ANSYS模态分析实例及详细过程doc.docx

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均匀直杆的子空间法模态分析

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提供的模态提取方法有:

子空间法（subspace）、分块法（blocklancets）,缩减法

（reduced/householder）、动态提取法（powerdynamics）、非对称法（unsymmetric）,阻尼法

（damped）,QR阻尼法（QRdamped）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、扩展模态以及观察结果四个步

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、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。

（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，MainMenu-Solution-AnalysisType-NewAnalysis,选择Modal。

指定分析选项，MainMenu-Solution-AnalysisType-AnalysisOptions，选择MODOPT（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，MainMenu-Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement。

求解，MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS。

（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、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。

激活扩展处理及其选项，MainMenu-Solution-LoadStepOpts-Expansionpass-Single

Expand-Expandmodes。

指定载荷步选项。

扩展处理，MainMenu-solution-Solve-CurrentLS。

注意:

扩展模态可以如前述办法单独进行，也可以在施加载荷和求解阶段同时进行。

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.问题描述及解析解

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=2×1011N/m2护，密度p=7800kg/m3，杆长L=0.1m.要求计算直杆纵向振动的固有频率。

根据振学理，假直杆均匀伸，如8-1所示等截面直杆向振第i固有

率

=（2i

1）

E

（i=1,2⋯）

i

rad/s

2L

将角率

i

化周率

f，并将已知参数代入，可得

fi

=

i=2i

1

E=2i

1

21011

=12659（2i-1）

Hz

（8-1）

2

4L

4

0.1

7800

按式（8-1）算出直杆的前

5率，列表如表

8-1所示。

次

1

2

3

4

5

率（Hz）

12659

37978

63296

88615

113933

4.分析步

改工作名

拾取菜UtilityMenu-File-ChangeJobname出如8-2所示的框，在

"[/FILNAM]"文本框中入EXAMPLE8,“OK"按。

创建单元类型

拾取菜单MainM--Preprocessor-ElementType-Add/Edit/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"Brick20node186",

单击"OK"按钮:

单击对话框的“Close"按钮。

定义材料属性

拾取菜单MainMenu-Preprocessor--MaterialProps-MaterialModels.弹出对话框，在右侧

列表中依次双击"Structural","Linear","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（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。

创建块

拾取菜单MainMenu-Preprocessor–Modeling-Create-Volumes-Block–ByDimension。

弹出对话框，在"X1,X2"文本框中输入0,，在"Y1,Y2"文本框中输入0，，在"Z1,Z2"文本框中输

入0，0,1,单击"OK"按钮。

划分单元

拾取菜单MainMenu-Preprocessor-Meshing-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OK"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"OK"按钮。

在"NDIV"文木框中输入15,单击"OK"按钮。

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"（映射）

单击Mesh按钮，弹出拾取窗口，单击"OK"按钮。

图1单元划分

施加约束

拾取菜单

MainMenu--Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-OnAreas

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8-1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。

指定分析类型

拾取菜单MainMenu-Solution-AnalysisType-NewAnalysis。

弹出对话框，选择"Typeof

Analysis"为"Modal",单击"OK"按钮。

指定分析选项

拾取菜单MainMenu-Solution-AnalysisType-AnalysisOptions。

弹出对话框，在"No.of

modestoextract"文本框中输入5，单击“OK"按钮:

弹出"BlockLanczosMethod",单击"OK"按钮。

指定要扩展的模态数

拾取菜单MainMenu-Solution-LoadStepOpts-Expansionpass-SingleExpand-Expand

modes。

弹出对话框，在"NMODE"文本框中输入5，单击"OK"按钮。

求解

拾取菜单MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS。

单击“SolveCurrentLoadStep”

对话框的“OK”按钮。

出现“Solutionisdone!

”提示时，求解结束，即可查看结果了。

图2求解结果

列表固有频率

拾取菜单MainMe-GeneralPostproc-ResultsSummary。

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。

从结果文件读结果

拾取菜单MainMenu-GeneralPostproc-ReadResults-FirstSet.

改变视点

为便于更好地观察模型的模态。

拾取菜单UtilityMenu-PlotCtrls-PanZoomRotate.在

弹出的对话框中，单击“Left”按钮.

用动画观察模型的一阶模态

拾取菜单

UtilityMenu-PlotCtrls-Animate-ModeShape

。

弹出对话框，单击“OK”按钮。

观察完毕，单击“AnimationController”对话框的"close"按钮。

观察其余各阶模态

拾取菜单MainMenu-GeneralPostproc-ReadResults-NextSet.依次将其余各阶模态的

结果读入，然后重复步骤15

观察完模型的各阶模态后，请读者自行分析频率结果产生误差的原因，并改进以上

分

析过程。

5命令流

/CLEAR

/FILNAME,EXAMPLE8

/PREP7

ET,1,SOLID186

MP,EX,1,2E11

MP,PRXY1,

MP,DENS,1,7800

BLOCK,0,,0,,0,

LESIZE,1,,,3

,,3

LESIZE,9,,,15

MSHAPE,O

MSHKEY,1

VMESH,1

FINISH

/SOLU

ANTYPE,MODAL

MODOPT,LANB,5

MXPAND,5

DA,1,UZ

DA,3,UY

DA,5,UX

SOLVE

SAVE

FINISH

/POST1

SET，LIST

SET,FIRST

/VIEW,1,-1

/REPLOT

PLDI

ANMODE,10,,,0

SET,NEXT

PLDI

ANMODE,10,,,0

FINISH