ANSYS学说模态提取方法
在ANSYS 中有以下几种提取模态的方法:
– (1) Block Lanczos 法
– (2) 子空间法
– (3) PowerDynamics 法
– (4) 减缩法
– (5) 不对称法
– (6) 阻尼法
使用何种模态提取方法主要取决于模型大小(相对于计算机的计算能力而言)和具体的应用场合。
(1) Block Lanczos 法
Block Lanczos 法可以在大多数场合中使用:
- 是一种功能强大的方法,当提取中型到大型模型(50,000 ~ 100,000 个自由度)的大量振型时(40+),这种方法很有效;
- 经常应用在具有实体单元或壳单元的模型中;
- 在具有或没有初始截断点时同样有效。(允许提取高于某个给定频率的振型);
- 可以很好地处理刚体振型;
- 需要较高的内存。
(2) 子空间法
子空间法比较适合于提取类似中型到大型模型的较少的振型(<40)
- 需要相对较少的内存;
- 实体单元和壳单元应当具有较好的单元形状,要对任何关于单元形状的警告信息予以注意;
- 在具有刚体振型时可能会出现收敛问题;
- 建议在具有约束方程时不要用此方法。
(3) PowerDynamics 法
PowerDynamics 法适用于提取很大的模型(100.000个自由度以上)的较少振型(< 20)。这种方法明显比
Block Lanczos 法或子空间法快,但是:
- 需要很大的内存;
- 当单元形状不好或出现病态矩阵时,用这种方法可能不收敛;
- 建议只将这种方法作为对大模型的一种备用方法。
注: PowerDynamics 方法
- 子空间技术使用Power 求解器(PCG) 和一致质量矩阵;
- 不执行Sturm 序列检查(对于遗漏模态); 它可能影响多个重复频率的模型;
- 一个包含刚体模态的模型, 如果你使用PowerDynamics 方法,必须执行RIGID 命
令(或者在分析设置对话框中指定
RIGID 设置)。
(4) 减缩法
如果模型中的集中质量不会引起局部振动,例如象梁和杆那样,可以使用缩减法:
- 它是所有方法中最快的;
- 需要较少的内存和硬盘空间;
- 使用矩阵缩减法,即选择一组主自由度来减小[K] 和[M] 的大小;
- 缩减[的刚度矩阵[K] 是精确的,但缩减的质量矩阵[M] 是近似的,近似程度取决于主自由度的数目和位置;
- 在结构抵抗弯曲能力较弱时不推荐使用此方法,如细长的梁和薄壳。
注意:选择主自由度的原则请参阅<
(5) 不对称法
不对称法适用于声学问题(具有结构藕合作用)和其它类似的具有不对称质量矩阵[M]和刚度矩阵[K] 的问题:
- 计算以复数表示的特征值和特征向量
* 实数部分就是自然频率
* 虚数部分表示稳定性,负值表示稳定,正值表示不确定
注意:不对称方法采用Lanczos 算法,不执行Sturm 序列检查,所以遗漏高端频率。
(6) 阻尼法
在模态分析中一般忽略阻尼,但如果阻尼的效果比较明显,就要使用阻尼法:
- 主要用于回转体动力学中,这时陀螺阻尼应是主要的;
- 在ANSYS 的BEAM4 和PIPE16单元中,可以通过定义实常数中的SPIN(旋转速度,弧度/秒)选项来说明
陀螺效应;
- 计算以复数表示的特征值和特征向量。
* 虚数部分就是自然频率;
* 实数部分表示稳定性,负值表示稳定,正值表示不确定。
注意:
- 该方法采用Lanczos 算法
- 不执行Sturm 序列检查,所以遗漏高端频率
- 不同节点间存在相位差
- 响应幅值= 实部与虚部的矢量和
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