高速旋转轮盘模态分析在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。
通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。
而对于高速部件，工作时由于受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。
为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。
通过该实验掌握如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。
一．问题描述本实验是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析，求解出该轮盘的前5阶固有频率及其对应的模态振型。
轮盘截面形状如图所示，该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。
相关参数为：弹性模量EX＝2.1E5Mpa，泊松比PRXY＝0.3，密度DENS＝7.8E-9Tn/mm3。
1-5关键点坐标：1(-10, 150, 0)2(-10, 140, 0)3(-3, 140, 0)4(-4, 55, 0)5(-15, 40, 0)6(-15, 12, 0)R5=3二．分析具体步骤1.定义工作名、工作标题、过滤参数①定义工作名：Utility menu > File > Jobname②工作标题：Utility menu > File > Change Title（姓名）2.选择单元类型本实验将选用六面体结构实体单元来分析，但在建模过程中需要使用四边形平面单元，所有需要定义两种单元类型：PLANE42和SOLID45，具体操作如下：Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete①“ Structural Solid”→“ Quad 4node 42”→Apply（添加PLANE42为1号单元）②“ Structural Solid”→“ Quad 8node 45”→ok（添加六面体单元SOLID45为2号单元）在Element Types (单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单元类型：PLANE42、SOLID45，关闭Element Types (单元类型定义)对话框，完成单元类型的定义。
3.设置材料属性由于要进行的是考虑离心力引起的预应力作用下的轮盘的模态分析，材料的弹性模量EX 和密度DENS必须定义。
①定义材料的弹性模量EXMain Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear >Elastic >Isotropic弹性模量EX＝2.1E5泊松比PRXY＝0.3②定义材料的密度DENSMain Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models>densityDENS =7.8E-94.实体建模对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。
具体的操作过程如下。
①创建关键点操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS 列出各点坐标值Utility menu >List > Keypoints >Coordinate only②由关键点生成线的操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord③建立圆角：Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Lines Fillet④生成面：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Areas >Arbitrary >By Lines（逆时针选线）5.划分网络Main Menu >Preprocessor >Meshing >MeshTool①对全局进行设置。
单击Size Controls (尺寸控制区)全局设置项(Global)的Set按钮，将弹出Global Element Sizes单元尺寸全局设置对话框在对话框中输入Element edge Length (单元边长度)为6。
②单击Size Controls (尺寸控制区) Lines (线设置项)的按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)的拾取对话框。
用鼠标左键在图形输出窗口中拾取圆角对应的线。
单击ok按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)对话框，在对话框中输入No. of element divisions (每条线将要分成的单元数)为1，设定圆角处对应的线只分一个单元。
(由于是模态分析，只要能反应出需要知道的前几阶模态就行，而不需要知道具体的应力值，所以不需要对此处进行单元细化。
)③对分网进行控制。
在分网控制区的Mesh下拉框中选定分网类型为Area (面)，Shape (网格形状)设置为Quad (四边形)，分网方式设置为Free (自由分网)。
④对面进行分网。
在MeshTool (分网工具)对话框中单击Mesh按钮，将弹出Mesh Aeras (对面划分网格)拾取对话框。
从图形输出窗口中拾取创建的面，单击ok按钮。
完成网格划分。
6. 出整个轮盘的有限元模型通过将面绕轴旋转成有限元实体模型的功能，将前面建立的轮盘截面有限元网格，围绕定义的旋转轴扫掠成整个轮盘的实体有限元模型。
具体的操作过程如下。
①定义旋转轴。
可以通过定义旋转轴所在轴线上的两个关键点来，指定旋转轴的位置。
Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Key points >In Active CS生成两个关键点20、21。
关键点20：X,Y,Z位置分别为-10，0，0关键点21：X,Y,Z位置分别为10，0，0②设置单元生成选项Main Menu >Preprocessor >Modeling >Operate >Extrude >Elem Ext Opts，弹出Element Extrusion Options (单元挤出选项)对话框，在对话框中的Element type number (单元类型序号)下拉框中选择2号单元SOLID45。
单元尺寸选项中的分割单元数（V AL1 NO. Elem Divs）设置为18，即在挤压出的每个体上将沿周向被分成18份。
拉伸比例为0，保持等截面拉伸。
将Clear area(s) after ext (删除原始面)设置为Yes，在挤压的单元完成之后将删除原来的面以及其上的单元。
单击ok按钮，完成对单元选项的设置。
③绕轴旋转截面Main Menu >Preprocessor >Modeling >Operate >Extrude >Areas >About Axis，将弹出Sweep Areas about Axis (绕轴扫描面)的拾取对话框。
从图形输出窗口中选择创建好的平面网格，单击拾取对话框中的按钮。
然后从图形窗口中选取定义旋转轴的关键点20，21，单击ok按钮，将弹出Sweep Areas about Axis对话框，在对话框中输入旋转角度为(Arc length in degrees)360，No. of volume segments（一周创建体的数目）为4，单击ok按钮。
创建如图所示的整个盘的有限元模型。
④观察创建的网格形式。
Utility Menu >Plot >Element，图形窗口中将会显示出由平面网格扫掠而成的实体单元网格情况。
存盘，SAVE_DB。
至此，完成了创建轮盘有限元模型的所有工作。
7. 节点的坐标变换根据轮盘的工作情况其约束条件为盘心轴向和周向约束，这种约束条件在直角坐标系下无法定义，而柱坐标下可以非常方便地定义。
根据ANSYS程序中坐标系的定义规则，需要将柱坐标系的Z轴和旋转轴重合，Y轴表示转角，X轴表示径向。
ANSYS程序提供的全局柱坐标系不满足要求。
通常可以有两种办法来解决这个问题：重新建立一个柱坐标系使其的Z向和旋转轴一致。
具体操作过程如下：①Utility Menu >WorkPlane >Offset WP by Increments，弹出Offset WP (工作平面偏移)菜单,拖动Degrees滑动条，将Degrees (旋转角度)值设置为90。
单击按钮，使工作平面绕Y 轴正向旋转90度，单击ok按钮，将工作平面的WZ轴和总体坐标系的X轴方向重合，。
②在工作平面原点创建柱坐标系。
Utility Menu >WorkPlane >Local Coordinate Systems >Create Local CS >At WP Origin，将弹出Create Local CS at WP Origin (在工作平面原点创建本地坐标系)对话框，Ref number of new coord sys (新坐标系的参考序号)缺省值为11，一般就使用缺省值，也可自己设定。
在Type of coordinate system(坐标系类型)下拉框中选取Cylindrical 1 (柱坐标系),其它设置为缺省值。
单击ok按钮。
将完成要求的柱坐标系的创建，并且将新建坐标系定义为当前激活坐标系。
③将所有节点移到当前柱坐标系中。
Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Nodes >Rotate Node CS >To Active CS将弹出Rotate Nodes into CS菜单。
在菜单中单击按钮，将所有的节点都移到当前激活柱坐标系下。
8. 进行静力分析由于对轮盘模态的分析需要考虑离心力引起的应力对模态的影响，所以需要先对其进行静力分析，求解出离心力产生的应力，及其对刚度阵的影响，将结果写入数据库文件。
有预应力的轮盘静力分析具体过程如下。