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ANSYS动力学分析指南——模态分析


§1.1 模态分析的定义 及其应用
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,后者则允许在建立一部分循环对 称结构的模型来完成对整个结构的模态分析. ANSYS 产品家族中的模态分析是一个线性分析.任何非线性特性,如塑性和 接触 (间隙) 单元, 即使定 义了也将被忽略. ANSYS 提供了七种模态提取方法, 它们分别是子空间法,分块 Lanczos 法,PowerDynamics 法, 缩减法,非对称 法,阻尼法和 QR 阻尼法.阻尼法和 QR 阻尼法允许在结构中存在阻尼.后面将 详细介绍模态提取方法.

§1.2 模态分析中用到的命令
模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析.同样,无论 进行何种类型的分析,均可从用户图形 界面(GUI)上选择等效于命令的菜单 选项来建模和求解问题. 后面的"模态分析实例(命令流或批处理方式)"将给出进行该实例模态分 析时要输入的命令(手工或以批处理 方式运行 ANSYS 时).而"模态分析实例 (GUI 方式)" 则给出了以从 ANSYS GUI 中选择菜单选项方式进行同一实例 分析的步骤.(要想了解如何使用命令和 GUI 选项建模,请参阅<<ANSYS 建模与 网格指南>>) <<ANSYS 命令参考 手册>>中有更详细的按字母顺序列出的 ANSYS . 命令说明.

§1.3 模态提取方法
典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题:

其中: =刚度矩阵,

=第

阶模态的振型向量(特征向量),

=第

阶模态的固有频率(

是特征值),

=质量矩阵. 有许多数值方法可用于求解上面的方程.ANSYS 提供了 7 种方法模态提取方 法,下面分别进行讨论. 1.分块 Lanczos 法 2.子空间(Subspace)法 3.Power Dynamics 法 /Householder)法

4.缩减(Reduced

5.非对称(Unsymmetric)法 6.阻尼(Damp)法(阻尼法求解的是另一个方程,参见<<ANSYS 理论手册>> 中关于此法的详细信息)

7. QR 阻尼法(QR 阻尼法求解的是另一个方程,参见<<ANSYS 理论手册>>
中关于此法的详细信息)

注意 — 阻尼法和非对称法在 ANSYS/Professional 中不可用.
前四种方法(分块 Lanczos 法,子空间法,PowerDynamics 法和缩减法)是 最常用的模态提取方法.下表 比较了这四种模态提取方法,并分别对每一种方 法进行了简要描述. 对称系统特征值求解法表
模态提取 法 缺省提取方法 分块 Lanczos 法 用于提取大模型的多阶模态(40 阶以上) 中 建议在模型中包含形状较差的实体和壳单元时采用此 法 低 适用范围 内存 存贮 要求 要求

最适合于由壳或壳与实体组成的模型 速度快,但要求比子空间法内存多 50% 用于提取大模型的少数阶模态(40 阶以下) 子空间法 适合于较好的实体及壳单元组成的模型 可用内存有限时该法运行良好 用于提取大模型的少数阶模态(20 阶以下) Power 适合于 100K 以上自由度模型的特征值快速求解 高 Dynamics 对于网格较粗的模型只能得到频率近似值 复频情况时可能遗漏模态 用于提取小到中等模型(小于 10K 自由度)的所有模态 缩减法 选取合适主自由度时可获取大模型的少数阶(40 阶以 低 下)模态,此时频率计算的精度取决于主自由度的选 取. 低 低 低 高

§1.3

.1 分块 Lanczos 法

分块 Lanczos 法特征值求解器是却省求解器,它采用 Lanczos 算法,是用一 组向量来实现 Lanczos 递归计算. 这种方法和子空间法一样精确, 但速度更快. 无论 EQSLV 命令指定过何种求解器进行求解, 分块 Lanczos 法都 将自动采用稀 疏矩阵方程求解器. 计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时,采用分块 Lanczos 法方 法提取模态特别有效.计算时, 求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有 频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基本上一样快.因此, 当采用频移频 率(FREQB)来提取从 FREQB(起始频率)的 n 阶模态时,该法提取大于 FREQB 的 n 阶模态和 提取 n 阶低频模态的速度基本相同.

§1.3

.2 子空间法

子空间法使用子空间迭代技术,它内部使用广义 Jacobi 迭代算法.由于该方 法采用完整的 和 矩阵,因此精度很高,但是计算速度比缩减法慢.这 度(DOF)的情形.

种方法经常用于对计算精度要求高,但无法选择主自由

做模态分析时如果模型包含大量的约束方程,使用子空间法提取模态应当采 用波前(front)求解器,不 要采用 JCG 求解器;或者是使用分块 Lanczos 法

提取模态.当你的分析中存在大量的约束方程时,如果采用 JCG 部单元刚度,致使计算要求有很大的内存才能进行下去.

求解器组集内

§1.3

.3

PowerDynamics 法

PowerDynamics 法内部采用子空间迭代计算,但采用 PCG 迭代求解器.这种 方法明显地比子空间法和分 块 Lanczos 法快.但是,如果模型中包含形状较差 的单元或病态矩阵时可能出现不收敛问题.该法特别适用 于求解超大模型(大 于 100,000 个自由度)的起始少数阶模态.谱分析不要使用该方法提取模态. PowerDynamics 法不进行 Sturm 序列检查(即不检查模态遗漏问题),这可 能影响有多个重复频率问题的 解.此法总是采用集中质量近似算法,即自动采 用集中质量矩阵(LUMPM,ON).

注意—如果用 PowerDynamics 法求解含刚体运动的模型的模态, 则一定要用 RIGID 命令或选择等效的 GUI 途径. 注意—(Main Menu > Solution > Analysis Options 或 Main Menu >Preprocessor > -Loads- > Analysis Options ).

§1.3

.4 缩减法

缩减法采用 HBI 算法 (Householder-二分-逆迭代) 来计算特征值和特征向量. 由于该方法采用一个较小的 自由度子集即主自由度(DOF)来计算,因此计算 速度更快.主自由度(DOF)导致计算过程中会形成精确 的 矩阵和近似的

矩阵 (通常会有一些质量损失) 因此, . 计算结果的精度将取决于质量阵 的近似程度,近似程度又取决于主自由度的数目和位置.

§1.3

.5 非对称法

非对称法也采用完整的



矩阵,适用于刚度和质量矩阵为非对称的

问题(例如声学中 流体-结构耦合问题).此法采用 Lanczos 算法,如果系统 是非保守的 (例如轴安装在轴承上) 这种算法将解 得复数特征值和特征向量. , 特征值的实部表示固有频率, 虚部是系统稳定性的量度—负值表示系统是稳定的, 而正值表示系统是不稳定的.该方法不进行 Sturm 序列检查,因此有可能遗漏一 些高频端模态.

§1.3

.6 阻尼法

阻尼法用于阻尼不能被忽略的问题,如转子动力学研究.该法使用完整矩阵 ( , 及阻 尼阵 ).阻尼法采用 Lanczos 算法并计算得到复数特 序列检查.因此,有可能遗

征值和特征向量(如下所述).此法不能用 Sturm 漏所提取频率的一些高频端模态. §1.3 .5.1 阻尼法—特征值的实部和虚部

特征值的虚部 代表系统的稳态角频率. 特征值的实部 代表系统的稳定性. 如果 小于零, 系统的位移幅度将按 EXP( )指数规律递减. 如果 大于零, 位移幅度将按指数规律递增.(或者换 句话说,负的 表示按指数规律递减 的稳定响应;正的 则表示按指数规律递增的不稳定响应.) 如果不存在阻 尼,特征值的实部将为零. ANSYS 报告的特征值结果实际上是被 /秒)为单位的.即: 报告的特征值虚部= 除过的. 这样给出的频率是以 Hz (周

报告的特征值实部= §1.3 .5.2 阻尼法—特征向量的实部和虚部

在有阻尼系统中,不同节点上的响应可能存在相位差.对任何节点,幅值应 是特征向量实部和虚部分 量的矢量和.

§1.3

.7 QR 阻尼法

QR 阻尼法同时具有分块 Lanczos 法与复 Hessenberg 法的优点,最关键的思 想是, 以线性合并无阻尼系 统少量数目的特征向量近似表示前几阶复阻尼特征 值.采用实特征值求解(分块 Lanczos 法)无阻尼振型 之后,运动方程将转化 到模态坐标系.然后,采用 QR 阻尼法,一个相对较小的特征值问题就可以在特 征 子空间中求解出来了. 该方法能够很好地求解大阻尼系统模态解,阻尼可以是任意阻尼类型,即无 论是比例阻尼或非比例 阻尼.由于该方法的计算精度取决于提取的模态数目, 所以建议提取足够多的基频模态,特别是阻尼较 大的系统更应当如此,这样才 能保证得到好的计算结果. 该方法不建议用于提取临界阻尼或过阻尼系统的 模 态.该方法输出实部和虚部特征值(频率),但仅仅输出实特征向量(模态振型).

参见 CE 方法的详细内容,掌握使用 QR 阻尼法( MODOPT 命令)处理约束方程 (CE)的技术. 约束方程(CE)方法
约束 方程 Cekey 处理 方法 直接 3 消去 法 模型中只有少量约束方程时使用.例如,在一个 100,000 自由度 问题中,只有大约 1,000 个约束方程.一旦约束方程太多,该方 法需要的内存极高.此时,建议使用拉格朗日乘子法( = 1 或 2). 应用范围

Cekey

模型中存在大量约束方程时使用.例如,在一个 100,000 自由度 问题中, 具有 1,000 以上的约束方程. 特别注意, 当使用 CEINTF , CERIG 或 CYCSOL 命令创建约束方程时, 一条命令就可以生成多 个约束方程.此时,建议使用拉格朗日乘子法. 拉格 0 ,1 朗日 法 = 1:"Quick Solution"是一个快速处理方法,占用 乘子 CPU 时间接近于直接消去法.但是,提取较高阶频率值一般是实 际值的 1 - 2%. 当高阶频率比低阶频率高出二次或更高次的数 量级时,就会出现这种误差.

Cekey

Cekey

= 0: "Accurate Solution"是一个严密精确的方法. 但是,占用 CPU 的时间大致是"Quick Solution"的两倍.

§1.4 矩阵缩减技术和主自由度选择准则
下面介绍如何矩阵缩减技术以及选择主自由度(DOF)的基本准则.

§1.4.1 矩阵缩减 技术
矩阵缩减是通过缩减模型矩阵的大小以实现快速,简便的分析过程的方法. 它主要用于动力学分析 ,如模态分析,谐响应分析和瞬态动力学分析.矩阵缩 减也用于子结构分析中以生成超单元. 矩阵缩减允许按照静力学分析那样建立一个详细的模型,而仅将"有动力学 特征"部分用于动力学 分析. 可以通过辨识定义为主自由度的关键自由度来选 择模型的"有动力学特征"部分,但必须注意, 主自由度应足以描述系统的动 力学行为. ANSYS 程序根据主自由度 (DOF) 来计算缩减矩阵和缩减自由 度 (DOF) 解,然后通过执行扩展处理将解扩展到完整的自由度(DOF)集上.矩阵缩减的

主要优点是, 计算缩减解可以大大节省 CPU 时间,大问题的动力学分析时更是 如此. ANSYS 程序采用的矩阵缩减基础理论是 Guyan 缩减法计算缩减矩阵.此法的 一个关键假设是:对于 较低的频率,从自由度(被缩减掉的自由度(DOF)) 上的惯性力和从主自由度传递过来的弹性力相比 是可以忽略的.因此,结构的 总质量只分配到主自由度(DOF)上.最终结果是缩减的刚度矩阵是精确 的, 而缩减的质量和阻尼矩阵是近似的.关于如何计算缩减矩阵的详细内容参见

§1.4.2 人工选择主自由度的准则
选择主自由度是缩减法分析中很重要的一步.缩减质量矩阵的精度(求解精 确)将取决于主自由度 的位置和数目.对于给定的问题,可以选择多种不同的 主自由度集,在所多种情形下都可以得到能够接受的结果. 用命令 M 和 MGEN 来选择主自由度, 也可用 TOTAL 命令让程序在求解过程中选 择主自由度.建议两 种方式兼用:自己选择少量主自由度,同时让 ANSYS 程序 选择一些自由度.这样,程序将弥补那些可能被遗漏的模态. 下面是选择主自由度的基本准则: 1.主自由度的总数至少应是感兴趣的模态数的两倍. 2.把预计结构或部件要振动的方向选为主自由度. 例如对于平板问题,应至少在法向上选择几个主自由度(见图 1a).如果在 一个方向上的运动会引起 另一个方向上的大运动时, 应在两个方向上都选择主 自由度(见图 1b).

图 1(a)平板可能有的法向主自由度 (b)X 方向运动引起 Y 方向运动 3.在相对较大的质量或较大转动惯量但相对较低刚度的位置选择主自由度 (见图 2).凸肩或"松散"连 接的结构是这种位置的实例.相反地,不要选

择质量相对较小或有较高刚度(如靠近约束处的自由度(DOF))的位置作为主 自由度.

图 2 应选择主自由度的位置:(a)大转动惯量(b)大质量 4.如果最关注的是弯曲模态,则可以忽略转动和"拉伸"自由度. 5.如果要选的自由度属于一个耦合约束集,则只须选中耦合集中第一个(首 要的)自由度. 6.在施加力或非零位移的位置选择主自由度. 7.对于轴对称壳模型(SHELL51 或 SHELL61),选择模型中的平行于或接近平 行于中心线部分的所有节点 的全局 UX 自由度为主自由度,这样就可以避免主 自由度间的振荡运动(见图 3).如果运动基本上是平行于中 心线,这条建议 可以放宽.对于 MODE≥2 的轴对称周期单元,应将其 UX,UZ 自由度都选择为主 自由度.

图 3 在轴对称壳模型中选择主自由度 检查主自由度集的有效性的最好方法是用两倍(或一半)数目的主自由度再 次进行分析然后比较结果. 另一种方法是观察在模态分析解中输出的缩减质量 分布.缩减质量最起码在运动的主要方向上的分量应该占 结构整个质量的 10%~15%.

§1.4.3 程序选择主自由度的要点
如果让 ANSYS 程序选择主自由度(命令[TOTAL]),选出的主自由度的分布将 取决于求解时单元被处理的 顺序.例如,程序将按单元是从左到右还是从右到

左被处理的而选择出不同的主自由度集.然而,这种差异通 生无关紧要的差别.

常在结果中只会产

对于有统一的大小和特征的网格(如平板),主自由度通常不会是统一的. 在这种情况下,应当用命令 M 和 MGEN 人为地指定一些主自由度.在质量分布 不规则的结构中也应做同样的处理, 因为程序选出的主自由度 可能集中在高质 量区.

§1.5 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,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:/SOLU GUI:Main Menu>Solution

§1.7.2 指定分析类型和分析选项
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 New Analysis Analysis Modal Mode Extraction Method Number of Modes to Extract No. Of Modes to Expand Mass Matrix Formulation Prestress Effects Calculation Type: 命令 GUI 选择途径 Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis >Modal

ANTYPE
ANTYPE

MODOPT Main Menu>Solution>Analysis Options MODOPT Main Menu>Solution>Analysis Options MXPAND Main Menu>Solution>Analysis Options LUMPM
Main Menu>Solution>Analysis Options

PSTRES Main Menu>Solution>Analysis Options

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.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 选择新分析.

Analysis:

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.
§1.7.2.2 选项:分析类型:Modal[ANTYPE] 指定分析类型为模态分析. §1.7.2.3 选项:Modal Extraction Method[MODOPT]

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,ANSYS 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 Extract[MODOPT]

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[MXPAND]

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[LUMPM]

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[PSTRES]

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[LUMPM]的 设置应和静力分析中质量矩阵的设置必须一致.

注意 — 在有预应力的周期对称单元如 PLANE25 和 SHELL61 上只可以加轴 对称载荷.
§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)—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[M]和单位化[I]. 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[M] 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 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) , ( , Lagrange multiplier(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".)

§1.7.3 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[M,MGEN]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[TOTAL]让程序按照刚度/质量比选取一些附加的主自由度. 用命令[MLIST]可以列出已定义的 M 自由度(DOF),用命令[MDELE]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:M GUI:Main Menu>Solution>Master DOFs>-User Selected-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—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 类命 别令 GUI 途径

Displacement(UX,UY, 约 Main D 束 Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement

UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)

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 实体模型 Displacement 实体模型 实体模型 FE 模型 施加 删除 列表 运算 加载设置

关键点 DK 线 面 DL DA

DKDELE DKLIST DTRAN — DLDELE DLLIST DTRAN DADELE DALIST DTRAN — —

节点 D

DDELE DLIST DSCALE DSYM,DCUM

§1.7.4.2 利用 GUI 施加载荷 所有的载荷操作(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 Lines Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>On

§1.7.4.3 载荷列表 可按如下 GUI 途径列表显示施加的载荷: GUI: Utility Menu>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>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Damping

Beta(刚 度)阻尼 恒定阻尼 比 材料阻尼 比

BETAD DMPRAT

Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc >Damping Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/ Frequenc > Damping Mat Props>-Temp Main Menu>Solution>-Load Step

MP,DAMP Opts-Other>Change

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:SOLVE GUI:Main §1.7.7.1 输出 Menu>Solution>-Solve-Current LS

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 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 Analysis 对话框; Menu>Solution>Analysis Options,弹出 Modal

2.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 Main Analysis 对话框; Menu>Solution>Analysis Options,弹出 Modal

2.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 FREQB 域的数值,然后单击 OK 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:FINISH GUI: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 (SPOPT,DDAM) 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:/SOLU GUI: Main Menu>Solution

注意 — 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 Expansion Pass On/Off No. of Modes to Expand Freq. Range for Expansion Stress Calc. On/Off 命令 GUI 途径 Main Menu>Solution>-Analysis

EXPASS Type-ExpansionPass
MXPAND MXPAND MXPAND

Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass > Expand ExpansionPass > Expand Modes Main Menu>Solution>-Load Step Opts ExpansionPass > Expand Modes – Modes – Main Menu>Solution>-Load Step Opts

选项:Expansion

Pass On/Off[EXPASS ]

选择 ON(打开). 选项:Number

of Modes 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: 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:OUTPR GUI:Main Printout Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu

Database

and results file 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. 命令:OUTRES GUI:Main Ctrls>DB/Results 4.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:SOLVE GUI:Main Menu>Solution>Gurrent LS Menu>Solution>-Load File Step Opts-Output

5. 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)和动力学设计分析方法 (SPOPT,DDAM)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"Mode analysis options (模态分析选项) (MODOPT) " 对话框中的"mode expansion (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:FINISH GUI:关闭 Solution 菜单

注意 — 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 Jobname.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,SBSTEP GUI:Main Menu>General Postproc>-Read Results-substep

2.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 OF DATA SETS ON RESULTS FILE*****

SETTIME/FREQLOAD 122.973111 240.476122 378.082133 4188.34144 命令:SET,LIST

STEPSUBSTEPCUMULATIVE

GUI:Main Summary

Menu>General

Postproc>List

Results>Results

§1.9.4 选项:图形显示 变形
命令:PLDISP GUI: 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,ALL GUI:Main Menu>Solution>Master DOFs>List ALL

注意 — 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:ETABLE GUI:Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table

对线单元,象梁,桁条和管子,可以用 ETABLE 命令获得导出数据 (应力,应变等).结果数据通过一个标识字和一个 ETABLE 命令中的顺序号或 部件名组合起来加以区分.详细内容参见<<ANSYS 基本分析过程指南>>对于 ETABLE 的讨论.

§1.9.7 选项:等值图显示 结果项
命令:PLNSOL 或 PLESOL GUI:Main Menu>General PostProc>Plot Plot-Nodal Solu 或 Element Solu Results>-Contour

使用这些选项可绘制几乎所有结果项的等值线图, 如应力 (SX, SZ) SY, , 应变(EPELX,EPELY,EPELZ)和位移(UX,UY,UZ).

PLNSOL 和 PLESOL 命令的 KUND 域可用来设置将未变形形状叠加在显示结果 中. 绘制单元表数据和线单元数据的等值线: 命令:PLETAB,PLLS GUI:Main Table Main Res Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot-Line Menu>General Postproc>Element Tabe>Plot Element

Elem

注意 - 命令 PLNSOL 会对节点处的导出数据如应力和应变取平均值.这种 平均会导致在不同材料单元,不同的壳厚度,或其它不连续性出现处的节点上 出现"污损"值.为了避免出现这种污损效应,在使用命令 PLNSOL 前应该用选 择功能 (<<ANSYS 基本分析过程指南>> 第 7 章所述的) 先选中同种材料的单元, 同样厚度的壳等.

§1.9.9 选项: 列表显示结果项
命令:PRNSOL(节点结果) PRESOL(一个单元接一个单元的结果) PRRSOL(反作用数据)等 GUI: option Main Menu>General Postproc>List Listing-Sort Nodes 或 Sort Elems Results>-Sorted Main Menu>General Postproc>List Results>solution

用 NSOPT 和 ESORT 命令可在列表之前对数据进行排序.

§1.9.10 其它功能
许多其它的后处理功能如将结果映象到一个路径上和载何工况(Load case) 组合等,在 POST1 中均可使用.详情参见<<ANSYS 基本分析过程指南>>. 关于命令 ANTYPE,MODOPT,M,TOTAL,EXPASS,MXPAND,SET 及 PLDISP 的 论述参见<<ANSYS 命令参考手册>>.

§1.10 有预应力模态分析
有预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和模态,如旋转的涡轮 叶片的模态分析.除了首先要通过进行静力分析把预应力加到结构上外,有预应 力模态分析的过程和常规模态分析基本上一样: 1.建模并获取打开预应力效应[PSTRES,ON]的静力分析解.静力分析中的集 中质量矩阵的设置[LUMPM]必须与随后的有预应力模态分析中的集中质量矩阵 设置一致."静力学分析"中描述了如何进行静力学分析. 2.重新进入求解器并获取模态分析解,注意打开预应力效应选项(再用一次 命令 PRSTES,ON).另外,在静力学分析中生成的文件 Jobname.EMAT 和 Jobname.ESAV 必须都存在. 3.扩展模态并在后处理器中观察它们. 步骤 1 也可以是一个瞬态分析,但应当记住在需要的时间点保存.EMAT 和.ESAV 文件.

§1.11 大变形预应力模态分析
可以在大变形静力学分析后进行预应力模态分析,以便计算高度变形结构的 固有频率和振型.除用 PSOLVE 命令而不是 SOLVE 命令执行模态分析求解,其他 过程与有预应力模态分析过程一致,参见下面列出的简单命令流.另外,必须用 UPCOORD 命令修正坐标以得到正确的应力,使用 EMATWRITE 命令指定写出 File.EMAT 文件.

注意—该过程需要单元材料和上一次静力分析得到得单元载荷矢量(例如, 压力,温度和加速度载荷).如果( 利用命令 LVSCALE ) 指定,这些载荷将传 递给后续的模态叠加分析.
! ! /PREP7 ... FINISH /SOLU ANTYPE,STATIC! Static analysis Initial, large deflection static analysis

NLGEOM,ON! PSTRES,ON!

Large Flag

deflection to calculate

analysis the prestress to matrix step)

EMATWRITE,YES! ... SOLVE FINISH ! ! ! /SOLU ANTYPE,MODAL! UPCOORD,1.0,ON! zero ! the Prestressed

Write

File.EMAT

(input

PSOLVE

modal

analysis

Modal Add

analysis previous displ. to coordinates and then

displacements Prestress Select Specify effects eigensolver number of modes to be expanded, if on

PSTRES,ON! MODOPT,...! MXPAND,...! desired

PSOLVE,EIGxxxx! ! ! Use match EIGLANB, MODOPT

Calculates EIGFULL, command.

the

eigenvalues or

and

eigenvectors. to

EIGUNSYM,

EIGDAMP

FINISH /SOLU!Additional EXPASS,ON solution step for expansion.

PSOLVE,EIGEXP! you ! want to

Expands

the

eigenvector

solution.Required

if

review

mode

shapes

in

the

postprocessor.

FINISH

§1.12 循环对称结构的模态分析
如果结构呈现出循环对称(例如,风轮或正齿轮)特点,则可以通过仅对它 的一部分建模来计算结构整体的固有频率和振型. 这一被称为"循环对称结构模 态分析"的特征可以节省大量人力和计算时间. 另一个好处是只需建部分模型便 可以观察整个结构的振型.循环对称结构模态分析只在 ANSYS/Multiphysics, ANSYS/Mechanical 和 ANSYS/Structural 中可用.

§1.12.1 基本扇区
循环对称结构中用于建模的部分叫做基本扇区.正确的基本扇区应该满足这 样的特点:即若在全局柱坐标空间(CSYS=1)中将其重复 n 次,则能生成整个模 型(见图 4).

图 4 循环对称结构实例

§1.12.2 节径
理解循环对称结构模态分析的过程,需要理解节径这个概念(这里的"节" 是振动术语,而不是有限元中的节点的"节")."节径"这个术语源于简单的 几何体,如圆盘,在某阶模态下振动时的表现.这时,大多数振型中将包含如图 5 所示的横穿整个圆盘表面的板外位移为零的线,通常称为节径.

图 5 节径的一些例子 对具有循环对称特征的复杂结构(如涡轮叶片组件),在振型中也许观察不 到零位移线.因此 ANSYS 中关于节径的数学定义是广义的,未必和横穿结构的零 位移线条数相符. 节径数是确定在以等于扇区角的周向角间隔开的点处的单一自由度(DOF) 值的变化的整数.若节径数等于 ND,此变化可用函数 COS(ND*THETA)表示. 按上面的定义,对给定的节径数,只要满足在以扇区角隔开的点处的自由度 (DOF)按 COS(ND*THETA)变化,则沿周向可以存在可变数目的振动波.例如, 节径=0 且扇区角=60 度的扇区将产生沿周向有 0,6,12,,6n 个波形的模态. (在 某些参考文献中,"模态"这个术语被用于替代上面定义的节径,而术语节径则 代表实际可观察到的沿结构周向的波形数.)

§1.12.3 标准(无应力)循环对称结构模态分析 过程
标准(无应力)循环对称结构模态分析的过程如图 6 所示.有无预应力,循 环模态分析都是可以使用的.

注意 — 循环对称结构模态分析的过程中使用了两个 ANSYS 预定义的宏: CYCGEN 和 CYCSOL .这两个宏都可以处理实体结构或壳单元.

图 6(无应力)循环对称结构模态分析流程 1.在总体柱坐标系(CSYS=1)中定义循环结构的一个基本扇区模型. 基本扇区的跨角 θ 应当满足 nθ =360,n 是整数.基本扇区只能由有限元单 元组成,不能有超单元.允许存在内部的耦合及约束方程.如果有边界条件,可 以施加到基本扇区上, 并利用 CYCGEN,'LOAD'(第 4 步), 或者在后面 (第 5 步) 步骤施加上. 基本扇区的定义必须有如图 7 所示的相匹配的低 (low) 角度侧面和高 (high) 角度侧面.匹配是指在两侧面上应有相对应的节点,且对应节点相隔的几何角度 为扇区角.侧面可以是任何形状,不必是柱坐标空间中的"平面".

图 7 基本扇区的定义 2.选择在最低度角侧面上的节点并将它们定义为一个组件.对另一侧面上的 节点也可定义为一个组件,也可以不定义. 命令:CM,LOW,NODE CM,HIGH,NODE(可不定义) GUI:Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component

3.选中所有图素. 命令:ALLSEL GUI:Utility Menu>Select>Everything

4.运行宏 CYCGEN.该宏创建第二个扇区,并且垒加在基本扇区上.这两个扇 区的节点之间存在一个恒定的偏移量(由参数 NTOT 指定).它们都将用于模态 分析.宏 CYCGEN 会把基本扇区中的耦合及约束方程复制到新生成的扇区中去. 命令:CYCGEN EPLOT GUI:Main Menu>Preprocessor>Cyclic Sector

指定 CYCGEN ,"LOAD"拷贝载荷和内部耦合与约束方程到第二扇区.如果执 行 CYCGEN (不带任何参数),继续下面的第 5 步.如果执行 CYCGEN ,"LOAD", 跳过第 5 步,从第 6 步继续. 5.继续在 PREP7 中定义所需要的边界条件.边界条件必须在两个扇区上都定 义.建议按节点位置(By Location)而不要按节点号选择节点.如果没有预应 力,就不必施加对称边界条件. 6.进入求解器,指定分析类型为模态分析并设置分析选项.只能采用子空间 法或分块 Lanczos 法进行循环对称结构的模态分析.(参见<<ANSYS 命令参考手 册>>中命令 MODOPT 关于使用分块 Lanczos 法的选项的说明).同时,指定要扩 展的模态数. 命令:ANTYPE MODOPT GUI:Main Menu>Solution>Analysis Type>Modal

Main

Menu>Solution>Analysis

Options>Block

Lanczos

7.运行宏 CYCSOL 并定义节径范围和扇区角: 命令:CYCSOL,NDMIN,NDMAX,NSECTOR,LOW GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>Modal Cyclic Sym

该命令对每个节径数

执行一次单独的特征值提取过程,其中:NDMIN 和

NDMAX 是感兴趣的最低和最高节径数.合理的范围是: 若扇区角 NSECTOR 为偶数,则可接受的节径数范围是 0~NSECTOR/2;

若扇区角 NSECTOR 为奇数, 则可接受的节径数范围是

.

宏 CYCSOL 执行分析过程(不须发 SOLVE 命令),并计算固有频率和振型(若 要求计算了) 结果文件 . (Jobname.RST) 将包含有多个载荷步 (load steps) , 每个载荷步对应一个节径数值,第一个载荷步对应节径数 NDMIN,第二个对应 NDMIN+1,依次类推.最后一个载荷步对应节径数 NDMAX.在每一个载荷步内, 子步(substeps)对应属于当前节径数的模态.例如 NDMIN=0,NDMAX=1 并且要求 扩展 2 阶模态,则结果文件会有如下内容:
Load 1 1 2 2 Step Substep 1 2 1 2 结果项 节径 0 的第 1 阶模态 节径 0 的第 2 阶模态 节径 1 的第 1 阶模态 节径 1 的第 2 阶模态

8.进入通用后处理器,扩展模型以供显示.必须指定希望扩展出的扇区数. 命令:EXPAND GUI:Main Menu>General PostProcessor>Modal Cyclic Sym

注意 - 命令/EXPAND 也可用于得到整个模型的模态分析结果.参见 <<ANSYS 命令参考手册>> 中关于/EXPAND 命令的更详细信息及其局限性.执行 /EXPAND 命令的菜单途径是 Utility Menu>Plot Cntrls>Style>Symmetry Expansion .

§1.12.4 有预应力循环对称结构模态分析

有预应力循环对称结构模态分析的分析过程如图 8 所示. 除了要求先做一次静力学分析来计算基本扇区的预应力外,有预应力模态循 环和无应力情形的分析步骤基本上一样.因此第 1~4 步及第 7,8 步在两种情形 中是一致的.第 5 和第 6 步的说明如下. 5.进入求解器,定义引起预应力的静载荷和边界条件.用 PSTRES 命令使分析 包含预应力计算,然后求解[SOLVE]得到静力学解. 6.重新进入求解器,指定分析类型为模态分析,并设置分析选项.一定要用 PSTRES 命令使分析过程包含预应力效果.

注意 - 在得到静力学解后必须删除对称性边界条件.

图 8 循环对称结构模态分析(预应力)分析过程

§1. 13 模态分析实例
§1.13.1 飞机机翼模态分析实例

§1.13.1.1 问题描述 该实例对一个飞机模型的机翼进行模态分析,以确定机翼的模态频率和振型. 机翼沿长度方向轮廓一致,横截面由直线和样条曲线定义(如图 9 所示).机翼 的一端固定在机体上,另一端为自由端.机翼由低密度聚乙烯制成,相关参数如 下: 杨氏模量=38×103 psi 泊松比=0.3 密度=1.033e-3 slugs/in3

图 9 模型飞机机翼简图 §1.13.1.2 GUI 方式分析过程

第 1 步:指定分析标题并设置分析范畴 1.选取菜单途径 Utility 2.输入文字"Modal 单击 OK. 3.选取菜单途径 Main Menu>File>Change of a model Title airplane wing",然后

analysis

Menu>Preference

4.单击 Structure 选项使之为 ON,单击 OK. 第 2 步:定义单元类型 1.选取菜单途径 Main Type>Add/Edit/Delete. 2.Element Menu>Preprocessor>Element

Types 对话框将出现. of Element Types 对话框将出现. Solid". 42".

3.单击 Add.Library

4.在左边的滚动框中单击"Structural 5.在右边的滚动框中单击"Quad 4node

6.单击 Apply. 7.在右边的滚动框中单击"Brick 8.单击 OK. 9.单击 Element Types 对话框中的 Close 按钮. 8node 45".

第 3 步:指定材料性能 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isotropic.Isotropic Material Properties 对话框将出 现. 2.在 OK 上单击以指定材料号为 1.第二个对话框将出现. 3.输入 EX 为 3800. 4.输入 DENS 为 1.033e-3. 5.输入 NUXY 为 0.3. 6.单击 OK. 第 4 步:在给定的位置生成关键点 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In Active CS.Creat Keypoints in Active Coordinate System 对话框将出现. 2.输入 Keypoint number(关键点号)为 1,X,Y,Z 位置分别为 0,0,0.可 用 TAB 键在输入区之间移动. 3.单击 Apply. 4.对下面的关键点及 X,Y,Z 位置重复这一过程: 关键点 2:2,0,0 关键点 3:2.3,0.2,0 关键点 4:1.9,.45,0 关键点 5:1,.25,0 5.输入完最后一个关键点后,单击 OK.

6.选取菜单途径 Utility Options. 7.在 Location 8.单击 OK. 9.选取菜单途径 Utility of

Menu>PlotCtrls>Window

Controls>Window

triad 滚动框中,找到"Not

shown"并选中它.

Menu>PlotCtrls>Numbering.

10.单击 Keypoint numbering 使之成为 ON,然后单击 OK,在 ANSYS 图形窗 口中将出现带有编号的关键点. 第 5 步:在关键点间生成直线和样条曲线 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>Straight 单(Picking Menu)Create Straight Lines 将出现.

Line. 拾取菜

2.在关键点 1 和 2 上按顺序各单击一次.在关键点间将出现一条直线. 3.在关键点 5 和 1 上按顺序各单击一次.在关键点间将出现一条直线. 4.在拾取菜单中单击 OK. 5.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-LinesSplines>With options > Spline thru kps.拾取菜单 B_Spline 将出现. 6.按顺序选中关键点 2,3,4,5,然后单击 OK.B_Spline 对话框将出现. 7.输入 XV1,YV1,EV1 分别为-1,0,0,XV6,YV6,EV6 分别为-1,-.25,0. 8.单击 OK.机翼的曲线部分将出现在图中. 第 6 步:生成横截面 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitary>By Create Area by Lines 将出现. 2.单击所有的三条线各一次. 3.单击 OK.线围成的面将以高亮度显示出来. 4.在 ANSYS Toolbar 上单击 SAVE_DB.

Lines. 拾取菜单

第 7 步:指定网格密度并对面进行网格划分

1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-ManualSize-Global-Size.Global Element Size 对话框将出现. 2.在 element 3.单击 OK. 4.选取菜单 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Free.拾取 菜单 Mesh Areas 将出现. 5.单击 Pick 6.在 ANSYS All.(如果出现警告框,单击 close.请看下面的注释.) Toolbar 上单击 SAVE_DB. edge length(单元边长)处输入 0.25.

第 8 步:设置线被划分的段数 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Shape Size>-Global-Size.Global Element Sizes 对话框将出现. 2.在 Number 3.单击 OK. 第 9 步:将带网格的面拉伸成带网格的体 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs.Meshing Attributes 对话框将出现. 2.在 element 3.单击 OK. 4.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>Extrude/ Sweep>-Areas-By XYZ Offset. 拾取菜单 Extrude Area by Offset 将出现. 5.单击 Pick 6.在 offset All.Extrude for Areas by XYZ Offset 对话框将出现. type number 处输入 2. of element divisions 处输入 10. &

extrusion 处输入 0,0,10.

7.单击 OK.(如果出现警告框,单击 close.请看下面的注释.)

注意 — 在这个例子中采用 SOLID45 单元是为了让 ANSYS/ED 版用户也能做 此实例.使用这种单元会导致如下警告:"The mesh of volume 1 contains SOLID 45 degenerate elements , which are much too stiff in bending. Use quadratic elements if posssble. ".如果 当前使用的不是 ANSYS/ED ,可以用 SOLID95 单元进行分析.

8.选取菜单途径 Utility

Menu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate.

9.单击"ISO",然后单击 close. 10.在 ANSYS Toolbar 上单击 SAVE_DB.

第 10 步:进入求解器并指定分析类型和选项 1.选取菜单途径 Main Menu>Solution>-Analysis New Analysis 对话框将出现. 2.选中 Modal analysis,然后单击 OK. Options,Modal Type-New Analysis.

3.选取菜单途径 Main Menu>Solution>-Analysis Analysis 对话框将出现. 4.选中 Subspace 模态提取法. 5.在 Number of modes to extract 处输入 5.

6.单击 OK.Subspace

Modal

Analysis 对话框将出现.

7.单击 OK 接受缺省值. 第 11 步:释放已选的 PLANE42 单元 应当释放用于 2-D 面网格划分的 PLANE42 单元,因为它们不必参与分析. 1.选取菜单途径 Utility 框将出现. Menu>Select>Entities.Select Entities 对话

2.在对话框上部的两个滚动框中,选取"Elements"和"By 3.单击 Elem type num 选项使之成为 ON.

Attribute".

4.在 Min,Max,Inc 区输入单元类型号为 1. 5.单击 Unselect 选项使之成为 ON. 6.单击 Apply. 第 12 步:对模型施加约束 1.选取菜单途径 Utility 框将出现. Menu>Select>Entities.Select Entities 对话

2.在对话框上部的两个滚动框中,选"Nodes"和"By 3.单击 Z coordinates 选项使之为 ON.

Location".

4.在 Min,Max 区输入 Z 坐标为 0. 5.单击 From Full 选项使之为 ON.

6.单击 Apply. 7.选取菜单途径 Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>-On 单 Apply U,ROT on Nodes 将会出现. 8.单击 Pick All.Apply U,ROT on

Nodes. 拾取菜

Nodes 对话框将出现.

9.单击"All 自由度(DOF)". 10.单击 OK. 11.在 Select 12.单击 Sele Entities 对话框中的第二个滚动框中选取"By All. Num/Pick".

13.单击 Cancel. 第 13 步:指定要扩展的模态数并求解 1.选取菜单途径 Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass>Expand Modes. Expand Modes 对话框将出现. 2.在 number 3.单击 OK. 4.选取菜单途径 Main Menu>Solution>-Solve-Current LS.浏览在/STAT 命令对话框中出现的信息,然后使用 File>Close 关闭该对话框. 5.单击 OK.在出现警告"A check of your model data produced 21 warnings. Should the SOLV command be executed?"时单击 Yes. 6.在出现警告"A check of your model data produced 1 Warning. Should the SOLV command be executed?"时单击 Yes. 7.求解过程结束后单击 close. of modes to expand 处输入 5.

第 14 步:列出固有频率 1.选取菜单途径 Main Menu>General Postproc>Results 对话框中的信息然后用 File>Close 关闭该对话框. 第 15 步:观察解得的五阶模态 Summary.浏览

在 X11 Motif 系统中:
1.选取菜单途径 Main Set. Menu>General Postproc>-Read Results-First

2.选取菜单途径 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Mode Shape 对话框将出现. 3.在 time delay <seconds>处输入.05.

Shape. Animate

4.单击 OK.Animation

Controller 对话框将会出现,动画开始播放.

5.单击 Stop 停止动画播放. 6.选取菜单途径 Main Set. Menu>General Postproc>-Read Results-Next

7.选取菜单途径 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Mode Shape 对话框将出现. 8.单击 OK 接受先前的设置.动画开始播放. 9.单击 Stop 停止动画播放. 10.对剩余的三个模态重复步骤 6~9.

Shape. Animate

在 Windows NT 或 Windows 96 系统中:
1.选取菜单途径 Main Set. Menu>General Postproc>-Read Results-First

2.选取菜单途径 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Player-file.avi 对话框将出现.

Shape.Media

3.在对话框中选择 Edit>Options.Options 对话框将会出现. 4.单击"Auto 5.单击 Play Repeat"然后单击 OK. toolbar 上的按钮(4)观察动画播放.

6.单击 Stop

toolbar 上的按钮(<). Menu>General PostProc>-Read Results-Next

7.选取菜单途径 Main Set.

8.选取菜单途径 Utility 9.单击 Play 10.单击 Stop

Menu>Plot

Ctrls>Animate>Mode

Shape.

toolbar 上的按钮观察动画. toolbar 上的按钮.

11.对剩余的三个模态重复步骤 7~10. 第 16 步:退出 ANSYS 1.在 ANSYS 2.选 Quit-No 3.单击 OK. §1.13.1.3 批处理或命令方式的命令流 可以用下面的 ANSYS 命令流代替 GUI 选择来进行模型飞机机翼的模态分析. 以感叹号(!)开头的条目是注释. FINISH /CLEAR /FILNAM,MODAL /TITLE,Modal /PREP7 ET,1,PLANE42! ET,2,SOLID45! MP,EX,1,38000 MP,DENS,1,1.033E-3 MP,NUXY,1,.3 Define Define PLANE42 SOLID45 as as element element type type 1 2 Analysis of a Model Airplane Wing Toolbar 中选 QUIT. Save!

K,1! K,2,2!

Define Define

keypoint keypoint

1 2

at at

0,0,0 2,0,0 3 4 5 at line at at 2.3,.2,0 1.9,.45,0 1,.25,0 between keypoints 1 and

K,3,2.3,.2! K,4,1.9,.45! K,5,1,.25! LSTR,1,2! 2 LSTR,5,1! 1

Define Define Define Create a

keypoint keypoint keypoint straight

Create

a

straight

line

between

keypoints

5

and

BSPLIN,2,3,4,5,,,-1,,,-1,-.25! AL,1,3,2 ESIZE,.25 AMESH,1 ESIZE,,10 TYPE,2 VEXT,ALL,,,,,10 /VIEW,,1,1,1 /ANG,1 /REP EPLOT FINISH /SOLU ANTYPE,MODAL! MODOPT,SUBSP,5! Choose Choose modal the

Create

a

B-spline

analysis subspace

type mode extraction method,

!

extracting

5

modes Unselect element type 1

ESEL,U,TYPE,,1! NSEL,S,LOC,Z,0 D,ALL,ALL NSEL,ALL MXPAND,5 SOLVE FINISH /POST1 SET,LIST,2 SET,FIRST PLDISP,0 ANMODE,10,.5E-1 SET,NEXT PLDISP,0 ANMODE,10,.5E-1 SET,NEXT PLDISP,0 ANMODE,10,.5E-1 SET,NEXT PLDISP,0 ANMODE,10,.5E-1 SET,NEXT PLDISP,0

ANMODE,10,.5E-1 FINISH

§1.13.2 循环对称结构模态分析实例-简化齿轮的模态分析
§1.13.2.1 问题描述 该实例是对一个简化的齿轮模型的模态分析.齿轮在几何形状上具有循环对 称的特征,因此在对其做模态分析时可以采用循环对称结构模态分析的方法.要 求确定齿轮的低阶固有频率.已知的几何数据参见分析过程中的定义,材料特性 数据如下: 杨氏模量=2×108 §1.13.2.2 N/m2 泊松比=0.3 密度=7.8×10-6 N/m3

GUI 方式分析过程

第 1 步:指定分析标题 1.选取菜单途径 Utility 2.输入文字"Modal Menu>File>Change of a Title

analysis

Gear",然后单击 OK.

第 2 步:定义单元类型 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete.Element Types 对话框将出现. 2.单击 Add.Library of Element Types 对话框将出现. Shell". 63".

3.在左边的滚动框中单击"Structural 4.在右边的滚动框中单击"Elastic 5.单击 Apply. 6.在左边的滚动框中单击"Structural 7.在右边的滚动框中单击"Brick 8.单击 OK. 9.单击 Element 8node

4node

Solid". 45".

Types 对话框中的 Close 按钮.

第 3 步:指定材料性能

1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isotropic.Isotropic Material Properties 对话框将出 现. 2.在 OK 上单击以指定材料号为 1.第二个对话框将出现. 3.输入 EX 为 2E8. 4.输入 DENS 为 7.8e-6. 5.输入 NUXY 为 0.3. 6.单击 OK. 第 4 步:定义建模所需的参数 1.选取菜单途径 Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters.

2.在 Scalar Parameters 对话框中 Selection 区输入以下参数定义等式, 每个等式输完后要击回车键或单击 Accept 表示确认: r1=30r2=r1+10r3=r1+30 r4=r1+50r5=r1+70 h2=6h1=h2+2h3=h2+2 ang=15ang1=3ang2=6 3.单击 Close 关闭对话框. 第 5 步:建立齿轮模型 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In Active CS.Creat Keypoints in Active Coordinate System 对话框将出现. 2.输入 Keypoint number(关键点号)为 1,X,Y,Z 位置分别为 r1,0,0.可 用 TAB 键在输入区之间移动. 3.单击 Apply. 4.对下面的关键点及 X,Y,Z 位置重复这一过程: 关键点 2:r4,0,0

关键点 3:r4,0,h3 关键点 4:r3,0,h3 关键点 5:r3,0,h2 关键点 6:r2,0,h2 关键点 7:r2,0,h1 关键点 8:r1,0,h1 输入完最后一个关键点后,单击 OK. 5.选取菜单途径 Utility Menu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate.

6.在出现的 Pan,Zoom,Rotate 对话框中单击 Iso. 7.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>-Areas-Arbitrary>Through 菜单将会出现.

KPs.拾取

8.在图形窗口中依次选取关键点 1,2,3,4,5,6,7,8,单击 OK 关闭对话框. 9.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In Active CS.Creat Keypoints in Active Coordinate System 对话框将出现. 10.输入 Keypoint 11.单击 Apply. 12.输入 Keypoint number 为 11,X,Y,Z 位置分别为 0,0,1. number 为 10,X,Y,Z 位置分别为 0,0,0.

13.单击 OK 关闭对话框. 14.选取菜单途径 Utility Options. Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window

15.在 Window Options 对话框中的 Location left,然后单击 OK 关闭对话框.

of

triad 处选 At

bottom

16.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude/Sweep>-Areas-About 会出现.

Axis. 拾取菜单将

17.在图形窗口中选中刚刚生成的面,在拾取对话框中单击 OK. 18.在图形窗口中选中节点 10,11,在拾取对话框中单击 OK. 19.在出现的对话框的 Arc 对话框. 20.选取菜单途径 Utility to>Global Cylindrical. length in degrees 处输入 ang, 单击 OK 关闭

Menu>Workplane>Change

Active

CS

21.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In Active CS.Creat Keypoints in Active Coordinate System 对话框将出现. 22.输入 Keypoint number 为 50,X,Y,Z 位置分别为 r5,ang2,0.

23.单击 Apply.对下面的关键点及 X,Y,Z 位置重复这一过程: 关键点 51:r5,ang-ang2,0 关键点 52:(r4+r3)/2,ang-ang1,0 关键点 53:(r3+r4)/2,ang,ang1 输入完最后一个关键点后,单击 OK. 24.选取菜单选项 Main Start Number. 25.在 Starting Number 20,单击 OK 关闭对话框. Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Set

Specifications 对话框中的 For

areas 处输入

26.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>-Areas-Arbitrary>Through 菜单将会出现.

KPs.拾取

27.在图形窗口中依次选取关键点 50,51,52,53,单击 OK 关闭对话框. 28.选取菜单途径 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering. number 和 Area number 打开.单击 OK

29.在出现的对话框中将 Keypoint 关闭对话框. 30.选取菜单途径 Main Menu> Extrude/ Sweep> -Areas-Along

Preprocessor> -Modeling-Operate> Lines.拾取菜单将会出现.

31.在图形窗口中选中刚刚生成的 20 号面,在拾取菜单中单击 OK. 32.选中由 12 和 13 号关键点组成的线,在拾取菜单中单击 OK.在图形窗口 中将会生成一个直齿形体. 33.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Boolean-Add>Volumes. 拾取菜单将会 出现. 34.单击 Pick All. Menu>Select>Entities.

35.选取菜单途径 Utility

36.在 Select Entities 对话框中的最上面的下拉列表中选择 Areas,在另 外一个下拉列表中选择 By Location;坐标分量选 X Coordinates;Min,Max 处输入 r3,r5.单击 Apply. 37.将坐标分量改为 Z 为 Reselect.单击 OK. Coordiantes;Min,Max 处输入改为 h3;选取方式改

38.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Boolean-Add>Areas. 拾取菜单将会出 现. 39.单击 Pick All. Menu>Select>Entities.

40.选取菜单途径 Utility

41.在 Select Entities 对话框中的最上面的下拉列表中选择 Areas,在另 外一个下拉列表中选择 By Location;坐标分量选 Z Coordinates;清除在 Min,Max 处的输入;选取方式为 From Full.单击 OK. 42.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Boolean-Add>Areas. 拾取菜单将会出 现. 43.单击 Pick All. Menu>Select>Everything.

44.选取菜单途径 Utility

45.单击工具条上的 SAVE_DB 保存数据库. 第 6 步:划分网格 1.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>MeshingTool.

2.在 MeshTool 菜单中先打开 Smart 的位置.单击 Close 关闭对话框. 3.选取菜单途径 Utility

Size 控制,再将其下的滚动条移到 4

Menu>Select>Entities.

4.在 Select Entities 对话框中的最上面的下拉列表中选择 Areas, 在另外 一个下拉列表中选择 By Location;坐标分量选 Y Coordinates;清除在 Min,Max 处的输入;选取方式为 From Full.单击 OK. 5.选取菜单途径 Main 拾取菜单将会出现. 6.单击 Pick All. Menu>Preprocessor>Copy>-Nodes-Copy. 拾取菜单将 Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Free.

7.选取菜单途径 Main 会出现. 8.单击 Pick All.

9.在出现的对话框中的 Y-offset in active CS 处输入 ang,Node number increment 处输入 100.单击 OK 关闭对话框. 10.选取菜单途径 Main 现. 11.单击 Pick All. in active CS 处输入 ang.单击 OK Menu>Preprocessor>Copy>Areas.拾取菜单将会出

12.在出现的对话框中的 Y-offset 关闭对话框. 13.选取菜单途径 Utility 14.选取菜单途径 Main Items.

Menu>Select>Everything. Ctrls>Merge

Menu>Preprocessor>Numbering

15.在出现的对话框中的下拉列表中选取 Keypoints,并在 Range of coincidence 处输入 0.01.单击 Apply.关闭可能会出现的警告对话框. 16.将下拉列表的选项改为 Nodes,单击 OK 关闭对话框. 17.选取菜单途径 Main Attribs. Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default

18.在对话框中选 Element 19.选取菜单途径 Main

type

number 为 2.单击 OK 关闭对话框.

Menu>Preprocessor>MeshingTool.

20.在 MeshTool 对话框中选 Shape 为 Tet,选 Mesher 为 Free.单击 Mesh. 拾取菜单将会出现. 21.单击 Pick All.在网格划分完成后关闭警告对话框.

22.单击 Close 关闭 MeshTool 对话框. 23.选取菜单途径 Main 单将会出现. 24.单击 Pick Menu>Preprocessor>-Meshing-Clear>Area. 拾取菜

All.关闭可能出现的警告对话框.

第 7 步:生成侧面组件 1.选取菜单途径 Utility Menu>Select>Entities.

2.在 Select Entities 对话框中的最上面的下拉列表中选择 Nodes, 在另外 一个下拉列表中选择 By Location;坐标分量选 Y Coordinates;清除在 Min,Max 处的输入.单击 OK. 3.选取菜单途径 Utility Component. 4.在 Component Menu>Select>Comp/Assembly>Create

name 处输入 low.单击 OK. Node

5.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate CS-To Active CS.拾取菜单将会出现. 6.单击 Pick All. Menu>Select>Entities.

7.选取菜单途径 Utility

8.在 Select Entities 对话框中的最上面的下拉列表中选择 Nodes, 在另外 一个下拉列表中选择 By Location;坐标分量选 Y Coordinates;在 Min,Max 处输入 ang.单击 OK. 9.选取菜单途径 Utility Component. 10.在 Component Menu>Select>Comp/Assembly>Create

name 处输入 high.单击 OK. Node

11.选取菜单途径 Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate CS-To Active CS.拾取菜单将会出现. 12.单击 Pick All.

13.选取菜单途径 Utility

Menu>Select>Everything.

14.单击工具条上的 SAVE_DB 保存数据库. 第 8 步:生成重叠扇区,加约束 1.选取菜单途径 Main 2.单击 OK. 3.选取菜单途径 Utility Menu>Select>Entities. Menu>Preprocessor>Cyclic Sector.

4.在 Select Entities 对话框中的最上面的下拉列表中选择 Nodes, 在另外 一个下拉列表中选择 By Location;坐标分量选 X Coordinates;在 Min,Max 处输入 r1.单击 OK. 5.选取菜单途径 Main Menu -Loads-Apply > -Structural 将会出现. 6.单击 Pick All. to be constrained 处选择 All 自 > Preprocessor Displacement > > Loads > On Nodes.拾取菜单

7.在出现的对话框的自由度(DOF)s 由度(DOF).单击 OK 关闭对话框. 8.选取菜单途径 Utility 9.在 ANSYS

Menu>Select>Everything.

Toolbar 上单击 SAVE_DB.

第 9 步:指定分析类型和选项,求解 1.选取菜单途径 Main Menu>Solution>-Analysis New Analysis 对话框将出现. 2.选中 Modal analysis,然后单击 OK. Options,Modal Type-New Analysis.

3.选取菜单途径 Main Menu>Solution>-Analysis Analysis 对话框将出现.

4.选中分块 Lanczos 法模态提取法;在 Number of modes to 处输入 5;在 No. of modes to expand 处输入 5.单击 OK. 5.单击 OK 接受缺省值. 6.在 ANSYS Toolbar 上单击 SAVE_DB.

extract

7.选取菜单途径 Main

Menu>Solution>Modal

Cyclic.

8.在出现的对话框中输入 NDMIN 和 NDMAX 分别为 0,2; 指定 No. of sectors 为 24;指定 LOW Node component name 为 low;可以指定 HIGH Node component name 为 high.单击 OK 开始求解. 9.求解过程结束后单击 Close 关闭提示对话框. 第 10 步:观察解得的五阶模态 1.选取菜单途径 Main Menu>General Postproc>Results 出的窗口中将会看到对应于三个节径的 3×5=15 阶模态. 2.用窗口的菜单选项 File>Close 关闭窗口. 3.选取菜单选项 Utility Menu>PlotCtrls>Style>Symmetry Expansion>Modal Cyclic Symmetry. 4.在对话框中的 No. of Diameters 处输入 3;Sector repetitions 处输入 24;No. Angle 处输入 ang. of Nodal Summary.在弹

5.单击 OK.在图形窗口中应该出现经扩展得到的完整齿轮有限元模型. 6.选取菜单途径 Main Number. Menu>General Postproc>-Read Results-By Set

7.在出现的对话框中的 Data 15.单击 OK. 8.选取菜单途径 Utility 9.单击 OK 接受缺省设置.

set

number 处填上希望观察的模态阶数,如

Menu>PlotCtrls>Animate>Deformed

Shape.

10.经过一段时间的计算后,播放对话框将出现. 11.单击按钮"4"观察动画播放.可以看到齿轮在第 15 阶模态时的变形情 况.同样可观察其它各阶模态的变形情况. 12.单击按钮"<"结束动画播放. 第 11 步:退出 ANSYS 1.在 ANSYS 2.选 Quit-No Toolbar 中选 QUIT. Save!

3.单击 OK. §1.13.2.3 命令或批处理方式的命令流 可以用下面的 ANSYS 命令流代替 GUI 选择来进行模型飞机机翼的模态分析. 以感叹号开头的条目是注释. Finish /clear /filnam,modal2 /prep7 /title, !Define et,1,63 et,2,45 mp,ex,1,2e8 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7.8e-6 !Define r1=30 r2=r1+10 r3=r1+30 r4=r1+50 r5=r1+70 h2=6 h1=h2+2 h3=h2+2 parameters Modal element Analysis types of and a Gear properties

material

ang=15 ang1=3 ang2=6 !Modelling k,1,r1 k,2,r4 k,3,r4,,h3 k,4,r3,,h3 k,5,r3,,h2 k,6,r2,,h2 k,7,r2,,h1 k,8,r1,,h1 a,1,2,3,4,5,6,7,8 k,10 k,11,,,1 vrot,1,,,,,,10,11,ang csys,1 k,50,r5,ang2 k,51,r5,ang-ang2 k,52,(r4+r3)/2,ang-ang1 k,53,(r4+r3)/2,ang1 nums,area,20 a,50,51,52,53 lsel,s,loc,x,r1

lsel,r,loc,y *get,lin_num,line,,num,max vdrag,20,,,,,,lin_num vadd,all asel,s,loc,x,r3,r5 asel,r,loc,z,h3 aadd,all asel,s,loc,z aadd,all alls smrt,4 asel,s,loc,y amesh,all ngen,2,100,all,,,,ang agen,2,all,,,,ang alls numm,kp numm,node type,2 mshap,1,3d vmesh,all acle,all!Delete nsel,s,loc,y cm,low,node!Create Low Component Areas Unnecessary to Cyclic Analysis

nrot,all nsel,s,loc,y,ang cm,high,node!Create nrot,all alls save,,db cycgen!Generator nsel,s,loc,x,r1 d,all,all!Apply alls finish /solu antype,2!Modal Analysis Mode Extraction Method,5 Modes Displacement Constraint on All Inner Nodes Overlayed Sector for Cyclic Analysis High Component

modopt,lanb,5!分块 Lanczos 法 mxpand,5!Expand save,,db cycsol,0,2,24,"low"!Solve fini /post1 /expand,24,modal,2,,ang!Expand /replot 5 Modes

to

Full

Model

Shape

§1.13.3 其它模态分析实例的出处

在 ANSYS 的好几种刊物,特别是 ANSYS 其它的模态分析的实例.

Verification

Manual 中均给出了

ANSYS Verification Manual 由对 ANSYS 产品家族性能进行测试的一些实 例组成.在这些实例中给出了针对实际问题的求解方法,但 Verification Manual 中并没有给出包含冗长的数据输入输出的按步进行的操作指导.但是, 大多数有一点有限元经验的用户应当能够在看完各实例的有限元模型以及带有 注释的输入数据后添上手册中忽略的操作细节. 下表列出的是一些在 Verification 实例: VM45 VM47 VM48 VM50 VM52 VM53 VM54 VM55 VM57 VM59 Natural Torsional Natural Frequency Frequency Frequency of of of a of Manual 中可以找到的模态分析的测试

a a

Spring-mass Suspended

System Disk

Motor-generator a Simply Supported Beam

Fundamental Automobile Vibration Vibration Vibration Torsional Lateral

Frequency Suspension of of of a a a String

System Under

Vibrations Tension Blade Membrane Pipe Bar

Rotating Stretched of an a

Cantilever Circular a Drill

Frequencies Vibration Frequency of of

Axially-loaded Cross-ply

VM60 - Natural Spherical Shell VM61 VM62 VM66 -

Laminated

Longitudinal Vibration Vibration of of

Vibration a a Wedge Flat of

of

a

Free-free

Rod

Plate a Circular Ring from an

VM67 - Radial Vibrations Axisymmetric Model VM68 PSD Response of a

Two

DOF

Spring-mass

System

VM69 VM70 VM76 VM89 VM151 VM152 Membrane VM153 Membrane VM154 VM175

-

Seismic Seismic Harmonic Natural

Response Response Response Frequencies of of of a a a Beam Structure String System Plate Circular

Guitar

Two-mass-spring of of a a Circular Stretched

Nonaxisymmetric

Vibration Vibration

- Nonaxisymmetric (Harmonic Els) - Nonaxisymmetric (Modal) Vibration Natural of a

Vibration

of

a

Stretched

Circular

Fluid of of a a

Coupling Piezoelectric Flat Circular Transducer Plate with

Frequency Frequency

a

VM181 - Natural Clamped Edge VM182 VM183 VM202 Transient Harmonic

Response Response

of of a

a

Spring-mass Spring-mass a Shear

System System

Transverse

Vibrations Effect

of on

Beam Thick

VM203 - Dynamic Square Plate VM212 Modal

Load

Simply-supported

Analysis

of

a

Rectangular

Cavity

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