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有限元分析—模态分析.ppt
第八章 模态分析 2.1 直梁 2.1.1梁有限元模型 2.1.2节点位移与节点载荷 2.1.3单元刚度矩阵 2.1.4单元刚度矩阵的叠加 2.1.5边界条件 2.1.6工程实例 2.2 平面刚架 2.2.1有限元法基本思想节点位移与节点载荷 2.2.2单元刚度矩阵 2.2.3单元刚度矩阵的坐标变换 2.2.4总的刚度矩阵叠加 2.2.5位移法基本方程 2.3工程实例 2.2.1有限元法基本思想节点位移与节点载荷 2.2.2单元刚度矩阵 2.2.3单元刚度矩阵的坐标变换 2.2.4总的刚度矩阵叠加 2.2.5位移 第一节: 模态分析的定义和目的 第二节: 对模态分析有关的概念、术语以及 模态提取方 法的讨论 第三节: 学会如何在ANSYS中做模态分析 第四节: 做几个模态分析的练习 第五节: 学会如何做具有预应力的模态分析 第六节: 学会如何在模态分析中利用循环对称性 第一节: 定义和目的 什么是模态分析? 模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术: 自然频率 振型 振型参与系数 (即在特定方向上某个振型在多大程度上 参与了振动) 模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。 模态分析的好处: 使结构设计避免共振或以特定频率进行振动(例如扬声器); 使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的; 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)。 建议: 由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应 情况,所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模 态分析。 第二节: 术语和概念 通用运动方程: 假定为自由振动并忽略阻尼: 假定为谐运动: 这个方程的根是 ?i?, 即特征值, i 的范围从1到自由度的数目, 相应的向量是 {u}I, 即特征向量。 特征值的平方根是 wi , 它是结构的自然圆周频率(弧度/秒),并可得出自然频率 fi = wi /2p 特征向量 {u}i 表示振型, 即假定结构以频率 fi振动时的形状 模态提取 是用来描述特征值和特征向量计算的术语 在ANSYS中有以下几种提取模态的方法: Block Lanczos法 子空间法 PowerDynamics法 缩减法 不对称法 阻尼法 使用何种模态提取方法主要取决于模型大小(相对于计算机的计算能力而言)和具体的应用场合 模态提取方法 - Block Lanczos法 Block Lanczos 法可以在大多数场合中使用: 是一种功能强大的方法,当提取中型到大型模型(50.000 ~ 100.000 个自由度)的大量振型时(40+),这种方法很有效; 经常应用在具有实体单元或壳单元的模型中; 在具有或没有初始截断点时同样有效。(允许提取高于某个给定频率的振型); 可以很好地处理刚体振型; 需要较高的内存。 模态提取方法- 子空间法 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。 模态提取方法- PowerDynamics法 PowerDynamics 法适用于提取很大的模型(100.000个自由度以上)的较少振型( 20)。这种方法明显比 Block Lanczos 法或子空间法快,但是: 需要很大的内存; 当单元形状不好或出现病态矩阵时,用这种方法可能不收敛; 建议只将这种方法作为对大模型的一种备用方法。 模态提取方法- 缩减法 如果模型中的集中质量不会引起局部振动,例如象梁和杆那样,可以使用缩减法: 它是所有方法中最快的; 需要较少的内存和硬盘空间; 使用矩阵缩减法,即选择一组主自由度来减小[K] 和[M] 的大小; 缩减[的刚度矩阵[K] 是精确的,但缩减的质量矩阵 [M]是近似的,近似程度取决于主自由度的数目和位置; 在结构抵抗弯曲能力较弱时不推荐使用此方法,如细长的梁和薄壳。 模态提取方法- 不对称法 不对称法适用于声学问题(具有结构藕合作用)和其它类似的具有不对称质量矩阵[M]和刚度矩阵[K] 的问题: 计算以复数表示的特征值和特征向量 实数部分就是自然频率 虚数部分表示稳定性,负值表示稳定,正值表示不确定 模态提取方法- 阻尼法 在模态分析中一般忽略阻尼,但如果阻尼的效果比较明显,就要使用阻尼法: 主要用于回转体动力学中,这时陀螺阻尼应是主要的; 在ANSYS的BEAM4和PIPE16单元中,可以通过定义实常数中的SPIN(旋转速度,弧度/秒)选项来说明陀螺效应; 计算以复数表示的特征值和特征向量。 虚数部分就是自然频率;
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