模态频率响应分析
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。
ansys模态-响应-分析步骤
模态分析步骤：1、将模型导出为.cdb文件，并输入到ANSYS。
2、进行模态分析时，首先应定义分析类型为模态分析，GUI方式为Main Menu ＞Solution ＞Analysis Type ＞New Analysis如图1所示。
图1 定义分析类型为modal3、设置模态分析求解选项，GUI方式为Main Menu ＞Solution ＞Analysis Type ＞Analysis Option，提取并扩展20阶模态，如图2所示。
图2 Modal Analysis对话框4、设置B lock lanczos（分块蓝索斯）方法求解选项。
单击图2中的OK按钮，弹出Block Lanczos Method 对话框，将起始频率改为1，单击OK按钮，如图3所示。
图3 Block Lanczos Method对话框5、求解并查看结果。
采用GUI方式提交求解：Main Menu ＞Solution＞Solve＞Current LS。
（注意：下面的模态图下面标明是第。
阶模态振型）谐响应分析的基本步骤：1.将模型导出为.cdb文件，并输入到ANSYS中。
2.模态分析由于峰值响应发生在激励的频率和结构的固有频率相等之时，所以在进行谐响应分析之前，应首先进行模态分析，以确定结构的固有频率，计算前20阶模态频率。
3.完成模态分析后，退出后处理器，GUI方式为Main Menu＞Finish。
4.定义分析类型为谐响应分析，GUI方式为Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis，如图4所示。
图4 定义分析类型为Harmonic5、设置谐响应分析求解选项，GUI方式为Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options，保持默认选项，采用完全法，如图5所示。
图5 Harmonic Analysis对话框6、单击图5中的OK按钮，弹出Full Harmonic Analysis对话框，保持默认设置，单击OK按钮，如图6所示。
模态 - 频率响应分步分析
通常结构的频率响应是一次求解就可以计算出来。
对于模态法的频率响应问题，还可以分成两步来求解，即第一步先结算结构的固有频率，第二步在已计算的固有频率基础上再进行频率响应的计算。
对于某些场合这样的计算方法是有用处的。
比如结构受多个载荷分别激励，需要计算不同载荷下结构的频率响应。
这种情况下就可以使用上述方法来提高计算效率（省去了模态计算的时间）。
下面介绍如何使用Patran 和Nastran 来实现模态 – 频率响应的分步分析。
1. 按正常模态分析的步骤建立结构模态分析的模型，定义材料和单元属性以及边界条件等。
2. 进行求解设置，在设定solution type 时选择Normal Modes ，并选中Interactive Modal Analysis 选项，如下图。
3. 其它的设置和正常的模态分析一样。
在Subcase Select 中选择所有要分析的工况，Apply 后生成bdf 文件，并求解，或直接在Patran 中递交求解。
手动启动Nastran 进行求解时注意不能设置参数 SCR=YES ，包括在Nastran 的配置文件中。
4．模态求解完成后，接下来就可以使用模态的求解结果进行频率响应的分析。
选择Analysis 菜单，设置Object为：interactive5. 选者DBALL文件，如下图：6．接下来创建载荷，点击Create Loading，如下图。
对载荷进行逐项设置。
7．再定义结果输出。
点击Output Request，在其中定义激励频率和节点以及单元的输出。
8．定义完成后按Apply求解（Full Run形式），或者生成bdf文件，手动递交分析。
9．计算完成后，点击View Result菜单，可读入结果，进行后处理，如下图。
在此菜单下的后处理只能画出各种曲线。
10．如需观看云图，可使用读入xdb文件的方法。
菜单：Analysis -> Access results -> Attach XDB。
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。
第8章 频率响应分析
第八章频率响应分析8．1 概述1)计算震荡激励的响应2) 激励在频域中显式定义，在每频率点作用力已知3) 计算的响应通常包括节点位移、单元力和应力4) 计算的响应为复数、由大小、相位定义5) 频率响应分析分为直接法、模态法。
8．2 直接频率响应法1）动力学方程2）在MATi卡中PARAM,G和GE 不形成阻尼矩阵、而形成复刚度矩阵其中，与瞬态响应对应有8.3 模态频率响应法1）转化为模态坐标中，求解解耦的单自由度系统得2）求解该方程比直接法更快3）如无阻尼或仅有模态阻尼（TABDMP1定义），方程才能解耦；否则，如果出现非模态阻尼（VISC,DAMP定义），使用低效率得直接频响法（对小的模态坐标矩阵）。
8.4 激励的确定1）定义为频率的函数2）MSC/NASTRAN中的几种定义• RLOAD1: 用实部和虚部定义频变载荷• RLOAD2 ：用大小和相位定义频变载荷• LSEQ ：用静态载荷产生动态载荷3）用 DLOAD数据集卡组合频变力4）RLOADi卡由DLOAD 情况控制卡选择8.4.1 RLOAD1卡片1) 定义如下频变载荷2) 格式3) 由DLOAD=SID.选取8.4.2 RLOAD2卡片1) 定义如下频变载荷2）格式3) 由DLOAD=SID.选取8.4.3 FREQ卡片1) 选择频率步长大小2) FREQ卡片定义离散激励频率3) FREQ1 定义f START, 频率增量、增量数目4)FREQ2定义f START, f end对数间隔数5)FREQ3 定义F1, F2和在二者间线性或对数插值数目（基于朝两端点或中心）6)FREQ4 指定一个共振频率、一个等效的间隔频率数（在激励频率内）7)FREQ5 指定一个频率范围和频率范围内的固有频率的分数8)FREQ3, FREQ4, FREQ5 仅对模态法有效9)FREQi 数据卡由FREQUENCY =SID情况控制卡选取10)所有FREQi数据卡用相同的ID11)FREQ, FREQ1, FREQ2, FREQ3, FREQ4和FREQ5 卡可以在同一分析中使用8.4.3.1 FREQ卡1) 定义频率响应分析中的频率集2) 格式3) 由情况控制卡FREQUENCY = SID.选取1) 定义频率响应问题中频率集：通过开始频率、频率增量、增量数目2) 格式3) 由情况控制卡FREQUENCY = SID选取4) f i= F1 + DF * (i - 1)5) 单位：cycles per unit time.8.4.3.3 FREQ21) 定义频率响应问题中频率集，通过开始频率、结束频率、对数增量数目2) 格式3) 由情况控制卡FREQUENCY = SID选取4) 单位：cycles per unit time5)1) 定义频率响应问题中频率集，通过指定两模态频率间的激励频率数2) 格式3) 仅用于模态频率响应4) 由情况控制卡FREQUENCY = SID选取5) 对各种CLUSTER其中，6)) 例子（F1=10,F2=20,NEF=11,TYPE=LINEAR）8.3.3.5 FREQ4卡1) 定义频率响应问题中频率集，通过指定范围内每阶固有频率附近激励频率数2) 格式3) 仅用于模态频率响应4) 由情况控制卡FREQUENCY = SID选取8.3.3.6 FREQ5卡1) 定义频率响应问题中频率集，通过指定频率范围及该范围内的位置2) 格式3) 如f N1为F1和F2间的固有频率，则4) 仅用于模态频率响应5) 由情况控制卡FREQUENCY = SID选8.5 模态频率响应与直接频率响应比较注：“X”表可用8.6 SORT1和SORT2输出1) SORT1输出每一激励频率点2) SORT2输出给定节点、单元的结果8.7 频率响应求解控制8.7.1 执行控制8.7.2 情况控制8.7.3 数据模型集8.7.4 输出控制1）结点结果输出2）单元输出结果3）其它8.8 频变弹簧和阻尼器(1) 弹簧刚度和阻尼器阻尼系数为频变函数(2) CBUSH定义一般弹簧、阻尼连接(3) PBUSH定义名义上的弹簧、阻尼连接(4) PBUSHT定义变频弹簧、阻尼器的值8.8.1 CBUSH 卡片1）定义广义弹簧-阻尼器结构单元，可为非线性或频变2）格式8.8.2 PBUSH卡片1）定义广义弹簧-阻尼器结构单元性质2）格式8.8.3 PBUSHT卡片1）定义广义弹簧-阻尼器的频变或力变性质2）格式8.8.4 例子SAMPLE USING CBUSH ELEMENT$$ cbush1.dat$TIME 10SOL 108CENDTITLE = VERIFICATION PROBLEM, FREQ. DEP. IMPEDANCE BUSHVER SUBTITLE = SINGLE DOF, CRITICAL DAMPING, 3 EXCITATION FREQUENCIES ECHO = BOTHSPC = 1002DLOAD = 1DISP = ALLFREQ = 10ELFO = ALLBEGIN BULK$ CONVENTIONAL INPUT FOR MOUNTGRDSET,, , , , , ,23456 $ PS$ TIE DOWN EVERYTHING BUT THE 1 DOFGRID, 11, , 0., 0., 0.0 $ GROUND=, 12, =, =, =, , $ ISOLATED DOFSPC1, 1002 123456 11 $ GROUNDCONM2, 12, 12, , 1.0 $ THE ISOLATED MASS$$ EID PID GA GB GO/X1 X2 X3 CID$CBUSH 1000 2000 11 12 0$PBUSH 2000 K 1.0B 0.0$PBUSHT 2000 K 2001B 2002$TABLED1, 2001 $ STIFFNESS TABLE, 0.9 0.81, 1.0, 1.0, 1.1, 1.21 ENDTTABLED1 2002 $ DAMPING TABLE, 0.9 .2864789, 1.0,.318309, 1.1,.3501409 ENDT$CONVENTIONAL INPUT FOR FREQUENCY RESPONSEPARAM, WTMASS, .0253303 $ 1/(2*PI)**2. GIVES FN=1.0DAREA, 1, 12, 1, 2. $CAUSES UNIT DEFLECTIONFREQ, 10, 0.9, 1.0, 1.1 $ BRACKET THE NATURAL FREQUENCYRLOAD1, 1, 1, , , 3TABLED1,3 $ TABLE FOR FORCE VS. FREQUENCY, 0.9, 0.81, 1., 1., 1.1, 1.21,ENDT $ P = KENDDATA例2，直接频响法激励为作用在角点的单位载荷，频率范围在20~1000间，频率步为20HZ, 结构阻尼g=0.06.INPUT FILE FOR PROBLEM #5ID SEMINAR, PROB5SOL108TIME30CENDTITLE = FREQUENCY RESPONSE DUE TO UNIT FORCE AT TIPECHO = UNSORTEDSPC = 1SET 111 = 11, 33, 55DISPLACEMENT(SORT2, PHASE) = 111SUBCASE 1DLOAD = 500FREQUENCY = 100$OUTPUT (XYPLOT)$XTGRID= YESYTGRID= YESXBGRID= YESYBGRID= YESYTLOG= YESYBLOG= NOXTITLE= FREQUENCY (HZ)YTTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT LOADED CORNER, MAGNITUDE YBTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT LOADED CORNER, PHASE XYPLOT DISP RESPONSE / 11 (T3RM, T3IP)YTTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT TIP CENTER, MAGNITUDEYBTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT TIP CENTER, PHASEXYPLOT DISP RESPONSE / 33 (T3RM, T3IP)YTTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT OPPOSITE CORNER, MAGNITUDE YBTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT OPPOSITE CORNER, PHASEXYPLOT DISP RESPONSE / 55 (T3RM, T3IP)$BEGIN BULKparam,post,0PARAM, COUPMASS, 1PARAM, WTMASS, 0.00259$$ PLATE MODEL DESCRIBED IN NORMAL MODES EXAMPLE$INCLUDE ’plate.bdf’$$ SPECIFY STRUCTURAL DAMPING$PARAM, G, 0.06$$ APPLY UNIT FORCE AT TIP POINT$RLOAD2, 500, 600, , ,310$DAREA, 600, 11, 3, 1.0$TABLED1, 310,, 0., 1., 1000., 1., ENDT$$ SPECIFY FREQUENCY STEPS$FREQ1, 100, 20., 20., 49$ENDDATA例3，模态频响法激励为振幅为0.1 psi的分布载荷与作用在角点的1.0 lb集中力，相位为45度。
模态分析的知道回答
定性地说，就是因为力的步调与振动步调相同，物体向右力向右，物体向左力向左，力始终做正功，所以振动能量不断增加。
其实不是说一般取前5阶。
根据不同的对象和边界条件，取得阶数都不同。
对于没有约束的对象，前6阶为刚体移动模态，频率为0；而对于有约束的对象，则没有刚体模态。
各阶振型的话就是各阶的振动形态，有横向振动，扭转振动，拉伸振动，这些需要你观察振型来判断。
你想理解模态必须去看一些振动学的书籍。
简单的讲物体的实际振动是各阶模态的叠加效果。
物体理论上有无穷阶模态，振动是这无穷阶模态的叠加。
但是实际上各阶模态对系统振动的贡献度不同，一般前几阶比较大，越往后越小，所以一般截取前面的模态。
如果说前5阶自振频率如果任何一阶数值处于外界激励的频率范围之内，就表明此物体在当前约束条件和激励下会发生共振吗？然后那一阶的振型就表示当时的振动形态还是什么？为什么个别振型弯扭组合都有而且形态这么夸张呢？谢谢！回答按照你说的的确有可能发生共振。
我说了实际振动是各阶模态叠加的效果，每一阶模态只是把原本耦合的各阶模态解耦出来呈现。
而不是你说的当时的振动形态。
所以你所看到的很夸张的形态也印证了我的话，因为那并不是实际振动情况。
请你结合我前一段回答体会。
按照我的理解，每个物体都有自己的共振频率，而且还有不止一个共振频率。
可能十几Hz 的时候会发生共振，几百Hz的时候又会发生共振。
如果进行模态分析，就是说把这个物体的共振频率都找出来。
如果把这些共振频率都按照频率值从小到大排，就是“阶”。
比如说最小的共振频率就是一阶。
模态分析是指采用振型分解法计算结构的各阶振型，包括各阶模态的频率、振型等。
指的是振型分解法中的一阶、二阶振型。
机械振动是由多个振动源叠加后的共同作用效果。
比如一个弹性体，在一定的约束下，会以某（些）个方式振动。
譬如一个弹簧，可能伸缩振动，也可能弯曲振动。
每一个振动方式，都有一个对应的振动频率，即固有频率。
模态分析，就是用有限元的方法，在某个范围内（譬如3000Hz以下），找出这些振动方式及其对应的频率。
SolidWorks频率分析(模态)
06
结论与展望
模态分析的局限性和挑战
模型简化
材料属性
模态分析通常基于简化的模型，忽略了一 些细节和实际工况中的影响因素，导致分 析结果可能与实际情况存在偏差。
模态分析中使用的材料属性通常是假设的 或简化的，可能无法完全反映实际材料的 复杂性和非线性特性。
边界条件和载荷
动态响应
模态分析中的边界条件和载荷设置可能难 以完全模拟实际工况，导致分析结果受到 限制。
Solidworks频率分析(模态)
contents
目录
• 模态分析简介 • Solidworks频率分析(模态)基础 • 模态分析案例 • 模态分析结果解读 • 模态分析优化建议 • 结论与展望
01
模态分析简介
定义与目的
定义
模态分析是动力学分析的一种，通过 研究结构的振动特性，如固有频率、 阻尼和模态形状等，来了解结构的动 态行为。
案例二：复杂模型的模态分析
总结词
复杂模型，贴近实际，适用于进阶学习
详细描述
对于复杂的模型，如机械零件、装配体等，进行模态分析可以帮助深入了解实际工程中结构的振动特 性。通过复杂模型的模态分析，可以更准确地预测结构在实际工作条件下的动态性能，为优化设计提 供依据。
案例三：实际工程应用的模态分析
总结词
实际工程，实践应用，具有指导意义
详细描述
将模态分析应用于实际工程中，如桥梁、建筑、航空航天等，可以评估结构的稳定性、振动舒适度等问题。通过 实际工程应用的模态分析，可以为结构的优化设计、振动控制和安全性评估提供重要参考。
04
模态分析结果解读
固有频率和振型
固有频率
固有频率是系统在没有外部激励作用下 的自然振动频率。通过SolidWorks频率 分析，可以获得系统的固有频率，了解 系统的振动特性。
1频率分析(模态)
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26
练习
汽车悬架频率分析
– 无支撑 – 有支撑
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27
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28
案例二：风扇的频率分析
项目描述
– 本练习的主要任务是在考虑及不考虑离心力的情况下，对吹风机 风扇进行频率分析 – 对吹风机风扇进行一次频率分析该风扇设计转速可以容许一定范 围的差别。因风扇为对称结构，为简化计算，采用一根叶片作为 几何体特征。对固定叶片和旋转叶片各做一次分析，研究由于旋 转叶片离心力的作用而增加的刚性所产生的影响效果
学习内容
– 频率分析的流程 – 刚体模式 – 列举共振频率
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16
案例一：音叉的频率分析
关键步骤
– 添加约束。在音叉末端添加固定几何体的约束，以模拟该手柄被人手 握住的效果。 – 对模型划分网格 – 运行分析 – 后处理结果 – 移除固定几何体：移除约束以获得更多的振型 – 加载后的影响。在音叉上作用一个载荷，并观察添加预应力后对振动 模式有何影响
为便于理解振动现象，我们从了解固有频率（固有周期），固有模态， 共振等表示振动特有现象的术语开始
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4
频率分析的相关知识
固有频率（以钟摆为例）
– 摆动钟摆，则钟摆以一定的周期和一定的频率有规律地振动起来了。 – 振动的幅度（振幅）大也好小也好，周期和频率总是一定的。
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直接频率响应分析
分析原理
模态频率响应是在模态空间中，将模态进行线性叠加得到频率响应函数，模态频率响应的计算速度要比直接频率响应的计算速度快。
问题描述
对该件进行响应计算。
边界条件
一端孔固定，一端孔施加随时间变化的载荷。
材料参数
材料为铁材，单元厚度T=0.2mm，集中力F=sin（360*200*t）N。
分析结果
Mode
Displacement
29Hz
25Hz
Acceleration
25Hz
外部激励与系统在25Hz和
109Hz发生共振
卡片控制
GLOBAL_CASE_CONTROL 工况控制卡片设置
FREQ1扫描频率设置（起始频率1，间隔2，数目100）
TABDMP1阻尼设置
约束点
激励点
网格模型
RLOAD频率动态载荷设置
因为EXCITEID为DAREA或SPCD的编号，定义A；DELAY定义τ，当前取0；DPHASE定义θ，当前取0；TB为TABLEDi的编号，定义B（f）；TP为TABLEDi的编号，定义Φ（f），当前取0；故
P(f)=A*B(f)
TABLED定义表函数
DAREA设置定义静态和动态载荷的比例（面积）
EIGRL模态求解设置
SOL求解卡片设置（模态频率响应分析）
PARAM输出文件控制
GLOBAL_OUTPUT_REQUEST输出结果数据控制。