频率分析(模态分析)
模态分析
[D()] 2[m] [c] [k] 0
（4）
2、模态分析理论和术语
2.2 有阻尼模态分析理论：
对于包含陀螺效应的旋转软化结构或需考虑阻尼的结构，则使用QR Damped法求解模态振型和复特征值。特征值 i 的表达式：
i i ji
i-复数特征值的实部； i -复数特征值的虚部
3、特征值和振型
特征值的平凡根等于结构的固 有频率（rad/s）
ANSYS Workbench输入和输出的 固有频率的单位为Hz，因为输入 和输出时候已经除以了2π。
模态计算中的特征向量表征了结构 的模态振型，如图所示该形状即为 假设结构按照频率249Hz振动时的 形状。
4、参与系数，有效质量
模态计算后除了能够获取结构的固有频率和振型外，还有参与 系数与有效质量，其中参与系数的计算公式：
M u Cu Ku 0 （1）
设其解为
{x} { }et
代入方程（1）得到
(2[m] [c] [k]){ } [D()]{ } {0}
（2） （3）
矩阵 [D()]称为系统的特征矩阵。方程（3）是一个“二次特征值”问题，
要（3）式有非零解的充要条件为
2、模态分析理论和术语
2.1式输出计算的固有频率：
fi
i 2
其中： fi的单位为Hz，即转/秒。 如果模型的约束不足导致产生刚体运动，则总体刚度矩阵[K]为半正
定型，则会出现固有频率为0的情况。
2、模态分析理论和术语
2.2 有阻尼模态分析理论：
有阻尼模态分析中假设结构没有外力作用，则控制方程变为
6、模态计算中接触设置
模态计算中可以定义不同结构之间的接触，但是因为模态计 算是一个纯线性分析，因此模态计算中接触定义与其他非线性 问题中定义中的接触不同，模态计算中接触的具体设置如下：
模态分析和频率响应分析的目的
有限元分析类型一、nastran中的分析种类（1）静力分析静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷（如集中载荷、分布载荷、温度载荷、强制位移、惯性载荷等）作用下的响应、得出所需的节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力、应变能等。
该分析同时还提供结构的重量和重心数据。
（2）屈曲分析屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，NX Nastran中的屈曲分析包括两类：线性屈曲分析和非线性屈曲分析。
（3）动力学分析NX Nastran在结构动力学分析中有非常多的技术特点，具有其他有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。
结构动力分析不同于静力分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。
NX Nastran的主要动力学分析功能：如特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等可简述如下：❑正则模态分析正则模态分析用于求解结构的固有频率和相应的振动模态，计算广义质量，正则化模态节点位移，约束力和正则化的单元力及应力，并可同时考虑刚体模态。
❑复特征值分析复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型，分析过程与实特征值分析类似。
此外Nastran的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。
❑瞬态响应分析（时间-历程分析）瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应，分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。
两种方法均可考虑刚体位移作用。
直接瞬态响应分析该分析给出一个结构随时间变化的载荷的响应。
结构可以同时具有粘性阻尼和结构阻尼。
该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方程进行数值积分，直接瞬态响应分析求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。
模态分析
模态分析
模态分析结果：
阶次 序列 特征值
Nastran f06文件：
固有频率 特征值输出 广义质量 广义刚度
采用质量正交化广义质量=1
与abaqus输出文件类似，在nastran模态分析设置中，我们也选择了质量正交化法则。从上面 的数据中可以看到，此模态计算包含了6个刚体模态，即自由模态。所谓的自由模态计算是指 整体模型没有任何约束,这样计算时,整体模型就会被当作一个刚体,而此刚体在6个自由度上 都有微弱的振动,因此反映在频率值上就是远远小于1hz的振动模态。从第7阶开始才是模型的 整体或者局部模态。如果在无约束的模型中，第7阶模态仍然还特别小，那么就要注意这阶模 态是否正常，可能模型的连接出了问题。需要修改模型，重新计算。 对于刚体模态—类似于应变自由发生的机构，节点间无相对位移。在静力分析中,刚体模态是 有矩阵奇异导致的，一般添加约束，使用惯量释放来避免这种情况。在动力学分析中，刚体 模态经常出现，如飞行中的飞行器或轨道中的卫星，这些情况刚体模态可能是模型求解的一 部分或者可能更重要，约束结构避免刚体模态将导致改变结构动力学特性以及响应。
2014 Studies
模态分析
我们设计的所有结构都具有各自的固有频率和模态振型。本质上，这些特性取决于确定结 构固有频率和模态振型的结构质量和刚度分布。作为一名设计工程师，需要识别这些频率 ，并且当有外力激励结构时，应知道它们怎样影响结构的响应。理解模态振型和结构怎样 振动有助于设计工程师设计更优的结构。 现在我们能更好地理解模态分析主要是研究结构的固有特性。理解固有频率和模态振型（ 依赖结构的质量和刚度分布）有助于设计噪声和振动应用方面的结构系统。我们使用模态 分析有助于设计所有类型的结构，包括机车、航天器，宇宙飞船、计算机、网球拍、高尔 夫球杆……这些清单举不胜举。
模态分析各阶的意义
模态分析各阶的意义
模态分析是结构动力学中的一种重要分析方法，是用来研究系统振动特性的理论和工具，可以根据系统的构造和物理特性来识别系统中可能存在的模式和频率。
根据模态分析的结果，我们可以更好的理解系统的振动特性，从而为设计人员提供参考，最终实现系统的安全、灵活和可靠的运行。
此外，模态分析还有许多应用，比如分析和设计桥梁结构、飞机发动机结构、重要建筑结构以及其他重要的应用等。
模态分析可以进一步分为三个层次，即静态分析、动力分析和精细模态分析。
首先，静态分析可以帮助我们找出结构的平衡性。
这种方法可以根据系统的内在属性，给出该系统的状态空间和动力解。
动力分析主要用于分析结构的动态特性，包括求解结构的自振频率和加载作用下的模态参数。
此外，还可以研究结构的不稳定性、宽带特性和稳定性等模态问题。
精细模态分析，是指对结构进行详细的模态分析，主要用于研究结构的局部模态特性，如形状参数、非线性模态特性等。
此外，模态分析还可以对结构的减振设计、振动控制等进行分析，从而实现结构的动态表现优化。
根据模态分析的结果，可以实施相应的减振、控制等技术，使结构的振动控制在理想的振动范围内，并实现最佳的动态性能。
此外，还可以利用模态分析结果来设计振动空气减震器、阻尼隔振器和运动软件处理等，从而实现系统振动控制。
总之，模态分析是结构动力学中一个重要的分析方法，主要用于分析结构的振动特性，并可以用来研究系统动力特性、局部模态特性、
振动减振设计以及振动控制设计等。
模态分析的结果，可以为设计人员提供参考，从而让结构的振动控制在理想的振动范围内，实现最佳的动态性能。
模态分析的基础理论
模态分析的基础理论模态分析是一种研究系统中不同模式的分布、生成和演化规律的方法。
在这个理论中，模态是指系统中不同状态或形式的存在形式，例如质量分数、温度、湿度等。
模态分析的基础理论包括概率论、统计学和模态分析技术等。
概率论是模态分析的基础之一、它研究随机事件的发生概率和规律。
在模态分析中，我们可以利用概率论来描述不同模态出现的概率分布，并通过分析系统中的模式，得出不同模态的生成规律。
通过概率论的方法，我们可以预测不同模态的变化趋势，从而指导系统的优化设计和运行管理。
统计学也是模态分析的基础理论之一、统计学研究如何收集、处理、分析和解释数据，通过对大量数据的统计分析，揭示数据背后的规律和趋势。
模态分析中，统计学的方法可以用于分析模态数据的分布情况，寻找模态之间的相关性和影响因素，并建立相应的模型来预测和优化系统的运行情况。
在模态分析技术方面，主要包括聚类分析、主成分分析和模态分析方法等。
聚类分析是一种将相似的对象分组的方法，通过对模态数据进行聚类分析，我们可以将相似的模态归为一类，从而描述系统中的不同模态分布情况。
主成分分析是一种降维技术，它可以将高维的模态数据降低到低维，并保留大部分信息。
这可以帮助我们更好地理解系统模态之间的关系和重要性。
模态分析方法包括有限元模态分析、频响函数法和模态参数识别等。
通过这些方法，我们可以对系统的模态进行分析，包括振型、频率和阻尼等，并找出模态的摄动源和分布规律。
模态分析的基础理论对于理解和优化系统具有重要意义。
通过对模态的分析和研究，我们可以了解系统的特性和不同模态之间的关系，从而指导系统的设计和运行。
同时，模态分析也可以帮助我们发现和解决系统中存在的问题，提高系统的稳定性和可靠性。
因此，深入理解和应用模态分析的基础理论对于各个领域的研究和实践具有重要价值。
模态分析各阶的意义
模态分析各阶的意义
模态分析是一种常用的数值分析技术，它可以帮助工程师或科学家了解复杂系统的行为。
根据模态分析的不同程度，可以分为各个阶级，每一个阶级都有不同的定义和用途。
因此，了解模态分析各阶的意义是理解模态分析的基础，更好地应用它。
首先，模态分析的第一阶是定性分析。
它是一种特殊的数值分析，使用原理计算机绘制系统的特性，包括最大振动幅度、最大正反应、最大振动频率、最大振动模数以及振动模态分布。
定性分析的主要目的是揭示系统的稳定性，以了解系统的振动行为。
模态分析的第二阶是定量分析。
它建立在定性分析的基础上，它可以通过测量系统的振动响应特性，计算出实时数据来提供准确的结果。
与定性分析相比，定量分析可以更准确地描述系统的振动状态，以便设计和诊断。
模态分析的第三阶是参数校正。
参数校正目的在于改善系统振动性能，通过给定参数来调整系统结构使它符合工程设计要求，并结合定性和定量分析来确定参数，以达到最佳的振动性能。
模态分析的第四阶是计算模态。
它是从实验数据中计算出系统的自然振动方程式，它可以使用定性和定量方法来识别运动模型，从而更好地揭示系统内部的运动特性。
最后，模态分析的第五阶是虚拟测试，它使用虚拟现实技术来模拟系统的真实状态，可以更好地提高工程设计的质量，可以更快地识别和分析系统存在的隐藏模态，从而实现更好的动态性能。
通过以上的介绍，我们可以看到，模态分析的各阶分析具有重要的意义，他们可以协助我们了解复杂系统的行为，使用实验数据模拟实际情况，从而更好地设计和改善系统性能。
未来，模态分析将更加深入地应用到工程设计，帮助我们更好地分析和优化系统的性能。
模态分析
1. 什么是模态分析？模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，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。
这些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。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。
如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。
因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。
模态分析最终目标在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。
2. 模态分析有什么用处？模态分析所的最终目标在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。
模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1. 评价现有结构系统的动态特性；通过结构的模态分析可以求得各阶模态参数（模态频率、模态振型以及模态阻尼），从而评价结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计算结构的准确性。
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；近年来，结构故障技术发展迅速，而模态分析已成为故障诊断的一个重要方法。
利用结构模态参数的改变来诊断故障是一种有效方法。
例如，根据模态频率的变化可以判断裂纹的出现；根据振型的分析可以确定断裂的位置；根据转子支承系统阻尼的改变，可以诊断与预报转子系统的失稳等。
4. 控制结构的辐射噪声；结构噪声是由于结构振动所引起的。
结构振动时，各阶模态对噪声的“贡献”并不相同，对噪声贡献较大的几阶模态称为“优势模态”。
模态分析
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。
M2-8
模态提取方法- 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：
– – – – – – Block Lanczos法 子空间法 PowerDynamics法 缩减法 不对称法 阻尼法
• 使用何种模态提取方法主要取决于模型大小（相 对于计算机的计算能力而言）和具体的应用场合
M2-6
模态提取方法 - Block Lanczos法
• Block Lanczos 法可以在大多数场合中使用：
M2-18
选择分析类型和选项
模态扩展 ： • 建议： 扩展的模态数目应当与提取的模态数目 相等，这样做的代价最小。
M2-19
选择分析类型和选项
其它分析选项： • 集中质量矩阵：
– 主要用于细长梁或薄壳，或者波传播问题； – 对 PowerDynamics 法，自动选择集中质量矩阵。
• 预应力效应：
M2-9
模态提取方法- 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。