周期对称结构的模态分析

第 12章 周期对称结构的模态 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ANSYS 的周期对称分析支持 Static（静力）分析和 Modal（模态）分析。静力分析支 持线性和大变形非线性；模态分析支持带有预应力的模态分析和不带有预应力的两种，关 于带有预应力的模态分析本 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 第九章有专门讲述。本章只讲述不带有预应力的模态分析。 在静力分析和模态分析这两种分析类型中，关于模型建立部分的要求是一致的，不同的是 在进行模态分析时需要指定求解的节径数以及指定对于每个节径数的求解的模态阶数。对 于每个节径，ANSYS均将其作为一个载荷步。ANSYS将周期对称边界条件施加于每一载 荷步，并且每求解一个载荷步（即节径）后，都将构成周期对称边界条件的约束方程删除 （保留任何用户自定义的约束方程）。在静力分析中 ANSYS 只求解零节径，而在模态分 析中默认将求解全部节径。 本章中介绍的实例依然是第 9章的轮盘，包括模型和边界条件。 12.1 问题描述 某型压气机盘，见 9.1节的对其描述。要求查看其低阶频率结构和振动模态。 12.2 建立模型 本实例的模型建立过程可以参考第 9 章相关 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。需要注意的是在周期对称分析中， 在建立几何模型后，划分网格之前，需要指定周期对称选项。 12.2.1 设定分析作业名和标题 在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名（原因见第 2 章），并在 图形输出窗口中定义一个标题用来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴 （结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等）ANSYS6.1 所用的主菜单的内容不尽相 同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便 ANSYS6.1 显示出跟其相对应 的菜单选项。 1．选取菜单路径 Utility Menu | File | Change Jobname，将弹出 Change Jobname (修改文 件名)对话框，如图 12.1所示。 图 12.1设定分析文件名 2．在 Enter new jobname (输入新文件名)文本框中输入文字“CH12”，为本分析实例 的数据库文件名。单击 按钮，完成文件名的修改。 3．选取菜单路径 Utility Menu | File | Change Title，将弹出 Change Title（修改标题）对 话框，如图 12.2所示。 图 12.2 设定分析标题 4．在 Enter new title (输入新标题)文本框中输入文字“Modal analysis of compressor structure with hole”，为本实例的标题名。单击 按钮，完成对标题名的指定。 5．选取菜单路径 Utility Menu | Plot | Replot，指定的标题“Modal analysis of compressor structure with hole”将显示在图形窗口的左下角，如图 12.3所示。 图 12.3 显示指定了的分析标题 6．选取菜单路径Main Menu | Preference，将弹出 Preference of GUI Filtering（菜单过 滤参数选择）对话框。 7．单击对话框中的 Structural（结构）选择按钮，选中 Structural选项，以便 ANSYS6.1 的主菜单设置为与结构分析相对应的菜单选项。 8．单击 按钮，完成分析范畴的指定。 12.2.2 定义单元类型 参考 9.2.2节。 12.2.3 定义材料属性 参考 9.2.3节。 12.2.4 建立轮盘截面] 参考 9.2.4节。 12.2.5 对盘截面进行旋转生成实体 参考 9.2.5节。 12.2.6 创建均压孔 参考 9.2.6节。 12.2.7 对基本扇区进行分割 参考 9.2.7节。 12.2.8 定义周期对称分析选项 参考 9.2.8节。 12.2.9 对盘扇区进行网格划分 参考 9.2.9节。 12.3 定义边条并求解 建立有限元模型后，就需要定义分析类型和施加边界条件进行求解。本实例在求解之 前还需要指定周期对称的求解选项。 在模态分析中所施加的载荷将不起作用，考虑外载荷的模态分析应该打开预应力选项， 详见第 11章。 12.3.1 定义分析选项 模态分析需要指定提取特征值的阶数、频率范围以及提取模态的方法，在周期对称结 构的模态分析中，此处指定的选项对于每一节径都是有效的。具体步骤如下： 1．选取菜单路径Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis，弹出分析类型设 定对话框。如图 12.4所示。 图 12.4 定义分析类型对话框 2．单击Modal（模态）前的单选按钮使其选中，指定分析类型为模态分析。单击 按钮，使设置生效，同时 ANSYS调整求解选项菜单。 3．选取菜单路径Main Menu | Solution | Analysis Type | Analysis Options，弹出模态分 析选项设定对话框，如图 12.5所示。 图 12.5 设定模态分析选项 4．单击 Block Lanczos（兰索斯法）单选按钮使其选中，选定模态提取方法为兰索斯 法。在 NO. of modes to extract（提取模态阶数）文本框中输入“3”。 5．在 No. of modes to expand（扩展模态形状数）文本框中输入“3”。 6．单击 按钮。弹出设定频率范围对话框。如图 12.6 所示。要求设定感兴趣的 频率范围，一般可以设为足够大以便能够包括所设定的所有模态阶数即可。 图 12.6 频率设定对话框 7．在 Start Freq（initial shift）（开始频率）文本框中输入“0”。在 End frequency（结 束频率）文本框中输入“5000”。单击 按钮，结束设定。 12.3.2 设定周期对称求解选项 在周期对称结构的模态分析中，默认是对所有节径进行求解。但通过对相关选项的设 定，可以仅对感兴趣的节径求解。除了可以对求解的节径进行设置外，ANSYS还允许对构 成周期对称边界的约束方程以及高低角度组件节点的公差进行设置（公差可以起到这样的 作用：如果高低角度组件网格不对应，即将其中一个组件连同其网格往另一个组件的方向 旋转一个基本扇区角度后，网格不完全重合，此时落在公差范围内的节点将会被认为是“对 应”的节点，ANSYS会将其移动而使高低角度组件间节点达到完全对应，这样有可能会影 响计算结果的精度）。本实例中只对求解的节径进行设置。 1．选取菜单路径Main Menu | Solution | Solve | Cyclic Options，弹出周期对称求解选项 对话框，如图 12.7所示。 图 12.7 周期对称求解选项对话框 2．单击 Nodal Diameter（节径）前的单选按钮使其选中，表示将要对其进行设置。单 击 按钮，打开节径设置对话框。如图 12.8所示。 图 12.8 节径设置对话框 3．在 First Nodal Diameter（第一个节径）文本框中输入所要选择的第一个节径，输入 “0”。在 Last Nodal Diamete r（最后一个节径）文本框中输入所要选择的最后一个节径， 输入“3”。 4．在 Increment on Nodal Diam（增量）文本框中输入从第一个节径到最后一个节径间 的增量，表示选择满足此式的所有节径：第一个节径＋增量×n<最后一个节径；其中 n为 整数。输入“1”。 5．单击 按钮，接受设定。 如果在清除节径（Clear Nodal Diameter Set）文本框中输入“-1”，则将满足上面三项 指定的节径项从选择集中清除，即不对满足条件的节径求解。 12.3.3 施加位移边界 参考 9.3.1节。 12.3.4 开始求解 1．选取菜单路径Main Menu | Solution | Solve | Current LS，弹出一个确认对话框和状 态列表，如图 12.9所示。要求查看列出的求解选项。 图 12.9 求解当前载荷步确认对话框 2．查看列表中的信息确认无误后，单击 按钮。此后出现如图 12.10 所示的警告 对话框和一个确认对话框。 图 12.10 ANSYS模型警告对话框 3．警告提示有一被定义了位移约束的约束方程将要被删除，不需理会，单击确认对话 框的 按钮，ANSYS将开始求解。 4．此后每一载荷步（节径）求解完成开始求解下一节径时都会弹出如图 12.10所示的 警告对话框，不用理会单击 按钮让其继续求解即可。 5．视机器配置不同，在经过一段时间所有节径都求解完成后会弹出如图 12.11所示的 求解结束对话框。 图 12.11 求解完成消息框 6．单击 按钮，关闭求解结束对话框。 12.4 查看结果 周期对称结构在进行模态分析后，可以通过后处理操作将一个扇区的结果扩展到整个 结构，可以得到整个结构的模态图。当然也可以指定扩展的角度或者扇区数而不必要一定 是扩展到 360度。 12.4.1 扩展结果 周期对称结构在进行模态分析后，结果文件中存在实部解和虚部解，这些数据并不代 表结构真实的位移，也不能采用列表或者等值线图的形式来查看这些数据。必须对求解的 结果进行扩展处理，才能对其进行查看以及其他后处理操作。 1．选取菜单路径Main Menu | General Postproc | Cyclic Analysis | Cyc Expansion，弹出 如图 12.12所示周期对称分析结果扩展对话框。 图 12.12 周期对称结果扩展对话框 2．在 Expansion option（扩展选项）下拉列表中选择 On，打开结果扩展。此时采用的 是默认设置，即扩展角度为 360 度，对所有单元进行扩展；也可以通过对应的选项进行具 体设定，比如可以通过 Amount选项设定扩展角度，What选项设定欲扩展的组件对象。可 以通过在下拉列表中选择 Status选项来查看当前扩展选项的设定值。 3．单击 按钮。视在扩展选项下拉列表中选择的选项不同，可能出现不同的对话 框。比如在下拉列表中选择 Status选项，此时会列表显示当前的扩展选项设定。本实例中， 选择 On选项，没有任何后继对话框出现。 12.4.2读入结果 在 ANSYS 程序中，模态分析的结果文件中存在多个结果集，需要分别读入后才能对 其进行显示和查看，下面进行具体的操作。 1．选取菜单路径Main Menu | General Postproc | Results Summary，显示结果概要，如 图 12.13所示。 图 12.13 结果概要显示列表 2．在列表中选择感兴趣的某一阶模态，本是例中选择零节径的第一阶，然后单击 按钮。 3．在查看过结果之后（可以通过等值线显示或者动画显示的方式），可以选取菜单路 径Main Menu | General Postproc | Read Results | Next Set，读入当前结果集的下一集，也可 以选取菜单路径Main Menu | General Postproc | Read Results | By Set Number指定要读入的 结果集。 12.4.3 查看模态 查看模态云图可以通过等值线显示变形图的方式，也可以通过动画的方式。动画方式 比较直观，而等值线方式则可以得到比较准确的变形数据。 1．选取菜单路径Main Menu General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu， 弹出等值线显示节点解数据对话框，如图 12.14所示。 图 12.14 等值线显示节点解数据对话框 2．在 Item to be contoured（等值线显示结果项）选择域的左边的列表框中选择 DOF solution（自由度解）。 3．在右侧的列表框中选择 USUM（总位移）。 4．选择变形后和 Def + undef edge（未变形轮廓线）项前的单选按钮，使其选中。 5．单击 按钮，图形窗口显示结构的扩展后的第一阶模态图，如图 12.15所示。 图 12.15 零节径第一阶模态图 6．选取菜单路径Main Menu | General Postproc | Next Set，读入零节径第二阶模态。 7．选取菜单路径Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu， 弹出等值线显示节点解数据对话框，如图 12.14所示。 8．单击 按钮，图形窗口显示结构的扩展后的零节径第二阶模态图，如图 12.16 所示。 图 12.16 零节径第二阶模态 （9）重复步骤 6到 8，可以查看所有扩展的模态图。 也可以通过菜单路径 Utility Menu | PlotCtrls | Animate | Mode Shape，通过动画方式直观 的观察结构的模态。 12.5命令流输入 下面是本实例的输入命令流，可以通过此命令流完成与 GUI方式等效的分析。“！” 号后的文字为注释。 !设定分析文件名和分析标题 /FILNAME,CH10 /TITLE,Modal analysis of compressor structure with hole !进入前处理器 /PREP7 ET,1,SOLID45 !指定 8节点六面体单元 SOLID45 MP,EX,1, 1.15e5 !定义材料属性之杨氏模量为 1.15e5MPa MP,PRXY,1,0.30782 !定义材料属性之泊松比为 0.30782 MP,DENS,1,4.48e-9 !定义材料密度为 4.48e-9吨/立方毫米 !根据坐标创建轮盘截面关键点 K,1,226,,208.8 K,2,226,,258.7 K,3,157,,258.7 K,4,237.5,,220.3 K,5,229.2,,220.3 K,6,237.5,,208.8 K,7,126,,276.7 K,8,138,,276.7 K,9,102.5,,263 K,10,102.5,,248.7 K,11,237.5,,273.8 K,12,237.5,,264.1 K,13,135,,248.7 K,14,243.85,,273.8 K,15,243.85,,254.8 K,16,229.2,,254.8 K,17,162.5,,264.1 /PNUM,KP,1 !打开关键点编号显示 /PNUM,LINE,1 !打开线编号显示 /NUMBER,2 !只显示编号，消除彩色显示 /VIEW, 1 ,,-1 /AUTO, 1 !改变视角为 Bottom !创建轮盘截面轮廓线 LSTR,1,2 LSTR,2,3 LSTR,1,6 LSTR,6,4 LSTR,4,5 LSTR,5,16 LSTR,16,15 LSTR,15,14 LSTR,14,11 LSTR,11,12 LSTR,12,17 LSTR,8,7 LSTR,7,9 LSTR,9,10 LSTR,10,13 LPLOT !显示线 LTAN,11,8 !创建切线 LTAN,2,13 AL,ALL !创建轮盘截面 /PNUM,LINE,0 !关闭线编号显示 /PNUM,KP,0 !关闭关键点编号显示 !对盘截面进行旋转生成基本扇区 K,18,,,, K,19,,,300 !创建轴线上的两个关键点 VROTAT,ALL,,,,,,18,19,60 !指定截面绕关键点 18，19形成的轴线旋转 60度生成体 /VIEW, 1 ,1,1,1 /AUTO, 1 !改变视角为 iso SAVE !创建均压孔 wprot,30 !将工作平面绕 Z轴旋转 30度 CYL4,200,0,10,,,,300 !在工作平面(200,0)位置创建半径为 10，高度为 300的柱 VSBV,1,2 !从已经创建的基本扇区中减去柱体，形成均压孔 SAVE !对基本扇区进行分割 /VIEW, 1 ,,,-1 /AUTO, 1 !改变视角为 BACK WPCSYS,-1,0 !将工作平面与总体笛卡儿坐标系对齐 LSTR,18,19 !连接关键点创建轴线 FLST,2,2,8 FITEM,2,0,0,0 FITEM,2,220,0,0 CIRCLE,P51X,,,,60 !创建半径为 220的圆弧线 FLST,2,2,8 FITEM,2,0,0,0 FITEM,2,180,0,0 CIRCLE,P51X,,,,60 !创建半径为 180的圆弧线 LSLA,U !去除关联于面的线 /PNUM,LINE,1 !打开线编号显示 ADRAG,53,,,,,,52 !将半径为 220的圆弧线沿轴线拉伸成部分柱面 ADRAG,54,,,,,,52 !将半径为 180的圆弧线沿轴线拉伸成部分柱面 /PNUM,LINE,0 ALLSEL !选择所有 ASLV,U !去除所有关联于体的面 VSBA,ALL,ALL !用当前选择集中的两个柱面分割扇区体 ALLSEL wprot,,90 !将工作平面绕工作平面 X轴旋转 90度 wprot,,,21 !将工作平面绕工作平面 Y轴旋转 21度 VSBW,ALL !将所有体用当前工作平面分割 wprot,,,9 !将工作平面绕工作平面 Y轴旋转 9度 VSBW,ALL !将所有体用当前工作平面分割 wprot,,,9 !将工作平面绕工作平面 Y轴旋转 9度 VSBW,ALL !将所有体用当前工作平面分割 LDELE,52,,,1 !删除轴线 CSYS,1 !将激活坐标系转到总体柱坐标系 VSEL,S,LOC,X,180,220 !选择径向位置与均压孔相同的体 CM,HOLEVOL,VOLU !用这些体创建名为 HOLEVOL的组件，便于后面引用 ALLSEL VPLOT !显示体 SAVE !定义周期对称分析选项 ASEL,S,LOC,Y,0 !选择低角度组件 CM,CYCLIC_M01L,AREA !定义低角度组件 ASEL,S,LOC,Y,60 !选择高角度组件 CM,CYCLIC_M01h,AREA !定义高角度组件 ALLSEL CYCLIC,6,60,1,'CYCLIC' 指定周期对称分析选项 !对盘扇区进行网格划分 ESIZE,3 全局单元尺寸 !连接多于面和线 CMSEL,S,HOLEVOL 择组件 HOLEVOL VSEL,R,LOC,Y,21,30 !选择均压孔一侧的体 ASLV,S 所有关联于体的面 WPCSYS,-1,0 作平面与总体笛卡儿坐标系对齐 wprot,30 wpoff,200 作平面原点移至均压孔圆心位置 CSWPLA,11,1 !在工作平面原点创建柱坐标系，并激活 ASEL,U,LOC,Z,264.1 !去除均压孔上表面 ASEL,U,LOC,Z,258.7 !去除均压孔下表面 ASEL,U,LOC,X,10 !去除均压孔侧表面 CSYS,1 活坐标系转换至总体柱坐标系 ASEL,U,LOC,Y,30 !去除剖分均压孔的面 ACCAT,ALL 孔一侧体的三个侧面连接 LSLA,S 联于选择的面的线 LSEL,R,LOC,Z,264.1 !选择均压孔上表面边界线 LCCAT,ALL !线连接在一起 LSLA,S LSEL,R,LOC,Z,258.7 !选择均压孔下表面边界线 LCCAT,ALL !线连接在一起 !生成网格 TYPE,1 MSHAPE,0,3D !对体用六面体单元划分网格 VSEL,S,LOC,Y,0,21 !选择均压孔一侧的体 VSWEEP,ALL !扫掠形式生成网格 VSEL,S,LOC,Y,21,30 !选择均压孔的一半包括轮盘部分 VSEL,U,LOC,X,180,220 !从选择集中去除均压孔部分 VSWEEP,ALL !对这部分扫掠生成网格 CMSEL,S,HOLEVOL 选择组件 VSEL,R,LOC,Y,21,30 !选择均压孔 VSWEEP,ALL !对其扫掠生成网格 VSEL,S,LOC,Y,0,30 !选择扇区的一半 ASEL,S,ACCA !选择连接面 ADELE,ALL !删除之 LSEL,S,LCCA !选择连接线 LDELE,ALL !删除之 CSYS,4 !激活坐标系转换到当前工作平面，位于均压孔圆心 VSYMM,Y,ALL,,,,0,0 !将选择集中的体通过 XZ平面镜像生成均压孔的另一半 ALLSEL !选择所有 NUMMRG,ALL !用默认公差消除重复元素 NUMCMP,ALL !压缩所有元素的编号 CSYS,1 NROTAT,ALL SAVE !加载并求解 /SOLU ANTYPE, MODAL !定义分析类型为模态分析 MXPAND,3 !指定扩展三阶模态形状 MODOPT,LANB,3,0,5000 !在 0-5000Hz的频率范围内用兰佐斯方法提取 三阶模态 CYCOPT,NODDIA,0,3,1 !指定对 0-3阶节径求解，实际上是结构的所有节径 !对鼓桶上表面施加径向约束 NSEL,S,LOC,X,237.5 NSEL,R,LOC,Z,220.3,208.8 D,ALL,,,,,,UX,UY ALLSEL !对鼓桶侧面施加轴向约束 NSEL,S,LOC,Z,208.8 D,ALL,,,,,,UY,UZ ALLSEL EPLOT SAVE !保存模型数据库 SOLVE !求解 FINISH !查看结果 /POST1 SET,FIRST !读入第一阶模态 PLNSOL,U,SUM,2,1 !显示模态图 SET,NEXT !读入下一阶模态 PLNSOL,U,SUM,2,1 !显示模态图 … FINISH