有限元模态分析讲义--ANSYS
基于ANSYS Workbench的V8发动机曲轴有限元模态分析
【 摘
要】 曲轴是发动机最重要的部件之一 ， 其强度 、 刚度 可以决定发动机的性能， 只有强度、 刚度
合格 的曲轴才 能保 障发 动机 的正常运行 。 利用 Ｓｌ Ｗｏｋ 建 立 了一 个高速 赛车 Ｖ 发 动机 的曲轴模型 ， ｏｉ ｒｓ ｄ ８ 并将 曲轴模 型保存 为 Ｉ Ｅ Ｇ Ｓ格 式导入 到有 限元 分析软 件 Ａ Ｓ ＳＷｏｋｅｃ Ｎ Ｙ ｒｂｎｈ中， 最后 对 曲轴模 型进行 了 有 限元模 态分析 ， 获取 了曲轴 的前 １ 固有频 率和相 应振型 。模 态分析ａ ｋｈ． ｓａ ｌ ｔ ａｏｄｔｅｒｓｎｎ ｅ ｑ ｅ ｃ ｇ ｎ ｗ ｉ ｉ ｅ ｏｉｐ ｏｅｔｅ ｚ ｉ ｈ ｒ ｓ ｂｅ ｏ ｖ ｉ ｅｏ ａ ｃ ｕ ｎｙｒ ｉ ｈ ｈｗ ｌ ｈｌ ｔ ｍ ｒ ｈ ａｏ ｆ ｎ ａ ｌ ￣ｉ ｈ ｅｏ， ｃ ｌ ｐ ｖ
Ｌ ｕ ｎＺ Ｎ ｏ ｇｊ ｎ Ｙ ｉ － ａ ｇＺ Ａ Ｇ Ｌ ｎ － ｉｇ Ｖ Ｄ ａ ，Ｅ Ｇ Ｄ ｎ－ｉ ， Ｕ Ｘａ ｙｎ ，Ｈ Ｎ ｏ ｇ ｐｎ ａ ｏ （ ｃ ｏｌ ｆ ｒｎｐ ｒ ｔ ｎａ ｄＡ ｔ ｔ ｅＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｘｈ ａＵ ｉｅｓｙ Ｃ ｅｇ ｕ６ ０ ３ ， ｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ａ ｓｏｔ ｉ ｎ ｕｏ ｉ ｎ ｉｅ ｒ ， ｉｕ ｎｖｒｉ ， ｈ ｎ ｄ １０ ９ Ｃ ｉａ Ｔ ａｏ ｍｏ ｖ ｎ ｔ
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ANSYS模态分析教程及实例讲解
ANSYS模态分析教程及实例讲解ANSYS是一款常用的有限元分析软件，可以用于执行结构分析、热分析、流体分析等多种工程分析。
模态分析是其中的一项重要功能，用于计算和分析结构的固有振动特性，包括固有频率、振型和振动模态，可以帮助工程师了解和优化结构的动态响应。
以下是一份ANSYS模态分析教程及实例讲解，包含了基本步骤和常用命令，帮助读者快速上手模态分析。
1.创建模型：首先需要创建模型，在ANSYS界面中构建出待分析的结构模型，包括几何形状、材料属性和边界条件等。
可以使用ANSYS的建模工具，也可以导入外部CAD模型。
2.网格划分：在模型创建完毕后，需要进行网格划分，将结构划分为小的单元，使用ANSYS的网格划分功能生成有限元网格。
网格划分的细腻程度会影响分析结果的准确性和计算时间，需要根据分析需要进行合理选择。
3.设置材料属性：在模型和网格创建完毕后，需要设置材料属性，包括弹性模量、密度和材料类型等。
可以通过ANSYS的材料库选择已有的材料属性，也可以自定义材料属性。
4.定义边界条件：在模型、网格和材料属性设置完毕后，需要定义结构的边界条件，包括约束和加载条件。
约束条件是指结构受限的自由度，例如固定支撑或限制位移；加载条件是指施加到结构上的载荷，例如重力或外部力。
5.运行模态分析：完成前面几个步骤后，就可以执行模态分析了。
在ANSYS中，可以使用MODAL命令来进行模态分析。
MODAL命令需要指定求解器和控制选项，例如求解的模态数量、频率范围和收敛准则等。
6.分析结果：模态分析完成后，ANSYS会输出结构的振动特性，包括固有频率、振型和振动模态。
可以使用POST命令查看和分析分析结果，例如绘制振动模态或振动模态的频率响应。
下面是一个实际的案例，将使用ANSYS执行模态分析并分析分析结果。
案例：矩形板的模态分析1.创建模型：在ANSYS界面中创建一个矩形板结构模型，包括矩形板的几何形状和材料属性等。
ANSYS有限元分析——课程PPT课件
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
12.ANSYS/DesignSpace：该模块是ANSYS的低端产品， 适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进行基 本分析，以检验设计的合理性。其分析功能包括：线 性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合 分析、拓扑优化。其他功能有：CAD模型读取器、自 动生成分析报告、自动生成ANSYS数据库文件、自动 生成ANSYS分析模板。产品详细分类： DesignSpace for MDT DesignSpace for SolidWorks Standalone DesignSpace ： （ 支 持 的 CAD 模 型 有 ： Pro/E 、 UG 、 SAT、Parasoild）
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8. ANSYS/ED：该模块是一个功能完整的设计模拟程序， 它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受 到了限制（目前节点数1000）。该软件可独立运行， 是理想的培训教学软件。
9. ANSYS/LS-DYNA：该程序是一个显示求解软件，可 解决高度非线性结构动力问题。该程序可模拟板料成 形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能 以及多物体接触分析，它可以加入第一类软件包中运 行，也可以单独运行。
有限元分析的基本步骤如下： • 建立求解域并将其离散化有限单元，即将连续问题分
解成节点和单元等个体问题； • 假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解
的近似连续函数； • 建立单元方程； • 构造单元整体刚度矩阵； • 施加边界条件、初始条件和载荷； • 求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果；
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6. 声学分析 ●定常分析 ●模态分析 ●动力响应分析
ANSYS Workbench 17·0有限元分析：第6章-模态分析
第6章 模态分析 模态分析主要用于确定结构和机器零部件的振动特性（固有频率和振型）也是其他动力学分析（如谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等）的基础。
利用模态分析可以确定一个结构。
本章先介绍动力学分析中较为简单的部分★ 了解模态分析。
6.1 模态分析概述模态分析（Modal Analysis ）亦即自由振动分析，是研究结构动力特性的一种近代方法，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。
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。
模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
对于模态分析，振动频率i ω和模态i φ是由下面的方程计算求出的：[][](){}20i iK M ωφ−= 模态分析的最终目标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、结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析应用可归结为：评价现有结构系统的动态特性。
在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。
诊断及预报结构系统的故障。
控制结构的辐射噪声。
识别结构系统的载荷。
ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通受不变载荷作用产生应力作用下的结构可能会影响固有频率，尤其是对于那些在某一个或两个尺度上很薄的结构，因此在某些情况下执行模态分析时可能需要考虑预应力的影响。
进行预应力分析时首先需要进行静力结构分析（Static Structural Analysis ），计算公式为：[]{}{}K x F =得出的应力刚度矩阵用于计算结构分析（[][]0S σ→），这样原来的模态方程即可修改为：[][]()2i K S M ω+− {}0iφ= 上式即为存在预应力的模态分析公式。
有限元方法与ANSYS应用第7讲有限元的基础理论与方法 有限元案例分析 动力分析
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
完全法谐响应分析----加载并求解
步骤：
2 定义分析类型和分析选项
· 选项： Mass Matrix Formulation[LUMPM]
此选项用于指定是采用缺省的分布质量矩阵（取决 于单元类型）还是集中质量矩阵。建议在大多数应用中 采用缺省的分布质量矩阵。但对于某些包含“薄膜”结 构的问题，集中质量近似矩阵经常能产生较好的结果。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
三种求解方法----完全法
优点：
· 用单一处理过程计算出所有的位移和应 力。 · 允许定义各种类型的载荷：节点力、外 加的（非零）位移、单元载荷（压力和温 度）。 · 允许在实体模型上定义载荷。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
步骤：
9 观察结果
2.派生数据 · 节点和单元应力 · 节点和单元应变 · 单元力 · 节点反作用力，等等。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
缩减法谐响应分析
缩减法的分析过程由五个主要步骤组成： 1.建模； 2.加载并求得缩减解； 3.观察缩减解结果； 4.扩展解（扩展过程）； 5.观察已扩展的解结果。 在这些步骤中，第1步的工作与完全法的相同。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
任何持续的周期载荷作用在结构系统中 所产生的持续性周期响应（谐响应）。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析 谐响应分析寻求对已知幅值载荷的
响应振幅。 该载荷随时间以已知频率呈正弦形
式变化。
ANSYS模态分析教程及实例讲解解析
ANSYS模态分析教程及实例讲解解析ANSYS是一个广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以用于各种结构的模态分析，包括机械结构、建筑结构、航空航天结构等。
模态分析是通过计算结构的固有频率和振动模态，用于评估结构的动力特性和振动响应。
以下是一个ANSYS模态分析的教程及实例讲解解析。
一、教程：ANSYS模态分析步骤步骤1：建立模型首先，需要使用设计软件绘制或导入一个几何模型。
然后，在ANSYS中选择适当的单元类型和材料属性，并创建适当的网格。
确保模型的几何形状和尺寸准确无误。
步骤2：约束条件在进行模态分析之前，需要定义适当的约束条件。
这些条件包括固定支持的边界条件、约束点的约束类型、约束方向等。
约束条件的选择应该与实际情况相符。
步骤3：施加载荷根据实际情况，在模型上施加适当的载荷。
这些载荷可以是静态载荷、动态载荷或谐振载荷，具体取决于所要分析的问题。
步骤4：设置分析类型在ANSYS中，可以选择多种不同的分析类型，包括静态分析、模态分析、动态响应分析等。
在进行模态分析时，需要选择模态分析类型，并设置相应的参数。
步骤5：运行分析设置好分析类型和参数后，可以运行分析。
ANSYS将计算结构的固有频率和振动模态。
运行时间取决于模型的大小和复杂性。
步骤6：结果分析完成分析后，可以查看和分析计算结果。
ANSYS将生成包括固有频率、振动模态形态、振动模态形状等在内的结果信息。
可以使用不同的后处理技术，如模态形态分析、频谱分析等，对结果进行更详细的分析。
二、实例讲解：ANSYS模态分析以下是一个机械结构的ANSYS模态分析的实例讲解：实例：机械结构的模态分析1.建立模型：使用设计软件绘制机械结构模型，并导入ANSYS。
2.约束条件：根据实际情况，将结构的一些部分设置为固定支持的边界条件。
3.施加载荷：根据实际应用，施加恰当的静态载荷。
4.设置分析类型：在ANSYS中选择模态分析类型，并设置相应的参数，如求解方法、迭代次数等。
有限元分析与ANSYS
– 运动器械
January 30, 2001 Inventory #001441 2-6
有限元分析与ANSYS
…关于ANSYS
• •
Training Manual
Introduction to ANSYS 5.7, Part 1
ANSYS/Multiphysics 是ANSYS产品的“旗舰”，它包括所有工程学科的 所有性能 ANSYS/Multiphysics有三个主要的组成产品
Training Manual
Introduction to ANSYS 5.7, Part 1
有限元分析是一种模拟设计荷载条件，并且确定在荷载条件下的设计响应
• The finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s. • The underlying theory is over 100 years old, and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.
Introduction to ANSYS 5.7, Part 1
ANSYS/ Emag
ANSYS/ Structural ANSYS/ ED ANSYS/ FLOTRAN ANSYS/ LS-DYNA
ANSYS/ ProFEA
DesignSpace ANSYS/ PrepPost ANSYS/ University
ANSYS模态分析详细解释
Ansys模态分析详细论述1、有限元概述将求解域分解成若干小域，有限元模型由单元组成，单元之间通过节点连接，并承受载荷，节点自由度是随着连接该点单元类型变化的。
1.1分析前准备（1）研读相关理论基础；（2）参考别人的分析方法和思路；（3）考虑时间和设备，做适当的简化假设，设定条件、材料并决定分析方式；（4）了解力学现象、分析关键位置并预先评估。
1.2 Von Mises 应力Von Mises 应力是非负值，应力表达式可表示为：1.3结果的分析（1）建立疏密不同的三至五种网络，选择适中密度，不能以存在应力集中点处的结果做对比；（2）检验网格，分析结果的合理性，选择安全系数，并且要分析应力集中的真实性与危险性。
（3）接触收敛速度的提高：在不影响结构的前提下，控制或减少接触单元生成数目，并采用线性搜索，与打开自适应开关来提高收敛速度。
2、模态分析中的几个基本概念物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定的比例关系的，可以用一个向量表示，这个就称之为模态。
模态这个概念一般是在振动领域所用，可以初步的理解为振动状态，我们都知道每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。
2.1主要模态一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。
一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。
模态是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。
有限元中模态分析的本质是求矩阵的特征值问题，所以“阶数”就是指特征值的个数。
将特征值从小到大排列就是阶次。
实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶。
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July 22, 2004 Inventory #002110
2-4
DYNAMICS 8.1
Modal Analysis
B. Terminology & Concepts
Training Manual
• General equation of motion:
M u C u K u F t
July 22, 2004 Inventory #002110
2-5
DYNAMICS 8.1
Modal Analysis
… Terminology & Concepts
Training Manual
• The square roots of the eigenvalues are i , the structure’s natural circular frequencies (radians/sec). Natural frequencies fi are then calculated as fi = i /2p cycles/sec. It is the natural frequencies fi that are input by the user and output by ANSYS.
• Assume free vibrations and ignore damping:
M u K u 0
• Assume harmonic motion ( i.e. uUsint())
K 2 M u 0
• The roots of this equation are i2, the eigenvalues, where i ranges from 1 to number of DOF. Corresponding vectors are {u}i, the eigenvectors.
• Mode Expansion has a dual meaning. For the reduced method, mode expansion means calculating the full mode shapes from the reduced mode shapes. For all other methods, mode expansion simply means writing mode shapes to the results file.
• The eigenvectors {u}i represent the mode shapes - the shape assumed by the structure when vibrating at frequency fi.
July 22, 2004 Inventory #002110
2-6
given direction)
• Most fundamental of all the dynamic analysis types.
July 22, 2004 Inventory #002110
2-3
DYNAMICS 8.1
Modal Analysis
… Definition & Purpose
Recommendation: Because a structure’s vibration characteristics determine how it responds to any type of dynamic load, always perform a modal analysis first before trying any other dynamic analysis.
DYNAMICS 8ຫໍສະໝຸດ 1Modal Analysis
… Terminology & Concepts (cont.)
Training Manual
• Mode Extraction is the term used to describe the calculation of eigenvalues and eigenvectors.
A. Definition & Purpose
Training Manual
• What is modal analysis?
• A technique used to determine a structure’s vibration characteristics:
– Natural frequencies – Mode shapes – Mode participation factors (how much a given mode participates in a
• Gives engineers an idea of how the design will respond to different types of dynamic loads.
• Helps in calculating solution controls (time steps, etc.) for other dynamic analyses.
Training Manual
Benefits of modal analysis
• Allows the design to avoid resonant vibrations or to vibrate at a specified frequency (speakers, for example).
C. Learn how to do a modal analysis in ANSYS.
D. Work on one or two modal analysis exercises.
July 22, 2004 Inventory #002110
2-2
DYNAMICS 8.1
Modal Analysis
有限元模态分析-ANSYS
精品
DYNAMICS 8.1
Module 2
Modal Analysis
Training Manual
A. Define modal analysis and its purpose.
B. Discuss associated concepts, terminology, and mode extraction methods.