機(jī)械零件自由模態(tài)數(shù)字試驗(yàn)誤差分析開題報(bào)告

揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題 目 機(jī)械零件自由模態(tài)數(shù)字試驗(yàn)誤差分析 題目來源 指導(dǎo)老師出題 題目類型 為結(jié)合科研 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 開題報(bào)告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準(zhǔn)備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時(shí)間安排；完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： （ 1）培養(yǎng) 自己的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析及繪圖能力 ； （ 2）培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，主要包 括設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖能力； （ 3）培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)，分析解決實(shí)際問題的能力； （ 4）培養(yǎng)學(xué)生的在設(shè)計(jì)過程中使用計(jì)算機(jī)的能力； （ 5）培養(yǎng)學(xué)生的撰寫設(shè)計(jì)說明書、論文的能力； 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起止日期 工 作 內(nèi) 容 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 4 月至 5 月 1） 外文參考資料譯文 (附原文 )； 2） 10 篇以上的相關(guān)中英文資料查 閱，書寫開題報(bào)告 (含文獻(xiàn)綜述 )； 到相關(guān)企業(yè) 參觀實(shí)習(xí)，書寫實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告 ； 3） 中期檢查表。（要求在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中期完 成，連同封面及原文裝訂成冊(cè)）； 4） 熟練利用有限元軟件 ANSYS 對(duì)機(jī)械零件進(jìn) 行模態(tài)分析。 5） 通過改變模態(tài)分析方法，單元形式、有限 元網(wǎng)格的密度等因素，分析其對(duì)模態(tài)分析 結(jié)果的影響。 6） 研究自由模態(tài)試驗(yàn)中的吊裝形式、懸掛使 用繩索的剛度對(duì)模態(tài)分析結(jié)果的影響。 7） 對(duì)論文做最后的整理 。 文獻(xiàn)綜述 1.模態(tài)分析的起源與 發(fā)展 模 態(tài)分析技術(shù)作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的一種“逆問題”分析方法從 20 世紀(jì) 60年代后期發(fā)展至今已經(jīng)有 40 多年的歷史了。模態(tài)分析的經(jīng)典性定義是：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)是在機(jī)械阻抗與導(dǎo)納的概念上發(fā)展起來的，機(jī)械阻抗的概念早在 20 世紀(jì) 30 年代就已經(jīng)形成，經(jīng)過幾十年的發(fā)展其理論及方法已經(jīng)較為完整。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代以后，有限元法在理論的指導(dǎo)下 ，其應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到 空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，成為應(yīng)用廣泛的分析工具。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟件工程的興起，大型商用有限元軟件在更好的人機(jī)界面、更強(qiáng)的分析功能、更直觀結(jié)果的顯示方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并日益和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 軟件集成在一起，形成了一個(gè)新的領(lǐng)域 CAE，給工程設(shè)計(jì)帶來巨大的變革。由于有限元法特別適合于計(jì)算機(jī)程序編寫，因此許多國(guó)家都編制了大型通用的有限元程序，如美國(guó)加利福尼亞大學(xué)研制的 SAP 軟件、麻省理工學(xué)院研制的 ADINA 軟件、美國(guó)國(guó)家 航空與宇航局研制的 NASTRAN 軟件等。 近 10 余年來，模態(tài)分析理論吸取了有限元方法、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)及控制理論中的有關(guān)知識(shí)，并與 CAE 技術(shù)結(jié)合起來，形成了一套獨(dú)特的理論，為模態(tài)分析及參數(shù)辨識(shí)技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。由于模態(tài)分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，無論是理論基礎(chǔ)還是實(shí)際應(yīng)用都愈趨成熟。目前這一技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中的振動(dòng)問題，如航空、航天、機(jī)械、船舶、建筑、土木、水利、醫(yī)藥等。 2.ANSYS 有限元法的簡(jiǎn)介 2.1、有限元法的軟件實(shí)現(xiàn) 采用現(xiàn)有軟件開展有限元分析的 典型流程分為以下 5 個(gè)階段： 數(shù)學(xué)物理建模階段：對(duì)面臨的工程問題進(jìn)行必要的建模分析，確定分析問題的時(shí)間、空間區(qū)域（即定義域）以及能描述所分析問題的數(shù)學(xué)物理方程。 有限元模型前處理階段：主要任務(wù)是建立完整的可以求解的有限元模型，這樣的模型包括全部的單元信息、節(jié)點(diǎn)信息和定解條件。目前幾乎所有的有限元軟件都提供了兩種建立有限元模型的技術(shù)途徑，即基于定義域幾何模型自動(dòng)生成有限元模型和直接建立有限元模型。前者建立過程中主要包括建立問題定義域的幾何模型；選擇合適的單元類型：包含單元形狀、節(jié)點(diǎn)數(shù)及分布（決定插值函數(shù)的形式） 、材料參數(shù)等；設(shè)置單元?jiǎng)澐謪?shù)（單元尺寸、單元密度及分布）；設(shè)置單元?jiǎng)澐炙惴ǎ瑢⒔⒌亩x域幾何模型自動(dòng)離散成指定的單元模型。后者建立過程中主要包括輸入節(jié)點(diǎn)位置，建立節(jié)點(diǎn)模型；選擇單元類型：包含單元形狀、節(jié)點(diǎn)數(shù)及材料的參數(shù)等；根據(jù)單元類型指定節(jié)點(diǎn)建立原定義域的離散單元模型。 數(shù)值計(jì)算階段：該階段主要是進(jìn)行結(jié)果輸出選項(xiàng)、方程組求解算法、文件輸出路徑等的設(shè)置。 結(jié)果后處理階段：通過數(shù)字、圖表、靜 /動(dòng)態(tài)圖像等方式顯示得到的計(jì)算結(jié)果。顯示方式對(duì)結(jié)果的合理性檢驗(yàn)和理解有較大的促進(jìn)作用。 評(píng)價(jià)及優(yōu)化改進(jìn)階段：評(píng)價(jià)及改進(jìn) 包括兩方面的含義：一是對(duì)單次計(jì)算得到的結(jié)果精度或合理性的評(píng)價(jià)，并基于評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行有限元計(jì)算模型的改進(jìn)；二是對(duì)基于合理的計(jì)算結(jié)果對(duì)原問題進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及基于評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的改進(jìn)或優(yōu)化。 3.2、 ANSYS 的基本分析步驟 ANSYS 基本分析步驟大致可分為三個(gè)模塊：前處理、加載求解和后處理。相應(yīng)的 ANSYS 軟件架構(gòu)分為兩層，一是起始層（ Begin Level），二是處理層（ Processor Level） ,這兩個(gè)層的關(guān)系主要是使用命令輸入時(shí)，要通過起始層進(jìn)入不同的處理器。 ANSYS 的主要處理模塊： 1）前 置處理（ General Preprocessor,PREP7），包括建立有限元模型所需輸入的資料，如節(jié)點(diǎn)、坐標(biāo)資料、元素內(nèi)節(jié)點(diǎn)排列次序；材料屬性；模型的單元?jiǎng)澐郑?2）求解處理（ Solution Processor,SOLU），包括負(fù)載條件；邊界條件及求解； 3）后置處理（ General Postprocessor,POST1或 Time Domain Postprocessor,POST26） ,其中 POST1 用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析，將解題部分所得的解答如變位、應(yīng)力、反力等資料，通過圖形接口以各種不 同的表示方式把等位移圖、等應(yīng)力圖等顯示出來。 POST26 僅用于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，用于與時(shí)間相關(guān)的時(shí)域處理。 3.ANSYS 模態(tài)分析 ANSYS 的模態(tài)分析過程包括四個(gè)步驟： （ 1）建立模型：指定項(xiàng)目名稱和分析標(biāo)題，然后在前處理中定義單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料性質(zhì)和模型幾何性質(zhì)； （ 2）加載及求解：定義分析類型和分析選項(xiàng)，施加載荷，進(jìn)行固有頻率的有限元計(jì)算，在模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束； （ 3）擴(kuò)展模態(tài)：將振型寫入結(jié)果文件，只有擴(kuò)展模態(tài)后才能在后處理中看到振型； （ 4）后處理：經(jīng)過擴(kuò)展模態(tài)后，模態(tài)分析的結(jié)果包括固有頻率、擴(kuò)展的模態(tài)振型、相對(duì)應(yīng)力和力分布將被寫入到結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件中去。 ANSYS 提供了 6 種模態(tài)提取方法： （ 1）子空間迭代法（ subspace）：用于求解特征值對(duì)稱的大矩陣問題； （ 2）分塊法（ block lanczos）：也可用于以上的問題求解，收斂速度更快； （ 3） Power Dynamic 法。用于非常大的模型（超過 100000 個(gè)自由度），主要是用在求解結(jié)構(gòu)的前幾階模態(tài)以了解模型特征的問題； （ 4）縮減法（ Reduced）：采用縮減的系統(tǒng)矩陣來求解，較子空間迭代法速度快，但準(zhǔn)確性要差一些。使用縮減法時(shí)，必須仔細(xì)選擇主自由度，主自由度選擇的不當(dāng)可能導(dǎo)致不正確的質(zhì)量分布和不正確的特征值； （ 5）非對(duì)稱矩陣法（ Unsymmetric）：用于求解模型生成的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣存在不對(duì)稱的問題； （ 6）阻尼法：有些問題阻尼不能忽略，阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中包含阻尼因素。 主要參考文獻(xiàn) 1ANSYS 高級(jí)技術(shù)指南 2蔣玉川，李章政， 彈性力學(xué)與有限元方法 ， 化學(xué)工業(yè)出版社 ，2010； 3夏建芳，葉南海， 有限元法原理與 ANSYS 應(yīng)用； 4任學(xué)平，高耀東， 彈性力學(xué)基礎(chǔ)及有限單元法， 華中科技大學(xué)出版社，2006； 5孫澤世，王鋒，子模型技術(shù)在橋梁分析上的應(yīng)用 ； 6宋志安，于濤，李紅艷，等，機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析 ANSYS 與 ANSYS 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