ANSYS模态分析

1、模态分析过程模态分析过程由四个主要步骤组成：1.建模； 2. 加载及求解；3. 扩展模态； 4.观察结果 。 下面分别展开进行详细讨论§1.6 建模 主要完成下列工作：首先指定工作名和分析标题，然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型、 单元实常数、材料性质以及几何模型。ANSYS 的建模和网格指南中对这些工作有更详细的说明。注意以下两点：?在模态分析中 只有线性行为是有效的。 如果指定了非线 性单元， 它们将被当 作是线 性的。 例如，如果分析中 包含了接触 单元， 则系统 取其初始状 态的 刚度值并且不再改变此刚度值 。?材料性质 可以是线性的，各向同 性的或正交各向异 性的，

2、恒定的 或 和温度相关 的。在模态分析 中 必须 指定 杨氏 模 量 EX（ 或某种形 式的刚度）和密度 DENS （或某种形式 的质量）。而非线 性特性将被 忽略。§1.7 加载及求解 主要完成下列工作：首先定义分析类型、指定分析 设置 、定义载 荷和边界条件 和指定加载过程 设置 ，然后进行 固有频率 的有 限元求 解。在得到初始 解后，再对模态进行扩展，以 供查看。扩展模态 将在 下一节“扩展模态 ”中进行详细说明。§1.7.1 进入 ANSYS 求解器命令 ： /SOLUGUI ： Main Menu>Solution§1.7.2 指定分析类型和分析

3、选项ANSYS 提供的用于模态分析的 选项如 下表所示 ，表中的每一个选 项都将 在随 后详细解 释 。分析类型和分析 选项选项命令 GUI 选 择途 径New Analysis ANTYPE MainMenu>Solution>-AnalysisType-NewAnalysisAnalysisType:ModalANTYPEMainMenu>Solution>-AnalysisType-NewAnalysis>ModalModeExtractionMethodMODOPTMainMenu>Solution>AnalysisOptionsNumbero

4、fModestoExtractMODOPTMainMenu>Solution>AnalysisOptionsNo. Of Modesto Expand MXPANDMainMenu>Solution>AnalysisOptionsMassMatrixFormulationLUMPMMain Menu>Solution>AnalysisOptionsPrestressEffectsCalculationPSTRESMainMenu>Solution>AnalysisOptions注意： 选择 模态分析时，求解 菜单将显示与模态分析 相关 的菜单项

5、。求解 菜 单有两 种可能 的 状 态“ 简洁 式( abridged )” 或者展开 式（ unabridged)” ，它总是与上一个 ANSYS 任务是的状态相同 。简洁 式菜单仅仅 包括模态分析有 用的或建议的求解 设 置。当显示的是简 洁式求解菜单，如果想访问 其他求解设置 ( 即， 要用到的有效求解设置 ，但该 分析类型 又不 会遇 到） ，就从求界菜 单中选择展开式菜单项展开求解 设置项。详情参见 ANSYS 基本分 析 指南 使用展开 式求解 菜单。注意：在单点 响应谱分析（ SPOPT,SPRS ）和动力学 设计分析方 法（ SPOPT,DDAM ）中 ， 模态 扩 展 可以

6、放 在谱分 析 之后按 MXPAND 命令设置 的重要性 因子 SIGNIF 值有选择地 进行。如果准 备在谱分析 之后进行模态扩展， 请在模态分析 选项（ MODOPT ）对 话框中的设置模态扩展的 选项（ MXPAND ）处选 NO 。§1.7.2.1 选项New Analysis ： 选 择新 分析。注意：在模态分析中 Restart （重启动 ）是无效的。 如果需要施 加不同的边界条件 ，则须做一次新的分析 或采用 <<ANSYS 基本 分析过程指南 >> 的第 3 章中描述 的 Partial Solution （部分求 解）方法 。§1.

7、7.2.2 选项分析类型： Modal 指定分析类型 为 模态分析。§1.7.2.3 选项Modal Extraction Method 指定 提取 模态的 方法 ，选 择 7 种 提取 方法 中的 一种 。对 于大多 数应用，选用 分块 Lanczos 法、子空 间法、PowerDynamics法或缩减法。非对称法、阻尼法和QR阻尼法适于特殊应用。一旦选用某种模态提取方法，ANS YS程序自动选择对应的求解器。注意：非对称法、阻尼法和 QR 阻尼法 在 ANSYS/Professional 产品中无效。§1.7.2.4 选项Number of Modes to Extra

8、ct 除缩减法 以外其他模态 提 取方法该选项都是必须设置 的。对于非对称法和阻尼法 ，应该应当提 取比必要的阶数更多的模态以 降低丢失 模态的 可能性，但需要花费更 长的求解 时间 。§1.7.2.5 选项Number of Modes to Expand 该选项只 在采用 缩减法 、 非对称法和阻尼法时 要求设置。如果想得到单元求解结果， 则不 论采 用何种模态 提取 方法 都需要打开“ Calcucate elem results ”项 。 在用 单点 响 应谱 分析 （ SPOPT,SPRS ）和 动 力 学设计 分 析方 法 （ SPOPT,DDAM ）中 ，模态扩展 可

9、能 要 放 在 谱 分析 之 后 按 命 令 MXPAND 设置的重要性因子 SIGNIF 数值有选择地进行。 如果要在 谱分析后 才进行模态扩展， 则在模态分析 选项（ MODOPT ）对 话框 的模态扩展（ EXPAND ）选项处选 NO 。§1.7.2.6 选项Mass Matrix Formulation 该 选项用于 指定质 量矩阵 计 算方 式：缺省 的质量矩阵（和单元类型有 关，也称为一 致质量矩阵）和集 中质量阵。我们建议在大多数应用中采用缺省 一致质量矩阵 。但对有 些包含“ 薄膜”结构的问题，如细长梁 或非 常薄的壳，采用集中质 量 矩阵近似经 常可产生较好 的结

10、果。另外，用集中质 量阵时求解 时间 短， 需要的内存少 。§1.7.2.7 选项Prestress Effects Calculation 该 选项用于 确 定 是 否考虑预 应力对结 构振型的 影响。缺省 分析过程 不包 括预应力 效应，即结构是 处于无应力 状态。在分析中 希望包含预应力的影响，则必须 首先进行 静力学或瞬态分析生成单元文件，参见“有预应力模态分析 ”。如果 预应力效果选项是 打开的，同时要求当前及随后的求解过程中质 量矩 阵的设置应和静力分析中质 量矩阵的设置必须一致。注意 一在有预 应力 的周期对称单元如 PLANE25 和 SHELL61 上只可以加 轴对

11、称 载荷。§1.7.2.8 其它模态分析选项完成 了 模态分析 选项 ( Modal Analysis Option )对 话框 中 的选择后，单 击 OK ，接着弹出 一个对应于于指定的模态 提取方法的 选项对话框 ，是以下 选择域的组 合：? 域： FREQB ， FREQE 指定感兴趣 的模态 频率范围。 FREQB 域指定第一频移点(低频)一特征值收敛最快的点。在大多数情况下 不需要设置这个域，其缺省值为-1。? 域 ： PRMODE 输出 的 缩减 模态数。 设置此选项 后，在 输出文 件( Jobname.out )中 会列出所设置 数 目的缩减 振 型。 该选项只 对

12、缩减法 有效。?域：Nrmkey 关于振型归一化的设置。有两种选择：相对于质 量矩阵和单位化。如果在模态分析后进行 谱分析或模态叠加法分析， 则应该选择相对于质量阵进行归一化处理。为了在随后得到各 阶模态 的最大响应 （模态 响应），须用模态系数去乘振 型。实 现的方法是用 *GET命令（在谱分析完成后）查到模态系数并在SET命令中将模态 系数用做比 例因子 。?域：RIGID设置提取 对已知有刚体运动结构进行子空间迭代分 析时的零频振型。 只适用于 Subspace 和 PowerDynamics 法 。? 域： SUBOPT 指定多种子空间迭代选项。详细情况参见 <<ANSYS

13、 命 令 参 考 手 册 >> 。 只 适 用 于 Subspace 和 PowerDynamics 法 。? 域： CEkey 指定处理 约束方程的方法。可选用 的方法： Direct elimination method （ 直 接 消 去 法 ） 、 Lagrange multiplier（quick）method（ 快 速 拉 格 朗 日 乘 子 法 ）、 Lagrangemultiplier（accurate）method（精确拉格朗日乘 子法）。该选项只 适用于分块 Lanczos 法。（参见“循环对称结构的模态分析 ”部分的表 8“CE 处理 法”。）§1.

14、7.3 定义主自由度在模态分析中，有 时需要指定主 自由度，并且只 适用于缩减法 。 主自由度（M自由度（DOF ）指能描述结构动力学特性的“重要的” 自由度。主自由度（DOF）选取的规则是选择至少是感兴趣的模态阶 数的一倍数目的主自由度（DOF ）。建议用命令根据对结构的动力学 特牲的了解定义尽可能多的M自由度（DOF），并用命令让程序按照 刚度/质量比选取一 些附加的主 自由度。 用命令可 以列出已定义的 M 自由度（DOF ）,用命令可以删除无关的M自由度（DOF ）。关于主 自 由度的更详细 内容参见 “矩阵 缩减 ”部分。命令 ：MGUI ：MainMenu>Solution&

15、gt;MasterDOFs>-UserSelected-Define§1.7.4 在模型上加载荷在典型的模态分析中 唯一有效的“载荷”是零位移约束 。（如果在 某个自由度（DOF ）处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约 束替代在该自由度（DOF ）处的设置）。可以施加除位移约束 之外的 其它载荷，但它们将被忽略 （见下面的说明） 。在未加约束的方向上， 程序将解算刚体运动（零频）以及高阶（非零频） 自由体模态。下 表 给出了施加位移约束 的命令。载荷可以加在实 体模型（点、 线、面） 上 或加在有 限元模型（点和单元） 上。参见 <<ANSYS 基本 分析过程

16、 指南 >> 第 2 章关于 实体模型加载 有限元加载的 比较的 探讨。注意： 其它类型的载 荷力，压力，温度，加速度等一可以在模 态分析中指定， 但在模态 提取 时将被忽略 。程序会计 算出 相应于所 加 载荷的载荷向量 ， 并将这些向量写到振型文件 Jobname.MODE 中 以便在模态 叠加法谐响应分析或瞬态分析中 使用。 模态分析中 可施 加 的 载 荷 载 荷 形 式 类 别 命 令 GUI 途 径 Displacement（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ） 约 束 D Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-

17、Structural-Displacement在分析过程中， 可以施加、删除载荷或进行载 荷列表、载荷间运算 。§1.7.4.1 用命令加载下表列出了在模态分析中 可以用来加载的 命令 。模态分析中的加载 命令 载 荷形式实 体 或 FE 模型 图素施 加删除 列表 运算 加载 设置 Displacement 实体模 型 关 键点 DK DKDELE DKLIST DTRAN 实体模型线DLDLDELEDLLISTDTRAN 实 体模型面DADADELEDALISTDTRAN FE 模型节点DDDELEDLISTDSCALEDSYM,DCUM1.7.4.2利用GUI 施加载荷所有的载

18、 荷操作（除了列表）均可通过一系列的下 拉菜单选取。 在求解 菜单中 选取 载 荷 操作类型（ Apply 、 Delete 等），然后 选 载荷 类型（ Displacement 、 Force 等）， 最后选取将 施 加载 荷的对 象 （keypoint 、line 、node 等）。比如要在 一条线 上施加位移 载荷，则 可 按 如 下 GUI 途 径 实 现 ： GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>On Lines§1.7.4.3 载荷列表可按如下 GUI途径列表

19、显示施加的载荷：GUI: UtilityMenu>List>Loads>load type§1.7.5 指定载荷步选项模态分析中 唯一可用 的载荷步选项是 阻尼选项，如下表所示 。载 荷步选项选项 命令 GUI 途径 阻尼（动力学 ）选项 Alpha （质量 ）阻 尼 ALPHAD Main Menu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>DampingBeta刚度）阻尼BETADMainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>Damping 恒 定阻

20、尼比DMPRATMainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc> Damping 材料阻尼比MP,DAMPMainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Other>Change Mat Props>-Temp Dependent-Polynomial阻尼 只在有 阻尼 的模态 提取 法 中使用 ，在其它模态提取法中阻尼将被忽略 。如果模态分析 存在阻尼并指定阻尼 模态提取 方法，那么 计算出 的特征值将是 复数解。详细内容参见“模态提取法”介绍，同时请参 阅“瞬态动力学 分 析”中关于 阻尼

21、的介绍 。注意： 如果在模态分析后 将进行单点 响应 谱分析，则在这样的无阻尼 模态分析中 可以指定 阻尼。虽然阻尼并不 影响特征值 解，但它将被用于 计算 每个模态的有 效阻尼比 ，此阻尼比 将用于 计算谱产生的响应。参见“谱分析 ”中的讨论。§1.7.6 参与系数表输出参与系数表列表显示提取的每个模态的 参与系数、模态 系数和质 量分布百分数。在总体直角坐标系三个轴向和转动方向上，均假 定施 加单位位移 谱激励 ，就计 算出参与 系数和模态 系数。同时，列表显示 缩减 质量分布。当使用实特征值模取方法（如子空间法 、分块 Lanczos 法或 QR 阻尼法 ）进行模态分析 时，将

22、计算 转动参与 系 数。注意 你 可以执行*GET命令获取一个参与系数或模态系数。参与系数或模态系数适用于在最后应用的坐标系（3 D 分析绕 Z 轴旋转）方向上 定义的 激励（假定为单位位移 谱）。为了获取其他方向上的参与系数 或 模态 系数，在指定 方向上 （SED ）定义 激励 谱， 执 行 谱分析，然 后执行*GET命令获取一个参与系数或模态系数。§1.7.7 求解将数据库备份到文件中。这 样便可在重新进入 ANSYS 后用命令 RESUME 来恢复以前建的模型。开 始求解计算：命令： SOLVEGUI ： Main Menu>Solution>-Solve-Cur

23、rent LS§1.7.7.1 输出求解输出内容主要是固有频率，固有频率被写到输出文件 Jobname.OUT 及振型 文件 Jobname.MODE 中。输出内 容中也可以 包含缩减的振型和参与系数表，这取决于对分析 选项和输出控制的设 置。由于振型现在还没 有被写到数据库 或结果 文件中，因此还不能对 结果进行后处理。 要进行后处理， 则还需对模态进行扩展 （后面 将进 行解释）。§1.7.7.2 子空间（ Subspace ）模态提取法的输出 如果采用子空间模态提取法，那么在输出内 容中可能会看到这样 的警告 ：“ STURM number = n should be

24、 m ”，n 和 m 是整数，表示某阶模态被漏掉了，或者第m阶和第n阶模态的频率 相同而 要求输出的只有第 m 阶模态。 你可以用下面的两个 方法来检 查被漏掉的模态：使用更多的迭代向量和改变特征值提取法的漂移点 数值。下面简要阐述这两种方法（详细内容参见ANSYS理论参考 手册 >> ）。? 方法 1 ：使用更多的迭代 向量 为了使用更多的迭代向量 ，可以执行命令 SUBOPT,NPAD °GUI方式则按下列步骤进行：1.选择菜单路径Main Menu>Solution>Analysis Options ， 弹出 Modal Analysis 对 话框；2.

25、选择 SUBSPACE 提取法，指定提取的模态数 目，然后单 击 OK 按钮，弹出 Subspace Modal Analysis 对话框;3.改变 NPAD 域的数 值，然后单 击 OK 按钮。? 方法 2 ：改变特 征值提取 法的漂移点数值 为了改变特 征值提取 法的漂移 点数 值，可以执行命令 MODOPT,FREQB 。GUI 方 式 则 按 下 列 步 骤 进 行 ：1. 选 择 菜 单 路径 MainMenu>Solution>AnalysisOptions ，弹出 Modal Analysis 对话框；2.选择 SUBSPACE 提取法，指定提取的模态数 目，然后单

26、击 OK 按钮，弹出 Subspace Modal Analysis 对话框 ;3.改变 FREQB 域的数值，然后单击0K按钮。如果采用的是阻尼模态提取法，求得 的特征值和特征向量都是 复数。特征值的虚部代表固有频率，实部是 系统稳定性的 量度。如果采用的是 QR 阻尼模态提取法，求得的特征 值是复数。 但是，求得的实特征向量用于 模态叠加法。§1.7.8 退出求解器现在必须 退出求解器。命令： FINISHGUI ： 关闭 Solution 菜单§1.8 扩展模态 从严格意 义上讲，“扩展”这个词意味着将缩减解扩展 到完整的自由度集上。 “缩减解”常用主自由度表达。而在

27、模态分析中， 我们用“ 扩展”这 个词指将振型写入结果文件。也就是说，“扩展模态 ”不仅适用于缩 减模态 提取 方法 得到 的缩减 振型，而且 也适用于其它 模态 提取 方法 得 到的完整振型。因此，如果想在后处理器中察 看振型，必须先扩展 之 （也就是将 振型写入 结果 文件）。谱分析中同样要求进行模态扩展。在单点响应谱分析（SPOPT,SPRS）和 动力学 设计分析方法（SPOPTQDAM ）中，模 态扩展 可以放在谱分析 之后按命令 MXPAND 中设置 的阀值 SIGNIF 有选择地进行。如要将模态扩展放在谱分析之后进行，请在“ Mode analysis options （模态分析

28、选项 ） ”（MODOPT ）对 话框 中的“ mode expansion （模态扩展） ”栏（ MXPAND ） 选 NO 。模态 叠加法不需要扩展模态。§1.8.1 注意要点? 模 态 扩 展 要 求 振 型 文 件 Jobname.MODE 、 文 件 Jobname.EMAT 、Jobname.ESAV 、及 Jobname.TRI （ 如果采用缩 减法 ） 必须 存 在。?数据库中必须包含 和解算模态时所用模型相同的分析模型。§1.8.2 扩展模态1. 重新进入 ANSYS 求解器。命令 ：/SOLUGUI ： Main Menu>Solution 注意

29、在扩展处 理前必须 （ 用命令 FINISH ）明 确地离开求解器 并重新 进入求解器。2. 激活 扩展处理及 相关选项 。ANSYS 提 供的扩展处理 选项 有：扩 展处理 选项选项命令 GUI 途径 Expansion Pass On/Off EXPASS Main Menu>Solution>-Analysis Type-ExpansionPassNo.ofModes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass >ExpandModesFreq.RangeforExpan

30、sionMXPANDMainMenu>Solution>-LoadStepOpts? ExpansionPass>ExpandModesStressCalc.On/OffMXPANDMainMenu>Solution>-LoadStepOpts? ExpansionPass>Expand Modes ? 选项 ：ExpansionPass On/Off 选择 ON （打开）。选项：Number ofModes to Expand MXPAND,NMODE 指定要扩展的模态数。记住：只有经过扩展的模态 可在后处理器中进行观察。 缺省 为不 进行模态扩展。? 选

31、项 ：Frequency Range for Expansion MXPAND,FREQB,FREQE 这是另一种控制要扩展的模态数的 方法。如果指定 了一个频率范围， 那么 只 有该 频 率范 围 内 的模 态 会被 扩 展 。? 选 项： Stress Calculations On/Off MXPAND ，Elcalc 如果准备 在模态分析 后进行谱分析并对产生谱的应力和力感兴趣则打开（ON ）此选项。模态分析中的 “应力”并不 代表结构中的实际应力，而只是给出一个 各阶模态之间相对的应力分布的概念。缺省为不 计算应力3. 指定载荷步选项模态扩展处理中 唯一有效的选项是 输出 控制 ：?

32、 Printed Output 此选项用 来设置在输出文件 Jobname.OUT 中包含所 有的结果数 据(扩展 得到 的振型， 应力 ，力)。命令 ： OUTPRGUI ： MainMenu>Solution>-Load StepOpts-Output Ctrls>SoluPrintout ? Databaseand resultsfile output 此选项用 来控制 结果 文 件 Jobname.RST 中 包含 的数 据。OUTRES中的FREQ域只可为ALL或NONE ;即要么输出所有 模态要 么不输出任何模态的数 据。比如，不可能输出每隔一阶的模态 信息 。命

33、令 ：OUTRESGUI ：Main Menu>Solution>-LoadStepOpts-Output Ctrls>DB/Results File4. 开始扩展处理扩展处理的输出包括已扩展的 振型，而且还可以要求包含各 阶模态的 相对应力分 布。 命令 ：SOLVEGUI ：Main Menu>Solution>GurrentLS5. 如须扩展另外的模态 (如不同频率范围的模态) 请重复步骤 2、 3和4每一次扩展处理在结果 文件中存储为单独的载荷步。 谱分析要求 所有 的 扩展模态保存在一个载荷步中 。 在单点响应谱分析(SPOPT,SPRS)和 动力学 设

34、计分析方法(SPOPTQDAM )中，模 态扩展 可以放在谱分析之后按命令 MXPAND 中设置的重要性因子SIGNIF值进行。如要将模态扩展放在谱分析之后进行，请在“ModeMODOPT ）对 话框 中的analysis options （模态分析 选项 ）“ modeexpansion （模态扩展）”栏（MXPAND ）选 NO。6. 离开 SOLUTION现在可以在后处理器中观察结果 了。 命令 ：FINISHGUI ：关闭 Solution 菜单注意 一扩展处理在这 里是做为一个单独的阶段。但如 果在模态求解 阶段即包含了 MXPAND 命令，程 序就将不 仅解出特 征值和特征向量，而

35、且 扩展指定的 振型。§1.9 观察结果模态分析的结果（ 即模态扩展处理的结果） 被写入 到结构分析结 果文件 Jobname.RST 中。分析结果 包括：?固有频率?扩展振型?相 对应力和力分布（如要求输出了）。 可以在 POST1/POST1 即普 通后处理器中观察模态分析的结果。 模态分析的 一些常 用后处理 操作 将在下面予以描述。关于后处理功能的完整描述参见 <<ANSYS 基本 过程指南 >> 的 第 4 章 。§1.9.1 注意要点?如要在 POST1 中观察结果， 则数据库中必须包含 和求解 时相同 的模型。?结果 文件 Jobnam

36、e.RST 必须 存在。§1.9.2 观察结果数据的过程：1.读入合适子步的结果数据 。每阶模态在结果 文件中被存为一个单独的子步。 比如扩展了 6阶模态，结果 文件中将有由 6 个子步组成的 一个载荷步。 命令 ：SET,SBSTEPGUI ： MainMenu>GeneralPostproc>-ReadResults-substep2.执行任何想做 的 POST1 操作。常用 的模态分析 POST1 操作 如下：§1.9.3 选项：列 表显示所有频率 用于列出所有已扩展模态对 应 的 频率 。下面 是一 个 该 命令 输出 结果的 例 子 ： *INDEX

37、OF DATA SETS ON RESULTS FILE*SETTIME/FREQLOAD STEPSUBSTEPCUMULATIVE122.973111240.476122378.082133 4188.34144 命 令 ： SET,LISTGUI ： Main Menu>General Postproc>List Results>Results Summary§1.9.4 选 项 ： 图 形 显 示 变 形 命 令 ： PLDISPGUI ： Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape 用 PLDISP 命令 的 KUND 域可设置将 未变形形状 叠加在 显示结果中。§1.9.5 选项：列 表显示主自由度 命令 ：MLIST,ALLGUI ：MainMenu>Solution>MasterDOFs>List ALL 注意 一如要用图形方式显示主自由度，请选择绘制出模型中的 节点（ GUI 途径 Utility Menu>Plot>Nodes 或命令 NLIST ）。§1.9.6 选 项 ： 线 单 元 结 果 命 令 ： ETABLEGUI ： Main Menu>General Postproc>E