模态分析的相关知识目的过程等_精品文档.ppt
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第二章第二章模态分析模态分析模态分析模态分析第一节:
第一节:
模态分析的定义和目的模态分析的定义和目的第二节:
第二节:
对模态分析有关的概念、术语以及模态提取方法的讨论对模态分析有关的概念、术语以及模态提取方法的讨论第三节:
第三节:
学会如何在学会如何在ANSYS中做模态分析中做模态分析第四节:
第四节:
做几个模态分析的练习做几个模态分析的练习第五节:
第五节:
学会如何做具有预应力的模态分析学会如何做具有预应力的模态分析第六节:
第六节:
学会如何在模态分析中利用循环对称性学会如何在模态分析中利用循环对称性2模态分析模态分析模态分析模态分析第一节:
第一节:
定义和目的定义和目的什么是模态分析什么是模态分析?
模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术:
模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术:
自然频率自然频率振型振型振型参与系数振型参与系数(即在特定方向上某个振型在多大程度上(即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动)参与了振动)模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。
模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。
3模态分析模态分析模态分析模态分析定义和目的定义和目的(续上页)续上页)模态分析的好处:
模态分析的好处:
使结构设计避免共振或以特定频率进行振动(例如扬声器);使结构设计避免共振或以特定频率进行振动(例如扬声器);使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;应的;有助于在其它动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)。
有助于在其它动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)。
建议:
建议:
由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况,所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分况,所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。
析。
4通用运动方程:
通用运动方程:
假定为自由振动并忽略阻尼:
假定为自由振动并忽略阻尼:
假定为谐运动:
假定为谐运动:
这个方程的根是这个方程的根是i,即特征值,即特征值,i的范围从的范围从1到自由度的数目,到自由度的数目,相相应的向量是应的向量是uI,即特征向量。
即特征向量。
模态分析模态分析模态分析模态分析第二节:
第二节:
术语和概念术语和概念模态分析假定结构是线性的模态分析假定结构是线性的(如如,M和和K保持为常数保持为常数)简谐运动方程简谐运动方程u=u0cos(t),其中其中为自振圆周频率为自振圆周频率(弧度弧度/秒秒)注意注意:
5模态分析模态分析模态分析模态分析术语和概念术语和概念(续上页)(续上页)特征值的平方根是特征值的平方根是i,它是结构的自然圆周频率(弧度它是结构的自然圆周频率(弧度/秒),并秒),并可得出自然频率可得出自然频率fi=i/2pp特征向量特征向量ui表示振型,表示振型,即假定结构以频率即假定结构以频率fi振动时的形状振动时的形状模态提取模态提取是用来描述特征值和特征向量计算的术语是用来描述特征值和特征向量计算的术语6模态分析模态分析模态分析模态分析-术语和概念术语和概念术语和概念术语和概念模态提取方法模态提取方法在在ANSYS中有以下几种提取模态的方法:
中有以下几种提取模态的方法:
BlockLanczos法法子空间法子空间法PowerDynamics法法缩减法缩减法不对称法不对称法阻尼法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)和具体的应用场合能力而言)和具体的应用场合7模态分析模态分析模态分析模态分析-术语和概念术语和概念术语和概念术语和概念模态提取方法模态提取方法-BlockLanczos法法BlockLanczos法可以在大多数场合中使用:
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(是一种功能强大的方法,当提取中型到大型模型(50.000100.000个自由度)的大量振型时(个自由度)的大量振型时(40+),这种方法很有效;),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;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);率的振型);可以很好地处理刚体振型;可以很好地处理刚体振型;需要较高的内存。
需要较高的内存。
8模态分析模态分析模态分析模态分析-术语和概念术语和概念术语和概念术语和概念模态提取方法模态提取方法-子空间法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;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;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;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。
建议在具有约束方程时不要用此方法。
9模态分析模态分析模态分析模态分析-术语和概念术语和概念术语和概念术语和概念模态提取方法模态提取方法-PowerDynamics法法PowerDynamics法适用于提取很大的模型(法适用于提取很大的模型(100.000个自由度以上)个自由度以上)的较少振型的较少振型(20)。
这种方法明显比。
这种方法明显比BlockLanczos法或子空间法或子空间法快,但是:
法快,但是:
需要很大的内存;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;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。
建议只将这种方法作为对大模型的一种备用方法。
子空间技术使用子空间技术使用Power求解器求解器(PCG)和和一直质量矩阵;一直质量矩阵;不执行不执行Sturm序列检查序列检查(对于遗漏模态对于遗漏模态);它可能影响多个重复频率的它可能影响多个重复频率的模型;模型;一个包含刚体模态的模型一个包含刚体模态的模型,如果你使用如果你使用PowerDynamics方法方法,必须执必须执行行RIGID命令命令(或者在分析设置对话框中指定或者在分析设置对话框中指定RIGID设置设置)。
注注:
PowerDynamics方法方法10模态分析模态分析模态分析模态分析-术语和概念术语和概念术语和概念术语和概念模态提取方法模态提取方法-缩减法缩减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:
以使用缩减法:
它是所有方法中最快的;它是所有方法中最快的;需要较少的内存和硬盘空间;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使用矩阵缩减法,即选择一组主自由度来减小K和和M的大小;的大小;缩减缩减的刚度矩阵的刚度矩阵K是精确的,但缩减的质量矩阵是精确的,但缩减的质量矩阵M是近似的,是近似的,近似程度取决于主自由度的数目和位置;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。
壳。
注意注意:
选择主自由度的原则请参阅选择主自由度的原则请参阅.11模态分析模态分析模态分析模态分析-术语和概念术语和概念术语和概念术语和概念模态提取方法模态提取方法-不对称法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不对称质量矩阵M和刚度矩阵和刚度矩阵K的问题:
的问题:
计算以复数表示的特征值和特征向量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,正值表示不确定虚数部分表示稳定性,负值表示稳定,正值表示不确定注意注意:
不对称方法采用不对称方法采用Lanczos算法算法,不执行不执行Sturm序列检查序列检查,所以遗漏高所以遗漏高端频率端频率.12模态分析模态分析模态分析模态分析-术语和概念术语和概念术语和概念术语和概念模态提取方法模态提取方法-阻尼法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:
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;主要用于回转体动力学中,这时陀螺阻尼应是主要的;在在ANSYS的的BEAM4和和PIPE16单元中,可以通过定义实常数中单元中,可以通过定义实常数中的的SPIN(旋转速度,弧度旋转速度,弧度/秒)选项来说明陀螺效应;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。
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;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。
实数部分表示稳定性,负值表示稳定,正值表示不确定。
注意注意:
该方法采用该方法采用Lanczos算法算法不执行不执行Sturm序列检查序列检查,所以遗漏高端频率所以遗漏高端频率不同节点间存在相差不同节点间存在相差响应幅值响应幅值=实部与虚部的矢量和实部与虚部的矢量和13模态分析模态分析模态分析模态分析第三节:
第三节:
步骤步骤模态分析中的四个主要步骤:
模态分析中的四个主要步骤:
建模建模选择分析类型和分析选项选择分析类型和分析选项施加边界条件并求解施加边界条件并求解评价结果评价结果建模:
建模:
必须定义密度必须定义密度只能使用线性单元和线性材料,非线性性质将被忽略只能使用线性单元和线性材料,非线性性质将被忽略参看第一章中有关建模要考虑的因素参看第一章中有关建模要考虑的因素14建模的典型命令流建模的典型命令流(接上页接上页)/PREP7ET,.MP,EX,.MP,DENS,!
建立几何模型建立几何模型!
划分网格划分网格15模态分析步骤模态分析步骤模态分析步骤模态分析步骤选择分析类型和选项选择分析类型和选项3建模建模选择分析类型和选项:
选择分析类型和选项:
进入求解器并选择模态分析进入求解器并选择模态分析模态提取选项模态提取选项*模态扩展选项模态扩展选项*其它选项其它选项*将于后面讨论。
将于后面讨论。
典型命令:
典型命令:
/SOLUANTYPE,MODAL16模态分析步骤模态分析步骤模态分析步骤模态分析步骤选择分析类型和选项选择分析类型和选项(接上页)(接上页)模态提取选项:
模态提取选项:
方法:
方法:
建议对大多数情况使用建议对大多数情况使用BlockLanczos法法振型数目:
振型数目:
必须指定(缩减法除外)必须指定(缩减法除外)频率范围:
频率范围:
缺省为全部,但可以限定于某缺省为全部,但可以限定于某个范围内个范围内(FREQBtoFREQE)振型归一化:
振型归一化:
将于后面讨论将于后面讨论处理约束方程:
处理约束方程:
主要用于对称循环模态中主要用于对称循环模态中(以后讨论)(以后讨论)典型命令典型命令MODOPT,.17模态分析步骤模态分析步骤模态分析步骤模态分析步骤选择分析类型和选项选择分析类型和选项(接上页)(接上页)振型归一化:
振型归一化:
因为自由度解没有任何实际意义,它只表明了振型,即各个节点相因为自由度解没有任何实际意义,它只表明了振型,即各个节点相对于其它节点是如何运动的;对于其它节点是如何运动的;振型可以或者相对于质量矩阵振型可以或者相对于质量矩阵M或者相对于单位矩阵或者相对于单位矩阵I进行归一进行归一化:
。
化:
。
对振型进行相对于质量矩阵对振型进行相对于质量矩阵M的归一化处理是缺省选项,这种的归一化处理是缺省选项,这种归一化也是谱分析或将接着进行的振型叠加分析所要求的归一化也是谱分析或将接着进行的振型叠加分析所要求的如果想较容易的对整个结构中的位移的相对值进行比较,就选择如果想较容易的
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