ANSYS基础教程，各类动力学分析的基本步骤

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工具/环境

方法/步骤

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因各类动力分析在求解过程和求解选项上有较大的区别，所以这里将对其基本分析过程分别给予介绍。
 

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 模态分析的基本步骤 

模态分析过程由四个主要步骤组成： 

1．建模； 

2．加载及求解； 

3．扩展模态； 

4．结果后处理。


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模型的建立 

建模过程和其它类型的分析类似，但应注意以下两点： 

? 在模态分析中只有线性行为是有效的。
如果指定了非线性单元，将作为线性的来对待。
例如，如果模型中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此值。


? 材料性质可以是线性的或非线性的、各向同性的或正交各向异性的、恒定的或和温度相关的。
在模态分析中必须指定弹性模量EX(或某种形式的刚度)和密度DENS(或某种形式的质量)，而非线性特性将被忽略。
 必须要对某些指定单元的实常数进行设置，如COMBIN7，COMBIN37,contal174，TARGEL170。


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加载并求解 

1．进入ANSYS求解器 

命令：/SOLU

GUI：Main Menu | Solution

2．指定分析类型和分析选项 

（1） 指定分析类型(ANTYPE)

选择新的分析类型为模态分析。
在模态分析中Restart（重启动）是无效的。
如果需要施加不同的边界条件，则须做一次新的分析。


命令：ANTYPE

GUI：Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis

（2）指定分析选项 

通过GUI路径：Main Menu | Solution | Analysis Type | Analysis Options打开模态分析(Modal Analysis)选项对话框，对话框中主要有选项组。


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Modal Extraction Method (模态提取方法)

用来指定合适的模态提取方法； 

? Number of Modes to Extract (模态提取阶数)

用来指定想要提取的模态阶数。
该选项对除缩减法以外的所有模态提取方法都是必须设置的。
在用非对称法和阻尼法时，应该要求提取比必要的阶数更多的模态以降低丢失模态的可能性。
 

? Number of Modes to Expand (模态扩展数)

此选项只在采用缩减法、非对称法和阻尼法时要求设置。
如果想得到单元求解结果，则不论采用何种模态提取方法都需要打开“Calcucate elem results”项。
 

? Mass Matrix Formulation (质量矩阵形成方式)

使用该选项可以选定采用缺省的质量矩阵形成方式（和单元类型有关）或者集中质量阵近似方式。
我们建议在大多数应用中采用缺省形成方式。
但对有些包含“薄膜”结构的问题，如细长梁或非常薄的壳，采用集中质量矩阵近似经常可产生较好的结果。
另外，用集中质量阵时求解时间短，需要的内存少。
 

? Prestress Effects Calculation (预应力影响计算)

选用该选项可以计算有预应力结构的模态。
缺省的分析过程不包括预应力，即结构是处于无应力状态。
如果要在分析中包含预应力的影响，则必须有先前在静力学或瞬态分析中生成的单元文件。
如果预应力效果选项是打开的，则当前及随后的求解过程中关于集中质量阵的设置应和静力分析中关于集中质量阵的设置一致。
 

（3）指定模态提取方法的分析选项 

在Modal Analysis (模态分析)选项对话框(见图10.3)中指定了合适的模态提取方法及其它选项后单击“OK”按钮。
一个对应于指定的模态提取方法的关于其它分析选项的对话框将会出现(图10.4为相应于子空间法的对话框)，对话框中主要给出了以下选择域的组合。


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指定模态提取的频率范围，FREQB域指定第一频移点（低频）——特征值收敛最快的点。
在大多数情况下不需要设置这个域，其缺省值为-1。
FREQE只在采用Reduced法时有效。
 

? 域：PRMODE

要输出的缩减模态数。
设置此选项后在Jobname.out（输出文件）中会列出所设置数目的缩减振型。
该选项只对Reduced法有效。
 

? 域：Nrmkey

关于振型归一化的设置。
可选择是相对于质量矩阵[M]还是单位矩阵进行归一化处理。
如果准备在模态分析后进行谱分析或模态叠加法分析，则应该选择相对于质量阵进行归一化处理。
如要在随后得到各阶模态的最大响应（模态响应），须用模态系数去乘振型。
实现的方法是用*GET命令（在谱分析完成后）查到模态系数并在SET命令中将模态系数用做比例因子。
 

? 域：RIGID

设置提取对已知有刚体运动结构进行子空间迭代分析时的零频模态。
只对Subspace和PowerDynamics法有效。


? 域：SUBOPT

用来指定多种子空间迭代选项。
此选项只对Subspace和PowerDynamics法有效。
 

? 域：CEkey

用于指定处理约束方程的方法。
可选的方法有Direct elimination method（直接消去法），Lagrange multiplier(quick)method（快速拉格朗日乘子法），Lagrange multiplier (accurate) method(精确拉格朗日乘子法)。
选项只对Block Lanczos法有效。
 

3．定义主自由度 

当采用缩减(Reduced)模态提取法时，在ANSYS的菜单路径Main Menu | Solution中将会多出一级定义主自由度的子菜单：Main Menu | Solution | Moster DOFs。
主自由度(MDOF)指能描述结构动力学特性的“重要的”自由度。
MDOF选取的规则是选择至少是感兴趣的模态阶数的倍数目的MDOF。
建议用命令M,MGEN根据对结构的动力学特牲的了解定义尽可能多的MDOF，并用命令TOTAL让程序按照刚度/质量比选取一些附加的主自由度。
用命令MLIST可以列出已定义的MDOF，用命令MDELE可以删除无关的MDOF。
 

4．在模型上加载 

在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束（如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束替代在该DOF处的设置）。
可以施加除位移约束之外的其它载荷，但它们将被忽略。
在未加约束的方向上，程序将计算刚体运动（零频）以及高阶（非零频）自由体模态。
表10.1给出了施加位移约束的命令。
载荷可以加在实体模型（点、线、面）上或加在有限元模型（点和单元）上。
其它类型的载荷：力、压力、温度、加速度等可以在模态分析中指定，但在模态提取时将被忽略。
程序会计算出相应于所加载荷的载荷向量，并将这些向量写到振型文件jobname.MODE中以便在模态叠加法谐响应分析或瞬态分析中使用。


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指定载荷步选项 

（1）阻尼选项

模态分析中唯一可用的载荷步选项是阻尼选项。
通过GUI路径：Main Menu | Solution | Load Step Opts | Time/Frequence | Damping打开阻尼定义对话框，对话框中主要有选项组： 

? 质量(Alpha)阻尼[ALPHAD]

? 刚度(Beta)阻尼[BETAD]

? 恒定阻尼比[DMPRAT]

阻尼只在用Damped模态提取法时有效（在其它模态提取法中阻尼将被忽略）。
如果包含了阻尼，且采用Damped模态提取法，则计算出的特征值是复数解。
 

如果在模态分析后将进行单点响应谱分析，则在这样的无阻尼模态分析中可以指定阻尼。
虽然阻尼并不影响特征值解，但它将被用于计算每个模态的有效阻尼比，此阻尼比将用于计算谱产生的响应。
 

（2）输出控制选项

输出控制Printed Output“OUTPR”:此选项用于指定输出文件Jobname.OUT中包含的结果数据。


GUI：Main Menu-Solution-Load Step Opts-Output Ctrls-Solu Printout

（3）参与系数表输出

参与系数列表显示提取的每个模态的参与系数、模态系数和质量分布百分数。
在总体直角坐标系三个轴向和转动方向上，均假设施加单位位移谱激励，就计算出参与系数和模态系数。
同时，列表显示缩减质量分布。
当使用实特征值模态提取法（如子空间法、分块Lanczos法或QR阻尼法）进行模态分析时，将计算转动参与系数。


6．开始求解计算 

命令：SOLVE

GUI：Main Menu | Solution | -Solve-Current LS

求解输出的内容主要是固有频率，固有频率被写到输出文件Jobname.OUT及振型文件Jobname.MODE中。
输出内容也可以包含缩减的振型和参与系数表，这取决于对分析选项和输出控制的设置。
由于振型现在还没有被写到数据库或结果文件中，因此，还不能对结果进行后处理。
要进行后处理，则还需对模态进行扩展。


7．退出SOLUTION

命令：FINISH

GUI：Main Menu | Finish

教程结束。