 开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。） 本毕业设计（论文）课题应达到的目的： （ 1）培养 自己的调查研究以及资料、信息的获取、分析及绘图能力 ； （ 2）培养学生的工程设计能力，主要包 括设计、计算及绘图能力； （ 3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力； （ 4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力； （ 5）培养学生的撰写设计说明书、论文的能力； 本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起止日期 工 作 内 容 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 4 月至 5 月 1） 外文参考资料译文 (附原文 )； 2） 10 篇以上的相关中英文资料查 阅，书写开题报告 (含文献综述 )； 到相关企业 参观实习，书写实习调研报告 ； 3） 中期检查表。（要求在毕业设计工作中期完 成，连同封面及原文装订成册）； 4） 熟练利用有限元软件 ANSYS 对机械零件进 行模态分析。 5） 通过改变模态分析方法，单元形式、有限 元网格的密度等因素，分析其对模态分析 结果的影响。 6） 研究自由模态试验中的吊装形式、悬挂使 用绳索的刚度对模态分析结果的影响。 7） 对论文做最后的整理 。 文献综述 1.模态分析的起源与 发展 模 态分析技术作为结构动力学中的一种“逆问题”分析方法从 20 世纪 60年代后期发展至今已经有 40 多年的历史了。模态分析的经典性定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的，机械阻抗的概念早在 20 世纪 30 年代就已经形成，经过几十年的发展其理论及方法已经较为完整。 进入 20 世纪 80 年代以后，有限元法在理论的指导下 ，其应用已由弹性力学平面问题扩展到 空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题，从固体力学扩展到流体力学、传热学等学科，成为应用广泛的分析工具。同时随着计算机技术的发展和软件工程的兴起，大型商用有限元软件在更好的人机界面、更强的分析功能、更直观结果的显示方面取得了长足的进步，并日益和计算机辅助设计 CAD 软件集成在一起，形成了一个新的领域 CAE，给工程设计带来巨大的变革。由于有限元法特别适合于计算机程序编写，因此许多国家都编制了大型通用的有限元程序，如美国加利福尼亚大学研制的 SAP 软件、麻省理工学院研制的 ADINA 软件、美国国家 航空与宇航局研制的 NASTRAN 软件等。 近 10 余年来，模态分析理论吸取了有限元方法、结构动力学理论、信号分析、数据处理、数理统计及控制理论中的有关知识，并与 CAE 技术结合起来，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数辨识技术的发展奠定了理论基础。由于模态分析技术的迅猛发展，无论是理论基础还是实际应用都愈趋成熟。目前这一技术已经被广泛应用于实际工程中的振动问题，如航空、航天、机械、船舶、建筑、土木、水利、医药等。 2.ANSYS 有限元法的简介 2.1、有限元法的软件实现 采用现有软件开展有限元分析的 典型流程分为以下 5 个阶段： 数学物理建模阶段：对面临的工程问题进行必要的建模分析，确定分析问题的时间、空间区域（即定义域）以及能描述所分析问题的数学物理方程。 有限元模型前处理阶段：主要任务是建立完整的可以求解的有限元模型，这样的模型包括全部的单元信息、节点信息和定解条件。目前几乎所有的有限元软件都提供了两种建立有限元模型的技术途径，即基于定义域几何模型自动生成有限元模型和直接建立有限元模型。前者建立过程中主要包括建立问题定义域的几何模型；选择合适的单元类型：包含单元形状、节点数及分布（决定插值函数的形式） 、材料参数等；设置单元划分参数（单元尺寸、单元密度及分布）；设置单元划分算法，将建立的定义域几何模型自动离散成指定的单元模型。后者建立过程中主要包括输入节点位置，建立节点模型；选择单元类型：包含单元形状、节点数及材料的参数等；根据单元类型指定节点建立原定义域的离散单元模型。 数值计算阶段：该阶段主要是进行结果输出选项、方程组求解算法、文件输出路径等的设置。 结果后处理阶段：通过数字、图表、静 /动态图像等方式显示得到的计算结果。显示方式对结果的合理性检验和理解有较大的促进作用。 评价及优化改进阶段：评价及改进 包括两方面的含义：一是对单次计算得到的结果精度或合理性的评价，并基于评价结果进行有限元计算模型的改进；二是对基于合理的计算结果对原问题进行评价，以及基于评价结果进行工程设计的改进或优化。 3.2、 ANSYS 的基本分析步骤 ANSYS 基本分析步骤大致可分为三个模块：前处理、加载求解和后处理。相应的 ANSYS 软件架构分为两层，一是起始层（ Begin Level），二是处理层（ Processor Level） ,这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。 ANSYS 的主要处理模块： 1）前 置处理（ General Preprocessor,PREP7），包括建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序；材料属性；模型的单元划分； 2）求解处理（ Solution Processor,SOLU），包括负载条件；边界条件及求解； 3）后置处理（ General Postprocessor,POST1或 Time Domain Postprocessor,POST26） ,其中 POST1 用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不 同的表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。 POST26 仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。 3.ANSYS 模态分析 ANSYS 的模态分析过程包括四个步骤： （ 1）建立模型：指定项目名称和分析标题，然后在前处理中定义单元类型、单元实常数、材料性质和模型几何性质； （ 2）加载及求解：定义分析类型和分析选项，施加载荷，进行固有频率的有限元计算，在模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束； （ 3）扩展模态：将振型写入结果文件，只有扩展模态后才能在后处理中看到振型； （ 4）后处理：经过扩展模态后，模态分析的结果包括固有频率、扩展的模态振型、相对应力和力分布将被写入到结构分析结果文件中去。 ANSYS 提供了 6 种模态提取方法： （ 1）子空间迭代法（ subspace）：用于求解特征值对称的大矩阵问题； （ 2）分块法（ block lanczos）：也可用于以上的问题求解，收敛速度更快； （ 3） Power Dynamic 法。用于非常大的模型（超过 100000 个自由度），主要是用在求解结构的前几阶模态以了解模型特征的问题； （ 4）缩减法（ Reduced）：采用缩减的系统矩阵来求解，较子空间迭代法速度快，但准确性要差一些。使用缩减法时，必须仔细选择主自由度，主自由度选择的不当可能导致不正确的质量分布和不正确的特征值； （ 5）非对称矩阵法（ Unsymmetric）：用于求解模型生成的刚度矩阵、质量矩阵存在不对称的问题； （ 6）阻尼法：有些问题阻尼不能忽略，阻尼法允许在结构中包含阻尼因素。 主要参考文献 1ANSYS 高级技术指南 2蒋玉川，李章政， 弹性力学与有限元方法 ， 化学工业出版社 ，2010； 3夏建芳，叶南海， 有限元法原理与 ANSYS 应用； 4任学平，高耀东， 弹性力学基础及有限单元法， 华中科技大学出版社，2006； 5孙泽世，王锋，子模型技术在桥梁分析上的应用 ； 6宋志安，于涛，李红艳，等，机械结构有限元分析 ANSYS 与 ANSYS Workbench 工程 应用，国防工业出版社， 2010； 7廖日东，有限元法原理简明教程，北京理工大学出版社， 2009； 8鲁建霞，苟惠芳，有限元法的基本思想与发展过程； 9宁连旺， ANSYS 有限元分析理论与发展； 10李黎明， ANSYS 有限元分析实用教程 ，清华大学出版社 ， 2005； 11张红松，胡仁喜，康士廷等， ANSYS 13.0 有限元分析； 12许文本，焦群英，机械振动与模态分析基础 . 北京：机械工业出版社 . 1998； 13师汉民，机械振动系统：分析测试建模对策（上、下册）（第二版） . 华中科 技大学出版社 . 2004 14刘国庆，杨庆东 ANSYS 工程应用教程 机械篇 2003 15杨帅，王太勇 .，竖直方向弹性约束悬臂梁的固有频率分析 天津大学 报 2011（ 44）： 18-22 16陈忠，滚动轴承及其支承刚度计算 煤矿机械 2006（ 3） 387-388 17杨康，韩涛， ANSYS 在模态分析中的应用 佳木斯大学学报 2005 18袁安富，陈俊 ANSYS 在模态分析中的应用 19梁军，赵登峰 模态分析方法综述 20龙英，滕召金，赵福水 有限元模态分析与发展趋势 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 1.课题研究目标和主要设计内容 1.学习了解机械振动相关内容； 2.掌握 各种模态分析的基本方法及适用范围； 3.熟练掌握有限元软件 ANSYS 进行进行一般的模态分析； 4.通过改变模态分析方法，单元形式、有限元网格的密度等因素，分析其对模态分析结果的影响； 5.能够 通过数值 分析 和研究