全面讲解ANSYS高速旋转轮盘模态分析讲解
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。我通过该例子学习到了如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。
一.例子描述
本例子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10阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图1所示,该轮盘安装在某转轴上以120 00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DE NS=7.8E-9T/mm3。
图1、轮盘截面图
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)
L=15
RS=5
二.A nsys求解的具体步骤
1.启动ansys,定义工作名、工作标题
①定义工作名:Example of dynamic
②工作标题:dynamic analysis of a disc
2、选择单元类型
本例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,设置完成后,如图2,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,
图2、定义单元类型
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EX
弹性模量 EX=2.1E5
泊松比 PRXY=0.3
②定义材料的密度DENS
DENS =7.8E-9
4、建立实体模型
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:
②由关键点生成线的操作,见图3.
③建立圆角:
④生成面:
图3、生成线
5、划分网络
打开MeshTool
①首先对全局进行设置。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。
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。划分后的截面如图4。
图4、单元格划分后的截面
6、做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。创建两个关键点100、200。关键点100:X,Y,Z位置分别为-
10,0,0关键点200:X,Y,Z位置分别为10,0,0
②设置单元生成选项
打开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(VAL1 NO. Elem Di vs)设置为18。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Ye s,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
通过饶州旋转操作后,创建如图所示的整个盘的有限元模型图5以及网格形式图6。
图5、实体模型
图6、单元格划分后模型
7. 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。
①指定分析类型及分析选项
选择Static分析,打开求解控制(Solution Controls)对话框。单击标签“Basic”,在Calculate Prestre ss effects选项前打“√”。如图7,打开预应力选项。单击OK。
图7、分析选项设置
②定义边界条件和转速
对于本实例分析的轮盘,由安装条件知道其边界条件应该是,在轮盘盘心的节点轴向和周向固定,而径向自由。其离心载荷是由于高速旋转产生的,因此需要在分析时指定轮盘的旋转
速度。
首先定义约束。然后定义转速,在Apply angular velocity (角速度定义)对话框中的Global Cartesi an X-
comp (绕总体坐标系中X轴旋转角速度)文本框中输入1256.64,指定轮盘的旋转速度为1256.64弧度/秒。单击ok按钮,就完成了对旋转角速度的定义。
③进行求解
8、进行模态分析设定
由于模态分析时位移约束条件和进行静力分析时一样,而静力分析时所定义的转速在模态分析时将被忽略,因此进行模态分析时再不需要重新定义边条,可以直接进入求解菜单进行求
解。
①指定分析选项,选择 “Modal”(模态分析)。
②分析选型设定,选用 Block Lanczos (分块兰索斯法),并指定No. of modes extract (提取模态的阶数)为10 ,将Expand mode shapes (模态扩展)设置为“YES”,在No. of modes to expand (模态扩
展阶数)文本框中输入10。这样ANSYS程序在进行模态求解的同时将完成模态的扩展,不需要再单独进行模态扩展。将Incl prestress effects (预应力效应)设置为“YES”,这样在进行模态分析时ANSYS程序将会把前面静力分析中求解得到的离心力产生的应力对刚度的影响考虑进去。在Block Lanczos Method (兰索斯法模态分析选项)中将Start Freq (开始频率)设置为0,End Frequ ency (结束频率)是1000000。
③进行求解
9、后处理
①列出固有频率
在Results Summary中将列出轮盘的所有求解的固有频率,在文本框里列出了轮盘的前10阶固有频率,见图8,可以看出有些频率值相同,这是由于轮盘结构和边条都是对称的,会出现振型和频率相同但相位不同的情况。
图8、前10阶模态数据
②观察解得的模态
本实例中由于设置了对模态进行扩展,所以对于求得的每一阶固有频率,程序同时都求解了其对应的模态振型,来反映在该固有频率时,轮盘的各节点的位移情况。可以利用通用后处理器方便地对其进行观察和分析,并且可以对各阶模态振型进行动画显示。下面列举了几阶振型图。
图9、一阶模态
图10、三阶模态
图11、四阶模态
图12、五阶模态
全面讲解ANSYS高速旋转轮盘模态分析讲解 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。我通过该例子学习到了如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。 一.例子描述 本例子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10阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图1所示,该轮盘安装在某转轴上以120 00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DE NS=7.8E-9T/mm3。 图1、轮盘截面图 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) L=15 RS=5 二.A nsys求解的具体步骤 1.启动ansys,定义工作名、工作标题 ①定义工作名:Example of dynamic ②工作标题:dynamic analysis of a disc 2、选择单元类型 本例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,设置完成后,如图2,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, 图2、定义单元类型 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EX 弹性模量 EX=2.1E5 泊松比 PRXY=0.3 ②定义材料的密度DENS DENS =7.8E-9 4、建立实体模型 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。
压电变换器的自振频率分析及详细过程 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(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)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,Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。 指定分析选项,Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options,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,Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement。 求解,Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 (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,Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes。 指定载荷步选项。 扩展处理,Main Menu-solution-Solve-Current LS。 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
机翼模型的振动模态分析 摘要:本文在ANSYS13.0平台上,采用有限元方法对机翼模态进行了建模和数值分析,为机翼翼型的设计和改进提供基础数据。 1.引言 高空长航时飞机近年来得到了世界的普遍重视。由于其对长航时性能的要求,这种飞机的机翼往往采用非常大的展弦比,且要求结构重量非常低。大展弦比和低重量的要求,往往使得这类结构受载时产生一系列气动弹性问题,这些问题构成飞行器设计和其它结构设计中的不利因素,解决气动弹性问题历来为飞机设计中的关键技术。颤振的发生与机翼结构的振动特性密切相关。通过对机翼模态的分析,可以获得机翼翼型在各阶频率下的模态,得出振动频率与应变之间的关系,从而可以改进设计,避免或减小机翼在使用过程中因为振动引起的变形。 同时,通过实践和实际应用,可以掌握有限元分析的方法和步骤,熟悉ANSYS有限元分析软件的建模和网格划分技巧和约束条件的确定,为以后进一步的学习和应用打下基础。 2.计算模型 一个简化的飞机机翼模型如图1所示,机翼的一端固定在机体上,另一端为悬空自由端,该机翼沿延翼方向为等厚度,有关的几何尺寸见图1。 图1.机翼模型简图 在分析过程采用直线段和样条曲线简化描述机翼的横截面形状,选取5个keypoint,A(0,0,0)为坐标原点,同时为翼型截面的尖点;B(0.05,0,0)为下表面轮廓截面直线上一点,同时是样条曲线BCDE的起点;D(0.0475,0.0125,0)为样曲线上一点。C(0.0575, 0.005,0)为样条曲线曲率最大点,样条曲线的顶点;点E(0.025,0.00625,0)与点A构成直线, 斜率为0.25。通过点A、B做直线和点B、C、D、E作样条曲线就构成了截面的形状,如图2。沿Z方向拉伸,就得到机翼的实体模型,如图1。
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/mm 3。 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) L=10+(学号×0.1) RS=5 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 > Jobname ②工作标题:Utility menu > File > Change Title(个人学号) 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/Delete
①“ 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EX Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear > Elastic >Isotropic 弹性模量EX=2.1E5 泊松比PRXY=0.3 ②定义材料的密度DENS Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models>density DENS =7.8E-9 4.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 only
模态分析步骤 第1步:载入模型 Plot>Volumes 第2步:指定分析标题并设置分析范畴 1 设置标题等Utility Menu>File>Change Title Utility Menu>File> Change Jobname Utility Menu>File>Change Directory 2 选取菜单途径 Main Menu>Preference ,单击 Structure,单击OK 第3步:定义单元类型 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,出现Element Types对话框,单击Add出现Library of Element Types 对话框,选择Structural Solid,再右滚动栏选择Brick 20node 95,然后单击OK,单击Element Types对话框中的Close按钮就完成这项设置了。 第4步:指定材料性能 选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models。出现Define Material Model Behavior对话框,在右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic,指定材料的弹性模量和泊松系数,Structural>Density指定材料的密度,完成后退出即可。 第5步:划分网格 选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,出
现MeshTool对话框,一般采用只能划分网格,点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小(太小的计算比较复杂,不一定能产生好的效果,一般做两三组进行比较),保留其他选项,单击Mesh出现Mesh Volumes对话框,其他保持不变单击Pick All,完成网格划分。 第6步:进入求解器并指定分析类型和选项 选取菜单途径Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis,将出现New Analysis对话框,选择Modal单击 OK。 选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options,将出现Modal Analysis 对话框,选中Subspace模态提取法,在 Number of modes to extract处输入相应的值(一般为5或10,如果想要看更多的可以选择相应的数字),单击OK,出现Subspace Model Analysis对话框,选择频率的起始值,其他保持不变,单击OK。 第7步:施加边界条件. 选取Main Menu>Solution>Define loads>Apply>Structural>Displacement,出现ApplyU,ROT on KPS对话框,选择在点、线或面上施加位移约束,单击OK会打开约束种类对话框,选择(All DOF,UX,UY,UZ)相应的约束,单击apply或OK即可。第8步:指定要扩展的模态数。选取菜单途径Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass>Expand Modes,出现Expand Modes对话框,在number of modes to expand 处输入第6步相应的数字,单击 OK即可。(当选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options,将出现Modal Analysis 对话框,选中Subspace模态提取法,在 Number of modes to extract处输入相应
模态分析步骤 第1步: 载入模型Plot>Volumes 第2步: 指定分析标题并设置分析范畴 1设置标题等Utility Menu>File>Change Title Utility Menu>File> Change Jobname Utility Menu>File>Change Directory 2选取菜单途径MainMenu>Preference ,单击Structure,单击OK第3步: 定义单元类型 MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,出现Element Types 对话框,单击Add出现Library of Element Types对话框,选择Structural Solid,再右滚动栏选择Brick 20node 95,然后单击OK,单击Element Types对话框中的Close 按钮就完成这项设置了。 第4步: 指定材料性能 选取菜单途径MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels。出现DefineMaterialModelBehavior对话框,在右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic,指定材料的弹性模量和泊松系数,Structural>Density指定材料的密度,完成后退出即可。 第5步: 划分网格
选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,出现MeshTool 对话框,一般采用只能划分网格,点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小(太小的计算比较复杂,不一定能产生好的效果,一般做两三组进行比较),保留其他选项,单击Mesh出现Mesh Volumes对话框,其他保持不变单击Pick All,完成网格划分。 第6步: 进入求解器并指定分析类型和选项 选取菜单途径Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis,将出现New Analysis对话框,选择Modal单击OK。 选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options,将出现Modal Analysis对话框,选中Subspace模态提取法,在Number ofmodes to extract处输入相应的值(一般为5或10,如果想要看更多的可以选择相应的数字),单击OK,出现Subspace Model Analysis对话框,选择频率的起始值,其他保持不变,单击OK。 第7步: 施加边界条件.选取 MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement,出现 ApplyU,ROTonKPS对话框,选择在点、线或面上施加位移约束,单击OK会打开约束种类对话框,选择(AllDOF,UX,UY,UZ)相应的约束,单击apply或OK即可。 第8步: 指定要扩展的模态数。选取菜单途径 MainMenu>Solution>LoadStepOpts>ExpansionPass>ExpandModes,出现Expand Modes对话框,在number of modes to expand处输入第6步相应的数字,单击OK 即可。(当选取MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions,将出现ModalAnalysis对话框,选中Subspace模态提取法,在Number of modes to extract处输入相应的值(一般为5或10,如果想要看更多的可以选择相应的数字),同时选择number of modes to expand输入相应值时,这步可以省略)
ANSYS动力学分析指南(连载一>发表时间:2007-7-25 作者: 安世亚太关键字: ANSYS动力学分析安 世亚太模态分析 §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