支架结构的模态瞬态分析.docx

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支架结构的模态瞬态分析

CAE课程设计

支架结构的模态瞬态动力分析

学院:

专业:

班级:

学号:

姓名:

指导教师:

课程设计任务书

课程名称:

CAE课程设计

院（系）：

专业：

课程设计题目：

支架结构的模态瞬态动力分析

课程设计时间：

201年1月2日至201年1月1日

课程设计的内容及要求：

（一）基本要求

1、根据给定的问题选择合理方法计算出支架结构的模态瞬态动力分析;

2、掌握HyperMesh前处理和HyperMesh后处理的基本操作；

3、设计说明书编写符合规范；

（二）课设内容

1、查阅参考资料，熟悉HYPERMESH软件相关应用模块；

2、编写设计说明书；

3、参加答辩；

（三）主要参考书

[1]李楚琳，张胜兰，冯樱.《HyperWorks分析应用实例》.机械工业出版社.2008

[2]方远乔，陈安宁，董卫平.振动模态分析技术．北京：

国防工业出版社.1994

[3]傅志方,华宏星．模态分析理论与应用[M]．上海：

上海交通大学出版社.2000．

[4]李黎明．有限元分析实用教程．北京：

清华大学出版社.2005：

1—3．

[5]吴琦.支架设备结构模态实验及计算分析评价[D].大连理工大学硕士论文.2008.

（四）评语

（五）成绩

指导教师：

负责教师：

学生签名：

摘要

本文通过模态分析可以识别出支架结构的模态参数，进行结构系统的瞬态模态的计算分析，最终结合分析结果给出支架结构动力特性的优化设计评价。

模态是结构系统的固有振动特性。

线性系统的自由振动被解耦合为N个正交的单自由度振动系统，对应系统的N个模态。

模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

本文主要是利用HyperWorks有限元软件针对支架结构模型进行时间历程分析,其中包括对支架结构模型的优化，利用HyperWorks中提供的子结构对支架结构模型进行简化。

文章中详细介绍了对支架结构的模态瞬态分析的HyperWorks操作过程，并简要分析了所得结论。

通过模态分析得到了支架模态特性，为分析、设计和优化此类支架结构提供理论依据和参考。

关键字：

HyperWorks支架结构瞬态模态结构设计

目录

第一章引言1

1.1研究背景1

1.2任务设计1

第二章软件操作演示2

2.1软件简介2

2.2打开软件并导入2

2.3定义时间相关动载的表格3

2.4定义瞬态时间步长3

2.5创建Darea以定义支架顶部平面的力4

2.6模态阻尼表格5

2.7创建Eigrl载荷集6

2.8创建瞬态动力响应6

2.9创建载荷步7

2.10创建输出要求7

2.11提交计算8

2.12查看结果8

2.13结果分析10

第三章总结11

参考文献12

第一章引言

1.1研究背景

近年来，我国机械制造业发展迅猛，机械产品正在向高速高精度轻量化方向发展，振动和噪声问题日益突出。

如何提高系统的性能越来越受到人们的重视。

对产品进行动力学研究是提高产品性能的主要手段，在产品设计中起着非常重要的作用。

其中，模态分析是一种有效的方法，在解决工程问题中起着重要的作用。

1.2任务设计

对支架结构进行瞬态模态分析，求得指定位置处的位移。

首先通过OptiStruct进行模态瞬态动力分析，再使用HyperGraph对瞬态动载作用下的支架变性特征进行后处理。

问题描述：

（1）模型

支架结构，两腿底部受约束

（2）原始条件

模态：

瞬态分析；

运行时间：

4s；

增量：

800个（时间步长为0.005s）；

固有频率：

1000Hz；

模态阻尼：

2%临界阻尼。

（3）目的

监测孔中心集中质量处Z方向的位移。

第二章软件操作演示

2.1软件简介

HyperWorks是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。

本次课设应用的模块为HyperMesh以及HyperGraph。

2.2打开软件并导入

首先打开软件,并如图所示配置:

配置完成之后，将模型文件导入软件中：

2.3定义时间相关动载的表格

（1）Collectors面板中，点击LoadCollectors按键

，进入如下界面：

（2）将“loadcolname=”后的值设置为Tabled1，并将CardImage设置为Tabled1

（3）点击creat/edit按键，将TABLED1_NUM=后的值设置为4，并按enter，之后将x、y的值改写为如下值，XAXIS，YAXIS均设置为LINEAR，之后点击return。

2.4定义瞬态时间步长

（1）同上，Collectors面板中，点击LoadCollectors按键

，进入如下界面，并设置“loadcolname=”后的值为Tstep，然后将CardImage设置为Tstep。

（2）点击creat/edit按键，将Tstep_NUM=设置为1，并按下enter键。

将N下输入800，DT下输入0.005，确定时间增量。

则载荷作用时间为800×0.005=4s。

N0为默认值1（这时输出要求的步长）。

2.5创建Darea以定义支架顶部平面的力

（1）同上，在LoadCollectors面板下，将“loadcolname=”设置为Darea，并将CardImage设置为NOCardImage点击Creat创建。

点击return回到主面板。

（2）在Analysis页面点击LoadTypes按钮。

点击“constraint=”并选择Darea，点击return。

（3）在Analysis页面点击constraints按钮。

确认Creat子面板是激活的。

点击NODES，从菜单中选择BySets。

从显示的两个系（sets）中选择force，并点击select。

属于Force系的节点被选中。

（4）去掉dof3外所有自由度的选择，这表示dof3是唯一激活的自由度。

并将Dof3输入值为-1500，点击Creat创建一个1500个单位的力，沿Z轴负方向施加于所选节点。

点击return，支架顶面的节点力即创建。

2.6模态阻尼表格

（1）仍然是点击LoadCollectors按钮，将Name设置为Tabdmp1。

将CardImage设置为Tabdmp1。

点击Creat/edit。

（2）为Tabdmp1_NUM设置为2.为Type选择Crit，频率和阻尼输入的相关数值如图。

这提供关注频率幅度内的阻尼值。

点击return。

2.7创建Eigrl载荷集

（1）仍然是点击LoadCollectors按钮，将Name设置为Eigrl。

将CardImage设置为Eigrl。

点击Creat/edit。

（2）输入V1=0.0，输入V2=1000。

保持ND区域空白，以提取1000Hz以内的模态。

点击return。

2.8创建瞬态动力响应

（1）仍然是点击LoadCollectors按钮，将Name设置为Tload1。

将CardImage设置为Tload1。

点击Creat/edit。

（2）点击Exciteid，并选择Darea载荷集；点击TID，并选择先前创建的Tabled1载荷集（定义载荷作用过程）。

点击return回到主面板。

2.9创建载荷步

从Analysis页面选择Loadsteps面板；点击Name并输入Transient；将Type设置为Transient（model）；激活SPC并为SPC=选择载荷集SPC；激活Dload，并未Dload选择载荷集TLoad1；激活method（struct），并为method=选择载荷集Eigrl；激活sdamping并为sdamping=选择载荷集Tabdmp1；激活Tstep，并为Tstep=选择载荷集Tstep；确认Time/Fourier设置为Time；点击Creat，点击return。

即创建了一个载荷工况，它确定模态瞬态分析的动力载荷和边界条件。

2.10创建输出要求

（1）从Analysis页面选择ControlCard面板。

选择选择内部的GLOBAL_OUTPUT_REQUEST按钮。

（2）激活DISPLACEMENTS并保持FORMAT为空白，FORM选择BOTH；OPTION选择SID，点击SID黄色按钮，并选择Center。

Center表示“蜘蛛”中心节点（395号节点）附属于质量单元。

点击return。

（3）点击NEXT，选择OUTPUT。

在number_of_outputs=下输入2。

为Keyword选择H3D和Hgtrans。

为Freq选择ALL。

Return回到主面板。

2.11提交计算

运行瞬态动载模态分析。

从Analysis页面选择Optistruct面板。

点击SaveAs，选择保存路径，将文件命名为bracket_transient_modal.fem；保存文件。

将RunOption置为Analysis，点击OptiStruct，提交计算。

2.12查看结果

（1）在OptiStruct面板中点击HyperView按钮启动。

（2）点击

的三角号，将其改为HyperGraph。

会提示“Thisoperationwillerasealldatainthiswindow.Continue?

”点击是

（3）选择“file-Open-Session”打开bracket_transient_model_tran.mvw文件，出现位移结果图形如下图：

由于载荷只作用于Z轴方向，所以只需要关注395号节点在载荷作用过程Z轴方向的位移。

（4）在plot工作树处，点击c1:

XTrans。

软件下方出现控制面板，分别选中XTrans、YTrans将Curve勾选掉。

（5）最终图像如下：

2.13结果分析

根据图像，由于载荷沿Z轴负方向施加，395号节点的位移在Z轴负方向，且模型中存在结构阻尼，因此位移最终衰减为0。

第三章总结

根据第二章的计算结果，在沿Z轴负方向加载1500个单位力，并以4s为总运行时间，每0.005s取样一次，可知大约在3.5s时，位移浮动范围处于0.035--0.036，位移波动幅度为0.001，模态振型基本确定。

同时也可以看出在施加Z轴负方向1500个单位力时，产生的净位移为0.0355。

另外我们可以看出，4s内仅以2%临界阻尼就可以迅速到达基本静止，说明该结构具有较高的稳定性。

本次分析作为对一支架结构的模态分析参考，具有一定的指导意义。

首先，我们可以看出该结构在阻尼作用下逐渐衰减为零，所以该支架结构是稳定的；其次，任何一个结构的实际振动千姿百态，瞬息变化，使用lanczos法定义达到1000Hz的固有模态载荷集，最终得出结果可以看出单一一个支架结构的模态是非常有规律的。

软件分析时，各项指标均处于理想状态，例如，支架为刚体，但事实上，支架不能完全等价为刚体。

所以更加准确的支架结构模态瞬态分析应该包括数值模态分析和实验模态分析，通过两者之间的对比，最终才能得出精确的结果。

参考文献

[1]李楚琳，张胜兰，冯樱.《HyperWorks分析应用实例》.机械工业出版社.2008

[2]方远乔，陈安宁，董卫平.振动模态分析技术．北京：

国防工业出版社.1994

[3]傅志方,华宏星．模态分析理论与应用[M]．上海：

上海交通大学出版社.2000．

[4]李黎明．有限元分析实用教程．北京：

清华大学出版社.2005：

1—3．

[5]吴琦.支架设备结构模态实验及计算分析评价[D].大连理工大学硕士论文.2008.