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ANSYS模态分析实例齿轮模态分析戴繁 2008301890053摘要：利用ANSYS对一种齿轮进行模态分析。介绍ANSYS及其操作步骤和模态分析的应用以及步骤。通过实例，进行具体分析求解，熟悉动力学问题分析的基本方法和基本步骤，提供工程动力学问题的求解思路。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、水利、家电等一般工业及科学研究。ANSYS软件能与大多数CAD软件实现数据共享和交换，它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一。ANSYS软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供包括结构分析、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的偶和分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS提供了100种以上的单元类型。模态分析用于计算结构的固有频率和模态。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。模态分析的经典定义是：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。由于采用模态截断的处理方法，可使方程数大为减少，从而大大节省了计算机时，减少了机器容量，降低了计算成本。模态分析的最终目的是识别出系统的模态参数，未结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特性，同时也是其他动力分析的基础，如谐响应分析、瞬态动力学分析及谱分析等。主要包括以下4个步骤：建立模型。加载并求解。扩展模态。观察结果。下面举出具体实例，利用ANSYS对一种齿轮进行模态分析。问题描述如图1所示为一直齿圆柱齿轮，图1图2为其1/2横截面的结构示意图，齿轮材料参数：弹性模量E=220GP;泊松比v=0.3;密度=7800kg/m3问题分析该问题属于模态分析问题。在分析过程中先建立其中一个齿轮的几何模型，再循环生成整体齿轮，进行模态分析。求解步骤。1、定义工作文件名和工作标题。把jobname设为EXERCISE1。在Change Title输入框中输入MODAL ANALYSIS OF A GEAR。 2、定义单元类型。3、材料性能参数。4、创建几何模型、划分网格。首先按照图2做出平面图形，再通过Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAbout Axis命令，拖拉面生成体。再生成边缘凸起部分，形成单个齿轮几何模型。对单个齿轮进行井陉网格划分。最后通过自动循环扇区设置，生成有限元模型如下：5、加载求解。选择Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，出现New Analysis对话框，选择分析类型为Modal。对Model Analysis进行设置。选择SelectEntities命令，在3个栏中分别选择Nodes,By location,X coordinates。选择On Nodes命令，选择Pick All后，在出现的对话框中选择All DOF。设置完成后，就行计算。6、查看求解结果。显示窗口显示的变形形状如下：相对位移等值线图如下：相对等效应力等值线图如下：选择Main MenuGeneral PostprocRead ResultBy Set Number命令，在对话框中，在NSET Data set number输入栏中输入20，单击OK。显示频率为1545时的变形形状、相对位移和相对等效应力场如下。完成后，推出ANSYS。总结，模态分析的建模过程与其他分析的建模过程相似，但在模态分析中建模应注意两点。1、模态分析属于线性分析，即在模态分析过程中只有线性行为是有效地，如果在分析中指定了非线性单元，程序在计算过程中将忽略其非线性行为，并将该单元作为非线性单元处理。2、在模态分析中，材料的性质可以是线性的、非线性的、恒定的或与温度相关的。在分析中必须指定弹性模量EX和密度DENS，但非线性性质将被忽略。加载并求解过程中。按照进入ANSYS求解器，定义分析类型及分析选项，定义主自由度，在模型上施加荷载，指定荷载同步选项，存储文件，开始求解计算，推出求解器的步骤进行。其中，定义分析类型及分析选项中，如果想要得到单元求解结果，则无论采用何种模态提取方法都必须打开“Calculate elem results”选项。主自由度（MDOF）是指能够描述结构动力学特性的自由度，其选取的规则是选择至少是所需模态阶数1倍数目的自由度。主自由度的定义只有在使用Reduced模态提取方法时有效。在典型的模态分析中位移有效的荷载是零位移约束。如果制定了1个非零位移约束，程序将以零位移约束替代该非零位移约束。扩展模态。如果需要在POST1后处理器中观察求解结果，就必须首先扩展振型，即将振型写入结果文件。扩展振型时，文件Jobname.MODE、Jobname.EMAT、Jobname.ESAV和Jobname.TRI必须存在。观察求解结果。模态分析的结果，即模态扩展的结果被写到结果文件中，其结果数据包括结构的固有频率、已扩展的振型、相对的应