有限元分析—模态分析

ANSYS模态分析教程及实例讲解ANSYS是一款常用的有限元分析软件，可以用于执行结构分析、热分析、流体分析等多种工程分析。

模态分析是其中的一项重要功能，用于计算和分析结构的固有振动特性，包括固有频率、振型和振动模态，可以帮助工程师了解和优化结构的动态响应。

以下是一份ANSYS模态分析教程及实例讲解，包含了基本步骤和常用命令，帮助读者快速上手模态分析。

1.创建模型：首先需要创建模型，在ANSYS界面中构建出待分析的结构模型，包括几何形状、材料属性和边界条件等。

可以使用ANSYS的建模工具，也可以导入外部CAD模型。

2.网格划分：在模型创建完毕后，需要进行网格划分，将结构划分为小的单元，使用ANSYS的网格划分功能生成有限元网格。

网格划分的细腻程度会影响分析结果的准确性和计算时间，需要根据分析需要进行合理选择。

3.设置材料属性：在模型和网格创建完毕后，需要设置材料属性，包括弹性模量、密度和材料类型等。

可以通过ANSYS的材料库选择已有的材料属性，也可以自定义材料属性。

4.定义边界条件：在模型、网格和材料属性设置完毕后，需要定义结构的边界条件，包括约束和加载条件。

约束条件是指结构受限的自由度，例如固定支撑或限制位移；加载条件是指施加到结构上的载荷，例如重力或外部力。

5.运行模态分析：完成前面几个步骤后，就可以执行模态分析了。

在ANSYS中，可以使用MODAL命令来进行模态分析。

MODAL命令需要指定求解器和控制选项，例如求解的模态数量、频率范围和收敛准则等。

6.分析结果：模态分析完成后，ANSYS会输出结构的振动特性，包括固有频率、振型和振动模态。

可以使用POST命令查看和分析分析结果，例如绘制振动模态或振动模态的频率响应。

下面是一个实际的案例，将使用ANSYS执行模态分析并分析分析结果。

案例：矩形板的模态分析1.创建模型：在ANSYS界面中创建一个矩形板结构模型，包括矩形板的几何形状和材料属性等。

什么是模态分析,模态分析有什么用什么是模态分析模态分析有什么用结构劢力学分析中，最基础、也是最重要的一种分析类型就是“结构模态分析”。

模态分析主要用亍计算结构的振劢频率和振劢形态，因此，又可以叫做频率分析戒者是振型分析。

劢力学分析可分为时域分析不频域分析，模态分析是劢力学频域分析的基础分析类型。

基础理论劢力学控制方程可表示为微分方程：其中，[ M ] 为结构质量矩阵，[ C ] 为结构阷尼矩阵，[ K ] 为结构刚度矩阵，{ F } 为随时间变化的外力载荷函数，{ u } 为节点位移矢量，为节点速度矢量，{ ü } 为节点加速度矢量。

在结构模态分析中丌需要考虑外力的影响，因此，模态分析的劢力学控制方程可表示为：理想情况下，结构在振劢过程中，丌考虑阷尼效应，也就是所谓的自由振劢情况，模态分析又可描述为：对上迚一步分析，假设此时的自由振劢为谐响应运劢，也就是说u = u 0 sin( ωt )，上又可迚一步描述为：对上式求解，可得方程的根是ω i²，即特征值，其中i 的范围是从1 到结构自由度个数N （有限元分析中，自由度个数N 一般丌超过分析模型网格节点数的三倍）。

特征值开平方根是ω i ，即固有圆周频率，这样，结构振劢频率（结构固有频率）f i就可通过公式f i = ω i /2 π 得到。

有限元模态分析可以得到f i 戒者ω i ，都可以用来描述结构的振劢频率。

特征值对应的特性矢量为{ u } i 。

特征矢量{ u } i表示结构在以固有频率f i振劢时所具有的振劢形状（振型）。

模态分析中的矩阵1. 模态分析微分方程组包含六个矩阵：[ K ] 代表刚度矩阵。

可参考“结构静力学”中的解释说明。

{ u } 代表位移矢量。

主要用来描述模态分析的振型。

可参考“结构静力学”中的解释说明，但一定要注意，模态分析中得到的位移矢量不静力学分析中位移矢量代表变形丌同。

[ C ] 代表阷尼矩阵。

第6章 模态分析 模态分析主要用于确定结构和机器零部件的振动特性（固有频率和振型）也是其他动力学分析（如谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等）的基础。

利用模态分析可以确定一个结构。

本章先介绍动力学分析中较为简单的部分★ 了解模态分析。

6.1 模态分析概述模态分析（Modal Analysis ）亦即自由振动分析，是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。

坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。

对于模态分析，振动频率i ω和模态i φ是由下面的方程计算求出的：[][](){}20i iK M ωφ−= 模态分析的最终目标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、结构动力特性的优化设计提供依据。

模态分析应用可归结为：评价现有结构系统的动态特性。

在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。

诊断及预报结构系统的故障。

控制结构的辐射噪声。

识别结构系统的载荷。

ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通受不变载荷作用产生应力作用下的结构可能会影响固有频率，尤其是对于那些在某一个或两个尺度上很薄的结构，因此在某些情况下执行模态分析时可能需要考虑预应力的影响。

进行预应力分析时首先需要进行静力结构分析（Static Structural Analysis ），计算公式为：[]{}{}K x F =得出的应力刚度矩阵用于计算结构分析（[][]0S σ→），这样原来的模态方程即可修改为：[][]()2i K S M ω+− {}0iφ= 上式即为存在预应力的模态分析公式。

ANSYS模态分析教程及实例讲解解析ANSYS是一个广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以用于各种结构的模态分析，包括机械结构、建筑结构、航空航天结构等。

模态分析是通过计算结构的固有频率和振动模态，用于评估结构的动力特性和振动响应。

以下是一个ANSYS模态分析的教程及实例讲解解析。

一、教程：ANSYS模态分析步骤步骤1：建立模型首先，需要使用设计软件绘制或导入一个几何模型。

然后，在ANSYS中选择适当的单元类型和材料属性，并创建适当的网格。

确保模型的几何形状和尺寸准确无误。

步骤2：约束条件在进行模态分析之前，需要定义适当的约束条件。

这些条件包括固定支持的边界条件、约束点的约束类型、约束方向等。

约束条件的选择应该与实际情况相符。

步骤3：施加载荷根据实际情况，在模型上施加适当的载荷。

这些载荷可以是静态载荷、动态载荷或谐振载荷，具体取决于所要分析的问题。

步骤4：设置分析类型在ANSYS中，可以选择多种不同的分析类型，包括静态分析、模态分析、动态响应分析等。

在进行模态分析时，需要选择模态分析类型，并设置相应的参数。

步骤5：运行分析设置好分析类型和参数后，可以运行分析。

ANSYS将计算结构的固有频率和振动模态。

运行时间取决于模型的大小和复杂性。

步骤6：结果分析完成分析后，可以查看和分析计算结果。

ANSYS将生成包括固有频率、振动模态形态、振动模态形状等在内的结果信息。

可以使用不同的后处理技术，如模态形态分析、频谱分析等，对结果进行更详细的分析。

二、实例讲解：ANSYS模态分析以下是一个机械结构的ANSYS模态分析的实例讲解：实例：机械结构的模态分析1.建立模型：使用设计软件绘制机械结构模型，并导入ANSYS。

2.约束条件：根据实际情况，将结构的一些部分设置为固定支持的边界条件。

3.施加载荷：根据实际应用，施加恰当的静态载荷。

4.设置分析类型：在ANSYS中选择模态分析类型，并设置相应的参数，如求解方法、迭代次数等。

齿轮箱有限元模态分析及试验研究报告齿轮箱是现代机械设备中重要的组成部分，它广泛用于各种机械传动系统中，如车辆、工程机械等。

因此研究齿轮箱的动力学特性对于机械传动系统的设计、优化和性能提升具有重要意义。

本文通过有限元模态分析和试验研究，对齿轮箱的动力学特性进行了分析和研究。

首先进行有限元模态分析，使用ANSYS软件建立了三维齿轮箱模型，并对其进行了固有频率和模态分析。

在分析过程中，设定了模型的约束和加载条件，确保模型模拟的真实性与可靠性。

通过模态分析，得到了齿轮箱的固有频率和模态形态，并且确定出了前几个重要频率的数值。

结果表明，齿轮箱的固有频率主要集中在数百Hz的高频段。

为了验证有限元模态分析结果的准确性，本文设计了试验验证方案。

首先，使用激光精密测量仪对齿轮箱的位移进行测量，并将测试数据存储为动态位移序列。

然后，基于FFT算法对动态位移序列进行频谱分析，得到齿轮箱的频响函数。

最后，通过对比有限元模态分析结果与试验结果，验证模型的准确性和可靠性。

试验结果表明，模型的预测结果与试验结果相符，二者的误差在可接受范围内。

综上所述，本文采用有限元模态分析和试验验证两种方法，对齿轮箱的动力学特性进行了研究。

结果表明，齿轮箱具有较高的固有频率，且主要分布在数百Hz的高频段。

通过试验验证，证明了有限元模态分析方法的准确性和可靠性。

这些结果对于齿轮箱的优化设计、结构改进和性能提升具有重要参考价值。

齿轮箱的有限元模态分析和试验研究，采用了多项相关数据。

在本文中，我们主要关注以下数据：1. 齿轮箱模型的材料性质2. 模型的约束和加载条件3. 模型的固有频率和模态形态4. 齿轮箱的位移测试数据5. 齿轮箱的频响函数6. 模型预测结果与试验结果的误差对于第一项数据，齿轮箱的材料性质是有限元模型分析的关键。

正确的材料参数可以确保分析结果的准确性和可靠性。

在本文中，我们将齿轮箱的材料定义为铸铁，其杨氏模量为169 GPa，泊松比为0.27。

有限元模态分析现状与发展趋势龙英1，滕召金2，赵福水2（1.湖南现代物流职业技术学院，湖南长沙410131；2.湖南农业大学，湖南长沙410128；3.三一机电技术学校，湖南长沙410131）摘要：模态分析技术开始于20世纪30年代，经过70多年的发展，模态分析已经成为振动工程中一个重要的分支。

最终目标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。

阐述了国内外有限元模态分析现状与发展趋势，并对当今国际上有限元模态分析和软件开发的特征进行了分析。

关键词：有限元；模态分析；发展趋势中图分类号：TH113文献标识码：A 文章编号：1007-8320（2009）04-0027-02The present status and development trends of finite element modal analysisLONG Ying 1，TENG Zhao-jin 2，ZHAO Fu-shui 2（1.Hunan Modern Logisties College ，Changsha ，Hunan 410128，China ；2.Hunan agricultural University ，Changsha ，Hunan 410128，China ；3.Sanyi Electrical and Technical School ，Changsha ，Hunan 410131，China ）Abstract ：Modal analysis began in the 1930’，after 70years of development ，modal analysis of vibration en -gineering has become an important branch.The ultimate goal is to identify the modal parameters of the system ，provide the basis for the vibration characteristics analysis and optimal design structural system ，fault diagnosis and prediction of vibration and dynamic characteristics of the structure.Describing the status quo and develop -ment trend of today ’s international finite element modal ，analyzing characteristics of software development.Key words ：finite element ；modal analysis ；development trend收稿日期：2009-04-12作者简介：龙英（1980-），女，研究方向：机械工程。

Matlab在结构动力学与振动控制中的应用案例引言结构动力学研究了物体在受力作用下的运动规律，而振动控制则关注如何通过各种手段来控制结构的振动。

在过去的几十年里，Matlab作为一款功能强大的数值计算和数据可视化工具，被广泛地应用于结构动力学与振动控制领域。

本文将通过一些典型的案例，探讨Matlab在这些领域中的应用。

案例一：辛普森建筑物模型辛普森建筑物模型是用于研究地震对建筑物结构的影响的经典案例。

在这个模型中，建筑物底部通过弹簧与地面相连，顶部有一个质量为m的质点。

通过求解二阶常微分方程，在Matlab中可以得到建筑物的振动响应。

通过修改建筑物的初始参数和地震输入信号，我们可以得到不同条件下的振动响应，并进一步分析建筑物的安全性能。

Matlab提供了一系列用于求解常微分方程的函数，如ode45和ode15s等。

结合Matlab的图形界面，我们可以方便地可视化建筑物的振动响应。

通过修改建筑物模型的材料参数、形状和地震输入，我们可以直观地感受到这些因素对振动响应的影响，从而为结构的设计和改进提供参考。

案例二：滑模控制器的设计滑模控制是一种常用的控制方法，在结构振动控制中也被广泛应用。

在滑模控制中，通过引入一个滑模面，使得系统状态在滑模面上快速地滑动，从而实现对系统的控制。

在振动控制中，我们常用滑模控制器来实现结构的抑制和消除。

在Matlab中，我们可以借助控制系统工具箱，便捷地设计和分析滑模控制器。

通过建立结构的数学模型，并在Matlab中使用滑模控制器设计函数，我们可以得到系统的闭环响应，并评估控制器的性能指标，如响应时间、超调量和控制能力等。

在实际应用中，我们可以结合传感器和执行器等硬件装置，与Matlab相结合，实现闭环控制。

这为我们实现各种振动控制策略提供了一个方便而高效的平台。

案例三：有限元分析与模态分析有限元分析是结构工程中常用的一种分析方法，用于预测结构的应力、变形和振动等特性。

在Matlab中，有限元分析可以通过编写相应的程序实现。

2011年第3期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.3 2011 总第313期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.313收稿日期：2010-09-05；修回日期：2011-04-15作者简介：商 霖（1977-），男，工程师，主要研究方向为发射动力学文章编号：1004-7182(2011)03-0055-03基于ANSYS 有限元分析的模态质量计算方法商 霖（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）摘要：基于动能公式的演化推导，提出一种计算模态质量的新方法。

该方法操作方便，快速有效，适用于任何有限元模型模态质量的计算。

通过与模态质量经典公式计算结果的比较，二者数值完全一致。

关键词：模态质量；经典公式；动能定理；质量矩阵；弹簧-质量模型 中图分类号：V411.8 文献标识码：AModal Mass Computation Based on ANSYS Finite Element AnalysisShang Lin(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)Abstract : With the evolvement of kinetic energy equation, a novel method to compute the modal mass is presented. This methodis simple and effective, suitable for any modal mass computation of Finite Element Analysis (FEA) model .The results obtained from this method are the same with those from classical equation, which proves that this method is valid.Key Words : Modal mass; Classical equation; Energy theorem; Mass matrix; Spring mass model0 引 言一个完整的振动系统必须包含质量矩阵，刚度矩阵和阻尼矩阵，其中质量矩阵储存着系统的动能，刚度矩阵存储着系统的势能，阻尼矩阵则代表能量在不同系统之间的转移（如由机械能转换为热能），通过三者的有机结合使能量不断地相互转换，由此构成系统的运动（振动）。

有限元分析—模态分析有限元分析是一种结构力学领域的分析方法，可以对结构进行数值求解，以获得其固有频率和振型。

模态分析是其中的一种应用，用于研究结构在固有频率下的振动情况。

本文将介绍有限元分析的基本原理、模态分析的步骤和应用，并讨论其在实际工程中的重要性。

有限元分析是一种利用数值方法对结构进行力学分析的技术。

它将结构离散化为有限数量的单元，通过单元之间的相互作用来模拟整个结构的力学行为。

在进行模态分析时，通常采用线性弹性模型，即假设结构在固有频率下是线性弹性振动的。

模态分析的主要目标是确定结构的固有频率和振型。

固有频率是结构自由振动的频率，与结构的几何形状、材料性质和边界条件等相关。

振型则描述了结构在不同频率下的振动模式。

通过模态分析，可以了解结构在特定频率下的振动情况，为结构设计和改进提供依据。

模态分析的步骤主要包括：建模、网格划分、边界条件的定义、求解和结果分析。

建模是指将实际结构抽象为数学模型，在计算机上进行仿真。

网格划分是将结构划分为有限数量的单元，以便进行数值求解。

边界条件的定义是指确定结构的受力和支撑情况，包括约束、荷载等。

求解是指通过数值计算方法求解结构的固有频率和振型。

结果分析是对求解结果进行解释和评价，了解结构的振动特性。

模态分析在工程中具有广泛的应用。

首先，它可以用于优化结构设计。

通过模态分析，可以评估结构在不同固有频率下的振动情况，从而优化结构的设计参数，使其在工作频率下保持稳定。

其次，模态分析可以用于故障诊断。

结构的振动特性在受到损伤或故障时会发生变化，通过模态分析可以检测出这些变化，从而确定结构的健康状况。

最后，模态分析还可以用于结构改进。

通过分析结构的振动模式，可以确定结构的薄弱部位，从而采取相应的改进措施，提高结构的性能。

在实际工程中，模态分析具有重要的应用价值。

例如，在航空航天领域，模态分析可用于研究航空器的振动特性，以评估其结构的可靠性和安全性。

在建筑领域，模态分析可用于评估建筑物的地震响应性能，从而确保其在地震中的安全性。

万方数据５４汪伟等：车架有限元建模及模态分析第１１期不会出现模型几何变形或信息丢失的问题，在几何模型导入出现问题时，通用的ＩＧＥＳ格式往往可以获得较好的效果。

如还有变形或信息丢失，则要在Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中对模型进行修复。

３．２车架网格划分车架结构基本对称，为了减少网格划分的工作量，仅保留几何模型的一半，在此基础上建立有限元模型。

车架零件大部分由薄板冲压而成，厚度都在５ｒａｍ以下，因而可以选择使用壳单元来模拟车架结构部件。

对于车架力学分析而言，通常单元基本尺寸选择在１０ｒａｍ自由为宜。

因此利用Ｈｙｐｅｎｎｅｓｈ的ＭｉｄＳｕｒｆａｃｅ中面抽取功能，对车架中的薄壁件抽取中面。

之后需要在Ｉ－ＩｙｐｅｒＭｅｓｈ的ＧｅｏｍｅｔｒｙＣｌｅａｎｕｐ功能下进行几何清理和修复，补面、消除错位和小孔，压缩相邻曲面之间的边界，消除不必要细节，以提网格划分的质量。

对车架进行模态分析，所以必须设定材料的属性，其中弹性模量Ｅ＝２．０７ｅ＋５ＭＰａ，材料的泊松比为０．３，密度为７．８ｅ－ｇＴ／ｍｍ３。

对于车架来说，基本部是焊接和螺栓的连接方式。

各零件的连接都使用刚性连接单元ｒｉｇｉｄｓ。

单元类型和大卅叹寸计算精度有很大的影响。

由于车架结构主要是薄壁金属件，故单元类型以四边形黄弹元为主，对四边形单元形状如长宽比、翘曲度、最大角和最小角等都做出了严格的规定。

由于三角形单元比四边形单元的刚度大，会影响计算精度，故要严格控制三角形单元的个数，—般情况下，整个模型最好，Ｉ、于１０％，最多不超过１５ｎ／ｏ。

装配完后的车架模型，共有７４０６１个节点，网格单元６８０８４，其中三角形单元有１８６９个，占整个网格数比重的２．７％，连接单元数为４４３１个，如图ｌ所示。

图１完整的车架有限元模型图３．３各零件之间的连接定义有限元模型要涉及到不同部件之间的连接问题，仿真分析应该对各种联接加以准确描述。

实际的物理联接方式一般为焊接、铆接、螺栓联接等。

对于车架来说，基本都是焊接和螺栓的连接方式，焊接又分为点焊和缝焊。