頻率分析模態(tài)ppt課件

1、承蒙 Sanarus Medical 提供圖片頻率分析模態(tài)分析長沙凱士達信息技術(shù)開發(fā)CAE工程師：謝莉2 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。學(xué)習(xí)要點 頻率分析的相關(guān)知識 案例分析3 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 什么是振動 固有頻率 固有振動模態(tài) 共振4 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 什么是振動？ 鐘擺和秋千的擺動，是我們身邊最典型的振動景象。 樂器的弦振動而發(fā)出聲音。 小提琴用弓拉弦，吉他用手指或撥片撥弦，在鋼琴上敲擊琴鍵那么小錘打擊琴弦而使琴弦振動起來。 洗衣機在脫水時也會突突突地產(chǎn)

2、生很大的振動景象。 按摩機是機械的振動，地震那么是大地的振動。 假設(shè)在不平整的地上或公路上開車的話，也會感到讓人心境變壞的煩人的振動。為便于了解振動景象，我們從了解固有頻率固有周期，固有模態(tài)，共振等表示振動特有景象的術(shù)語開場5 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 固有頻率以鐘擺為例 擺動鐘擺，那么鐘擺以一定的周期和一定的頻率有規(guī)律地振動起來了。 振動的幅度振幅大也好小也好，周期和頻率總是一定的。 振動頻率：是單位時間里擺動的次數(shù)。 1秒鐘內(nèi)的次數(shù)用Hz赫茲來表示。 周期：擺動1次所需求的時間。 鐘擺的外形長度決議了其固有的數(shù)值。 鐘擺越長周期越長，鐘擺越短

3、周期越短。振幅：大振幅：小振幅：大振幅：小 6 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 固有頻率以鐘擺為例 鐘擺的振動所經(jīng)過的時間越來越小，最后停了下來。 這是由于空氣的妨礙、磨擦的妨礙等的阻力妨礙了鐘擺的擺動振動。 由于這樣的阻力作用使振動衰減的力而起作用，被稱為衰減力。 鐘擺在沒有外部而來的強迫它擺動的力重力除外作用下的振動稱為自在振動。 與此相對應(yīng)，地震和汽車由于地基能、發(fā)動機等的強迫力作用下的振動稱為強迫振動。任何構(gòu)造都具有其固有頻率固有周期，其值由其本身的構(gòu)造所決議任何構(gòu)造都具有其固有頻率固有周期，其值由其本身的構(gòu)造所決議自在振動是一種無衰減力的振動

4、形狀，它將永遠不停地振動下去。自在振動是一種無衰減力的振動形狀，它將永遠不停地振動下去。7 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 靜力分析中，節(jié)點位移是主要的未知量。Kd=F中K為剛度矩陣，d為節(jié)點位移的未知量，而F為節(jié)點載荷的知量。 在動力學(xué)分析中，添加阻尼矩陣C和質(zhì)量矩陣M 上式為典型的在有阻尼的交迫振動方程。當(dāng)短少阻尼及外力時，該短少阻尼及外力時自在振動，該方程式簡化為8 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 固有振動模態(tài)以弦的振動為例 兩端被固定住的弦，以手指彈一下張緊的弦，弦那么振動起來，振動在空氣中傳播發(fā)出聲音

5、。弦以以下圖所示的各個振動方式所對應(yīng)的形狀，振動起來。這種振動方式稱為弦的固有模態(tài)。固有振動形態(tài)固有振動形態(tài)名稱名稱1階振動2階振動3階振動9 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 固有振動模態(tài)以弦的振動為例 固有模態(tài)和固有頻率是一一對應(yīng)的。對于1階固有模態(tài)，就有以1階固有頻率振動的振動方式，對于2階固有模態(tài)那么有2階頻率振動的振動方式。 象這樣所定的頻率和振動模態(tài)組合起來那么存在著1階、2階、3階等多個振動方式。要點：振動的方式振形稱為振動模態(tài)。要點：振動的方式振形稱為振動模態(tài)。 普通從低頻開場，稱為普通從低頻開場，稱為1階、階、2階、階、3階階固有頻率，

6、并且具固有頻率，并且具 有與各個固有頻率對應(yīng)的振動模態(tài)。有與各個固有頻率對應(yīng)的振動模態(tài)。10 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 共振以蕩秋千為例 蕩得好的人蕩幾下馬上就能蕩得很高 這是由于與秋千擺動的節(jié)拍和時間配合起來的緣由。 換句話說，與秋千的固有頻率固有周期相配合，這種情況，稱為共振。 共振，對于機械和構(gòu)造普通是應(yīng)該要防止的一種景象。要點：振動外力的周期和構(gòu)造固有周期一致或接近那么要發(fā)生共振。要點：振動外力的周期和構(gòu)造固有周期一致或接近那么要發(fā)生共振。 共振由于會使振動變得越來越強，普通應(yīng)該防止。共振由于會使振動變得越來越強，普通應(yīng)該防止。11 20

7、07 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 設(shè)計就要防止出現(xiàn)共振景象 洗衣機脫水終了，馬達的轉(zhuǎn)速低下來時，停頓前發(fā)出突突的響聲并晃動起來。 這是洗衣機的固有頻率和馬達的轉(zhuǎn)速一致時產(chǎn)生的共振景象。 要把脫水時馬達的轉(zhuǎn)速設(shè)計成洗衣機的1階固有頻率以上。從而，在脫水過程中不會產(chǎn)生共振景象。 洗衣機的馬達的轉(zhuǎn)速直到停頓前與它的固有頻率相一致，產(chǎn)生共振，發(fā)出突突聲音。以后，由于很短時間即停頓，洗衣機不會損壞。12 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 設(shè)計就要防止出現(xiàn)共振景象共振產(chǎn)生時的條件有以下兩條：共振產(chǎn)生時的條件有以下兩條：激振力的周期

8、頻率和物體的固有周期固有頻率相一致或接近激振力的周期頻率和物體的固有周期固有頻率相一致或接近 激振力的繼續(xù)時間長到使物體振動以充分開展的時間激振力的繼續(xù)時間長到使物體振動以充分開展的時間 13 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識頻率分析就是計算構(gòu)造的共振頻率及對應(yīng)振動模態(tài)，不計算位移和應(yīng)力固有頻率：構(gòu)造趨向于振蕩的頻率，固有的振動頻率。根本頻率：最低的固有頻率固有振動模態(tài)：特定的固有頻率對應(yīng)獨一的振動方式。每種模態(tài)對應(yīng)著特定的固有頻率14 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 設(shè)計產(chǎn)品時，應(yīng)保證產(chǎn)品的固有頻率不與鼓勵頻率

9、相吻合。普通可將其固有頻率設(shè)計成遠離激振頻率1020以上。 為了改動構(gòu)造的固有頻率在危險范圍外，可經(jīng)過改動產(chǎn)品的幾何構(gòu)造、資料、避震特性或在適當(dāng)?shù)牡胤教砑淤|(zhì)量單元。 對于構(gòu)造的固有頻率，假設(shè)構(gòu)造變剛，那么頻率高，假設(shè)變?nèi)幔敲搭l率低。 另外，振動部件的分量重，那么頻率變低，分量輕，頻率變高。 構(gòu)造要變剛，即提高構(gòu)造的剛性，可以加厚構(gòu)件，可以參與補強材。 構(gòu)造要變?nèi)?，也即進展構(gòu)造變剛那樣反過來設(shè)計，那么可以用彈簧來支承。對于汽車或電車之類的乘用車的車輪運用了彈簧。15 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析 加載荷的頻率分析 壓力或拉力載荷會改動構(gòu)造體抗彎的才干。 應(yīng)力硬

10、化：拉力 應(yīng)力軟化：壓力16 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 案例描畫 設(shè)計在440Hz的頻率下可以釋放出一個較低的A音的音叉。運轉(zhuǎn)一次頻率分析來驗證音叉能否會在正確的頻率下發(fā)生振動。此外，在音叉末端加載450N的載荷，以判別它對共振頻率的影響。 學(xué)習(xí)內(nèi)容 頻率分析的流程 剛體方式 列舉共振頻率17 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 關(guān)鍵步驟 添加約束。在音叉末端添加固定幾何體的約束，以模擬該手柄被人手握住的效果。 對模型劃分網(wǎng)格 運轉(zhuǎn)分析 后處置結(jié)果 移除固定幾何體：移除約束以獲得更多的振型 加載后的影

11、響。在音叉上作用一個載荷，并察看添加預(yù)應(yīng)力后對振動方式有何影響18 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟帶約束 翻開零件：tuning fork 新建頻率分析算例 設(shè)置算例屬性19 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟帶約束 定義資料： 需求的資料屬性 彈性模量 泊松比 質(zhì)量密度 定義約束 模擬手柄被人手握住的效果為了模擬慣性剛度，頻率分析中模型的資料屬性必需包括資料的密度為了模擬慣性剛度，頻率分析中模型的資料屬性必需包括資料的密度20 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例

12、一：音叉的頻率分析 分析步驟帶約束 劃分網(wǎng)格 默許網(wǎng)格大小，高質(zhì)量 相對于同模型的應(yīng)力分析而言，頻率分析可采用更粗糙的網(wǎng)格。 運轉(zhuǎn) 查看結(jié)果 查看各階振型21 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟帶約束 查看結(jié)果 列舉共振頻率22 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 剛體方式 模型沒有加約束或部分約束時為剛體運動方式，一切應(yīng)變?yōu)榱?，固有頻率為零。 剛體方式的頻率分析，必需用FFEPlus解算器。 當(dāng)頻率分析中包含載荷效果時，不能運用FFEPlus解算器。23 2007 SolidWorks Corp.

13、機密文件。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟不帶約束 新建頻率算例 定義資料 劃分網(wǎng)格 運轉(zhuǎn) 查看結(jié)果 查看各階振型 列舉共振頻率 由【列舉方式】窗口可知，最初的6個方式對應(yīng)的頻率接近為0Hz。最初的6個振動方式對應(yīng)著剛體方式。由于沒有支撐，作為剛體對應(yīng)它有6個自在度：3個平移自在度和3個旋轉(zhuǎn)自在度。24 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟帶載荷 留意：運轉(zhuǎn)一個預(yù)載荷預(yù)應(yīng)力的頻率分析時，模型必需以某種方式支撐在載荷作用的方向上，在沒有支撐的條件下，將產(chǎn)生奇特剛度矩陣，從而導(dǎo)致模型無法求解。 施加載荷 在音叉末端施加450N的壓力 運轉(zhuǎn)分析25

14、2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 分析步驟帶載荷 查看結(jié)果 振型 列舉共振頻率壓力降低抗彎才干，使構(gòu)造變?nèi)?，頻率變低。壓力降低抗彎才干，使構(gòu)造變?nèi)幔l率變低。拉力提高抗彎才干，使構(gòu)造變剛，頻率變大。拉力提高抗彎才干，使構(gòu)造變剛，頻率變大。26 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例一：音叉的頻率分析 總結(jié) 無論有無支撐，頻率分析都可以用于分析構(gòu)造變形的剛體方式。但現(xiàn)實中沒有無約束的情況，所以是沒有意義的。 頻率分析只計算固有頻率及對應(yīng)的振動模態(tài)，并不計算振幅或應(yīng)力。只思索較低階次的固有頻率及振動模態(tài)。 頻率分析位移結(jié)果只能在一樣的

15、振動方式中比較模型不同部位的相對位移，其大小沒有意義。 載荷作用下會導(dǎo)致構(gòu)造的固有頻率改動，想要正確地分析，任何產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的載荷都需求思索在內(nèi)。27 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。練習(xí) 汽車懸架頻率分析 無支撐 有支撐28 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。29 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 工程描畫 本練習(xí)的主要義務(wù)是在思索及不思索離心力的情況下，對吹風(fēng)機風(fēng)扇進展頻率分析 對吹風(fēng)機風(fēng)扇進展一次頻率分析該風(fēng)扇設(shè)計轉(zhuǎn)速可以允許一定范圍的差別。因風(fēng)扇為對稱構(gòu)造，為簡化計算，采用一根葉片作為幾何體特征。對固定

16、葉片和旋轉(zhuǎn)葉片各做一次分析，研討由于旋轉(zhuǎn)葉片離心力的作用而添加的剛性所產(chǎn)生的影響效果30 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 學(xué)習(xí)內(nèi)容 帶載荷的頻率分析 頻率分析結(jié)果處置 設(shè)計情形31 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 分析步驟無離心力 翻開零件fan,選擇配置“section 創(chuàng)建頻率分析算例 定義頻率數(shù)：5階 定義資料：1060合金鋼 添加約束：固定約束 網(wǎng)格劃分 默許網(wǎng)格大小，高質(zhì)量，勾選“自動過渡 運轉(zhuǎn)算例32 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 分析步驟無離

17、心力 查看結(jié)果33 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析參閱 整個風(fēng)扇不加載頻率分析設(shè)置頻率數(shù)：10階 前5階振型為單個葉片的上下擺動，頻率類似。34 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析參閱 整個風(fēng)扇不加載頻率分析設(shè)置頻率數(shù)：10階 后5階振型為單個葉片的左右扭動，頻率類似。35 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 分析步驟有離心力 其他各步驟一樣 添加載荷：離心力 加速度：3000r/min，【所選參考】“Axisl36 2007 SolidWorks Corp. 機密

18、文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 分析步驟有離心力 選擇解算器：自動或Direct sparse 劃分網(wǎng)格 運轉(zhuǎn)算例留意：當(dāng)頻率分析中包含載荷效果時，不能運用留意：當(dāng)頻率分析中包含載荷效果時，不能運用FFEPlus解算器。解算器。37 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 分析步驟有離心力 查看結(jié)果 當(dāng)思索離心力引起的拉伸應(yīng)力時，風(fēng)扇葉片的根本頻率會有顯著的不同有離心力無離心力38 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 假設(shè)能研討葉片的根本頻率在不同轉(zhuǎn)速下的效果，并畫出根本頻率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，非常有意義。利用Sol

19、idworks Simulation“設(shè)計情形，查看在不同的離心載荷下的頻率的變化。將角速度設(shè)為6000，9000，12000，15000rpm，查看固有頻率的變化。 運用設(shè)計情形 定義參數(shù)：角速度39 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 運用設(shè)計情形 鏈接參數(shù) 添加參數(shù)數(shù)值 運轉(zhuǎn)一切設(shè)計情形40 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 列舉設(shè)計情形摘要41 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例二：風(fēng)扇的頻率分析 總結(jié) 對于對稱構(gòu)造，固有頻率分析后振動方式為對稱，會出現(xiàn)幾階固有頻率非常接近的景

20、象。 振動的方式階數(shù)越高，振動的方式越復(fù)雜。42 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。練習(xí)：葉輪的頻率分析 分析葉輪在2000rpm的轉(zhuǎn)速下的頻率。 混合網(wǎng)格 實體與曲面間的接觸43 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。44 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。頻率分析的相關(guān)知識 靜力分析中，節(jié)點位移是主要的未知量。Kd=F中K為剛度矩陣，d為節(jié)點位移的未知量，而F為節(jié)點載荷的知量。 在動力學(xué)分析中，添加阻尼矩陣C和質(zhì)量矩陣M 上式為典型的在有阻尼的交迫振動方程。當(dāng)短少阻尼及外力時，該短少阻尼及外力時自在振動，該方程式簡化為45 2007

21、SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 知識點 頻率分析會涉及剛度系數(shù)和質(zhì)量矩陣，因此構(gòu)造的外形就必需堅持不變。 如以下圖所示，在不同載荷作用下，兩個梁可以相互獨立，也可以相互接觸。這兩種情況下的振動特征會截然不同。46 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 對裝配體進展分析，要求一切零件都接合在一同，不允許有不接觸或有縫隙的情況，不允許有干涉，同時也不能運用螺栓接頭。 在Simlation中螺栓接頭，我們假設(shè)螺栓頭/墊圈和螺母接觸面不斷堅持接觸，不會在剪切載荷下滑動。故不能運用螺栓接頭。 假設(shè)定義了無

22、穿透接觸，由于無穿透接觸可允許接觸面之間分別和接觸，載荷施加后構(gòu)造的外形就能夠會改動。 因此本例中，無論是螺栓接觸還是無穿透接觸情況都必需使其貼近實踐情況。47 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 工程描畫 發(fā)動機支架支撐著一個較重的發(fā)動機。對該支架進展分析，以判別發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能否發(fā)生共振。 為簡化模擬過程，假設(shè)與發(fā)動機直接接觸的銜接部件的剛性很高，而且相對于發(fā)動機的質(zhì)量來說其本身的質(zhì)量可以忽略不計。這樣 ，在進展分析時就能忽略這些零部件。但依然需求模擬裝配體中的其他銜接。 關(guān)鍵步驟 遠程質(zhì)量 設(shè)置銜接 結(jié)合與自在接觸條件48 2

23、007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 翻開裝配體“FullBase.sldasm，配置“no engine 遠程質(zhì)量 當(dāng)一個實體的質(zhì)量很重要但其應(yīng)力和變形不重要時，可處置為遠程質(zhì)量。發(fā)動機不是此次分析關(guān)注的對象，故將其視為遠程質(zhì)量。 被視為遠程質(zhì)量的實領(lǐng)會被排除到網(wǎng)格化外，但進展分析時會思索它們的質(zhì)量屬性和慣性張量。49 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 添加約束 固定幾何體50 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架

24、分析步驟 檢查結(jié)合接觸結(jié)合配置51 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 劃分裝配體網(wǎng)格 為節(jié)省分析時間，選擇“草稿質(zhì)量，默許網(wǎng)格大小 運轉(zhuǎn)分析 列舉共振頻率 假設(shè)發(fā)動機的任務(wù)頻率正益處在這些頻率范圍之間，就必需重新設(shè)計以防止共振頻率(弧度/秒) 頻率(赫茲) 周期(秒)873.83139.070.00719911.15145.010.0068962339.2372.290.0026864360.2693.940.0014414634737.530.00135652 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配

25、體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 顯示前4階方式53 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 顯示前4階方式54 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 顯示前4階方式55 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 顯示前4階方式56 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟結(jié)合與自在接觸 翻開算例“Frequency-bonded 本算例中將支桿與板面之間一切接觸設(shè)置為【自在】57 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟結(jié)合與自在接觸 剛性銷釘接頭 由于支桿之間的接觸是自在的，因此必需建立支桿與鎖緊螺母之間的銜接方式。擰緊的螺栓銜接可以設(shè)置為剛性銷釘接頭，如下圖。58 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。 分析步驟結(jié)合與自在接觸 剛性銷釘接頭 已完成9個，將余下3個定義案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架59 2007 SolidWorks Corp. 機密文件。案例三：裝配體的頻率分析發(fā)動機支架 分析步驟 其他設(shè)置與前算例一致 添加固定約束 列舉共振頻率60 2007