ANSYS 圆管模态分析实验报告

圆管模态分析实验报告

一、问题描述

图1为一薄壁圆管，壁厚为0.216m，直径为6m，高度为10m。圆管的材料密度为7800kg/m^3，弹性模量为210Gpa，泊松比为0.3。圆管底部固定，试分析此薄壁圆管的模态。

图1 薄壁圆管模型

二、问题分析

1、什么是模态及本题的模态阶数选取

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。通过模态分析可以得出物体在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态

的特性，就可以预知结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下实际振动反应。

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。

一个物体有很多固有振动频率（理论上是无穷多个），按照从小到大的顺序，第一个就叫一阶固有频率，以此类推。模态的阶数对应固有频率阶数。一般，低阶

模态刚度相对比较弱，在同样量级的激励作用下，响应会相对所占的权值大一些，

所以工程上低阶模态比较受关注，理论上低阶模态理论也相对成熟。且用有限元进

行模态分析计算，阶数越高，误差越大。

此题中分析对象比较简单，所以选取前5模态进行分析已经满足工程需要。

2、网格单元的选取

此薄壁圆管由于壁厚远远小于直径，均匀壁厚，材料结构简单，所以单元类型可以选用shell 93—八节点结构壳单元。

3、网格划分类型的选取

有限元分析的精度和效率与单元的密度和几何形状有密切关系，按照相应的误差准则和网格疏密程度，应该避免网格的畸形，因此，划分网格时，应尽量采用映

射网格模式划分。本题中，圆管形状规则，采取映射网格进行划分。

三、解题步骤

1、建立工作文件名及工作标题

选择Utility→File→Change Jobname 命令，出现Change Jobname对话框。在Enter new jobname栏输入工作文件名：Tube。选择Utility→File→Change Title命令，

输入工作标题：Mode analysis of tube。完成建立。

2、定义单元类型

选择Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，出现Element Type对话框，点击Add，在Library of Element Type中选取Structural, shell 8node 93。单击OK。退出对话框。

3、定义实常数

选择Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，出现Real Constants对话框，点击Add，出现Element Type for Real Constants对话框。单击OK，出现Real Constants for SHELL150对话框，在Shell thickness at node TK（I）输入栏中输入圆管壁厚0.216，单击OK退出，再点击close完成设置。

4、定义材料性能参数

依次选取：Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Model 出现Define Material Model Behavior对话框，再依次选取：

Material Models Available→Structural→Linear→Elastic→Isotropic

出现Linear Isotropic Propeties for Materal Number 1 对话框，在EX输入栏中输入210E9。在PRXY中输入0.3。点击ok退出。再选取Structural→Density，设置材料密度，在弹出的对话框中，DENS一栏输入7800，OK，退出对话框。点击Materal →Exit完成参数设置。

5、创建几何模型

选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS，在NPT Keypoint number输入栏中输入1，在X,Y,Z输入栏中输入0,0,0，单击Apply；

依次创建以下关键点及编号：2（3,0,0），3（3,10,0），4（0,10,0）。

选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line，出现Create Straight Line 拾取菜单，选取点2和点3，ok，建立一条直线。

选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Lines→About Axis，出现Sweep Lines about axis对话框，选择直线L1，点击Apply；再选取点1，和点4，单击OK，形成一个圆柱面，点击OK，退出选框。建立的模型如图2所示。

图2 建立模型图3 网格划分

6、网格划分

选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→ManualSize→Global→Size，在Global Element Sizes对话框中的NDIV No.of element divisions 一栏中输入50，意思是划分等份为50份，点击OK，关闭对话框。

选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→Mapped→3 or4

sided，点击Pick All，OK，完成Mesh。如图3所示。

7、加载求解

选择Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis，在New Analysis对话框中，选择Modal，单击OK，选择分析类型为模态分析。

选择Main Menu→Solution→Analysis Type→Analysis Option，在Modal Analysis 对话框中，No . of modes to extract一栏中输入5，意思是只求解前5阶模态，单击OK，弹出Block Lanczos Method对话框，单击OK，完成设置。

选择Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Lines，选择圆管底部圆周，单击OK，出现Apply U.ROT.on Lines对话框，在DOFs to be constrained 中选择UZ，单击OK，完成设置。

选择Main Menu→Solution→Solve→Current LS，单击OK，开始计算。

8、显示结果

选择Main Menu→Generral Postproc→Results Summary，出现SET,LIST Command 对话框。如图4所示。此对话框显示出该圆管的前5阶模态计算结果。

图4 圆管前5阶模态的计算结果

选择Main Menu→Genera→Postproc→Read Results→First Set，接着选择Main Menu→Genera Postproc→Plot Results →Contour Plot→Nodal Solu，在出现的对话框中选择Nodal Solution→DOF Solution→Displacement vector sum，单击OK。此时显示该圆管的一阶模态图。如图5所示。

图5 该圆管的一阶振型图

选择Main Menu→General Postproc→Read Results→Next Set，再选择Utility Menu→Plot→Replot，出现第二阶的模态分析结果。按照上面步骤，继续查看第三阶，第四阶，第五阶的结果。其结果如图6、7、8、9所示。