ANSYS模态分析实例和详细过程

1、均匀直杆的子空间法模态分析1. 模态分析的定义与其应用模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或 模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者那么允许在建立一局部循环对称结构的模型来完成对整 个结构的模态分析。ANSYS提供的模态提取方法有 ：子空间法(subspace)、分

2、块法(block lancets), 缩减法 (reduced/householder) 、动态提取法(power dynamics) 、非对称法(unsymmetric), 阻尼法 (damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义 了也将被忽略。2. 模态分析操作过程一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以与观察结果四个步 骤。(1) .建模模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模

3、型以与划分有限元网格等根本步骤。(2) .施加载荷和求解包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的 求解等。指定分析类型， Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择 Modal。指定分析选项，Main Menu-Solution-AnalysisType-Analysis Options，选择 MODOP模态提取方法，设置模态提取数量 MXPAND.定义主自由度，仅缩减法使用。施加约束，Main Me nu-Solutio n-Defi ne Loads-Apply-Structural-Displacem

4、e nt。求解，Ma in Men u-Solutio n-Solve-Curre nt LS。(3) .扩展模态如果要在POSTI中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。过程包括重新进入求解器、激话扩展处理与其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。激活扩展处理与其选项，Main Me nu-Solutio n-Load Step Opts-Expa nsio npass-Si ngleExpand-Expand modes。指定载荷步选项。扩展处理， Mai n Menu-solutio n-Solve-Curre nt LS 。注意:扩展模态可以如前述方法单独进行，也可以在施加载荷和

5、求解阶段同时进行。本例即采用了后面的方法(4) .查看结果模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等实例1均匀直杆的模态分析3问题描述与解析解图8-1所示为一根长度为 L的等截面直杆，一端固定，一端自由。己知杆材料的弹性模量E=2X 1011 N/ m2护，密度p=7800 kg/ m3，杆长L=0.1 m.要求计算直杆纵向振动的固有频率。图均匀宜杆的阖有频率分析根据振动学理论，假设直杆均匀伸缩，如图8-1所示等截面直杆纵向振动第i阶固有频率为= (2i 1) i = 2L.E rad/s (i=1,2)将角频率i转化为周频率f ,并将参数代入，可得厂詈,冷,2780011 =1265

6、9(2i-1)Hz(8-1)阶次12345频率(Hz)12659379786329688615113933按式(8-1)计算出直杆的前5阶频率，列表如表8-1所示。4.分析步骤4.1改变工作名拾取菜单 Utility Men u-File-Cha nge Job name弹出如图 8-2所示的对话框，在"/FILNAM" 文本框中输入 EXAMPLE8单击“ 0K按钮。IK.-CE?W 2C 2M6Modalq>£ unxfora 0匚雷-厲心口匸呂肆4.2创立单元类型拾取菜单Main M-Preprocessor-Eleme nt Type-Add/Edi

7、t/Delete,弹出对话框，单击"Add"按钮：弹出对话框，在左侧列表中选择"StructuralSolid" ，在右侧列表中选择 "Brick20node 186",单击"OK"按钮：单击对话框的“ Close"按钮。A Element Types吊iZKdi 十广PreferencesPrepr 匚上 ssuj s EIejiebt TmdeE：E Swi (ah El也ii Tjrpfe I? Add DOFDefined EL err已rrt 丁“旦可nr® de町旺dB Rtmoy

8、DOFs§ Elen Tech Control0 Real Cans V euitsS Material PropsEl SectionsH lu del lii%s Xcahinc0 Checking Ctrlsa NuMbericig CtrlsS Archivr VodrlS Cciupliicm / Ceqp EHlulti-field Set Up til Lu adlss Physics0 Path Oprrnli onn SuluCionr<ti onm . 1 Dr'let eCloeeGeninrni Postproc TineULst Poetpro

9、 ROK ToolRadiation Opt Sesiiuii Edilurni nh/ _ib'jry cf Element ypc&ncret 6520rude 1B620node 186Drr y structural ? emert t'/pes Library of Elennent TypesQuad 4 node L&28 node 183Brick 3 node L&5Cdiictrl4.3定义材料属性拾取菜单 Main Menu-Preprocessor-Material Props-Material Models.弹出对话框，在右侧列

10、表中依次双击 "Structural", "Li near", "Elastic", "Isotropic"，弹出对话框，在"EX"文本框中输入2e11弹性模量.在"PRXY'文本框中输入0.3泊松比.单击"OK"按钮： 再双击右侧列表中"Structural" 下"Density", 弹出对话框，在"DENS'文本框中输入 7800密 度，单击"OK"按钮。然后对话框。13 Pr

11、 f cTenc: csEj Preprocessor3 Element TypeIB Re&IB I h i nri al PrtipfiFl WntKT?理1 Library u Teweratiire Lhiit!； 士 辰.gutma畧 Uni H 吕-Cunverl ALPm SChnngn Inf Niib in Fni Inirr Critrria Hffritc to Flic 9 Read frra File ffi Sections 习 Ro<31iiig 田 K Rfihi ng 田 Checkihr Ctrls 3 Hunberlns Ctrle 0 Ar

12、chive ladel S Cuuplin / S Rnlti-fiel d Set Vp 3 l-irnds03 Fulh Opt-raliuna 0 Soluti on GeneraI Postproc B Ti=Hi st Posti>TO mEDI Toolin Dt ui ijiiKpl ui ei 0 Prob Di*ai sn EJ Radi ati on OptF-A Linear Isotropic Properties for Material Number 1Linear Isotrupic JlaterLal Properties for Natecrial Wu

13、inber 1T1PRXTTempera tore Delete TempeTatureCancelf DnEity for Material NumberOKDensity for Material Number 1T1TemperaturesDENS7800Add TeinperatureDelete Temperatur巴Graph |OK I CancelHdp4.4创立块拾取菜单 Main Menu - Preprocessor - Model in g-Create- Volumes - Block- ByDimension。弹出对话框，在"X1,X2"文本框中

14、输入 0,0.01，在"Y1,Y2"文本框中输入 0,0.01 , 在"Z1,Z2"文本框中输入 0, 0,1,单击"OK"按钮。F- PrrfrTnncrs曰 PreprocessorG3 Elrneot Typel±) RealI Const ELnt sB latcrialIB Seclitiai； Modellzig日 CrfintcB KeypointsS LinesS AreasEl VoliutegH krbi LraxpyFlBy 2 CcirncTS A Z 0 Bjy C已rrt巧 Carnr. ZDii

15、nefisiaja：Q Cyl 1ndex (±1 Pri swi 田 Sphere 间 Cuue TonmEl NodfnS Kle*t：nlgS Cunt 3.c l f'a_LrECircuiIffl TrariEdiicerc R OperutvB V nvr / Ifld-i fy 田 CopyB Rtifl ectW Chiet k Gr uhj出 Delete0.00.010.00-010.1|CancelHelpABio：.:k b L；BLOC< Create Bieck by Cinriensions X1,X2 X-c&*rdifiatMV

16、1PY2 V-coordiratesZ1,Z2 Z-cocrdirateGOK IApply4.5划分单元拾取菜单Main Men u-Preprocessor-Meshi ng-MeshTool。弹出对话框，单击''Size.Controls"，区域中"Lines"后"Set"，按钮，弹出拾取窗口，任意拾取块 x轴和y轴方向的 边各一条短边，单击0K"按钮，弹出对话框，在"NDIV"文本框中输入3，单击"Apply"按钮: 再次弹出拾取窗口，拾取块 z轴方向的边长边，单击&qu

17、ot;OK"按钮。在"NDIV"文木框中输入 15,单击"OK"按钮。csliTuuiLtemenl Atlfitwtei.| llobil二|S*厂 SriarrSidJFine6CO9I3®M»hToolSie Controls吐b°lleafChaLnetClwrFlpClearClr曲4岂厂 Mqppe:zweepMesh:占件&:pniTsirid目 Pref ercn c c s曰 Pr cpiroc Es s nrE Element Type叵 Real Const zmts回 lat Erl

18、al Props Sect iansE fludEllngB IcshineS lesli AttxibiJites Size Ctitrl sBIcsher Opts CuuGaLcuat c I call ludif/ IrUi Clicck Ic±ihEl Clear Check!tig CIris Niuiberiii C IrlaIH Archive ludel Cuuplit / Ceqn lulti-field Set Up Luals Physics Path OpeiiiliuiL Sulutiun Gent;cal rosLprut TinBHi&t Pu

19、slpru ROff Tuol DesiiXplurcr Prob Dc&Irii RudiatiuiL OplS Sestiiuri Edi I urf Element Sizs on Picked JnesSIZE Elemerrt edge lengthLESIZE Element sizes cnpi匚ked linesNOIV No. of element divisionsCNDIV is used only if SIZE is blank or zero)KYND1V SI2E.NDIV can be changedSPACE Spacirg ratioANGS1Z D

20、ivision arc (degreesC use ANGS1Z 口rrly i£ nuim ber cf divisions (NDIV) and色lenient q討g芒 length SIZE are blank ar ;&ro)O<Can&lHelp匚lear attached areas and volumes| MoLES1ZE Element sues on picked linosSIZE Elem&nt frdge lengthfMDIV No. of element divisions(NDIV is used only if SIZ

21、E is blank or zero) KYND1V S1ZE.NDTV can be changedSPA匚E Spacing ratioANCSIZ Division arc degrees7 Yesf use ANGSIZ crrly if number of divisions (NDIV) and element edge length (SIZE are blank or zero)Clear attached areas and volumesApp*yC ancel在Mesh区域，选择单元形状为"Hex"六面体，选择划分单元的方法为"Mapped&

22、quot;映射 单击Mesh按钮，弹出拾取窗口，单击"OK"按钮。MeshToolElement Attributes:2JCoarse'Snnait Size jJFiria8Size Ccntiofc:GlobalAreasLinesLaverKevpts輔强h:| Volumes |Shape： C Tet C*7 HexQ Hepped 1 Sweep| 3 or 4 sided 二|hl «hI匚I沏F!的匕 at Elements二|Refine图1单元划分4.6施加约束拾取菜单MainMen u-Solutio n-Defi neLoads-

23、Apply-Structural-Displaceme nt-On Areas弹出拾取窗口，拾取z=0的平面，单击"OK"按钮.弹出对话框，在列表中选择"UZ",单击"Apply"按钮;再次弹 出拾取窗口，拾取y=0的平面，单击"OK"按钮，弹出对话框，在列表中选择"UY"，单击"Apply" 按钮再次弹出拾取窗口，拾取x=0的平面，单击"OK"按钮，弹出对话框，在列表中选择"UX"，单击"OK"按钮。所加约束与图8

24、-1不同.主要是为了与推导式8-1所作的轴向振动假设一致。约束施加的正确与否，对结构模态分析的影响十分显著，因此对于该问题应十分注意， 保证对模型施加的约束与实际情况尽量符合。罔 Preferences El Preprocessor 日 Solution AnaLyci s Type Define LoadsS Set tinje 曰 Apply Structurala Displacenent 诃 On Lincs 刊 耳 On Keypoint sOn NndRK 问 On Node Cuiipunt：nt： El SynuiiPtT-y Br Ant i- symin 氏 C- R F

25、nnpiit Pressure0 T emperatvie 田 IneTTia 閏 Pretncn Se<tn £3 Geel Plane Strain 田 Other 田 F让M Voluiic Intr Ini ti al Condit* n Load Vector 国 Functioruj3 Delete13 OpcrotcApp'ly Ul.ROT on AreasQ3UDt =1Maxinim tMznzim 1Ar e a g =1t* 14 謂 h ef I fan 口 广 MintI Na_zF IncANSYSMOT 20 2DLPlci M,1 He

26、pHodal analysis of uniformOA ApplyURO" w reasLab2 DOFs to he corstrained/ Apply UrROT on Area <Apply 科if Constant value then;VALUE Displacement valueCancelIApply C'.FOl on Areasif* Live of iTp-aMiei, MiSK, lacC3Pik AllHlpMcda.1 cLRalyslB o£ unxEczn. tr_3ubapace(* Single 广 BckMOV 20

27、2021xr?： 38：14 /、OA Apply DiphccmnUURO"暫n Areas Lab2 DOFs to he corstrainedf Apply UrROT on Area lApply 科if Constant value then;VALUE Displacement valueOKApplyCancel4.7指定分析类型拾取菜单 Main Menu-Solution-AnalysisType-New Analysis。弹出对话框，选择"Typeof Analysis" 为"Modal",单击"OK"

28、按钮。 Preferences S Preprocessor Solution曰 Analysis Type旨 Restart 旨 Sol n ControlsS Define LoadsE Load Step OptsS SE Kanagement (CIS) Results I rackingS Solve田 Manual Rezaning s Multi-field Set Up 国 AD AIS Coiuiect£on S OiagnQstiQsS Unabridged Icnu3 General Postproc 国 TimeHist Postprw ROH Tool田 D

29、esignXplorerQ Prob DesignS Radi ation Opt § Session Editor 园 Finishirrsinriwri lire Tin r>制站IC HarmonicC Transient厂 Spectrum 广 Eign BucklingC Substructuring/CMSOK ICan c*l IHelp I4.8指定分析选项拾取菜单 Ma in Men u-Solutio n-A nalysis Type-A nalysis Optio ns。弹出对话框，在"No. of modes to extract"

30、文本框中输入 5，单击"OK"按钮：弹出"Block Lanczos Method", 单 击"OK"按钮。B PreferencesE Pireprocessor 曰 Solutiont ions Analysi s Type New Analysis 旨 ExpqnslonPgLss田 Define LoadsEl Load Step OptsIH SE nanageiDent (CHS) 5Results Tracking 0 SolveEl Manual Rezoning 0 lulti-field Set Up El AD

31、AIS Cannection0 DiagnosticsS Unabridged Menu General PostprDc TimeHi st PostproE ROM ToolE BesignXplorer(±1 Prob DesignE Radiation OptSession Editor園 Finish/ Ih/lodal AnalysisMODOPT Mode extraction method广 Block Lanczos <* PCG LanczosC ReducedC Un symmetricC DampedC QR DampedC SupernodeNo. o

32、f modes to eictract(must be specified For 自|l methods except the Reduced metliod)MXPANDExpand mode shap»臣¥esNMODE No of modes to expand5|Elealc Calculate elem result?厂NoLUMPM Use lumped mass approx?厂NqPSTRES ncl prestress effects?|NoOK |BnT |Help I4.9指定要扩展的模态数拾取菜单 MainMenu-Solution-LoadSte

33、pOpts-Expansionpass-SingleExpand-Expand modes。弹出对话框，在 "NMODE文本框中输入 5,单击"OK"按钮。4.10求解拾取菜单 Main Menu-Solution-Solve-CurrentLS。单击"Solve Current Load Step对话框的"OK'按钮。出现"Solution is done! 提示时，求解完毕，即可查看结果了。S PrefcrexiGcsS Preprocessor曰 Solution Analysi s TypeS Define Loads

34、回 Load Step OptsE SE ManageifiEnt (CMS) SResults TrackingSolveS3Nanual Rezoning Iulti_field Set Up ADAM5 Connection Diagnostics S Unabridged Menu General Postproc TimeHist P口stpro ROI Tool DeslgnXpLorer Prob Design Q Radiati on Opt H Session. Ediior 邑 Finish'urrent LSEE 田 S图2求解结果4.11列表固有频率拾取菜单 M

35、ain Me-General Postproc-Results Summary 。弹出窗口，列表中显示了模型的前5阶频率，与表8-1相对照，可以看出结果虽然存在一定的误差，但与解析解是基本符合的。查看完毕后，关闭该窗口。SPreferencesE PreprocessorE SolutionResults Summar口 GeiLexal Postpxoc 聞DEa圧氏Optw国 Read Re sult s闰 Failure Criteria田 Plot ResultsE List ResultsE Query Results1 Opt!ons for OutpS Results Vi ew

36、erE Write PGR TileE Nodal CalcsE Element TableE Path OperationsE Surface OperationsS Load CaseE Check Elem Shape 闵 Wri 1: e Resul t sE RON OperationsE SubmodelingB FatigueQ Safety FactorS Define/Hodify圍 Nonlinear Diagnostics 阖 Reset(±l Manual RezoningE TineHi st Postpro国 ROM ToolE OesignXploTer

37、SETrLJST Comm 3 n4.12从结果文件读结果拾取菜单 Main Menu-General Postproc-Read Results-First Set.4.13改变视点为便于更好地观察模型的模态。拾取菜单Utility Menu-PlotCtrls-Pan ZoomRotate. 在弹出的对话框中，单击“ Left 按钮.Pan-oom-R-otsteWindow TTopFrontEot禹ck| ObliqLeftRQht WPZoom Bad. UpBox Zoo n J Wiri Zoom.304 JRate厂 Dpnamic Mode存 ModelLights1LLtH

38、ENlSANSYSNOV 20 202117:52:21Mudd! AQdlym丄2uil±£o£a str_AuLapdce4.14用动画观察模型的一阶模态拾取菜单 Utility Menu-PlotCtrls-Animate-Mode Shape。弹出对话框，单击" OK按钮。观察完毕，单击"Animation Controller "对话框的"close"按钮。H Preferences E Preprocessor ® Sol-utLon 日 General Postproc Data A File Opts 国 Results Siuiunaxy B Rcd ResultsSFirst Set 圍 Next Set 邑 Pxeious Set 邑 Last SetPickS aa圍 By Load Step SBy Time/Freq 園 By Set Numbex B FLOTRAN 2.1A E Failure Criteria Plot Results S List Results Query Res