ANSYS 模态分析
ANSYS模态分析
10.4 模态分析过程
ANSYS模态分析过程包括四部分： 建模； 加载及求解； 扩展模态； 结果观察。
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10.4 模态分析过程
• 10.4.1 建模 • 模态分析的建模与静力学分析的建模类似，首先定义工作 名和工作标题，然后再前处理器中定义单元类型、单元实 常数、材料特性、创建几何模型以及划分网格。
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10.3 矩阵缩减技术和主自由度选择准则
• 矩阵缩减可以按照静力学分析相同的方法建立一个详细的 模型，在有动力学特征的部分用于动力学分析。可以通过 辨识定义为主自由度的关键自由度来选择模型的动力学特 征部分，所选取的主自由度应该足以描述系统的动力学行 为。ANSYS程序根据主自由度来计算缩减矩阵和缩减自 由度解，然后通过执行扩展处理将解扩展到完整的自由度 集上。矩阵缩减的主要优点是，可以大大节省CPU计算时 间。
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10.4 模态分析过程
• （5）材料特性 GUI:【Main Menu】/【Preprocessor】/【Material Props】/【Material Models】 • （6）创建几何模型 GUI:【Main Menu】/【Preprocessor】/【Modeling 】 • （7）网格划分 GUI:【Main Menu】/【Preprocessor】/【Meshing】
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10.4 模态分析过程
• 用户需注意以下两点： （1）在模态分析中只有线性行为是有效的。如果指定了 非线性单元，非线性将被忽略。 （2）材料性质可以是线性的或非线性的、各向同性的或 正交各向异性的、恒定的或和温度相关的。在模态分析中 必须指定弹性模量 EX和密度DENS，而非线性特性将被忽 略。
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10.3 矩阵缩减技术和主自由度选择准则
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模态分析
ansys模态分析:
ansys模态分析软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块：
1、前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
2、分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
3、后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
ansys模态分析画面映射网格划分的条件：
1、必须是3条或4条边组成的面，允许连接线或合并线；
2、面的对边必须划分为相同数目的单元，或与过渡网格的划分相匹配；
3、该面如仅有3条边，则划分的单元必须为偶数且各边单元数相等；
4、如果一个面多于4条边，则不能使用映射网格划分。
模态分析：
模态分析是研究结构动力特性一种方法，一般应用在工程振动领域。
其中，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
分析这些模态参数的过程称为模态分析。
按计算方法，模态分析可分为计算模态分析和试验模态分析。
由有限元计算的方法取得——计算模态分析；每一阶次对应一个模态，每个阶次都有自己特定的频率、阻尼、模态参数。
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——试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
ANSYS模态分析
ANSYS模态分析ANSYS模态分析是一种用于计算和研究结构的振动和模态的仿真方法。
它可以帮助工程师和设计师了解结构在自由振动模态下的响应，从而优化设计和改进结构的性能。
本文将对ANSYS模态分析的原理和应用进行详细介绍。
ANSYS模态分析基于动力学理论和有限元分析。
在模态分析中，结构被建模为一个连续的弹性体，通过求解结构的固有频率和模态形状来研究其振动行为。
固有频率是结构在没有外力作用下自由振动的频率，而模态形状则是结构在每个固有频率下的振动形态。
模态分析可以帮助工程师了解结构在特定频率下的振动行为。
通过分析结构的固有频率，可以评估结构的动态稳定性。
如果结构的固有频率与外部激励频率非常接近，可能会导致共振现象，从而对结构造成破坏。
此外，模态分析还可以帮助识别结构的振动模态，并评估可能的振动问题和改进设计。
1.准备工作：首先，需要创建结构的几何模型，并进行必要的网格划分。
在几何模型上设置适当的约束条件和边界条件。
选择合适的材料属性和材料模型。
然后设置分析类型为模态分析。
2.计算固有频率：在模态分析中，需要计算结构的固有频率。
通过求解结构的特征值问题，可以得到结构的固有频率和模态形状。
通常使用特征值求解器来求解特征值问题。
3.分析结果：一旦得到结构的固有频率和模态形状，可以进行进一步的分析和评估。
在ANSYS中，可以通过模态形状的可视化来观察结构的振动模态。
此外，还可以对模态形状进行分析，如计算应力、变形和应变等。
ANSYS模态分析在许多领域都有广泛的应用。
在航空航天工程中，模态分析可以用于评估飞机结构的稳定性和航空器的振动特性。
在汽车工程中，可以使用模态分析来优化车身结构和减少共振噪音。
在建筑工程中，可以使用模态分析来评估楼房结构的稳定性和地震响应。
总之，ANSYS模态分析是一种重要的结构动力学仿真方法，可以帮助工程师和设计师了解结构的振动特性和改善设计。
通过模态分析，可以预测共振问题、优化结构设计、提高结构的稳定性和性能。
ANSYS-模态分析 介绍
模态分析总论
• 运动学基本方程: }+ [C]{u }+ [K ]{u} = {F(t )} [M ]{ u • 假定自由振动并忽略阻尼:
}+ [K ]{u} = {0} [M ]{ u
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Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 假定谐波形式响应 (u = U sin( ωt ) )
其它分析选项
• 集中质量矩阵：
– –
Training Manual
DYNAMICS 11.0
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。 用于计算具有预应力结构的模态（以后讨论）。 阻尼仅在选用阻尼模态提取法时使用； 可以使用阻尼比α阻尼和β阻尼； 对BEAM4 和 PIPE16 单元，允许使用陀螺阻尼。
Training Manual
第二章 模态分析
模态分析总论
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 模态分析用来确定结构的振动特性的一种技术:
– 固有频率 – 振型 – 模态参与因子（结构振型在给定方向的参与程度)
• 是其他动力学分析的起点和基础.
模态分析总论
• 模态分析工程应用
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子空间法
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 子空间法 ：比较适合于提取类似中型到大型 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。
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。
ANSYS入门——模态分析步骤与实例详解
ANSYS入门——模态分析步骤与实例详解模态分析是ANSYS中的一项重要功能，它用于分析结构的模态特性，如固有频率、模态形态、振型等。
下面将详细介绍ANSYS中模态分析的步骤与实例。
1.准备工作：在进行模态分析前，首先需要完成模型的几何建模、模型的网格划分、边界条件的设定和材料属性的定义等准备工作。
2.设置分析类型：在ANSYS中，可以使用分析类型工具条或命令行指令设置分析类型。
对于模态分析，可以选择"Modal"。
选中“Modal”选项后，会弹出新窗口，用于设置分析的参数。
可以设置计算的模态数目、输出结果的范围、频率的单位等。
3.定义约束条件：在模态分析中，需要定义结构的约束条件，以模拟实际情况。
常见的约束条件有固定支撑、自由边界、对称几何等。
可以使用ANSYS中的约束条件工具条或命令行指令进行定义。
4.定义激励条件：在模态分析中，可以定义激励条件，以模拟结构在特定频率下的振动情况。
常见的激励条件有振动源、压力载荷、重力载荷等。
可以使用ANSYS中的激励条件工具条或命令行指令进行定义。
5.执行分析：完成上述设置后，点击分析工具条中的“运行”按钮，开始执行模态分析。
ANSYS会根据所设定的参数进行计算，并输出相应的结果。
6.结果展示与分析：模态分析完成后，可以查看分析结果并进行进一步的分析。
ANSYS会输出各模态下的固有频率、模态振型、模态质量、模态参与度等信息。
接下来，我们以一个简单的悬臂梁的模态分析为例进行详解。
1.准备工作：在ANSYS中绘制悬臂梁的几何模型，并进行网格划分。
设定材料属性、加载条件和边界条件。
2.设置分析类型：在ANSYS主界面上选择“Workbench”，然后点击“Ana lysis Systems”工具条中的“Modal”选项。
3.定义约束条件：设置悬臂端点的约束条件为固定支撑。
可以使用ANSYS中的“Fixed Support”工具进行设置。
4.定义激励条件：在此示例中，我们只进行自由振动分析，不设置激励条件。
ANSYS模态分析教程及实例讲解
结构动态特性的改善方法
增加结构阻尼
通过增加结构阻尼，可以有效地吸收和消耗振动能量，减小结构 的振动幅值和响应时间。
优化结构布局
通过合理地布置结构的质量、刚度和阻尼分布，可以改善结构的动 态特性，提高结构的稳定性和安全性。
加强关键部位
对于关键部位，应加强其刚度和稳定性，以减小其对整体结构的振 动影响。
ansys模态分析教程及实例讲解
目 录
• 引言 • ANSYS模态分析基础 • ANSYS模态分析实例 • 模态分析结果解读 • 模态分析的优化设计 • 总结与展望
01 引言
ห้องสมุดไป่ตู้
目的和背景
01
了解模态分析在工程领域的应用 价值，如预测结构的振动特性、 优化设计等。
02
掌握ANSYS软件进行模态分析的 基本原理和方法。
挑战
未来模态分析面临的挑战主要包括处理大规模复杂结构 、模拟真实环境下的动力学行为以及提高分析的实时性 。随着结构尺寸和复杂性的增加，如何高效地处理大规 模有限元模型和计算海量数据成为亟待解决的问题。同 时，为了更准确地模拟实际工况下的结构动力学行为， 需要发展更加逼真的边界条件和载荷条件设置方法。此 外，提高模态分析的实时性对于一些实时监测和反馈控 制的应用场景也具有重要的意义。
模态分析基于振动理论，将复杂结构系统分解为若干个独立的模态，每个模态具有 特定的固有频率和振型。
模态分析可以帮助工程师了解结构的动态行为，预测结构的振动响应，优化结构设 计。
模态分析的步骤
建立模型
施加约束
求解
结果分析
根据实际结构建立有限 元模型，包括几何形状、 材料属性、连接方式等。
根据实际工况，对模型 施加约束条件，如固定
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模态分析过程模态分析过程由四个主要步骤组成：1.建模；2.加载及求解；3.扩展模态；4.观察结果。
下面分别展开进行详细讨论§1.6建模主要完成下列工作：首先指定工作名和分析标题，然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型、单元实常数、材料性质以及几何模型。
ANSYS的《建模和网格指南》中对这些工作有更详细的说明。
注意以下两点：•在模态分析中只有线性行为是有效的。
如果指定了非线性单元，它们将被当作是线性的。
例如，如果分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。
•材料性质可以是线性的，各向同性的或正交各向异性的，恒定的或和温度相关的。
在模态分析中必须指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。
而非线性特性将被忽略。
§1.7加载及求解主要完成下列工作：首先定义分析类型、指定分析设置、定义载荷和边界条件和指定加载过程设置，然后进行固有频率的有限元求解。
在得到初始解后，再对模态进行扩展，以供查看。
扩展模态将在下一节“扩展模态”中进行详细说明。
§1.7.1进入ANSYS求解器命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution§1.7.2指定分析类型和分析选项ANSYS提供的用于模态分析的选项如下表所示，表中的每一个选项都将在随后详细解释。
分析类型和分析选项选项命令GUI 选择途径New Analysis ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis Analysis Type: Modal ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis>ModalMode Extraction Method MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNumber of Modes to Extract MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNo. Of Modes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>Analysis OptionsMass Matrix Formulation LUMPM Main Menu>Solution>Analysis OptionsPrestress Effects Calculation PSTRES Main Menu>Solution>Analysis Options注意：选择模态分析时，求解菜单将显示与模态分析相关的菜单项。
求解菜单有两种可能的状态“简洁式（abridged ）”或者“展开式（unabridged ）”，它总是与上一个ANSYS 任务是的状态相同。
简洁式菜单仅仅包括模态分析有用的或建议的求解设置。
当显示的是简洁式求解菜单，如果想访问其他求解设置( 即，要用到的有效求解设置，但该分析类型又不会遇到) ，就从求界菜单中选择展开式菜单项展开求解设置项。
详情参见《ANSYS基本分析指南》使用展开式求解菜单。
注意：在单点响应谱分析（SPOPT,SPRS ）和动力学设计分析方法（SPOPT,DDAM ）中，模态扩展可以放在谱分析之后按MXPAND 命令设置的重要性因子SIGNIF 值有选择地进行。
如果准备在谱分析之后进行模态扩展，请在模态分析选项（MODOPT ）对话框中的设置模态扩展的选项（MXPAND ）处选NO 。
§1.7.2.1选项New Analysis：选择新分析。
注意：在模态分析中Restart （重启动）是无效的。
如果需要施加不同的边界条件，则须做一次新的分析或采用<<ANSYS 基本分析过程指南>> 的第3 章中描述的Partial Solution （部分求解）方法。
§1.7.2.2选项分析类型：Modal 指定分析类型为模态分析。
§1.7.2.3选项Modal Extraction Method 指定提取模态的方法，选择7种提取方法中的一种。
对于大多数应用，选用分块Lanczos法、子空间法、PowerDynamics法或缩减法。
非对称法、阻尼法和QR阻尼法适于特殊应用。
一旦选用某种模态提取方法，ANSYS程序自动选择对应的求解器。
注意：非对称法、阻尼法和QR 阻尼法在ANSYS/Professional 产品中无效。
§1.7.2.4选项Number of Modes to Extract 除缩减法以外其他模态提取方法该选项都是必须设置的。
对于非对称法和阻尼法，应该应当提取比必要的阶数更多的模态以降低丢失模态的可能性，但需要花费更长的求解时间。
§1.7.2.5选项Number of Modes to Expand 该选项只在采用缩减法、非对称法和阻尼法时要求设置。
如果想得到单元求解结果，则不论采用何种模态提取方法都需要打开“Calcucate elem results”项。
在用单点响应谱分析（SPOPT,SPRS）和动力学设计分析方法（SPOPT,DDAM）中，模态扩展可能要放在谱分析之后按命令MXPAND设置的重要性因子SIGNIF数值有选择地进行。
如果要在谱分析后才进行模态扩展，则在模态分析选项（MODOPT）对话框的模态扩展（EXPAND）选项处选NO。
§1.7.2.6选项Mass Matrix Formulation 该选项用于指定质量矩阵计算方式：缺省的质量矩阵（和单元类型有关，也称为一致质量矩阵）和集中质量阵。
我们建议在大多数应用中采用缺省一致质量矩阵。
但对有些包含“薄膜”结构的问题，如细长梁或非常薄的壳，采用集中质量矩阵近似经常可产生较好的结果。
另外，用集中质量阵时求解时间短，需要的内存少。
§1.7.2.7选项Prestress Effects Calculation 该选项用于确定是否考虑预应力对结构振型的影响。
缺省分析过程不包括预应力效应，即结构是处于无应力状态。
在分析中希望包含预应力的影响，则必须首先进行静力学或瞬态分析生成单元文件，参见“有预应力模态分析”。
如果预应力效果选项是打开的，同时要求当前及随后的求解过程中质量矩阵的设置应和静力分析中质量矩阵的设置必须一致。
注意─在有预应力的周期对称单元如PLANE25 和SHELL61 上只可以加轴对称载荷。
§1.7.2.8其它模态分析选项完成了模态分析选项（Modal Analysis Option ）对话框中的选择后，单击OK，接着弹出一个对应于于指定的模态提取方法的选项对话框，是以下选择域的组合：? 域：FREQB ，FREQE 指定感兴趣的模态频率范围。
FREQB 域指定第一频移点（低频）─特征值收敛最快的点。
在大多数情况下不需要设置这个域，其缺省值为-1。
? 域：PRMODE 输出的缩减模态数。
设置此选项后，在输出文件（Jobname.out）中会列出所设置数目的缩减振型。
该选项只对缩减法有效。
? 域：Nrmkey 关于振型归一化的设置。
有两种选择：相对于质量矩阵和单位化。
如果在模态分析后进行谱分析或模态叠加法分析，则应该选择相对于质量阵进行归一化处理。
为了在随后得到各阶模态的最大响应（模态响应），须用模态系数去乘振型。
实现的方法是用*GET命令（在谱分析完成后）查到模态系数并在SET命令中将模态系数用做比例因子。
? 域：RIGID 设置提取对已知有刚体运动结构进行子空间迭代分析时的零频振型。
只适用于Subspace和PowerDynamics法。
? 域：SUBOPT 指定多种子空间迭代选项。
详细情况参见<<ANSYS命令参考手册>>。
只适用于Subspace和PowerDynamics法。
? 域：CEkey 指定处理约束方程的方法。
可选用的方法：Direct elimination method（直接消去法）、Lagrange multiplier(quick)method（快速拉格朗日乘子法）、Lagrange multiplier(accurate)method（精确拉格朗日乘子法）。
该选项只适用于分块Lanczos法。
（参见“循环对称结构的模态分析”部分的表8“CE处理法”。
）§1.7.3定义主自由度在模态分析中，有时需要指定主自由度，并且只适用于缩减法。
主自由度（M自由度（DOF））指能描述结构动力学特性的“重要的”自由度。
主自由度（DOF）选取的规则是选择至少是感兴趣的模态阶数的一倍数目的主自由度（DOF）。
建议用命令根据对结构的动力学特牲的了解定义尽可能多的M自由度（DOF），并用命令让程序按照刚度/质量比选取一些附加的主自由度。
用命令可以列出已定义的M自由度（DOF），用命令可以删除无关的M自由度（DOF）。
关于主自由度的更详细内容参见“矩阵缩减”部分。
命令：MGUI：Main Menu>Solution>Master DOFs>-User Selected-Define§1.7.4在模型上加载荷在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。
（如果在某个自由度（DOF）处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束替代在该自由度（DOF）处的设置）。
可以施加除位移约束之外的其它载荷，但它们将被忽略（见下面的说明）。
在未加约束的方向上，程序将解算刚体运动（零频）以及高阶（非零频）自由体模态。
下表给出了施加位移约束的命令。
载荷可以加在实体模型（点、线、面）上或加在有限元模型（点和单元）上。
参见<<ANSYS基本分析过程指南>>第2章关于实体模型加载－有限元加载的比较的探讨。
注意：其它类型的载荷─力，压力，温度，加速度等─可以在模态分析中指定，但在模态提取时将被忽略。
程序会计算出相应于所加载荷的载荷向量，并将这些向量写到振型文件Jobname.MODE 中以便在模态叠加法谐响应分析或瞬态分析中使用。
模态分析中可施加的载荷载荷形式类别命令GUI途径Displacement(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)约束 D Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement在分析过程中，可以施加、删除载荷或进行载荷列表、载荷间运算。
§1.7.4.1用命令加载下表列出了在模态分析中可以用来加载的命令。