ansys動力學(xué)分析全套講解.doc

1、.第一章模態(tài)分析 1.1模態(tài)分析的定義及其應(yīng)用模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性（固有頻率和振型），即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是 承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。同時，也可以作為其它動力學(xué)分析問題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、 諧響應(yīng)分析和譜分析，其中模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動力學(xué)分析所必需的前期分析過程。ANSYS 的模態(tài)分析可以對有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等的 模態(tài)分析，后者則允許在建立一部分循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模型來完成對整個結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。ANSYS 產(chǎn)品家族中的模態(tài)分析是一個線性分析。任何非線性特性，如塑性和

2、接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。ANSYS 提供了七種模態(tài)提取方法，它們分別是子空間法、分塊Lanczos法、PowerDynamics法、縮減法、非對稱法、阻尼法和QR 阻尼法。阻尼法和QR 阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼。后面將詳細(xì)介紹模態(tài)提取方法。 1.2模態(tài)分析中用到的命令模態(tài)分析使用所有其它分析類型相同的命令來建模和進(jìn)行分析。同樣，無論進(jìn)行何種類型的分析，均可從用戶圖形 界面（ GUI ）上選擇等效于命令的菜單選項來建模和求解問題。后面的“模態(tài)分析實例（命令流或批處理方式）”將給出進(jìn)行該實例模態(tài)分析時要輸入的命令（手工或以批處理方式運(yùn)行 ANSYS 時）。而“模態(tài)分析實例（GUI

3、 方式）”則給出了以從ANSYSGUI 中選擇菜單選項方式進(jìn)行同一實例分析的步驟。（要想了解如何使用命令和GUI 選項建模，請參閱 ）。 中有更詳細(xì)的按字母順序列出的ANSYS命令說明。 1.3模態(tài)提取方法典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題：其中：= 剛度矩陣 ,= 第 階模態(tài)的振型向量（特征向量） ,= 第階模態(tài)的固有頻率（是特征值） ,= 質(zhì)量矩陣。.有許多數(shù)值方法可用于求解上面的方程。ANSYS 提供了 7 種方法模態(tài)提取方法，下面分別進(jìn)行討論。1.分塊 Lanczos 法2.子空間（ Subspace ）法3.PowerDynamics法4.縮減（ Reduced/H

4、ouseholder）法5.非對稱（ Unsymmetric）法6.阻尼（ Damp ）法（阻尼法求解的是另一個方程，參見 中關(guān)于此法的詳細(xì)信息）7. QR 阻尼法（ QR 阻尼法求解的是另一個方程，參見 中關(guān)于此法的詳細(xì)信息）注意 阻尼法和非對稱法在 ANSYS/Professional中不可用。前四種方法 （分塊 Lanczos 法、子空間法、 PowerDynamics法和縮減法） 是最常用的模態(tài)提取方法。下表比較了這四種模態(tài)提取方法，并分別對每一種方法進(jìn)行了簡要描述。對稱系統(tǒng)特征值求解法表模態(tài)提取適用范圍內(nèi)存存貯法要求要求缺省提取方法分塊用于提取大模型的多階模態(tài)（ 40階以上）Lanc

5、zos建議在模型中包含形狀較差的實體和殼單元時采用此法中低法最適合于由殼或殼與實體組成的模型速度快，但要求比子空間法內(nèi)存多50%用于提取大模型的少數(shù)階模態(tài)（40階以下）子空間法適合于較好的實體及殼單元組成的模型低高可用內(nèi)存有限時該法運(yùn)行良好Power用于提取大模型的少數(shù)階模態(tài)（20階以下）適合于 100K 以上自由度模型的特征值快速求解高低DynamicsWord 專業(yè)資料.對于網(wǎng)格較粗的模型只能得到頻率近似值復(fù)頻情況時可能遺漏模態(tài)用于提取小到中等模型(小于 10K 自由度 ) 的所有模態(tài)縮減法低低選取合適主自由度時可獲取大模型的少數(shù)階（40 階以下） 模態(tài)，此時頻率計算的精度取決于主自由度的

6、選取。 1.3 .1 分塊 Lanczos 法分塊 Lanczos 法特征值求解器是卻省求解器，它采用Lanczos算法，是用一組向量來實現(xiàn)Lanczos遞歸計算。這種方法和子空間法一樣精確，但速度更快。無論EQSLV 命令指定過何種求解器進(jìn)行求解，分塊 Lanczos 法都將自動采用稀疏矩陣方程求解器。計算某系統(tǒng)特征值譜所包含一定范圍的固有頻率時，采用分塊Lanczos 法方法提取模態(tài)特別有效。計算時，求解從頻率譜中間位置到高頻端范圍內(nèi)的固有頻率時的求解收斂速度和求解低階頻率時基本上一樣快。因此，當(dāng)采用頻移頻率（FREQB）來提取從FREQB（起始頻率）的n 階模態(tài)時，該法提取大于FREQB

7、 的 n 階模態(tài)和提取 n 階低頻模態(tài)的速度基本相同。 1.3 .2 子空間法子空間法使用子空間迭代技術(shù)，它內(nèi)部使用廣義Jacobi 迭代算法。由于該方法采用完整的和矩陣，因此精度很高，但是計算速度比縮減法慢。這種方法經(jīng)常用于對計算精度要求高，但無法選擇主自由 度（ DOF ）的情形。做模態(tài)分析時如果模型包含大量的約束方程，使用子空間法提取模態(tài)應(yīng)當(dāng)采用波前（front ）求解器，不要采用 JCG 求解器； 或者是使用分塊Lanczos法提取模態(tài)。 當(dāng)你的分析中存在大量的約束方程時，如果采用 JCG求解器組集內(nèi)部單元剛度，致使計算要求有很大的內(nèi)存才能進(jìn)行下去。 1.3 .3PowerDynami

8、cs法PowerDynamics法內(nèi)部采用子空間迭代計算，但采用PCG 迭代求解器。這種方法明顯地比子空間法和分 塊 Lanczos 法快。但是，如果模型中包含形狀較差的單元或病態(tài)矩陣時可能出現(xiàn)不收斂問題。該法特別適用 于求解超大模型（大于 100,000 個自由度）的起始少數(shù)階模態(tài)。譜分析不要使用該方法提取模態(tài)。PowerDynamics法不進(jìn)行 Sturm序列檢查（即不檢查模態(tài)遺漏問題），這可能影響有多個重復(fù)頻率問題的解。此法總是采用集中質(zhì)量近似算法，即自動采用集中質(zhì)量矩陣（LUMPM ，ON ）。注意如果用PowerDynamics法求解含剛體運(yùn)動的模型的模態(tài)，則一定要用RIGID命令或

9、選擇等效的 GUI途徑。注意（ MainMenuSolutionAnalysisOptions或 MainMenuPreprocessor-Loads-AnalysisOptions）。Word 專業(yè)資料. 1.3 .4 縮減法縮減法采用HBI 算法（ Householder-二分 - 逆迭代）來計算特征值和特征向量。由于該方法采用一個較小的自由度子集即主自由度（DOF ）來計算，因此計算速度更快。主自由度（DOF ）導(dǎo)致計算過程中會形成精確的矩陣和近似的矩陣（通常會有一些質(zhì)量損失）。因此，計算結(jié)果的精度將取決于質(zhì)量陣的近似程度，近似程度又取決于主自由度的數(shù)目和位置。 1.3 .5 非對稱法非

10、對稱法也采用完整的和矩陣，適用于剛度和質(zhì)量矩陣為非對稱的問題（例如聲學(xué)中流體- 結(jié)構(gòu)耦合問題）。此法采用 Lanczos 算法，如果系統(tǒng)是非保守的（例如軸安裝在軸承上），這種算法將解 得復(fù)數(shù)特征值和特征向量。特征值的實部表示固有頻率，虛部是系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度負(fù)值表示系統(tǒng)是穩(wěn)定的，而正值表示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。該方法不進(jìn)行Sturm序列檢查，因此有可能遺漏一些高頻端模態(tài)。 1.3 .6 阻尼法阻尼法用于阻尼不能被忽略的問題，如轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究。該法使用完整矩陣（、及阻尼陣）。阻尼法采用Lanczos算法并計算得到復(fù)數(shù)特征值和特征向量（如下所述） 。此法不能用Sturm序列檢查。因此，有可能遺漏所提取頻率

11、的一些高頻端模態(tài)。 1.3 .5.1 阻尼法特征值的實部和虛部特征值的虛部代表系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)角頻率。特征值的實部代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 如果小于零，系統(tǒng)的位移幅度將按EXP()指數(shù)規(guī)律遞減。如果大于零，位移幅度將按指數(shù)規(guī)律遞增。（或者換句話說，負(fù)的表示按指數(shù)規(guī)律遞減的穩(wěn)定響應(yīng)；正的則表示按指數(shù)規(guī)律遞增的不穩(wěn)定響應(yīng)。）如果不存在阻尼，特征值的實部將為零。ANSYS 報告的特征值結(jié)果實際上是被除過的。這樣給出的頻率是以Hz（周 / 秒）為單位的。即：報告的特征值虛部=報告的特征值實部= 1.3 .5.2 阻尼法特征向量的實部和虛部在有阻尼系統(tǒng)中，不同節(jié)點(diǎn)上的響應(yīng)可能存在相位差。對任何節(jié)點(diǎn)，幅值應(yīng)是特征向量

12、實部和虛部分量的矢量和。 1.3 .7 QR 阻尼法QR 阻尼法同時具有分塊Lanczos 法與復(fù) Hessenberg法的優(yōu)點(diǎn)，最關(guān)鍵的思想是，以線性合并無阻尼系統(tǒng)少量數(shù)目的特征向量近似表示前幾階復(fù)阻尼特征值。采用實特征值求解（分塊Lanczos 法）無阻Word 專業(yè)資料.尼振型之后，運(yùn)動方程將轉(zhuǎn)化到模態(tài)坐標(biāo)系。然后，采用QR 阻尼法，一個相對較小的特征值問題就可以在特征子空間中求解出來了。該方法能夠很好地求解大阻尼系統(tǒng)模態(tài)解，阻尼可以是任意阻尼類型，即無論是比例阻尼或非比例阻尼。由于該方法的計算精度取決于提取的模態(tài)數(shù)目，所以建議提取足夠多的基頻模態(tài)，特別是阻尼較大的系統(tǒng)更應(yīng)當(dāng)如此， 這樣

13、才能保證得到好的計算結(jié)果。該方法不建議用于提取臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)的模態(tài)。該方法輸出實部和虛部特征值(頻率 )，但僅僅輸出實特征向量(模態(tài)振型 )。參見 CE 方法的詳細(xì)內(nèi)容，掌握使用QR 阻尼法 ( MODOPT命令 )處理約束方程 (CE)的技術(shù)。約束方程 (CE)方法約束方程Cekey應(yīng)用范圍處理方法直接模型中只有少量約束方程時使用。例如，在一個 100,000自由度問題中，3 消去 只有大約 1,000 個約束方程。一旦約束方程太多，該方法需要的內(nèi)存極法高。此時，建議使用拉格朗日乘子法( Cekey= 1 或 2) 。模型中存在大量約束方程時使用。 例如，在一個 100,000自由度問

14、題中，具有 1,000 以上的約束方程。 特別注意，當(dāng)使用 CEINTF、 CERIG 或CYCSOL命令創(chuàng)建約束方程時，一條命令就可以生成多個約束方程。此時，建議使用拉格朗日乘子法。拉格朗日Cekey= 1：QuickSolution是一個快速處理方法，占用CPU0 ， 11 -乘子時間接近于直接消去法。但是，提取較高階頻率值一般是實際值的法2% 。當(dāng)高階頻率比低階頻率高出二次或更高次的數(shù)量級時，就會出現(xiàn)這種誤差。Cekey=0：AccurateSolution是一個嚴(yán)密精確的方法。但是，占用 CPU 的時間大致是 QuickSolution的兩倍。 1.4矩陣縮減技術(shù)和主自由度選擇準(zhǔn)則下面

15、介紹如何矩陣縮減技術(shù)以及選擇主自由度（DOF ）的基本準(zhǔn)則。 1.4.1矩陣縮減技術(shù)矩陣縮減是通過縮減模型矩陣的大小以實現(xiàn)快速、簡便的分析過程的方法。它主要用于動力學(xué)分析，如模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析。矩陣縮減也用于子結(jié)構(gòu)分析中以生成超單元。矩陣縮減允許按照靜力學(xué)分析那樣建立一個詳細(xì)的模型，而僅將“有動力學(xué)特征”部分用于動力學(xué)分析?？梢酝ㄟ^辨識定義為主自由度的關(guān)鍵自由度來選擇模型的“有動力學(xué)特征”部分，但必須注意，主自由度應(yīng)足以描述系統(tǒng)的動力學(xué)行為。ANSYS 程序根據(jù)主自由度（ DOF ）來計算縮減矩陣和縮減自由度Word 專業(yè)資料.（DOF ）解，然后通過執(zhí)行擴(kuò)展處理將解擴(kuò)展到完

16、整的自由度（ DOF ）集上。矩陣縮減的主要優(yōu)點(diǎn)是，計算縮減解可以大大節(jié)省CPU 時間，大問題的動力學(xué)分析時更是如此。ANSYS 程序采用的矩陣縮減基礎(chǔ)理論是Guyan 縮減法計算縮減矩陣。此法的一個關(guān)鍵假設(shè)是：對于較低的頻率， 從自由度（被縮減掉的自由度（ DOF ）上的慣性力和從主自由度傳遞過來的彈性力相比是可以忽略的。因此，結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量只分配到主自由度（DOF ）上。最終結(jié)果是縮減的剛度矩陣是精確的，而縮減的質(zhì)量和阻尼矩陣是近似的。關(guān)于如何計算縮減矩陣的詳細(xì)內(nèi)容參見 1.4.2人工選擇主自由度的準(zhǔn)則選擇主自由度是縮減法分析中很重要的一步。縮減質(zhì)量矩陣的精度 （求解精確） 將取決于主自由度

17、的位置和數(shù)目。對于給定的問題，可以選擇多種不同的主自由度集，在所多種情形下都可以得到能夠接受的結(jié)果。用命令 M 和 MGEN 來選擇主自由度，也可用TOTAL 命令讓程序在求解過程中選擇主自由度。建議兩種方式兼用：自己選擇少量主自由度，同時讓ANSYS 程序選擇一些自由度。這樣，程序?qū)浹a(bǔ)那些可能被遺漏的模態(tài)。下面是選擇主自由度的基本準(zhǔn)則：1.主自由度的總數(shù)至少應(yīng)是感興趣的模態(tài)數(shù)的兩倍。2.把預(yù)計結(jié)構(gòu)或部件要振動的方向選為主自由度。例如對于平板問題，應(yīng)至少在法向上選擇幾個主自由度（見圖1a ）。如果在一個方向上的運(yùn)動會引起另一個方向上的大運(yùn)動時，應(yīng)在兩個方向上都選擇主自由度（見圖1b ）。圖

18、1 （ a）平板可能有的法向主自由度（ b） X 方向運(yùn)動引起 Y 方向運(yùn)動3.在相對較大的質(zhì)量或較大轉(zhuǎn)動慣量但相對較低剛度的位置選擇主自由度（見圖 2）。凸肩或“松散”連接的結(jié)構(gòu)是這種位置的實例。相反地，不要選擇質(zhì)量相對較小或有較高剛度（如靠近約束處的自由度（DOF ）的位置作為主自由度。Word 專業(yè)資料.圖 2 應(yīng)選擇主自由度的位置：（a）大轉(zhuǎn)動慣量（b ）大質(zhì)量4.如果最關(guān)注的是彎曲模態(tài)，則可以忽略轉(zhuǎn)動和“拉伸”自由度。5.如果要選的自由度屬于一個耦合約束集，則只須選中耦合集中第一個（首要的）自由度。6.在施加力或非零位移的位置選擇主自由度。7.對于軸對稱殼模型（SHELL51 或 S

19、HELL61 ），選擇模型中的平行于或接近平行于中心線部分的所有節(jié)點(diǎn)的全局 UX 自由度為主自由度，這樣就可以避免主自由度間的振蕩運(yùn)動（見圖3）。如果運(yùn)動基本上是平行于中心線，這條建議可以放寬。對于MODE2 的軸對稱周期單元，應(yīng)將其UX、 UZ 自由度都選擇為主自由度。圖 3 在軸對稱殼模型中選擇主自由度檢查主自由度集的有效性的最好方法是用兩倍（或一半） 數(shù)目的主自由度再次進(jìn)行分析然后比較結(jié)果。另一種方法是觀察在模態(tài)分析解中輸出的縮減質(zhì)量分布?？s減質(zhì)量最起碼在運(yùn)動的主要方向上的分量應(yīng)該占 結(jié)構(gòu)整個質(zhì)量的 10% 15% 。 1.4.3程序選擇主自由度的要點(diǎn)如果讓 ANSYS 程序選擇主自由度

20、（命令 TOTAL ），選出的主自由度的分布將取決于求解時單元被處理的 順序。例如，程序?qū)磫卧菑淖蟮接疫€是從右到左被處理的而選擇出不同的主自由度集。然而，這種差異通 常在結(jié)果中只會產(chǎn)生無關(guān)緊要的差別。對于有統(tǒng)一的大小和特征的網(wǎng)格（如平板），主自由度通常不會是統(tǒng)一的。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)用命令 M 和 MGEN 人為地指定一些主自由度。在質(zhì)量分布不規(guī)則的結(jié)構(gòu)中也應(yīng)做同樣的處理，因為程序選出的主自由度 可能集中在高質(zhì)量區(qū)。 1.5模態(tài)分析過程Word 專業(yè)資料.模態(tài)分析過程由四個主要步驟組成：1.建模；2.加載及求解；3.擴(kuò)展模態(tài)；4.觀察結(jié)果。下面分別展開進(jìn)行詳細(xì)討論： 1.6建模主要完成下列

21、工作：首先指定工作名和分析標(biāo)題，然后在前處理器（PREP7）中定義單元類型、單元實常數(shù)、材料性質(zhì)以及幾何模型。ANSYS 的建模和網(wǎng)格指南中對這些工作有更詳細(xì)的說明。注意以下兩點(diǎn)：在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的。如果指定了非線性單元，它們將被當(dāng)作是線性的。例如，如果分析中包含了接觸單元，則系統(tǒng)取其初始狀態(tài)的剛度值并且不再改變此剛度值。材料性質(zhì)可以是線性的， 各向同性的或正交各向異性的， 恒定的或和溫度相關(guān)的。 在模態(tài)分析 中必須指定楊氏模量 EX（或某種形式的剛度）和密度 DENS （或某種形式的質(zhì)量）。而非線性特性將被忽略。 1.7加載及求解主要完成下列工作：首先定義分析類型、指定分析設(shè)置

22、、定義載荷和邊界條件和指定加載過程設(shè)置，然后進(jìn)行固有頻率的有限元求解。在得到初始解后，再對模態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展，以供查看。擴(kuò)展模態(tài)將在下一節(jié)“擴(kuò)展模態(tài)”中進(jìn)行詳細(xì)說明。 1.7.1進(jìn)入 ANSYS 求解器命令： /SOLUGUI ： MainMenuSolution 1.7.2指定分析類型和分析選項ANSYS 提供的用于模態(tài)分析的選項如下表所示，表中的每一個選項都將在隨后詳細(xì)解釋。分析類型和分析選項選項命令GUI 選擇途徑New AnalysisMainMenuSolution-AnalysisANTYPEType-NewAnalysisAnalysis Type:ANTYPE MainMenuSol

23、ution-AnalysisWord 專業(yè)資料.ModalType-NewAnalysis ModalModeExtractionMODOPTMainMenuSolutionAnalysisOptionsMethodNumberof ModesMainMenuSolutionAnalysisOptionsto ExtractMODOPTNo.OfModestoMainMenuSolutionAnalysisOptionsExpandMXPANDMassMatrixLUMPMMainMenuSolutionAnalysisOptionsFormulationPrestressEffectsPST

24、RESMainMenuSolutionAnalysisOptionsCalculation注意 選擇模態(tài)分析時，求解菜單將顯示與模態(tài)分析相關(guān)的菜單項。求解菜單有兩種可能的狀態(tài)“ 簡潔式（ abridged）” 或者“ 展開式（ unabridged）” ，它總是與上一個ANSYS任務(wù)是的狀態(tài)相同。簡潔式菜單僅僅包括模態(tài)分析有用的或建議的求解設(shè)置。當(dāng)顯示的是簡潔式求解菜單，如果想訪問其他求解設(shè)置( 即，要用到的有效求解設(shè)置，但該分析類型又不會遇到 ) ，就從求界菜單中選擇展開式菜單項展開求解設(shè)置項。詳情參見ANSYS基本分析指南 使用展開式求解菜單。注意 在單點(diǎn)響應(yīng)譜分析（ SPOPT,SPRS

25、 ）和動力學(xué)設(shè)計分析方法（SPOPT,DDAM）中，模態(tài)擴(kuò)展可以放在譜分析之后按MXPAND 命令設(shè)置的重要性因子SIGNIF值有選擇地進(jìn)行。如果準(zhǔn)備在譜分析之后進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展， 請在模態(tài)分析選項 （MODOPT）對話框中的設(shè)置模態(tài)擴(kuò)展的選項 （ MXPAND）處選NO 。 1.7.2.1選項： NewAnalysis ：選擇新分析。注意 在模態(tài)分析中Restart（重啟動）是無效的。如果需要施加不同的邊界條件，則須做一次新的分析或采用的第 3 章中描述的PartialSolution（部分求解）方法。 1.7.2.2選項：分析類型： ModalANTYPE指定分析類型為模態(tài)分析。 1.7.2.

26、3選項： ModalExtractionMethodMODOPT指定提取模態(tài)的方法，選擇7 種提取方法中的一種。對于大多數(shù)應(yīng)用，選用分塊Lanczos法、子空間法、 PowerDynamics法或縮減法。非對稱法、阻尼法和QR 阻尼法適于特殊應(yīng)用。一旦選用某種模態(tài)提取方法， ANSYS 程序自動選擇對應(yīng)的求解器。注意 非對稱法、阻尼法和QR 阻尼法在ANSYS/Professional產(chǎn)品中無效。 1.7.2.4選項： NumberofModestoExtractMODOPTWord 專業(yè)資料.除縮減法以外其他模態(tài)提取方法該選項都是必須設(shè)置的。對于非對稱法和阻尼法，應(yīng)該應(yīng)當(dāng)提取比必要的階數(shù)更多

27、的模態(tài)以降低丟失模態(tài)的可能性，但需要花費(fèi)更長的求解時間。 1.7.2.5選項： NumberofModestoExpandMXPAND該選項只在采用縮減法、非對稱法和阻尼法時要求設(shè)置。如果想得到單元求解結(jié)果，則不論采用何種模態(tài)提取方法都需要打開“Calcucateelemresults”項。在用單點(diǎn)響應(yīng)譜分析（ SPOPT,SPRS）和動力學(xué)設(shè)計分析方法（SPOPT,DDAM）中，模態(tài)擴(kuò)展可能要放在譜分析之后按命令MXPAND設(shè)置的重要性因子 SIGNIF 數(shù)值有選擇地進(jìn)行。如果要在譜分析后才進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展，則在模態(tài)分析選項（MODOPT ）對話框的模態(tài)擴(kuò)展（EXPAND ）選項處選NO 。 1

28、.7.2.6選項： MassMatrixFormulationLUMPM該選項用于指定質(zhì)量矩陣計算方式：缺省的質(zhì)量矩陣（和單元類型有關(guān)，也稱為一致質(zhì)量矩陣）和集中質(zhì)量陣。我們建議在大多數(shù)應(yīng)用中采用缺省一致質(zhì)量矩陣。但對有些包含“薄膜”結(jié)構(gòu)的問題，如細(xì)長梁或非常薄的殼，采用集中質(zhì)量矩陣近似經(jīng)?？僧a(chǎn)生較好的結(jié)果。另外，用集中質(zhì)量陣時求解時間短，需要的內(nèi)存少。 1.7.2.7選項： PrestressEffectsCalculationPSTRES該選項用于確定是否考慮預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)振型的影響。缺省分析過程不包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)是處于無應(yīng)力狀態(tài)。 在分析中希望包含預(yù)應(yīng)力的影響，則必須首先進(jìn)行靜力學(xué)或

29、瞬態(tài)分析生成單元文件，參見“有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析”。 如果預(yù)應(yīng)力效果選項是打開的， 同時要求當(dāng)前及隨后的求解過程中質(zhì)量矩陣 LUMPM 的設(shè)置應(yīng)和靜力分析中質(zhì)量矩陣的設(shè)置必須一致。注意 在有預(yù)應(yīng)力的周期對稱單元如PLANE25和 SHELL61上只可以加軸對稱載荷。 1.7.2.8其它模態(tài)分析選項完成了模態(tài)分析選項（ModalAnalysisOption）對話框中的選擇后，單擊OK ，接著彈出一個對應(yīng)于于指定的模態(tài)提取方法的選項對話框，是以下選擇域的組合：域：FREQB ，F(xiàn)REQE指定感興趣的模態(tài)頻率范圍。FREQB 域指定第一頻移點(diǎn)（低頻）特征值收斂最快的點(diǎn)。在大多數(shù)情況下不需要設(shè)置這個域，其

30、缺省值為 -1 。域：PRMODE輸出的縮減模態(tài)數(shù)。設(shè)置此選項后，在輸出文件（Jobname.out）中會列出所設(shè)置數(shù)目的縮減振型。該選項只對縮減法有效。Word 專業(yè)資料. 域：Nrmkey關(guān)于振型歸一化的設(shè)置。有兩種選擇： 相對于質(zhì)量矩陣M 和單位化 I 。如果在模態(tài)分析后進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法分析，則應(yīng)該選擇相對于質(zhì)量陣M 進(jìn)行歸一化處理。為了在隨后得到各階模態(tài)的最大響應(yīng)（模態(tài)響應(yīng)），須用模態(tài)系數(shù)去乘振型。實現(xiàn)的方法是用*GET 命令（在譜分析完成后）查到模態(tài)系數(shù)并在 SET 命令中將模態(tài)系數(shù)用做比例因子。 域：RIGID設(shè)置提取對已知有剛體運(yùn)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行子空間迭代分析時的零頻振型。只適用

31、于Subspace和PowerDynamics法。 域：SUBOPT指定多種子空間迭代選項。詳細(xì)情況參見 。只適用于Subspace和PowerDynamics法。 域：CEkey指定處理約束方程的方法?？蛇x用的方法： Directeliminationmethod （直接消去法） 、Lagrangemultiplier(quick)method（快速拉格朗日乘子法）、Lagrangemultiplier(accurate)method（精確拉格朗日乘子法）。該選項只適用于分塊Lanczos法。（參見“循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析”部分的表8 “ CE處理法”。） 1.7.3定義主自由度在模態(tài)分析中

32、，有時需要指定主自由度，并且只適用于縮減法。主自由度（M 自由度（ DOF ）指能描述結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的“重要的”自由度。主自由度（DOF ）選取的規(guī)則是選擇至少是感興趣的模態(tài)階數(shù)的一倍數(shù)目的主自由度（DOF ）。建議用命令M,MGEN根據(jù)對結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特牲的了解定義盡可能多的 M 自由度（ DOF ），并用命令 TOTAL 讓程序按照剛度 / 質(zhì)量比選取一些附加的主自由度。 用命令 MLIST 可以列出已定義的 M 自由度（ DOF ），用命令 MDELE 可以刪除無關(guān)的 M 自由度（ DOF ）。關(guān)于主自由度的更詳細(xì)內(nèi)容參見“矩陣縮減”部分。命令： MGUI ： MainMenuSoluti

33、onMasterDOFs-UserSelected-Define 1.7.4在模型上加載荷在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束。（如果在某個自由度（DOF ）處指定了一個非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束替代在該自由度（ DOF ）處的設(shè)置）。可以施加除位移約束之外的其它載荷，但它們將被忽略（見下面的說明）。在未加約束的方向上，程序?qū)⒔馑銊傮w運(yùn)動（零頻）以及高階（非零頻）自由體模態(tài)。下表給出了施加位移約束的命令。載荷可以加在實體模型（點(diǎn)、線、面）上或加在有限元模型 （點(diǎn)和單元） 上。參見 第 2 章關(guān)于實體模型加載有限元加載的比較的探討。Word 專業(yè)資料.注意 其它類型的載荷力，壓

34、力，溫度，加速度等可以在模態(tài)分析中指定，但在模態(tài)提取時將被忽略。程序會計算出相應(yīng)于所加載荷的載荷向量，并將這些向量寫到振型文件Jobname.MODE中以便在模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)分析中使用。模態(tài)分析中可施加的載荷類 命GUI 途徑載荷形式別 令Displacement(UX,UY,Main約D束MenuSolution-Loads-Apply-Structural-DisplacementUZ,ROTX,ROTY,ROTZ)在分析過程中，可以施加、刪除載荷或進(jìn)行載荷列表、載荷間運(yùn)算。 1.7.4.1用命令加載下表列出了在模態(tài)分析中可以用來加載的命令。模態(tài)分析中的加載命令實體或 FE 模圖

35、素施刪除列表運(yùn)算加載設(shè)置載荷形式加型實體模型關(guān)鍵DKDKDELE DKLIST DTRAN點(diǎn)Displacement實體模型線DLDLDELE DLLIST DTRAN實體模型面DADADELE DALIST DTRANFE 模型節(jié)點(diǎn)DDDELEDLISTDSCALE DSYM,DCUM 1.7.42. 利用 GUI 施加載荷所有的載荷操作（除了列表）均可通過一系列的下拉菜單選取。在求解菜單中選取載荷操作類型（Apply 、Delete等），然后選載荷類型（ Displacement、Force 等），最后選取將施加載荷的對象（keypoint、line 、node等）。比如要在一條線上施加位

36、移載荷，則可按如下GUI 途徑實現(xiàn)：GUI ： MainMenuSolution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOnLines 1.7.4.3載荷列表可按如下 GUI 途徑列表顯示施加的載荷：GUI:UtilityMenuListLoadsloadtype 1.7.5指定載荷步選項Word 專業(yè)資料.模態(tài)分析中唯一可用的載荷步選項是阻尼選項，如下表所示。載荷步選項選項命令GUI途徑阻尼（動力學(xué)）選項Alpha （質(zhì)ALPHADMainMenuSolution-LoadStep量）阻尼Opts-Time/FrequencDampingBeta （剛BETA

37、DMainMenuSolution-LoadStep度）阻尼Opts-Time/FrequencDamping恒定阻尼DMPRATMainMenuSolution-LoadStep Opts-Time/比Frequenc Damping材料阻尼MainMenuSolution-LoadStepMP,DAMPOpts-OtherChangeMatProps-Temp比Dependent-Polynomial阻尼只在有阻尼的模態(tài)提取法中使用，在其它模態(tài)提取法中阻尼將被忽略。如果模態(tài)分析存在阻尼并指定阻尼模態(tài)提取方法，那么計算出的特征值將是復(fù)數(shù)解。詳細(xì)內(nèi)容參見“模態(tài)提取法”介紹，同時請參閱“瞬態(tài)動力

38、學(xué)分析”中關(guān)于阻尼的介紹。注意 如果在模態(tài)分析后將進(jìn)行單點(diǎn)響應(yīng)譜分析，則在這樣的無阻尼模態(tài)分析中可以指定阻尼。雖然阻尼并不影響特征值解，但它將被用于計算每個模態(tài)的有效阻尼比，此阻尼比將用于計算譜產(chǎn)生的響應(yīng)。參見“譜分析”中的討論。 1.7.6參與系數(shù)表輸出參與系數(shù)表列表顯示提取的每個模態(tài)的參與系數(shù)、模態(tài)系數(shù)和質(zhì)量分布百分?jǐn)?shù)。在總體直角坐標(biāo)系三個軸向和轉(zhuǎn)動方向上，均假定施加單位位移譜激勵，就計算出參與系數(shù)和模態(tài)系數(shù)。同時，列表顯示縮減質(zhì)量分布。當(dāng)使用實特征值模取方法（如子空間法、分塊 Lanczos 法或 QR 阻尼法）進(jìn)行模態(tài)分析時，將計算轉(zhuǎn)動參與系數(shù)。注意 你可以執(zhí)行 *GET命令獲取一個參

39、與系數(shù)或模態(tài)系數(shù)。參與系數(shù)或模態(tài)系數(shù)適用于在最后應(yīng)用的坐標(biāo)系（ 3 D 分析繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)）方向上定義的激勵（假定為單位位移譜）。為了獲取其他方向上的參與系數(shù)或模態(tài)系數(shù)，在指定方向上（ SED ）定義激勵譜，執(zhí)行譜分析，然后執(zhí)行 *GET 命令獲取一個參與系數(shù)或模態(tài)系數(shù)。 1.7.7求解將數(shù)據(jù)庫備份到文件中。這樣便可在重新進(jìn)入 ANSYS 后用命令 RESUME 來恢復(fù)以前建的模型。開始求解計算：命令： SOLVEGUI ： MainMenuSolution-Solve-CurrentLSWord 專業(yè)資料. 1.7.7.1輸出求解輸出內(nèi)容主要是固有頻率，固有頻率被寫到輸出文件Jobname.

40、OUT及振型文件Jobname.MODE中。輸出內(nèi)容中也可以包含縮減的振型和參與系數(shù)表，這取決于對分析選項和輸出控制的設(shè)置。 由于振型現(xiàn)在還沒有被寫到數(shù)據(jù)庫或結(jié)果文件中，因此還不能對結(jié)果進(jìn)行后處理。要進(jìn)行后處理，則還需對模態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展（后面將進(jìn)行解釋）。 1.7.7.2 子空間（ Subspace）模態(tài)提取法的輸出如果采用子空間模態(tài)提取法，那么在輸出內(nèi)容中可能會看到這樣的警告：“ STURMnumber=nshouldbem”， n 和 m 是整數(shù)，表示某階模態(tài)被漏掉了，或者第m 階和第 n 階模態(tài)的頻率相同而要求輸出的只有第m 階模態(tài)。你可以用下面的兩個方法來檢查被漏掉的模態(tài)：使用更多的迭代向

41、量和改變特征值提取法的漂移點(diǎn)數(shù)值。下面簡要闡述這兩種方法（詳細(xì)內(nèi)容參見 ）。方法 1 ：使用更多的迭代向量為了使用更多的迭代向量，可以執(zhí)行命令SUBOPT,NPAD。 GUI 方式則按下列步驟進(jìn)行：1.選擇菜單路徑MainMenuSolutionAnalysisOptions，彈出 ModalAnalysis對話框；2.選擇 SUBSPACE 提取法，指定提取的模態(tài)數(shù)目，然后單擊OK 按鈕，彈出SubspaceModalAnalysis對話框 ;3.改變 NPAD 域的數(shù)值，然后單擊OK 按鈕。方法 2 ：改變特征值提取法的漂移點(diǎn)數(shù)值為了改變特征值提取法的漂移點(diǎn)數(shù)值，可以執(zhí)行命令MODOPT,

42、FREQB。GUI 方式則按下列步驟進(jìn)行：1.選擇菜單路徑MainMenuSolutionAnalysisOptions，彈出 ModalAnalysis對話框；2.選擇 SUBSPACE 提取法，指定提取的模態(tài)數(shù)目，然后單擊OK 按鈕，彈出SubspaceModalAnalysis對話框 ;3.改變 FREQB 域的數(shù)值，然后單擊OK 按鈕。如果采用的是阻尼模態(tài)提取法，求得的特征值和特征向量都是復(fù)數(shù)。特征值的虛部代表固有頻率，實部是系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度。如果采用的是 QR 阻尼模態(tài)提取法，求得的特征值是復(fù)數(shù)。但是，求得的實特征向量用于模態(tài)疊加法。 1.7.8退出求解器現(xiàn)在必須退出求解器。Word

43、 專業(yè)資料.命令： FINISHGUI ：關(guān)閉 Solution菜單 1.8擴(kuò)展模態(tài)從嚴(yán)格意義上講，“擴(kuò)展”這個詞意味著將縮減解擴(kuò)展到完整的自由度集上?！翱s減解”常用主自由度表達(dá)。而在模態(tài)分析中，我們用“擴(kuò)展”這個詞指將振型寫入結(jié)果文件。也就是說，“擴(kuò)展模態(tài)”不僅適用于縮減模態(tài)提取方法得到的縮減振型，而且也適用于其它模態(tài)提取方法得到的完整振型。因此，如果想在后處理器中察看振型，必須先擴(kuò)展之（也就是將振型寫入結(jié)果文件）。譜分析中同樣要求進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展。在單點(diǎn)響應(yīng)譜分析（SPOPT,SPRS ）和動力學(xué)設(shè)計分析方法（SPOPT,DDAM）中，模態(tài)擴(kuò)展可以放在譜分析之后按命令MXPAND中設(shè)置的閥值S

44、IGNIF 有選擇地進(jìn)行。如要將模態(tài)擴(kuò)展放在譜分析之后進(jìn)行，請在“analysisMode options（模態(tài)分析選項）”（ MODOPT ）對話框中的“ modeexpansion （模態(tài)擴(kuò)展）”欄（ MXPAND ）選 NO 。模態(tài)疊加法不需要擴(kuò)展模態(tài)。 1.8.1注意要點(diǎn)模態(tài)擴(kuò)展要求振型文件 Jobname.MODE 、文件 Jobname.EMAT 、 Jobname.ESAV 、及 Jobname.TRI （如果采用縮減法）必須存在。數(shù)據(jù)庫中必須包含和解算模態(tài)時所用模型相同的分析模型。 1.8.2擴(kuò)展模態(tài)1.重新進(jìn)入 ANSYS 求解器。命令： /SOLUGUI ：MainMenu

45、Solution注意 在擴(kuò)展處理前必須（用命令FINISH）明確地離開求解器并重新進(jìn)入求解器。2.激活擴(kuò)展處理及相關(guān)選項。ANSYS 提供的擴(kuò)展處理選項有：擴(kuò)展處理選項選項命令GUI途徑ExpansionPassMainMenuSolution-AnalysisOn/OffEXPASSType-ExpansionPassNo.of ModesMainMenuSolution-LoadStepto ExpandMXPANDOpts-ExpansionPassExpand ModesFreq.RangeMainMenuSolution-LoadStep Opts forMXPANDExpansionPassExpandModesExpansionWord 專業(yè)資料.Stress Calc.Main MenuSolution-LoadStep Opts On/OffMXP