機械模態(tài)分析研究現狀綜述報告-王宇-2015-4-16DOC.doc

機械模態(tài)分析研究現狀綜述報告姓名：王宇班級：研1402學號：2014020071目 錄1 機械模態(tài)分析方法綜述131 數值模態(tài)分析與試驗模態(tài)分析現狀及局限性31. 數值模態(tài)分析32. 試驗模態(tài)分析32 工作模態(tài)43 模態(tài)分析發(fā)展現狀及趨勢252 ANSYS模態(tài)分析363 模態(tài)分析實例（ANSYS）74 總結101 機械模態(tài)分析方法綜述11 數值模態(tài)分析與試驗模態(tài)分析現狀及局限性 模態(tài)分析過程如果是由有限元計算的方法取得的, 則稱為數值模態(tài)分析;如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態(tài)參數, 稱為試驗模態(tài)分析。兩種方法各有利弊, 目前的發(fā)展趨勢是把有限元方法和試驗模態(tài)分析技術有機地結合起來, 取長補短, 相得益彰。利用試驗模態(tài)分析結果檢驗、補充和修正原始有限元動力模型;利用修正后的有限元模型計算結構的動力特性和響應, 進行結構的優(yōu)化設計。1. 數值模態(tài)分析 數值模態(tài)分析主要采用有限元法, 它是將彈性結構離散化為有限數量的具體質量、彈性特性單元后,在計算機上作數學運算的理論計算方法。它的優(yōu)點是可以在結構設計之初, 根據有限元分析結果, 便預知產品的動態(tài)性能, 可以在產品試制出來之前預估振動、噪聲的強度和其他動態(tài)問題, 并可改變結構形狀以消除或抑制這些問題。2. 試驗模態(tài)分析 試驗模態(tài)分析是模態(tài)分析中最常用的, 它與有限元分析技術一起成為解決現代復雜結構動力學問題的兩大支柱。利用試驗模態(tài)分析研究系統(tǒng)動態(tài)性能是一種更經濟、更有實效的方法。傳統(tǒng)的試驗模態(tài)分析方法是建立在系統(tǒng)輸入/輸出數據均已知的基礎上, 利用激勵和響應的完整信息進行參數識別。傳統(tǒng)的模態(tài)分析方法已經在橋梁、汽車和航空航天工程等幾乎所有和結構動態(tài)分析有關的領域中得到廣泛應用, 數值模態(tài)分析與試驗模態(tài)分析的方法在理論上已經趨于完善, 然而這些方法在具體應用時還是存在局限性。2 工作模態(tài) 工作模態(tài)分析的理論和思想的提出早在20 世紀70年代初期就已開始。工作模態(tài)的主要手段都是基于響應信號的時域參數辨識技術。工作模態(tài)分析常稱為環(huán)境激勵下的模態(tài)分析、只有輸出或激勵未知條件下的模態(tài)分析, 正是近年來模態(tài)分析領域發(fā)展活躍, 新理論、新技術的應用層出不窮的一個研究方向, 被視為對傳統(tǒng)試驗模態(tài)分析方法的創(chuàng)新和擴展。工作模態(tài)分析的優(yōu)點是:僅需測試振動響應數據, 由于這些數據直接來源于結構實際所經受的振動工作環(huán)境, 因而識別結果更符合實際情況和邊界條件;無需對輸入激勵進行測試, 節(jié)省了測試費用;利用實時響應數據進行模態(tài)參數識別, 其結果能夠直接應用于結構的在線健康監(jiān)測和損傷診斷。因此工作模態(tài)試驗技術使試驗模態(tài)分析, 由傳統(tǒng)的主要針對靜止結構被擴展到處于現場運行狀態(tài)的結構, 不僅可以實現對那些無法測得載荷的工程結構進行所謂在線模態(tài)分析, 而且利用實際工作狀態(tài)下的響應數據識別的模態(tài)參數, 能更加準確地反映結構的實際動態(tài)特性, 已經在橋梁、建筑、機械領域取得實質性的進展。3 模態(tài)分析發(fā)展現狀及趨勢2 盡管我國在模態(tài)分析領域里的研究工作起步較晚，但發(fā)展迅速。在理論與方法研究上已接近國際先進水平，在工程應用方面模態(tài)分析已滲透到我國各個工程領域，并取得了不少成就。模態(tài)分析技術發(fā)展到今天已趨成熟，特別是線性模態(tài)理論方面的研究已日臻完善，但在工程應用方面仍有工作可做。首先是提高模態(tài)分析的精度，擴大應用范圍。增加模態(tài)分析的信息量是提高分析精度的關鍵，目前提出的一種激光掃描方法是大增加測點數的有效方法，測點數目的增加隨之而來的是增大數據采集與分析系統(tǒng)的容量及提高分析處理速度，在測試方法、數據采集與分析方面也有不少工作可做。對復雜結構空間模態(tài)的測量分析、頻響函數的耦合、高頻模態(tài)檢測、抗噪聲干擾等方面的研究沿需進一步開展。 非線性是模態(tài)分析的一個重要發(fā)展趨勢，最近已逐步形成了非線性模態(tài)動力學。關于非線性模態(tài)的正交性、解耦性、穩(wěn)定性、模態(tài)的分叉、滲透等問題是當前研究的重點。在非線性建模理論與參數辨識方面的研究工作亦是當今研究的熱點。非線性系統(tǒng)物理參數的識別、載荷識別方面的研究亦已開始。展望未來，模態(tài)分析與試驗技術仍將以新的速度、新的內容不斷向前發(fā)展。2 ANSYS模態(tài)分析3 ANSYS 軟件是美國Swanson 公司推出的融結構、流體、電磁、熱、聲學為一體的大型通用有限元分析軟件, 與其他大型有限元分析軟件相比, 其最突出的特點是友好的程序用戶界面, 完整強大的圖形交互能力, 從而極大地方便了用戶的操作.它擁有豐富的單元庫和材料庫, 用戶可以根據具體的分析對象選取合理的剖分單元及材料特性, 除此之外, 用戶還可以自定義材料特性, 以滿足特殊情況的需要.ANSYS 能夠高效的求解各種復雜結構的靜力、動力、振動、線性和非線性、模態(tài)分析、諧波響應分析、斷裂力學等問題.它具有完善的前后處理模塊和強大的數據接口, 因而是計算機輔助工程(CAE)、工程數值分析和仿真的有效工具.ANSYS 環(huán)境下的模態(tài)分析是一個線性分析, 整個過程分為四步:1 .建模:在前處理中定義單元類型, 單元實常數, 材料性質和模型幾何性質, 由于模態(tài)分析中只包括線性行為的分析, 因此在定義單元時必須選用線性單元.2 .加載及求解:定義分析類型和分析選項, 施加載荷, 指定加載步選項, 進行有限元計算求解固有頻率.ANSYS 提供了7 種模態(tài)分析的方法, 分別是子空間法(Subspace), 分塊Lanczos 方法(Block Lanczos), Power Dynamics 方法, 縮減法(Reduced), 非對稱法(Unsymmetric), 阻尼法(Damped),QR 阻尼法(QR Damped).在通常的使用中, 選擇分塊Lanczos 方法、子空間方法、Power Dynamics 方法、縮減法已經足夠大多數分析使用了.3 .擴展模態(tài):所謂的擴展模態(tài)就是將振型寫入結果文件, 如果想在后處理中觀察到振型, 就必須先進行模態(tài)擴展.4 .觀察結果:經過模態(tài)擴展以后模態(tài)分析結果被寫入到結構分析的結果文件中, 其中包括:固有頻率, 擴展模態(tài)形狀以及相對應力和力的分布。 ANSYS 是成熟的工程分析軟件, 可直接輸入結構幾何圖形, 運用其豐富的單元庫, 在圖形中進行有限元網格劃分, 另外還具有完善的計算工具.在進行結構的模態(tài)分析時, 只要建模正確, 單元及模態(tài)分析法選擇適當, 所得到的計算結果準確性極高.通過使用ANSYS 模態(tài)分析可將繁難的模態(tài)分析工作變得輕松、直觀.同時在ANSYS 環(huán)境中以模態(tài)分析為基礎, 還能夠進行其他動力學分析, 概念清晰簡潔, 計算方便快捷.ANSYS 作為目前在國際上流行通用的大型有限元分析軟件, 易在進行結構設計、結構優(yōu)化過程中推廣使用.3 模態(tài)分析實例（ANSYS） 北京航空航天大學的李碩東，馬綱在充分利用 ANSYS 模態(tài)分析功能的基礎上，結合大量振動臺用夾具模態(tài)分析的科研課題和實際分析經驗，提出編程開發(fā)程序以自動生成ANSYS 宏代碼并將宏封裝的新思路以及采用數據庫管理結果文件的辦法。實現了分析過程模塊化自動完成，分析結果由數據庫管理系統(tǒng)管理的便捷、高效的模態(tài)分析。4 陜西科技大學的陳勇強，李小瑩，陳號在有限元技術基礎上，采用ANSYS Workbench 軟件對摩擦離合器外殼體和內殼體進行模態(tài)分析，得到了摩擦離合器外殼體和內殼體的各階固有頻率和固有振型。分析結果為離合器結構設計及動態(tài)響應分析奠定了一定的理論基礎。5 中北大學的徐兆華，崔志琴，張騰通過三維建模軟件Pro/E 建立6300 柴油機曲軸的簡化模型，再將其導入到有限元軟件ANSYS，然后運用Block lanczos 法對曲軸進行模態(tài)分析，得到曲軸的前9 階固有頻率與振型，為曲軸的優(yōu)化設計和動態(tài)響應奠定基礎。6 南京信息工程大學的袁安富，陳俊利用大型有限元分析軟件ANSYS對設計的結構進行模態(tài)分析，將有效預估結構的振動特性及結構的優(yōu)化設計。文章以主軸箱為例，運用該軟件建立了主軸箱的三維有限元模型，在0-200Hz頻率范圍內，分析了該主軸箱的前十階振型，結果表明：該主軸箱的主振頻率處于62Hz，為主軸箱的整體設計及其制造提供了有力的技術支撐。7 河南科技大學的徐立友，李金輝在介紹模態(tài)分析基本理論的基礎上，基于UG 軟件建立了拖拉機液壓機械無級變速器(HMCVT)太陽輪軸的三維模型，利用ANSYS-UG 的數據接口將太陽輪軸三維實體模型導入ANSYS 中生成有限元分析模型，并運用自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種分析方法對太陽輪軸進行了模態(tài)分析。結果表明：兩種模態(tài)分析方法均可以得到較準確的計算分析結果，但約束模態(tài)分析方法更能反映系統(tǒng)的實際工作狀況；太陽輪軸在低階頻率下以彎曲摸態(tài)為主，高階頻率下為整體的扭轉模態(tài)以及整體和局部的混合模態(tài)。本研究對細長軸的結構設計及動態(tài)特性分析提供了理論依據。8 安徽理工大學的葉友東，周哲波研究了直齒圓柱齒輪的固有振動特性, 采用有限元法建立了直齒圓柱齒輪的動力學模型, 通過有限元分析軟件ANSYS 對齒輪進行模態(tài)分析, 得到了齒輪的低階固有振動頻率和主振型, 可以為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)設計提供參考, 同時也為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應計算和分析奠定了基礎。9 江西理工大學的劉祚時，彭建云為了確定振動篩偏心軸的振動特性，通過工程分析軟件ANSYS 對其進行了建模與模態(tài)分析。詳細闡述了模態(tài)分析的全過程，從建模環(huán)境的選擇，偏心軸實體模型和有限元模型的建立，到最后的模態(tài)分析。其中，有限元建模中用彈性支承單元COMBIN14 代替將軸承簡單處理為剛性約束的方式，更加真實的分析得出軸的前10 階固有頻率和振型。對比傳遞矩陣法，方法簡便，計算快捷，得到直觀振型形象。模態(tài)分析有效預估了結構的振動特性，為選擇電機參數提供依據，并為諧響應分析及瞬態(tài)分析奠定基礎。10 南京航空航天大學的艾平貴，朱如鵬利用非線性有限元的方法對金屬撓性膜盤聯軸器的特性進行研究。主要包括以下幾個方面：根據已設計的符合實際尺寸的模型，建立膜盤聯軸器應力分析的有限元模型；在對前述模型靜力分析和模態(tài)分析的基礎上，鑒于膜盤的型號多變，為了能夠做出通用的分析方法，文中采用通用的有限元分析軟件ANSYS 的二次開發(fā)語言APDL 建模和分析膜盤，大大提高了分析的通用性和效率。11 吉林電子信息職業(yè)技術學院的王宇，劉凱，林永龍簡要闡述了模態(tài)分析的基本原理以及在ANSYS環(huán)境下進行模態(tài)分析的步驟，并舉出具體算例，對一標準齒輪進行模態(tài)分析計算，以此說明在ANSYS軟件中進行模態(tài)分析的方法，結果表明對于確定機械結構的振動特性來說此法行之有效，完全能夠滿足結構設計的要求。124 總結 這篇綜述報告首先引用了一篇2006年的綜述性的文獻1，對模態(tài)分析方法進行概括和總結：傳統(tǒng)模態(tài)分析方法主要分為數值模態(tài)分析和試驗模態(tài)分析，并陳述了工作模態(tài)分析的方法。之后引用了一篇2014年的綜述性文獻2，陳述模態(tài)分析最新的研究方法以及發(fā)展現狀和發(fā)展趨勢。 本文主題內容針對ANSYS在模態(tài)分析中的應用進行表述和舉例。先利用2005年的一篇文獻3總擴ANSYS在模態(tài)分析中的應用，隨后舉出國內近年來的多項研究和試驗在多方面展示ANSYS在模態(tài)分析中的應用。 ANSYS 是成熟的工程分析軟件, 可直接輸入結構幾何圖形, 運用其豐富的單元庫, 在圖形中進行有限元網格劃分, 另外還具有完善的計算工具.在進行結構的模態(tài)分析時, 只要建模正確, 單元及模態(tài)分析法選擇適當, 所得到的計算結果準確性極高.通過使用ANSYS 模態(tài)分析可將繁難的模態(tài)分析工作變得輕松、直觀.同時在ANSYS 環(huán)境中以模態(tài)分析為基礎, 還能夠進行其他動力學分析, 概念清晰簡潔, 計算方便快捷.ANSYS 作為目前在國際上流行通用的大型有限元分析軟件, 易在進行結構設計、結構優(yōu)化過程中推廣使用.參考文獻1梁君，趙登峰.模態(tài)分析方法綜述.現代制造工程，2006,08.2孫敬敬.機械結構的模態(tài)分析方法研究綜述.科技信息，2014,033楊康，韓濤.ANSYS 在模態(tài)分析中的應用.佳木斯大學學報（自然科學版）2005,01.4李朔東，馬綱.基于 ANSYS 的模態(tài)分析二次開發(fā)及應用.航天制造技術，2004,10.5楊勇強，李小瑩，陳號.基于ANSYS Workbench 的離合器殼體的模態(tài)分析.煤礦機械，2014,10.6徐兆華，崔志琴，張騰.基于ANSYS 的6300 柴油機曲軸的模態(tài)分析.煤礦機械，2012,02.7袁安富，