模态分析的相关知识(目的、过程等).ppt

1、第2章，模态分析，M2-2，模态分析，第1节：模态分析的定义和目的，第2节：关于模态分析概念、术语和模态提取方法的讨论，第3节：学习如何在ANSYS中进行模态分析，第4节：练习几种模态分析，第5节：学习如何用预应力进行模态分析，第6节：学习如何使用循环对称，M2-3，模态分析。模态分析是一种用于确定结构振动特性的技术。模态分析是所有类型动力分析中最基本的内容：固有频率模态的参与系数(即某一模态在特定方向上参与振动的程度)。M2-4，模态分析的定义和目的(续上一页)，模态分析的好处：使结构设计避免共振或以特定频率振动(如扬声器)；以便工程师能够识别结构如何响应不同类型的动态载荷；这对其它动态分析

2、中的控制参数(如时间步长)的估计和求解是有帮助的。建议：由于结构的振动特性决定了结构对各种动态载荷的响应，在准备其他动态分析之前，应进行模态分析。M2-5，运动的一般方程：假设自由振动，忽略阻尼；假设简谐运动：这个方程的根是I，即特征值，I的范围从1到自由度数，对应的向量是uI，即特征向量。模态分析第二节：术语和概念，模态分析假设结构是线性的(例如，m和k保持不变)简谐运动方程u=u0cos(wt)，其中w是自然周向频率(弧度/秒)，注意：M2-6，模态分析的术语和概念(续上一页)，特征值的平方根是wi。 可以得出结论，固有频率fi=wi /2p特征向量ui表示振动模式，即假设当结构以频率fi

3、振动时的形状模式提取是一个用于描述特征值和特征向量计算的术语，M2-7，模态分析-术语和概念模式提取方法，在ANSYS中有几种提取模式的方法：Block Lanczos，subspace，PowerDynamics，reduction， 不对称和阻尼，使用哪种模式提取方法主要取决于模型的大小(相对于计算机的计算能力)和具体的应用场合，M2-8，模态分析-术语和概念模态提取方法-Block Lanzos方法，这种方法可用于大多数场合：它是一种强大的方法，在从中型到大型模型(50.000-100.000自由度)提取大量模式时非常有效(40)； 它通常用在具有实体元素或壳元素的模型中。不管有没有初始

4、截断点，它也是有效的。(允许提取高于给定频率的模式形状)；刚体的振动模式可以很好地处理。需要高内存。M2-9，模态分析-术语和概念模态提取方法-子空间方法，其更适合于提取与中型到大型模型相似的较少模态(40)，并且需要相对较少的存储器；实体单元和壳单元应具有良好的单元形状，并注意任何关于单元形状的警告信息；当存在刚体模态时，可能发生收敛；建议当存在约束方程时，不要使用这种方法。M2-10，模态分析-术语和概念模态提取方法-动力动力学方法，适用于提取大型模型的较少模态(100.000自由度以上)(20)。这种方法明显比Block Lanczos方法或子空间方法快，但需要大量的内存；当单元形状不好

5、或出现病态矩阵时，该方法可能不收敛；建议仅将此方法用作大型模型的备份方法。子空间技术使用功率解算器(PCG)和常数质量矩阵；不执行Sturm序列检查(针对缺失模式)；它可能影响多个重复频率模型；如果使用动力动力学方法，必须执行刚性命令(或在分析设置对话框中指定刚性设置)。注释：动力动力学方法，M2-11，模态分析-术语和概念模态提取方法-简化方法。如果模型中的集中质量不引起局部振动，如梁和杆，则可以采用减缩法：这是所有方法中最快的；需要更少的内存和硬盘空间；采用矩阵约简方法，即选择一组主自由度来减小k和m的大小；简化刚度矩阵k是精确的，但简化质量矩阵m是近似的，近似程度取决于主自由度的数量和位

6、置。当结构的抗弯能力较弱时，如细长梁和薄壳，不推荐使用这种方法。注意：中选择主自由度的原则，请参考。M2-12，模态分析-术语和概念模态提取方法-非对称方法，适用于声学问题(具有结构耦合)和其他具有非对称质量矩阵m和刚度矩阵k的类似问题：计算以复数表示的特征值和特征向量，实部是固有频率的虚部，表示稳定，负值表示稳定。正值表示不确定。请注意，不对称方法采用Lanczos算法，不执行Sturm序列检查，因此省略了高端频率。M2-13。模态分析。术语和概念模态提取方法。阻尼法。模态分析中阻尼一般被忽略，但如果阻尼效果明显，则应采用阻尼法：主要用于旋转体动力学，此时陀螺阻尼应是主要阻尼；在ANSYS的

7、BEAM4和PIPE16单元中，陀螺效应可以通过用实常数定义自旋(转速，弧度/秒)选项来解释；计算用复数表示的特征值和特征向量。虚部是固有频率；实数表示稳定，负值表示稳定，正值表示不确定。注意，该方法采用Lanczos算法，不执行Sturm序列检查，因此不同高端频率的节点之间存在相位差。响应振幅=实部和虚部的矢量和，M2-14，模态分析第三节：步骤，模态分析有四个主要步骤：建模、选择分析类型和分析选项、施加边界条件和求解评估结果。建模：必须定义密度，只能使用线性元素和线性材料，非线性属性将被忽略。参见第1章，M2-15，建模的典型命令流程(续)中建模要考虑的因素，/PREP7 ET，议员，行政

8、长官，议员，丹斯！建立一个几何模型！网格划分，M2-16，模态分析步骤，分析类型和选项，建模，分析类型和选项：进入求解器并选择模态提取选项*模态扩展选项*其他选项* *将在后面讨论。典型命令：/solutan类型，MODEL，M2-17，模态分析步骤：选择分析类型和选项(续)，模态提取选项：方法：建议在大多数情况下使用Block Lanczos方法。模式数：必须指定频率范围(减少方法除外):默认全部。然而，它可以被限制在一定的范围内(FREQB到FREQE):约束方程将在后面讨论：它主要用于对称循环模式(后面讨论)，典型的命令MODOPT，M2-18，模态分析步骤选择分析类型和选项(续)，模态

9、归一化：因为自由度解没有实际意义，它只显示模态形状，即每个节点如何相对于其他节点移动。模式形状可以相对于质量矩阵m或单位矩阵I进行归一化.相对于质量矩阵m归一化振动模式是默认选项，这也是频谱分析或下一次振动模式叠加分析所要求的。如果你想比较整个结构的相对位移值，你应该选择归一化振动模式相对于单位矩阵1，M2-19。选择模态分析步骤的分析类型和选项(续)。模态展开：对于简化方法，展开意味着从简化的振动模态中计算所有的振动模态；对于其他方法，扩展意味着将振动模式写入结果文件；如果你想做以下任何工作，你必须扩展模式：在后处理中观察模式形状；计算元素应力；执行后续光谱分析。，典型命令：M2-20，模态

10、分析步骤：选择分析类型和选项(续)，模态展开(续):建议展开模态的数量应等于提取模态的数量，以便成本最小。M2-21，模态分析步骤：选择分析类型和选项(续)，其他分析选项：集中质量矩阵：主要用于细长梁或薄壳，或波传播问题；对于PowerDynamics方法，自动选择集中式质量矩阵。预应力效应：用于计算预应力结构的模式(稍后讨论)。阻尼：阻尼仅在选择阻尼模式提取方法时使用；可以使用阻尼比阻尼和阻尼；BEAM4和PIPE16装置允许陀螺阻尼。M2-22，用于选择分析类型和选项的典型命令(续)，显示模式，关闭或打开显示模式，关闭或打开显示模式，BETAD，DMPRAT，M2-23，在模态分析步骤中应

11、用边界条件并求解它们，在建模中应用边界条件并求解它们，选择分析类型和选项：位移约束：下面讨论外部载荷：因为假设振动。然而，由ANSYS程序形成的载荷向量可以用于随后的模态叠加分析：稍后讨论，M2-24，模态分析步骤施加边界条件并求解它们(续)，位移约束：施加必要的约束以模拟实际的固定情况；刚体的振动模式将在没有施加约束的方向上计算；不允许非零位移约束。典型命令： DK，或d或DSYM DL，检察官，M2-25，在模态分析步骤(续)、位移约束(续)中施加并求解边界条件：对称边界条件仅产生对称振动模式，因此一些振动模式将会丢失。对称边界、反对称边界、完整模型、M2-26、模态分析步骤：应用边界条件

12、并求解它们(续)、位移约束(续):对于平板中间有孔的模型，所有模型和四分之一模型的最小非零振动频率如下。在反对称模型中，由于沿对称边界的条件不为零，它失去了频率为53Hz的振型。M2-27，模态分析步骤施加边界条件并求解它们(续)。求解：通常采用一个加载步骤；为了研究不同位移约束的影响，可以使用多个载荷步骤(例如，一个载荷步骤用于对称边界条件，另一个载荷步骤用于反对称边界条件)。典型命令： SOLVE，M2-28，模态分析步骤观察结果，建模选择分析类型和选项，施加边界条件并求解观察结果，进入通用后处理器POST1，列出每个固有频率的观察模式，观察模态应力，M2-29，模态分析步骤观察结果(续)

13、，列出固有频率：选择通用后处理器菜单中的“结果汇总”；请注意，每个设备都保存在单独的子步骤中。典型命令： /POST1 SET，LIST，M2-30，模态分析步骤的观察结果(续)，观察振动模式：首先采用“第一次设置”、“下一次设置”或“按载荷步骤”，然后绘制模态变形图：形状：一般后处理图结果变形形状。请注意，振动模式号(SUB=)和频率(FREQ=)在图例中给出。M2-31，模态分析步骤观察结果(续)，观察模式形状(续):模式形状可以是动画的：实用程序菜单绘图ctrls动画模式形状.m2-32，观察结果的典型命令(续)，设置，1，1！第一模式ANMODE，10.05！动画是10帧，间隔0.05

14、秒，设置，1，2！第二模式ANMODE，10， 05set，1，3！第三模态ANMODE，10.05，m2-33，模态分析步骤的观察结果(续)，模态应力：如果在选择分析选项时，激活了单元应力计算选项，则可以得到模态应力的应力值，这没有实际意义。然而，如果模式形状相对于单位矩阵是统一的，则可以在给定的模式形状中比较不同点处的应力，从而可以找到可能的应力集中。，典型命令： PLNSOL，s，EQV！绘制冯米塞斯应力等效图，M2-34，模态分析步骤的观察结果(续)，归一化为单位矩阵的模态形状，M2-35，模态分析步骤，建模，选择分析类型和选项，应用边界条件和解决观察结果，M2-36，第4节：模态分析

15、的例子，这些例子包括两个问题：1。中心开口平板模型的模态分析：一步，学生可以自己练习，也可以教师为例。2.模型飞机几个机翼的模态分析：把这个问题留给受训者去练习。详情请参考动态示例分析补充材料。M2-37，第5节：有预应力的模态分析，什么是有预应力的模态分析？为什么要进行预应力模态分析？预应力结构的模态分析：同一结构在不同应力状态下表现出不同的动力特性。例如，当弦的张力增加时，它的振动频率也会增加。当涡轮叶片旋转时，由于离心力引起的预应力，其固有频率逐渐增加。为了正确设计这些结构，必须对预应力和非预应力模型进行模态分析。M2-38，预应力模态分析步骤，三个主要步骤：建模，在静态分析中对模型施加

16、预应力，以及进行预应力模态分析建模：密度必须定义为普通模态分析中要考虑的问题，M2-39，建模的典型命令流程(续)，/PREP7 ET，议员，行政长官，议员，丹斯！建立一个几何模型！网格生成，M2-40，对模型施加预应力，建模，在静态分析中对模型施加预应力，选择分析类型和选项：必须激活预应力选项。载荷：施加一个引起预应力的载荷。后处理：观察结果并确认施加了适当的载荷。M2-41，预应力模态分析步骤的典型命令(续)，/solutiontype，STATIC！静态分析PSTRES，开！激活预应力效果！负荷.解决解决！结果处理/POST1 PLDIP，2pnsol，s，EQV FINISH，M2-42，预应力模态分析步骤(续)，M2-43，预应力模态分析步骤，静力