workbench 模态分析
ANSYSWorkbench梁壳结构谱分析（二）模态分析
ANSYSWorkbench梁壳结构谱分析（二）模态分析ANSYS Workbench梁壳结构谱分析（二）模态分析1 概述模态分析是动力学分析基础，如响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等都需要在模态分析基础上进行。
模态分析简而言之就是分析模型的固有特性，包括频率、振型等。
模态分析求解出来的频率为结构的固有频率，与外界的激励没有任何关系，不管有无外界激励，结构的固有频率都是客观存在的，它只与刚度和质量有关，质量增大，固有频率降低，刚度增大，固有频率增大。
一般情况，当外界的激励频率等于固有频率时，结构抵抗变形能力小，变形很大（产生共振原因）；当外界激励频率大于固有频率时，动刚度（动载荷力与位移之比）大，不容易变形；当外界激励频率小于固有频率时，动刚度主要表现为结构刚度；当外界激励频率为零时，动刚度等于静刚度。
2 模态分析该模型框架采用Beam188单元模拟，外表面采用Shell181单元模拟。
该结构的总重量为800kg，分析时将其他附件的质量均布在框架上。
边界条件为约束机柜与地面基础连接螺栓处的6个自由度（Remote Displacement）。
具体建模过程详见《ANSYS Workbench梁壳结构谱分析（一）梁壳建模》或点击下方阅读原文获取。
模态分析详细过程如下：（1）划分网格：单击【Mesh】，右键【Insert】=Sizing，设置【Scope】→【Geometry】=选取所有部件，【Definition】→【Type】→【Element Size】=20。
单击【Mesh】，右键【Generate Mesh】生成网格。
（2）边界条件：单击【Modal (B5)】，右键【Insert】→【Remote Displacement】，设置【Scope】→【Geometry】=分别选择框架4个立柱，并分别按照如下操作：【Definition】→【Define By】=Components，【X Component】=0mm，【YComponent】=0mm，【Z Component】=0mm，【X Remotion】=0°，【Y Remotion】=0°，【Z Remotion】=0°，其余默认。
ANSYS WORKBENCH 11.0模态分析
ANSYS WORKBENCH 11.0培训教程（DS）第五章模态分析概述•在本章节主要介绍如何在Design Simulation中进行模态分析. 在Design Simulation中, 进行一个模态分析类似于一个线性分析.–假定用户已经对第四章的线性静态结构分析有了一定的学习了解.•本节内容如下:–模态分析流程–预应力模态分析流程•本节所介绍的这些性能通常能适用于ANSYS DesignSpace Entra licenses及更高的lisenses.–在本节讨论的一些选项可能需要更多的高级lisenses, 需要时会相应的标示出来.–谐响应和非线性静态结构分析在本节将不进行讨论.模态分析基础•对于一个模态分析, 固有圆周频率ωi 和振型φi 都能从矩阵方程式里得到:在某些假设条件下的结果与分析相关:–[K] 和[M] 是常量:•假设为线弹性材料特性•使用小挠度理论, 不包含非线性特性•[C] 不存在, 因此不包含阻尼•{F} 不存在, 因此假设结构没有激励•根据物理方程, 结构可能不受约束(rigid-body modes present) ，或者部分/完全的被约束住•记住这些在Design Simulation 中进行模态分析的假设是非常重要的.[][](){}02=−ii M K φωA. 模态分析过程•模态分析过程和一个线性静态结构分析过程非常相似, 因此这里不再详细的介绍每一操作步骤. 下面这些步骤里面，黄色斜体字体部分是模态分析所特有的.–建模–设定材料属性–定义接触对(假如存在)–划分网格(可选择)–施加载荷(假如存在的话)–需要使用Frequency Finder 结果–设置Frequency Finder 选项–求解–查看结果…几何模型和质量点•类似于线性静态分析, 任何一种能被Design Simulation支持的几何模型都有可以使用：–实体、面体和线体•对于线体，只有振型和位移结果是可见的。
基于ANSYS WORKBENCH轴承的模态分析
基于ANSYS WORKBENCH轴承的模态分析1有限元模型的建立利用proe软件进行建模，可以从原件库里面直接调用，也可以重新建模，建模无需建立装配模型，只需要在单体零件中直接建立轴承内外圈和球体，选择不合并实体，从而形成多实体的单体零件。
轴承元件之间的间隙可以消除。
•三维模型的建立三维模型的建立是数值模拟分析中重要、关键的环节。
UG软件能够方便地建立复杂的三维模型，企业提供的初始的轴承三维模型主体钢结构是由不同厚度的钢板焊接而成，模型钢板之间存在较多的焊缝，导致模型存在不同大小的间隙，给后继有限元分析带来困难，而且模型结构复杂，且为三维实体，建立有限元模型的过程中，要在符合结构力学特性的前提下建立模型，有必要对结构做合理的简化。
其主要简化说明如下：（1）.忽略零件中一些微小特征。
螺栓孔、倒圆角等一些微小的结构对结果准确性的影响很小，所以建模时不考虑这些微小几何图元；（2）.所有焊接位置不允许出现裂缝、虚焊等工艺缺陷，认为在焊接位置材料是连续的，直接填充间隙；（3）.轴承模型附件品种繁多，形状复杂，且对机架的刚度和强度影响不大，在计算模型中只要考虑其自重即可，例如料斗、辊子、走台、链板等其它辅助设备。
•材料属性结构用钢均采用Q235碳素结构钢材，Q235的弹性模量E=2.1e11N/m2，密度7830kg/m3，剪切模量为81000MPa，泊松比为0.3，模型材料为各向同性。
表1 材料Q235许用应力一览表: MPa (N/mm2)Tab.1 List of Material Q235 Allowable stress: MPa (N/mm2)40<t≤100215 143 83 162 93 179 103•网格划分有限元网格数目过少，容易产生畸变，并影响计算精度；而数目过大，不仅对提高精度作用不大，反而大大增加了计算工作量[2]。
因此网格划分前对模型进行了体切割与粘接布尔用算，再采用自由划分方式，以满足计算精度与控制计算量的要求。
workbench 模态分析实例
July 3, 2006 Inventory #002022 WS2-13
模态分析
作业5 – 求解
在每个模型的各项设置都完成后，我们将准备进 行求解，逐一检查所有分支条前面的状态符。所 有状态符应为以下其一：
– 带电符号（待查） – 绿色钩对号（完成）
Workshop Supplement
ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation
Workshop Supplement
ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation
July 3, 2006 Inventory #002022 WS2-4
ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation ANSYS Workbench - Simulation
模态分析
作业5 – 建立求解
记住:当求解结构问题时,我们要 求解多个应力、应变、位移。 由于我们希望确定模型的固有 频率，往往需要适当数目的求 解结果。为了求解固有频率， 我们需要使用到工具 “Frequency Finder”.
12. 点击求解的分支条，并点击
12
July 3, 2006 Inventory #002022 WS2-12
219515986_基于Workbench_的油罐车罐体的模态分析
ｔａｎｋｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｎｏ － ｌｏａｄꎬ７０％ ꎬ８５％ ａｎｄ １００％ ｆｉｌｌｉｎｇ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ. Ａｍｏｎｇ ｔｈｅｍꎬｔｈｅ ｍｏｄａｌ ｍｏｄｕｌｅ
中将流体区域设置为 Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ Ｒｅｇｉｏｎꎬ并设置
罐体内流体域的表面为自由液面ꎻ再其次ꎬ将罐
体结构设置为 Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｇｉｏｎꎬ以便自动生成流
固耦合面ꎬ由于罐体固定在车体上ꎬ因此需要在
２ 模型的建立与分析
罐体底座加上一个固定约束ꎻ最后ꎬ考虑重力对
采用 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中的 Ｓｐａｃｅｃｌａｉｍ 模块建立
固定约束ꎬ给系统设置重力加速度. 得到的空载
罐体的固有频率见表 １.
表 １ 不同充液状态的罐体的前 ６ 阶固有频率
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ６ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔａｎｋｓ
ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ － ｆｉｌｌｅｄ ｓｔａｔｅｓ
阻尼对湿模态状态系统的影响很小ꎬ几乎可
é ｍｓ
ω２ êê
Ｔ
ë － ρ０ Ｋｃ
固有频率 / Ｈｚ
空载
在分析充液罐体时ꎬ将油体视为一种声学介
１ ２ 声固耦合方程
{
阶次
６
统对应的特征向量.
é Ｋｓ
êê
ë０
５７
邓康茜ꎬ等:基于 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的油罐车罐体的模态分析
}
声场刚度ꎻＣ ｓ 是结构阻尼矩阵ꎻＣ ａ 是声场阻尼
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。
workbench模态分析.pdf
Workbench -Mechanical Introduction第五章模态分析简介Training Manual •在这一章中，将介绍模态分析。
进行模态分析类似线性静力分析。
–假设用户已学习了第4章线性静力结构分析部分。
•本章内容:–模态分析步骤–有预应力的模态分析步骤•本节所述的功能，一般适用于ANSYS DesignSpace Entra及以上版本的许可。
Training Manual模态系统分析基础•对于模态分析，振动频率ωi 和模态φi 是根据下面的方程计算的出的：2•假设:[][](){}0=−iiM K φω–[K] 和[M] 不变:•假设材料特性为线弹性的•利用小位移理论，并且不包括非线性的•不存在[C] ,因此无阻尼•无{F} , 因此无激振力•结构可以强迫振动也可以不强迫振动–模态{φ} 是相对值，不是绝对值A.模态系统分析步骤Training Manual •模态分析与线性静态分析的过程非常相似，因此不对所有的步骤做详细介绍。
用蓝色斜体字的步骤是针对模态分析的。
–附加几何模型–设置材料属性–定义接触区域(如果有的话)–定义网格控制(可选择)–定义分析类型–加支撑(如果有的话)–求解频率测试结果–设置频率测试选项–求解–查看结果…几何体和质点Training Manual •模态分析支持各种几何体：实体, 表面体和线体–,•可以使用质量点:•质点在模态分析中只有质量（无硬度）。
质点在模态分析中只有质量（无硬度）•质量点的存在会降低结构自由振动的频率。
•材料属性: 杨氏模量,泊松比, 和密度是必需的。
密度是必需的Training Manual。
workbench径向应力的模态分析
20
July 10, 2007 © 2007 ANSYS, Inc. All rights reserved.
ANSYS, Inc. Proprietary
Inventory #002406 WS4-10
. . . Workshop 4 – 结果
Workshop Supplement
Workbench-Simulation Dynamics
– 预应力可能增大或者减小自然频率.
• 比如; – 如果钢琴线的预张力增大，则固有频率增大. – 如果在欧拉柱的压缩载荷增加了，则其固有频率将会降 低.
Constrained Bore Perimeter Pre-Stress
July 10, 2007 © 2007 ANSYS, Inc. All rights reserved. ANSYS, Inc. Proprietary
8.
约束圆盘的中孔. 在 Static Structural分支，选择 >Insert>Fixed Support.
8
9. 选择面选模式
10. 旋转模型,按住<CTRL>，左键选择如图所示的10个面.
1. 在Details中，点击 “Apply”.
9
<CTRL>
10
July 10, 2007 © 2007 ANSYS, Inc. All rights reserved.
Inventory #002406 WS4-7
Workshop 4 – 模态求解
Workshop Supplement
Workbench-Simulation Dynamics
•
校核模态分析设置的细节
15. 在“ Initial Conditions”的Details窗口中,将“initial condition environment”设置成 “Static Structural” 16. 在“Analysis Settings”的Details中, 确认提取10阶模态.
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Workbench -Mechanical Introduction
第五章
模态分析
简介
Training Manual •在这一章中，将介绍模态分析。
进行模态分析类似线性静力分析。
–假设用户已学习了第4章线性静力结构分析部分。
•本章内容:
–模态分析步骤
–有预应力的模态分析步骤
•本节所述的功能，一般适用于ANSYS DesignSpace Entra及以上版本的许可。
Training Manual
模态系统分析基础
•对于模态分析，振动频率ωi 和模态φi 是根据下面的方程计算的出的：
2•假设:
[][](){}0
=−i
i
M K φω–[K] 和[M] 不变:
•假设材料特性为线弹性的
•利用小位移理论，并且不包括非线性的•不存在[C] ,因此无阻尼•无{F} , 因此无激振力
•
结构可以强迫振动也可以不强迫振动
–模态{φ} 是相对值，不是绝对值
A.模态系统分析步骤
Training Manual •模态分析与线性静态分析的过程非常相似，因此不对所有的步骤做详细介绍。
用蓝色斜体字的步骤是针对模态分析的。
–附加几何模型
–设置材料属性
–定义接触区域(如果有的话)
–定义网格控制(可选择)
–定义分析类型
–加支撑(如果有的话)
–求解频率测试结果
–设置频率测试选项
–求解
–查看结果
…几何体和质点
Training Manual •模态分析支持各种几何体：
实体, 表面体和线体
–,
•可以使用质量点:
•质点在模态分析中只有质量（无硬度）。
质点在模态分析中只有质量（无硬度）
•质量点的存在会降低结构自由振动的频率。
•材料属性: 杨氏模量,泊松比, 和密度是必需的。
密度是必需的
Training Manual
… 分析类型
Training Manual •从Workbench的工具栏中选择“Modal”指定模型的分析类型。
•在Analysis Settings中:
–提取的模态阶数：1到200（默认的是6）。
–指定频率变化的范围（默认的是0到1e+08Hz）。
… 载荷和约束
Training Manual •结构和热载荷无法在模态中存在。
•约束:
–假如没有或者只存在部分的约束, 刚体模态将被检测. 这些模态将处于0HZ附近. 与静态结构分析不同, 模态分析并不要求禁止刚体运动.
–边界条件对于模态分析来说，是很重要的。
因为他们能影响零件的振型和固有频率.
边界条件对于模态分析来说是很重要的因为他们能影响零件的振型和固有频率
因此需要仔细考虑模型是如何被约束的.
–压缩约束是非线性的，因此在此分析中不被使用.
… 求解
Training Manual •求解模型(没有要求的结果).
•求解结束后，求解分支会显示一个图标，显示频率和模态阶数.
•可以从图表或者图形中选择需要振型或者全部振型进行显示.
•嵌入“Total Deformation”结果中需要求解模态。
… 检查结果
Training Manual •模态:
–由于在结构上没有激励作用，因此振型只是与自由振动相关的相对值。
–在详细列表里可以看到每个结果的频率值.
–应用图形窗口下方的时间标签的动画工具栏来查看振型
B. Workshop 5.1 –模态
Training Manual •Workshop 5.1 –模态分析
•目标:
–检查用18号钢制造的马达盖子（如下所示）的振动特性。
Training Manual
C. 有预应力的模态
•在某些情况下，在执行模态分析时可能需要考虑预应力影响。
–处于不变载荷作用的应力作用下的结构可能会影响固有频率，例如吉他调弦。
[]{}{}
F x K o =[][]
S o →σ进行线性静力分析
应力刚度矩阵用于计算结
构分析
2[][](){}0
=−+i i
M S K φω
原来的模态方程被修改为包括[S]阵
…没有/有预应力作用的例子
Training Manual •在项目图表里建立一个静力结构分析与模态分析相结合的并有预应力存在的分析模型。
•注意在模型分支里，结构分析结果变成开始状态
的。
…没有/有预应力作用的例子
Training Manual •对一边固支的薄板的结构，简单对比一下两种分析
–进行两个分析，对比模态和有预应力的模态分析的不同。
模态分析有预应力的模态分析
Training Manual
…没有/有预应力作用的例子
•在这个例子中，提供了在有外力存在的拉伸状态下增加固有频率的方法。
模态
第一模态频率: 83.587 Hz
有预应力的模态第一模态频率: 99.679 Hz
D. Workshop 5.2 –预应力模态
Training Manual •Workshop 5.2 –预应力模态分析
•目标:模拟拉杆在有应力和无应力状态下的模态响应（如下所示）。