有预应力作用结构的模态分析实例

Radioss有预应力的模态分析在ANSYS14.5与HyperMeh12.0联合仿真有限元分析中，介绍了有预应力的模态分析实例。

如下图所示：图1有预应力的钢丝钢丝半径r=0.125mm，钢丝的材料特性：E某=2.1e5，u=0.3，den=7.84e-9。

有限元建模内容简单，不赘述了。

一、ANSYS中的关键步骤：边界条件：（1）约束钢丝左端节点的U某、UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，模拟左端铰支，并将约束载荷放置于contraint1载荷集中。

（2）约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，并将约束载荷放置于contraint2载荷集中。

右端节点需要施加预紧拉力F1，故需要放开U某自由度。

（3）约束其余所有节点的UZ、ROT某、ROTY自由度，并将约束载荷放置于contraint3载荷集中。

（4）在钢丝右端节点施加拉力F1=30N，方向为某正向，并将载荷放置于force_某载荷集中。

创建静力分析载荷步：在ANSYS页面中，利用loadtep面板创建载荷步tep1，包含contraint1、contraint2、contraint3和force_某导出.cbd文件，导入ANSYS中进行静力学分析。

模态分析：ANSYS中完成静力分析之后，必须借助ANSYS界面才能完成后续的模态分析。

修改边界条件及载荷。

在HyperMeh中，已经约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROT某、ROTY自由度。

为模拟右端铰支，利用ANSYS添加该节点的U某自由度约束，并删除作用于该节点的拉力F1。

然后进行模态工况的定义，求解。

二、Raido中的关键步骤：有限元建模部分很简单，不赘述。

边界条件的设置：（1）利用loadcollect创建载荷集contraint1、contraint2、force_某和eigrl。

（2）约束钢丝左端节点的U某、UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，并将约束载荷放置于contraint1载荷集中。

旋转叶片的预应力模态分析1、首先打开输入参数2、定义单元类型点击add选择shell选择181单元3、定义材料点Material Models输入材料的弹性模量和泊松比输入材料的密度4、输入shell单元的截面点击add/edit输入上面定义的参数T5、生成关键点点in active cs，出现如下图框一次输入四个关键点点apply输入第四个关键点，点Ok，如下图所示四个关键点6、生成面点area->arbitrary->Through KPs一次选编号为1，2，3，4的关键点，点击OK，生成如下图的面7、划分网格点MeshTool点Global->set，设置面单元的大小输入0.005后，点击Ok。

点击Mesh，选择上面建好的面点OK，生成单元可以查看生成的shell单元厚度8、求解选择分析类型选择静态分析点击Ok9、激活预应力选项勾选Calculate prestress effects点击Ok10、添加位移约束对线L4进行全约束选择线，点OK 弹出点OK11、添加转速点OK12、求解可以得到其应力图13、进行模态分析选择模态求解器点OK对模态进行选项分析14、进行模态求解可以查看前五阶的频率***** INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE *****SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE1 46.571 1 1 12 155.97 1 2 23 182.01 1 3 34 247.33 1 4 45 305.27 1 5 5第一阶阵型图第二阶阵型图第三阶阵型图第四阶阵型图第五阶阵型图15、转速为OMIGA=1000是模态分析前五阶模态***** INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE *****SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE1 197.73 1 1 12 213.60 1 2 23 365.38 1 3 34 712.52 1 4 45 727.64 1 5 5第一阶阵型图第二阶阵型图第三阶阵型图第四阶阵型图第五阶阵型图。

一，前言：在ANSYS中有两个命令可以将预应力效应激活并考虑在求解方程计算中，但是他们是有区别，最近在论坛上出现很多的帖子讨论预应力大变形模态分析，但是好象大家对以上两个命令出现一定程度的混淆，本文结合例子对以上两个命令及相关问题做以阐释。

不妥之处，欢迎高手批评指正二，例子简单介绍：借用网友的例子进行说明，下面简单介绍以下我们分析的问题。

实际的问题是两根拉索，通过圆钢管联系在一起成以下平面形状，拉索中通过施加应变yingbian=3.51e-3考虑索中的预应力。

本文将对以下结构进行静力求解和模态求解。

三，静力求解结果分析：本文采用以下四种不同的求解方式进行求解，并对结果进行分析：SOLUTION 1 小变形求解，不激活以上两个命令，使用以下命令流：Nlgeom,offSstif,offPstres,offSolvSOLUTION 2-1 小变形求解，激活Pstres命令，使用以下命令流：Nlgeom,offPstres,onsolvSOLUTION 2-2 大变形求解，激活Pstres命令，使用以下命令流：Nlgeom,onPstres,onsolvSOLUTION 2-2 大变形求解，激活SSTIF,on命令，使用以下命令流：Nlgeom,onSstif,onsolv经过求解分别得到以下计算结果:以UX变形为例结论：通过以上结果可见，PSTRES，ON 是不适合用于大变形分析，因为该命令不会激活△U的附加刚度矩阵。

四，命令辨析：为从根本上阐明以上问题，我们先从两个命令的说明上进行对比，区分其中的不同之处。

4-1PSTRES 命令PSTRES, KeySpecifies whether *1pstress effects are calculated or included.注1，Pstres主要为激活预应力效应，注意和SSTIF使用目的的区别NotesSpecifies whether or not prestress effects are to be calculated or included. Prestress effects are calculated in a static or transient analysis for inclusion in a buckling, modal, harmonic (Method = FULL or REDUC), transient (Method = REDUC), or substructure generation analysis. If used in SOLUTION, this command is valid only*2within the first load step.注2，Pstres只在第一个荷载步中有效，注意命令的生存时间If the prestress effects are to be calculated in a nonlinear static or transient analysis (for a prestressed modal analysis of a large-deflection solution), you can issue a SSTIF,ON command (*3rather than a PSTRES,ON command) in the static analysis.注3：如果在静力分析和瞬态分析（用于预应力大变形模态分析）中计算预应力效应，则应该指定ssitf命令而不是pstres命令4-2 SSTIF 命令SSTIF, KeyActivates*1 stress stiffness effects in a nonlinear analysis.注1，Ssfif主要为非线性分析中激活应力刚度效应，注意和SSTIF使用目的的区别NotesActivates stress stiffness effects in a nonlinear analysis (ANTYPE,STA TIC orTRANS). (*2The PSTRES command also controls the generation of the stress stiffness matrix and therefore should not be used in conjunction with SSTIF.)注2，Pstres命令同样控制应力刚度矩阵，因此不能和sstif连用。

预应力结构基本形式现代预应力结构是利用高性能材料、现代设计理论和先进施工工艺进行设计、建造的高效结构。

与非预应力结构相比，现代预应力结构不仅具有跨越能力大、受力性能好、使用性能优越、耐久性高、轻巧美观等优点，而且与其他结构相比具有比较经济，节材、节能的效果。

现代预应力结构具有广泛的发展前景，目前，现代预应力结构已渗透到土木工程的各个领域，是建造高层建筑、高耸结构；大跨度、大空间结构；重载结构；特种结构及特殊用途工程中不可缺少的、最为重要的结构形式之一。

现浇整体预应力结构可以分为房屋建筑、桥梁工程、特种结构、路面结构、加固改造结构等类型，在这里，我收集整理了房屋建筑和桥梁结构中较为典型的结构形式。

一、房屋建筑1.预应力混凝土框架结构预应力混凝土框架结构是预应力结构中应用最广的结构形式。

如该项目，位于海南海口，是海南省体育中心的综合训练馆，采用了有粘结预应力框架梁、柱结构，梁跨度为36m，柱距为8m，混凝土强度等级采用C40，共3层。

其结构平面如图一所示。

其梁、柱均为预应力构件，主梁尺寸为b×h=600mm×2400mm，预应力配筋为4束9φ15.2，预应力柱截面尺寸为b×h=1300mm×1300mm，一层柱预应力配筋为2束9φ15.2，二层柱预应力配筋为4束12φ15.2，预应力钢筋采用1860MPa级高强度低松弛钢绞线。

图1 预应力混凝土框架结构简图（一）（a）工程图片该工程由于跨度较大，在梁、柱中均采用了预应力技术。

考虑到预应力柱的张拉力较大，在张拉过程中可能产生过大的压缩变形，为了避免在施工过程中对梁底支撑产生过大的不利影响，在张拉柱的预应力筋时，未采用一次张拉到位的方式，而采用了柱、梁交叉张拉顺序。

图2 预应力混凝土框架结构简图（二）（b）结构平面示意图2.预应力混凝土平板结构由于预应力混凝土平板结构中预应力筋为无粘结预应力筋，因此又常被称为无粘结预应力平板结构。

mechanical预应力模态分析简单示例（图文教程）
最近论坛里有朋友提到模态分析，这里说明下并举一个小例子供大家参考
首先简单说明下模态分析的作用：
模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的特性分析、故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：
1) 评价现有结构系统的动态特性；
2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；
3) 诊断及预报结构系统的故障；
4) 控制结构的辐射噪声；
5) 识别结构系统的载荷。

模态分析是建立动态分析的基础和前提，还是很重要的。

下面举个小例子
一、建立一个简单的模型：
15*30*5的长方体。

二、进入mechanical，给模型加上一些分析的条件：
约束设定：
压力载荷的设定：
三：在模态分析前，首先要建立一个静态分析，这是运行模态分析的前提：
四：在静态分析结束后，我们就可以进行模态分析的设置了：
五：结果的显示和说明：
打开结果显示的对话框，选择模态分析的结果：
mechanical在模态分析中提供了四种不同的显示形态：
1.云纹图，很直观的
2.矢量图
3.图表，反应数据间的关系
4.模态图，用简单的动画来显示模型是如何被扭曲的
设置完毕后，我们可以任意组合选项，来显示我们所需要的数据：
模态分析是动态分析的基础，也是进行动态频域、冲击、振动分析的前提条件。

Workbench-预应力模态分析ANSYS Workbench 作业题目：预应力模态分析机械工程学院姓名：林静学号：1308020305指导教师：赵知辛Workbench 预应力模态分析哑铃静止在面时，受重力作用，利用作用在杆中部的拉力替代重力，对哑铃进行预应力模态分析1.选择分析模块在Custom system 选择Pre-Stress Modal，双击出现右下界面2.双击Engineering Data添加材料，选择铝合金3.导入事先画好的几何模型右键单击Geometry ,出现Import Geometry,选择几何模型4.双击Model，启动Mechanical 程序单击Geometry 下的哑铃，在Assignment中添加材料打开后界面如下：6 .划分网格光标置于Mesh上，在Relevance Center中选择Medium,双击Mesh，开始划分网格网格划分结果如下：7.在Static Structural 中添加约束和预应力光标置于Static Structural上，在菜单栏Support设定约束和在Loads中加载预应力，如下所示：7.此时树形结构modal中会有pre-stress ，来自于static structural （即上述结构中所加载的）8.预应力求解光标置于Static Structural下的Solution上，在菜单栏的Stress和Deformation 中添加求解Equivalent Stress和Total Deformation，单击菜单栏中Solve,进行求解，结果如下：9.模态求解光标置于Modal下的Solution上，右键单击，选中solve,进行求解,界面如下：9.求解后在Graph中右键单击选择Select All,再次单击右键C reate Modal Shape Results ，在树形结构后下会出现Solution Information11.右键单击Modal下的Solution，选择Evaluate All Results,求解界面如下：12.查看各项模态分析结果逐个单击各项Total Deformation,显示各项模态图，如下（1）一阶模态（2）二阶模态（3）三阶模态（4）四阶模态（5）五阶模态(6)六阶模态。

【技贴】预应⼒对模态结果的影响研究！⼀、前⾔在⼤千世界⾥，模态⽆处不在，这句话感觉有点“虚”。

但确实是这样，我们⽣活的环境时刻都是在运动的，静⽌是相对的。

对于模态这个词，在NVH⾥常常遇到，是分析振动噪声问题的基础。

⼏乎所有的振动噪声问题都和模态有关，不管是普通的结构振动，还是⾼深的声学，都和模态有着不可分割的联系。

对于模态，我们可能会想到⽤⼀些术语来表征，如频率、振型、阻尼等；其实我们还可以⽤另⼀种⽅式来表达模态的含义，模态实际上是⼀个结构或系统储存能量的形式，所有的系统都可⽤能量来表述。

⽐如荡秋千，是⼀个基本的振动形式，能量不断的由势能转为动能，动能转为势能，进⽽由于外界阻⼒或系统阻尼的存在，系统会慢慢停⽌到原点，但是能量最终还是存储在系统中。

世界万物归结到底据说可以⽤⼀种理论——弦理论来表征。

太⾼深了，听起来有点吃⼒。

（图⽚来⾃⽹络）【摘⾃度娘：“弦理论是⼀门理论物理学上的学说。

理论⾥的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是⼀⼩段“能量弦线”，⼤⾄星际银河，⼩⾄电⼦，质⼦，夸克⼀类的基本粒⼦都是由这占有⼆维时空的“能量线”所组成。

”在弦理论中，基本对象不是占据空间单独⼀点的基本粒⼦，⽽是⼀维的弦。

这些弦可以有端点，或者他们可以⾃⼰连接成⼀个闭合圈环。

正如⼩提琴上的弦，弦理论中⽀持⼀定的振荡模式，或者共振频率，其波长准确地配合】⼀般在分析结构或系统模态的时候，多数情况是没有考虑到预应⼒的影响；但在实际的结构中，⼀个系统的模态常常会在预先施加内⼒的情况进⾏计算，如预应⼒楼板、预应⼒桥梁、汽车中的⼀些⼆⼒杆（如转向直拉杆）等，这时预应⼒对模态是否有影响？在拉⼒或压⼒作⽤下模态是偏⼤还是偏⼩？⼆、弦振动基础我们知道吉他声⾳随着琴弦的绷紧会越来越⾼，开始琴弦松的时候，发不出声⾳，但是琴弦慢慢绷紧，声⾳也出来了；⽽且当调节⼒加⼤⼀定程度后，琴弦有可能断开。

这说明琴弦拉⼒越⼤，琴弦的“横向刚度”越⼤，振动的频率越⾼，进⽽就可以发出更⾼的声⾳。

Radioss 有预应力的模态分析在ANSYS14.5与HyperMesh12.0联合仿真有限元分析中，介绍了有预应力的模态分析实例。

如下图所示：图1 有预应力的钢丝钢丝半径r=0.125mm，钢丝的材料特性：EX=2.1e5，u=0.3，dens=7.84e-9。

有限元建模内容简单，不赘述了。

一、ANSYS中的关键步骤：边界条件：（1）约束钢丝左端节点的UX、UY、UZ、ROTX、ROTY自由度，模拟左端铰支，并将约束载荷放置于constraints1载荷集中。

（2）约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROTX、ROTY自由度，并将约束载荷放置于constraints2载荷集中。

右端节点需要施加预紧拉力F1，故需要放开UX自由度。

（3）约束其余所有节点的UZ、ROTX、ROTY自由度，并将约束载荷放置于constraints3载荷集中。

（4）在钢丝右端节点施加拉力F1=30N，方向为X正向，并将载荷放置于force_x载荷集中。

创建静力分析载荷步：在ANSYS页面中，利用load steps面板创建载荷步step1，包含constraints1、constraints2、constraints3和force_x导出.cbd文件，导入ANSYS中进行静力学分析。

模态分析：ANSYS中完成静力分析之后，必须借助ANSYS界面才能完成后续的模态分析。

修改边界条件及载荷。

在HyperMesh中，已经约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROTX、ROTY自由度。

为模拟右端铰支，利用ANSYS添加该节点的UX自由度约束，并删除作用于该节点的拉力F1。

然后进行模态工况的定义，求解。

二、Raidoss中的关键步骤：有限元建模部分很简单，不赘述。

边界条件的设置：（1）利用load collects 创建载荷集constraints1、constraints2、force_x和eigrl。

（2）约束钢丝左端节点的UX、UY、UZ、ROTX、ROTY自由度，约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROTX、ROTY自由度，并将约束载荷放置于constraints1载荷集中。

ANSYS Workbench 作业题目：预应力模态分析机械工程学院姓名：林静学号：1308020305指导教师：赵知辛Workbench 预应力模态分析哑铃静止在面时，受重力作用，利用作用在杆中部的拉力替代重力，对哑铃进行预应力模态分析1.选择分析模块在Custom system 选择Pre-Stress Modal，双击出现右下界面2.双击Engineering Data添加材料，选择铝合金3.导入事先画好的几何模型右键单击Geometry ,出现Import Geometry,选择几何模型4.双击Model，启动Mechanical 程序单击Geometry 下的哑铃，在Assignment中添加材料打开后界面如下：6 .划分网格光标置于Mesh上，在Relevance Center中选择Medium,双击Mesh，开始划分网格网格划分结果如下：7.在Static Structural 中添加约束和预应力光标置于Static Structural上，在菜单栏Support设定约束和在Loads中加载预应力，如下所示：7.此时树形结构modal中会有pre-stress ，来自于static structural （即上述结构中所加载的）8.预应力求解光标置于Static Structural下的Solution上，在菜单栏的Stress和Deformation中添加求解Equivalent Stress和Total Deformation，单击菜单栏中Solve,进行求解，结果如下：9.模态求解光标置于Modal下的Solution上，右键单击，选中solve,进行求解,界面如下：9.求解后在Graph中右键单击选择Select All,再次单击右键C reate Modal Shape Results ，在树形结构后下会出现Solution Information11.右键单击Modal下的Solution，选择Evaluate All Results,求解界面如下：12.查看各项模态分析结果逐个单击各项Total Deformation,显示各项模态图，如下（1）一阶模态（2）二阶模态（3）三阶模态（4）四阶模态（5）五阶模态(6)六阶模态。

有预应力情况的模态分析有预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和模态，如旋转的涡轮叶片的模态分析。

除了首先要通过进行静力分析把预应力加到结构上外，有预应力模态分析的过程和常规模态分析基本上一样：1.建模并获取打开预应力效应［PSTRES,ON］的静力分析解。

静力分析中的集中质量矩阵的设置［LUMPM］必须与随后的有预应力模态分析中的集中质量矩阵设置一致。

“静力学分析”中描述了如何进行静力学分析。

2.重新进入求解器并获取模态分析解，注意打开预应力效应选项（再用一次命令PRSTES,ON）。

另外，在静力学分析中生成的文件Jobname.EMA T和Jobname.ESA V必须都存在。

3.扩展模态并在后处理器中观察它们。

步骤1也可以是一个瞬态分析，但应当记住在需要的时间点保存.EMAT和.ESA V文件。

§1.11 大变形预应力模态分析可以在大变形静力学分析后进行预应力模态分析，以便计算高度变形结构的固有频率和振型。

除用PSOLVE命令而不是SOLVE命令执行模态分析求解，其他过程与有预应力模态分析过程一致，参见下面列出的简单命令流。

另外，必须用UPCOORD命令修正坐标以得到正确的应力，使用EMATWRITE 命令指定写出File.EMAT 文件。

注意—该过程需要单元材料和上一次静力分析得到得单元载荷矢量（例如，压力、温度和加速度载荷）。

如果( 利用命令LVSCALE ) 指定，这些载荷将传递给后续的模态叠加分析。

!Initial,large deflection static analysis!/PREP7...FINISH/SOLUANTYPE,STATIC!Static analysisNLGEOM,ON!Large deflection analysisPSTRES,ON!Flag to calculate the prestress matrixEMATWRITE,YES!Write File.EMAT(input to PSOLVE step)...SOLVEFINISH!!Prestressed modal analysis!/SOLUANTYPE,MODAL!Modal analysisUPCOORD,1.0,ON!Add previous displ.to coordinates and then zero!the displacementsPSTRES,ON!Prestress effects onMODOPT,...!Select eigensolverMXPAND,...!Specify number of modes to be expanded,if desiredPSOLVE,EIGxxxx!Calculates the eigenvalues and eigenvectors.!Use EIGLANB,EIGFULL,EIGUNSYM,or EIGDAMP to!match MODOPT command.FINISH/SOLU!Additional solution step for expansion.EXPASS,ONPSOLVE,EIGEXP!Expands the eigenvector solution.Required if you!want to review mode shapes in the postprocessor.FINISH§1.12循环对称结构的模态分析如果结构呈现出循环对称（例如，风轮或正齿轮）特点，则可以通过仅对它的一部分建模来计算结构整体的固有频率和振型。

电动四轮割草机核心部件预应力模态分析
本文主要介绍电动四轮割草机的核心部件——刀盘轴承的预应力模态分析。

刀盘轴承
是电动四轮割草机的重要部件之一，它直接关系到割草机的工作效率和稳定性。

预应力在
轴承内部的作用是保证轴承在工作过程中具有足够的刚度和精度，可以承受来自外部的载荷。

同时，预应力也对轴承的寿命、运行精度和旋转平稳性等方面产生重要的影响。

因此，进行预应力模态分析具有一定的理论意义和实际应用价值。

首先，利用ANSYS软件建立电动四轮割草机的三维有限元模型，包括刀盘轴承和相关
连接件等部件。

然后，将轴承受到的外部载荷设置为10N，对模型进行模态分析，得到其
自然频率和振型。

模态分析结果表明，刀盘轴承在预应力状态下具有稳定的振动模态和较高的自然频率。

在模态振型中，轴承内部的各个部件都没有出现明显的振动和变形，轴承内部的预应力起
到了很好的稳定作用。

此外，轴承的自然频率也比较高，表明其在工作过程中具有较好的
稳定性和抗干扰能力。

通过这些分析结果，可以发现预应力在刀盘轴承中的重要性，也突显了电动四轮割草
机的结构稳定性和可靠性。

在实际应用中，需要注意对轴承进行预应力调整和检测，以确
保其具有良好的工作性能和可靠性。

同时，还可以通过对不同外部载荷下的模态分析，进
一步了解轴承的工作特性和受力情况。