SolidWorks頻率分析(模態(tài)).ppt

1、頻率分析（模態(tài)分析）,學(xué)習(xí)要點(diǎn),頻率分析的相關(guān)知識(shí) 案例分析,頻率分析的相關(guān)知識(shí),什么是振動(dòng) 固有頻率 固有振動(dòng)模態(tài) 共振,頻率分析的相關(guān)知識(shí),什么是振動(dòng)？ 鐘擺和秋千的擺動(dòng)，是我們身邊最典型的振動(dòng)現(xiàn)象。 樂器的弦振動(dòng)而發(fā)出聲音。 小提琴用弓拉弦，吉他用手指或撥片撥弦，在鋼琴上敲擊琴鍵則小錘打擊琴弦而使琴弦振動(dòng)起來。 洗衣機(jī)在脫水時(shí)也會(huì)突突突地產(chǎn)生很大的振動(dòng)現(xiàn)象。 按摩機(jī)是機(jī)械的振動(dòng)，地震則是大地的振動(dòng)。 如果在不平整的地上或公路上開車的話，也會(huì)感到讓人心情變壞的煩人的振動(dòng)。,為便于理解振動(dòng)現(xiàn)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(dòng)特有現(xiàn)象的術(shù)語開始,頻率分析的相關(guān)知識(shí),固

2、有頻率（以鐘擺為例） 擺動(dòng)鐘擺，則鐘擺以一定的周期和一定的頻率有規(guī)律地振動(dòng)起來了。 振動(dòng)的幅度（振幅）大也好小也好，周期和頻率總是一定的。 振動(dòng)頻率：是單位時(shí)間里擺動(dòng)的次數(shù)。 1秒鐘內(nèi)的次數(shù)用Hz（赫茲）來表示。 周期：擺動(dòng)1次所需要的時(shí)間。 鐘擺的形狀（長(zhǎng)度）決定了其固有的數(shù)值。 鐘擺越長(zhǎng)周期越長(zhǎng)，鐘擺越短周期越短。,振幅：大振幅：小,頻率分析的相關(guān)知識(shí),固有頻率（以鐘擺為例） 鐘擺的振動(dòng)所經(jīng)過的時(shí)間越來越小，最后停了下來。 這是因?yàn)榭諝獾淖璧K、磨擦的阻礙等的阻力妨礙了鐘擺的擺動(dòng)（振動(dòng)）。 因?yàn)檫@樣的阻力作用使振動(dòng)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(qiáng)迫它擺動(dòng)的力（重力除外

3、）作用下的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)。 與此相對(duì)應(yīng)，地震和汽車因?yàn)榈鼗?、發(fā)動(dòng)機(jī)等的強(qiáng)迫力作用下的振動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。,任何結(jié)構(gòu)都具有其固有頻率（固有周期），其值由其本身的結(jié)構(gòu)所決定 自由振動(dòng)是一種無衰減力的振動(dòng)狀態(tài)，它將永遠(yuǎn)不停地振動(dòng)下去。,頻率分析的相關(guān)知識(shí),靜力分析中，節(jié)點(diǎn)位移是主要的未知量。Kd=F中K為剛度矩陣，d為節(jié)點(diǎn)位移的未知量，而F為節(jié)點(diǎn)載荷的已知量。 在動(dòng)力學(xué)分析中，增加阻尼矩陣C和質(zhì)量矩陣M 上式為典型的在有阻尼的交迫振動(dòng)方程。當(dāng)缺少阻尼及外力時(shí)，該缺少阻尼及外力時(shí)（自由振動(dòng)），該方程式簡(jiǎn)化為,頻率分析的相關(guān)知識(shí),固有振動(dòng)模態(tài)（以弦的振動(dòng)為例） 兩端被固定住的弦，以手指彈一下張緊的弦，

4、弦則振動(dòng)起來，振動(dòng)在空氣中傳播發(fā)出聲音。弦以下圖所示的各個(gè)振動(dòng)形式所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，振動(dòng)起來。這種振動(dòng)形式稱為弦的固有模態(tài)。,頻率分析的相關(guān)知識(shí),固有振動(dòng)模態(tài)（以弦的振動(dòng)為例） 固有模態(tài)和固有頻率是一一對(duì)應(yīng)的。對(duì)于1階固有模態(tài)，就有以1階固有頻率振動(dòng)的振動(dòng)形式，對(duì)于2階固有模態(tài)則有2階頻率振動(dòng)的振動(dòng)形式。 象這樣所定的頻率和振動(dòng)模態(tài)組合起來則存在著1階、2階、3階等多個(gè)振動(dòng)形式。,要點(diǎn)：振動(dòng)的形式（振形）稱為振動(dòng)模態(tài)。 一般從低頻開始，稱為1階、2階、3階固有頻率，并且具 有與各個(gè)固有頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)。,頻率分析的相關(guān)知識(shí),共振（以蕩秋千為例） 蕩得好的人蕩幾下馬上就能蕩得很高 這是因?yàn)榕c秋千擺

5、動(dòng)的節(jié)拍和時(shí)間配合起來的原因。 換句話說，與秋千的固有頻率（固有周期）相配合，這種狀況，稱為共振。 共振，對(duì)于機(jī)械和結(jié)構(gòu)一般是應(yīng)該要避免的一種現(xiàn)象。,要點(diǎn)：振動(dòng)外力的周期和結(jié)構(gòu)固有周期一致或接近則要發(fā)生共振。 共振因?yàn)闀?huì)使振動(dòng)變得越來越強(qiáng)，一般應(yīng)該避免。,頻率分析的相關(guān)知識(shí),設(shè)計(jì)就要避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象 洗衣機(jī)脫水結(jié)束，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速低下來時(shí)，停止前發(fā)出突突的響聲并晃動(dòng)起來。 這是洗衣機(jī)的固有頻率和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速一致時(shí)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。 要把脫水時(shí)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)成洗衣機(jī)的1階固有頻率以上。從而，在脫水過程中不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 洗衣機(jī)的馬達(dá)的轉(zhuǎn)速直到停止前與它的固有頻率相一致，產(chǎn)生共振，發(fā)出突突聲音。此后，因

6、為很短時(shí)間即停止，洗衣機(jī)不會(huì)損壞。,頻率分析的相關(guān)知識(shí),設(shè)計(jì)就要避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象,共振產(chǎn)生時(shí)的條件有以下兩條： 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 激振力的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)到使物體振動(dòng)以充分發(fā)展的時(shí)間,頻率分析的相關(guān)知識(shí),頻率分析就是計(jì)算結(jié)構(gòu)的共振頻率及對(duì)應(yīng)振動(dòng)模態(tài)，不計(jì)算位移和應(yīng)力 固有頻率：結(jié)構(gòu)趨向于振蕩的頻率，固有的振動(dòng)頻率。 基本頻率：最低的固有頻率 固有振動(dòng)模態(tài)：特定的固有頻率對(duì)應(yīng)唯一的振動(dòng)形式。 每種模態(tài)對(duì)應(yīng)著特定的固有頻率,頻率分析的相關(guān)知識(shí),設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)保證產(chǎn)品的固有頻率不與激勵(lì)頻率相吻合。一般可將其固有頻率設(shè)計(jì)成遠(yuǎn)離激振頻率1020以上。 為了改變結(jié)構(gòu)的

7、固有頻率在危險(xiǎn)范圍外，可通過改變產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)、材料、避震特性或在適當(dāng)?shù)牡胤教砑淤|(zhì)量單元。 對(duì)于結(jié)構(gòu)的固有頻率，如果結(jié)構(gòu)變剛，則頻率高，如果變?nèi)?，則頻率低。 另外，振動(dòng)部件的重量重，則頻率變低，重量輕，頻率變高。 結(jié)構(gòu)要變剛，即提高結(jié)構(gòu)的剛性，可以加厚構(gòu)件，可以加入補(bǔ)強(qiáng)材。 結(jié)構(gòu)要變?nèi)?，也即進(jìn)行結(jié)構(gòu)變剛那樣反過來設(shè)計(jì)，則可以用彈簧來支承。對(duì)于汽車或電車之類的乘用車的車輪使用了彈簧。,頻率分析,加載荷的頻率分析 壓力或拉力載荷會(huì)改變結(jié)構(gòu)體抗彎的能力。 應(yīng)力硬化：拉力 應(yīng)力軟化：壓力,案例一：音叉的頻率分析,案例描述 設(shè)計(jì)在440Hz的頻率下能夠釋放出一個(gè)較低的A音的音叉。運(yùn)行一次頻率分析來驗(yàn)證音

8、叉是否會(huì)在正確的頻率下發(fā)生振動(dòng)。此外，在音叉末端加載450N的載荷，以判斷它對(duì)共振頻率的影響。 學(xué)習(xí)內(nèi)容 頻率分析的流程 剛體模式 列舉共振頻率,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(duì)模型劃分網(wǎng)格 運(yùn)行分析 后處理結(jié)果 移除固定幾何體：移除約束以獲得更多的振型 加載后的影響。在音叉上作用一個(gè)載荷，并觀察添加預(yù)應(yīng)力后對(duì)振動(dòng)模式有何影響,案例一：音叉的頻率分析,分析步驟（帶約束） 打開零件：tuning fork 新建頻率分析算例 設(shè)置算例屬性,案例一：音叉的頻率分析,分析步驟（帶約束） 定義材料： 需要的材料屬性 彈性模量

9、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，頻率分析中模型的材料屬性必須包括材料的密度,案例一：音叉的頻率分析,分析步驟（帶約束） 劃分網(wǎng)格 默認(rèn)網(wǎng)格大小，高品質(zhì) 相對(duì)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(yùn)行 查看結(jié)果 查看各階振型,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,案例一：音叉的頻率分析,剛體模式 模型沒有加約束或部分約束時(shí)為剛體運(yùn)動(dòng)模式，所有應(yīng)變?yōu)榱?，固有頻率為零。 剛體模式的頻率分析，必須用FFEPlus解算器。 當(dāng)頻率分析中包含載荷效果時(shí)，不能使用FFEPlus解算器。,案例一：音叉的頻率分析,分析步驟（不

10、帶約束） 新建頻率算例 定義材料 劃分網(wǎng)格 運(yùn)行 查看結(jié)果 查看各階振型 列舉共振頻率 由【列舉模式】窗口可知，最初的6個(gè)模式對(duì)應(yīng)的頻率接近為0Hz。最初的6個(gè)振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)著剛體模式。由于沒有支撐，作為剛體對(duì)應(yīng)它有6個(gè)自由度：3個(gè)平移自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。,案例一：音叉的頻率分析,分析步驟（帶載荷） 注意：運(yùn)行一個(gè)預(yù)載荷（預(yù)應(yīng)力）的頻率分析時(shí)，模型必須以某種形式支撐在載荷作用的方向上，在沒有支撐的條件下，將產(chǎn)生奇異剛度矩陣，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(yùn)行分析,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,壓力降低抗彎能力，使結(jié)

11、構(gòu)變?nèi)幔l率變低。 拉力提高抗彎能力，使結(jié)構(gòu)變剛，頻率變大。,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結(jié)構(gòu)變形的剛體模式。但現(xiàn)實(shí)中沒有無約束的情況，所以是沒有意義的。 頻率分析只計(jì)算固有頻率及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)，并不計(jì)算振幅或應(yīng)力。只考慮較低階次的固有頻率及振動(dòng)模態(tài)。 頻率分析位移結(jié)果只能在相同的振動(dòng)模式中比較模型不同部位的相對(duì)位移，其大小沒有意義。 載荷作用下會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有頻率改變，想要正確地分析，任何產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的載荷都需要考慮在內(nèi)。,練習(xí),汽車懸架頻率分析 無支撐 有支撐,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,項(xiàng)目描述 本練習(xí)的主要任務(wù)是在考慮及不考慮離心力的情況下，對(duì)吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇

12、進(jìn)行頻率分析,對(duì)吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行一次頻率分析該風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可以容許一定范圍的差別。因風(fēng)扇為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用一根葉片作為幾何體特征。對(duì)固定葉片和旋轉(zhuǎn)葉片各做一次分析，研究由于旋轉(zhuǎn)葉片離心力的作用而增加的剛性所產(chǎn)生的影響效果,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)果處理 設(shè)計(jì)情形,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,分析步驟（無離心力） 打開零件fan,選擇配置“section” 創(chuàng)建頻率分析算例 定義頻率數(shù)：5階 定義材料：1060合金鋼 添加約束：固定約束 網(wǎng)格劃分 默認(rèn)網(wǎng)格大小，高品質(zhì)，勾選“自動(dòng)過渡” 運(yùn)行算例,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,分析步驟（無離心力） 查看結(jié)果,案

13、例二：風(fēng)扇的頻率分析（參閱）,整個(gè)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(gè)葉片的上下擺動(dòng)，頻率類似。,案例二：風(fēng)扇的頻率分析（參閱）,整個(gè)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(gè)葉片的左右扭動(dòng)，頻率類似。,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,分析步驟（有離心力） 其余各步驟相同 添加載荷：離心力 加速度：3000r/min，【所選參考】“Axisl”,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(dòng)或Direct sparse 劃分網(wǎng)格 運(yùn)行算例,注意：當(dāng)頻率分析中包含載荷效果時(shí)，不能使用FFEPlus解算器。,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,分析步驟（有離心力）

14、 查看結(jié)果 當(dāng)考慮離心力引起的拉伸應(yīng)力時(shí)，風(fēng)扇葉片的基本頻率會(huì)有顯著的不同,有離心力,無離心力,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,如果能研究葉片的基本頻率在不同轉(zhuǎn)速下的效果，并畫出基本頻率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，非常有意義。利用Solidworks Simulation“設(shè)計(jì)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。 使用設(shè)計(jì)情形 定義參數(shù)：角速度,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,使用設(shè)計(jì)情形 鏈接參數(shù) 添加參數(shù)數(shù)值 運(yùn)行所有設(shè)計(jì)情形,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,列舉設(shè)計(jì)情形摘要,案例二：風(fēng)扇的頻率分析,總結(jié) 對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，固有頻率分析

15、后振動(dòng)模式為對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)幾階固有頻率非常接近的現(xiàn)象。 振動(dòng)的模式階數(shù)越高，振動(dòng)的形式越復(fù)雜。,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(shí)體與曲面間的接觸,頻率分析的相關(guān)知識(shí),靜力分析中，節(jié)點(diǎn)位移是主要的未知量。Kd=F中K為剛度矩陣，d為節(jié)點(diǎn)位移的未知量，而F為節(jié)點(diǎn)載荷的已知量。 在動(dòng)力學(xué)分析中，增加阻尼矩陣C和質(zhì)量矩陣M 上式為典型的在有阻尼的交迫振動(dòng)方程。當(dāng)缺少阻尼及外力時(shí)，該缺少阻尼及外力時(shí)（自由振動(dòng)），該方程式簡(jiǎn)化為,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,知識(shí)點(diǎn) 頻率分析會(huì)涉及剛度系數(shù)和質(zhì)量矩陣，因而結(jié)構(gòu)的外形就必須保持不變。 如下圖所示，在不同載荷

16、作用下，兩個(gè)梁可以相互獨(dú)立，也可以相互接觸。這兩種情況下的振動(dòng)特征會(huì)截然不同。,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,對(duì)裝配體進(jìn)行分析，要求所有零件都接合在一起，不允許有不接觸或有縫隙的情況，不允許有干涉，同時(shí)也不能使用螺栓接頭。 在Simlation中螺栓接頭，我們假設(shè)螺栓頭/墊圈和螺母接觸面一直保持接觸，不會(huì)在剪切載荷下滑動(dòng)。故不能使用螺栓接頭。 如果定義了無穿透接觸，由于無穿透接觸可允許接觸面之間分離和接觸，載荷施加后結(jié)構(gòu)的形狀就可能會(huì)改變。 因而本例中，無論是螺栓接觸還是無穿透接觸情況都必須使其貼近實(shí)際情況。,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,項(xiàng)目描述 發(fā)動(dòng)機(jī)支架支撐著一個(gè)較重

17、的發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)該支架進(jìn)行分析，以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是否發(fā)生共振。 為簡(jiǎn)化模擬過程，假設(shè)與發(fā)動(dòng)機(jī)直接接觸的連接部件的剛性很高，而且相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量來說其自身的質(zhì)量可以忽略不計(jì)。這樣 ，在進(jìn)行分析時(shí)就能忽略這些零部件。但仍然需要模擬裝配體中的其他連接。 關(guān)鍵步驟 遠(yuǎn)程質(zhì)量 設(shè)置連接 結(jié)合與自由接觸條件,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 打開裝配體“FullBase.sldasm”，配置“no engine” 遠(yuǎn)程質(zhì)量 當(dāng)一個(gè)實(shí)體的質(zhì)量很重要但其應(yīng)力和變形不重要時(shí)，可處理為遠(yuǎn)程質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)不是此次分析關(guān)注的對(duì)象，故將其視為遠(yuǎn)程質(zhì)量。 被視為遠(yuǎn)程質(zhì)量的實(shí)體會(huì)被排除到網(wǎng)格化外，但

18、進(jìn)行分析時(shí)會(huì)考慮它們的質(zhì)量屬性和慣性張量。,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 添加約束 固定幾何體,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 檢查結(jié)合接觸（結(jié)合配置）,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 劃分裝配體網(wǎng)格 為節(jié)省分析時(shí)間，選擇“草稿”品質(zhì)，默認(rèn)網(wǎng)格大小 運(yùn)行分析 列舉共振頻率 如果發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率正好處在這些頻率范圍之間，就必須重新設(shè)計(jì)以避免共振,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 顯示前4階模式,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 顯示前4階模式,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 顯示前4階模式,

19、案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟 顯示前4階模式,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟（結(jié)合與自由接觸） 打開算例“Frequency-bonded” 本算例中將支桿與板面之間所有接觸設(shè)置為【自由】,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,分析步驟（結(jié)合與自由接觸） 剛性銷釘接頭 由于支桿之間的接觸是自由的，因此必須建立支桿與鎖緊螺母之間的連接方式。擰緊的螺栓連接可以設(shè)置為剛性銷釘接頭，如圖所示。,分析步驟（結(jié)合與自由接觸） 剛性銷釘接頭 已完成9個(gè)，將余下3個(gè)定義,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)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,案例三：裝配體的頻率分析（發(fā)動(dòng)機(jī)支架）,總結(jié) 從上面的分析可知，用結(jié)合近似模擬所有的