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ANSYS 模态分析

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:/SOLUGUI: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命令GUI 选择途径New Analysis ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis Analysis Type: Modal ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis>ModalMode Extraction Method MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNumber of Modes to Extract MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNo. Of Modes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>Analysis OptionsMass Matrix Formulation LUMPM Main Menu>Solution>Analysis OptionsPrestress Effects Calculation 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 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。

§1.7.2.2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,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 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─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: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别命令GUI途径Displacement(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)约束 D Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-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。

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