频率分析模态PPT课件.ppt

承蒙 Sanarus Medical 提供图片频率分析〔模态分析〕长沙凯士达信息技术开发CAE工程师：谢莉2© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件学习要点§频率分析的相关知识§案例分析3© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§什么是振动§固有频率§固有振动模态§共振4© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§什么是振动？§钟摆和秋千的摆动，是我们身边最典型的振动景象§乐器的弦振动而发出声音§小提琴用弓拉弦，吉他用手指或拨片拨弦，在钢琴上敲击琴键那么小锤打击琴弦而使琴弦振动起来§洗衣机在脱水时也会突突突地产生很大的振动景象§按摩机是机械的振动，地震那么是大地的振动§假设在不平整的地上或公路上开车的话，也会感到让人心境变坏的烦人的振动为便于了解振动景象，我们从了解固有频率〔固有周期〕，固有模态，共振等表示振动特有景象的术语开场5© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§固有频率〔以钟摆为例〕§摆动钟摆，那么钟摆以一定的周期和一定的频率有规律地振动起来了§振动的幅度〔振幅〕大也好小也好，周期和频率总是一定的。

§振动频率：是单位时间里摆动的次数§1秒钟内的次数用Hz〔赫兹〕来表示§周期：摆动1次所需求的时间§钟摆的外形〔长度〕决议了其固有的数值§钟摆越长周期越长，钟摆越短周期越短振幅：大　　振幅：小振幅：大　　振幅：小 6© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§固有频率〔以钟摆为例〕§钟摆的振动所经过的时间越来越小，最后停了下来§这是由于空气的妨碍、磨擦的妨碍等的阻力妨碍了钟摆的摆动〔振动〕§由于这样的阻力作用使振动衰减的力而起作用，被称为衰减力§钟摆在没有外部而来的强迫它摆动的力〔重力除外〕作用下的振动称为自在振动§与此相对应，地震和汽车由于地基能、发动机等的强迫力作用下的振动称为强迫振动任何构造都具有其固有任何构造都具有其固有频率〔固有周期〕，其率〔固有周期〕，其值由其本身的构造所决由其本身的构造所决议自在振自在振动是一种无衰减力的振是一种无衰减力的振动形状，它将永形状，它将永远不停地振不停地振动下去7© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§静力分析中，节点位移是主要的未知量[K]d=F中[K]为刚度矩阵，d为节点位移的未知量，而F为节点载荷的知量。

§在动力学分析中，添加阻尼矩阵[C]和质量矩阵[M]§上式为典型的在有阻尼的交迫振动方程当短少阻尼及外力时，该短少阻尼及外力时〔自在振动〕，该方程式简化为8© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§固有振动模态〔以弦的振动为例〕§两端被固定住的弦，以手指弹一下张紧的弦，弦那么振动起来，振动在空气中传播发出声音弦以以下图所示的各个振动方式所对应的形状，振动起来这种振动方式称为弦的固有模态固有振动形态固有振动形态名称名称1阶振动2阶振动3阶振动9© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§固有振动模态〔以弦的振动为例〕§固有模态和固有频率是一一对应的对于1阶固有模态，就有以1阶固有频率振动的振动方式，对于2阶固有模态那么有2阶频率振动的振动方式§象这样所定的频率和振动模态组合起来那么存在着1阶、2阶、3阶……等多个振动方式要点：振要点：振动的方式〔振形〕称的方式〔振形〕称为振振动模模态 普通从低普通从低频开开场，称，称为1阶、、2阶、、3阶……固有固有频率，并且具率，并且具 有与各个固有有与各个固有频率率对应的振的振动模模态。

10© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§共振〔以荡秋千为例〕§荡得好的人荡几下马上就能荡得很高§这是由于与秋千摆动的节拍和时间配合起来的缘由§换句话说，与秋千的固有频率〔固有周期〕相配合，这种情况，称为共振§共振，对于机械和构造普通是应该要防止的一种景象要点：振要点：振动外力的周期和构造固有周期一致或接近那么要外力的周期和构造固有周期一致或接近那么要发生共振 共振由于会使振共振由于会使振动变得越来越得越来越强强，普通，普通应该防止11© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§设计就要防止出现共振景象§洗衣机脱水终了，马达的转速低下来时，停顿前发出突突的响声并晃动起来 §这是洗衣机的固有频率和马达的转速一致时产生的共振景象§要把脱水时马达的转速设计成洗衣机的1阶固有频率以上从而，在脱水过程中不会产生共振景象§洗衣机的马达的转速直到停顿前与它的固有频率相一致，产生共振，发出突突声音以后，由于很短时间即停顿，洗衣机不会损坏12© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§设计就要防止出现共振景象共振共振产生生时的条件有以下两条：的条件有以下两条：激振力的周期〔激振力的周期〔频率〕和物体的固有周期〔固有率〕和物体的固有周期〔固有频率〕相一致或接近率〕相一致或接近 激振力的激振力的继续时间长到使物体振到使物体振动以充分开展的以充分开展的时间 13© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件。

频率分析的相关知识频率分析就是计算构造的共振频率及对应振动模态，不计算位移和应力固有频率：构造趋向于振荡的频率，固有的振动频率根本频率：最低的固有频率固有振动模态：特定的固有频率对应独一的振动方式每种模态对应着特定的固有频率14© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§设计产品时，应保证产品的固有频率不与鼓励频率相吻合普通可将其固有频率设计成远离激振频率10～20％以上§为了改动构造的固有频率在危险范围外，可经过改动产品的几何构造、资料、避震特性或在适当的地方添加质量单元§对于构造的固有频率，假设构造变刚，那么频率高，假设变柔，那么频率低 §另外，振动部件的分量重，那么频率变低，分量轻，频率变高 §构造要变刚，即提高构造的刚性，可以加厚构件，可以参与补强材§构造要变柔，也即进展构造变刚那样反过来设计，那么可以用弹簧来支承对于汽车或电车之类的乘用车的车轮运用了弹簧15© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析§加载荷的频率分析§压力或拉力载荷会改动构造体抗弯的才干§应力硬化：拉力§应力软化：压力16© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件。

案例一：音叉的频率分析 §案例描画§设计在440Hz的频率下可以释放出一个较低的A音的音叉运转一次频率分析来验证音叉能否会在正确的频率下发生振动此外，在音叉末端加载450N的载荷，以判别它对共振频率的影响§学习内容§频率分析的流程§刚体方式§列举共振频率17© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析 §关键步骤§添加约束在音叉末端添加固定几何体的约束，以模拟该手柄被人手握住的效果§对模型划分网格§运转分析§后处置结果§移除固定几何体：移除约束以获得更多的振型§加载后的影响在音叉上作用一个载荷，并察看添加预应力后对振动方式有何影响18© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§分析步骤〔带约束〕§翻开零件：tuning fork§新建频率分析算例§设置算例属性19© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§分析步骤〔带约束〕§定义资料：§需求的资料属性§弹性模量§泊松比§质量密度§定义约束§模拟手柄被人手握住的效果为了模拟惯性刚度，频率分析中模型的资料属性必需包括资料的密度为了模拟惯性刚度，频率分析中模型的资料属性必需包括资料的密度20© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件。

案例一：音叉的频率分析§分析步骤〔带约束〕§划分网格§默许网格大小，高质量§相对于同模型的应力分析而言，频率分析可采用更粗糙的网格§运转§查看结果§查看各阶振型21© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§分析步骤〔带约束〕§查看结果§列举共振频率22© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§刚体方式§模型没有加约束或部分约束时为刚体运动方式，一切应变为零，固有频率为零§刚体方式的频率分析，必需用FFEPlus解算器§当频率分析中包含载荷效果时，不能运用FFEPlus解算器23© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§分析步骤〔不带约束〕§新建频率算例§定义资料§划分网格§运转§查看结果§查看各阶振型§列举共振频率§由【列举方式】窗口可知，最初的6个方式对应的频率接近为0Hz最初的6个振动方式对应着刚体方式由于没有支撑，作为刚体对应它有6个自在度：3个平移自在度和3个旋转自在度24© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§分析步骤〔带载荷〕§留意：运转一个预载荷〔预应力〕的频率分析时，模型必需以某种方式支撑在载荷作用的方向上，在没有支撑的条件下，将产生奇特刚度矩阵，从而导致模型无法求解。

§施加载荷§在音叉末端施加450N的压力§运转分析25© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§分析步骤〔带载荷〕§查看结果§振型§列举共振频率压力降低抗弯才干，使构造变柔，频率变低压力降低抗弯才干，使构造变柔，频率变低拉力提高抗弯才干，使构造变刚，频率变大拉力提高抗弯才干，使构造变刚，频率变大26© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例一：音叉的频率分析§总结§无论有无支撑，频率分析都可以用于分析构造变形的刚体方式但现实中没有无约束的情况，所以是没有意义的§频率分析只计算固有频率及对应的振动模态，并不计算振幅或应力只思索较低阶次的固有频率及振动模态§频率分析位移结果只能在一样的振动方式中比较模型不同部位的相对位移，其大小没有意义§载荷作用下会导致构造的固有频率改动，想要正确地分析，任何产生预应力的载荷都需求思索在内27© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件练习§汽车悬架频率分析§无支撑§有支撑28© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件29© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件。

案例二：风扇的频率分析§工程描画§本练习的主要义务是在思索及不思索离心力的情况下，对吹风机风扇进展频率分析–对吹风机风扇进展一次频率分析该风扇设计转速可以允许一定范围的差别因风扇为对称构造，为简化计算，采用一根叶片作为几何体特征对固定叶片和旋转叶片各做一次分析，研讨由于旋转叶片离心力的作用而添加的刚性所产生的影响效果30© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§学习内容§带载荷的频率分析§频率分析结果处置§设计情形31© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§分析步骤〔无离心力〕§翻开零件fan,选择配置“section〞§创建频率分析算例§定义频率数：5阶§定义资料：1060合金钢§添加约束：固定约束§网格划分§默许网格大小，高质量，勾选“自动过渡〞§运转算例32© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§分析步骤〔无离心力〕§查看结果33© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析〔参阅〕§整个风扇不加载频率分析〔设置频率数：10阶〕§前5阶振型为单个叶片的上下摆动，频率类似。

34© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析〔参阅〕§整个风扇不加载频率分析〔设置频率数：10阶〕§后5阶振型为单个叶片的左右扭动，频率类似35© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§分析步骤〔有离心力〕§其他各步骤一样§添加载荷：离心力§加速度：3000r/min，【所选参考】“Axisl〞36© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§分析步骤〔有离心力〕§选择解算器：自动或Direct sparse§划分网格§运转算例留意：当频率分析中包含载荷效果时，不能运用留意：当频率分析中包含载荷效果时，不能运用FFEPlus解算器37© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§分析步骤〔有离心力〕§查看结果§当思索离心力引起的拉伸应力时，风扇叶片的根本频率会有显著的不同有离心力无离心力38© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§假设能研讨叶片的根本频率在不同转速下的效果，并画出根本频率随转速变化的曲线图，非常有意义。

利用Solidworks Simulation“设计情形〞，查看在不同的离心载荷下的频率的变化将角速度设为6000，9000，12000，15000rpm，查看固有频率的变化§运用设计情形§定义参数：角速度39© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§运用设计情形§链接参数§添加参数数值§运转一切设计情形40© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§列举设计情形摘要41© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例二：风扇的频率分析§总结§对于对称构造，固有频率分析后振动方式为对称，会出现几阶固有频率非常接近的景象§振动的方式阶数越高，振动的方式越复杂42© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件练习：叶轮的频率分析§分析叶轮在2000rpm的转速下的频率§混合网格§实体与曲面间的接触43© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件44© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件频率分析的相关知识§静力分析中，节点位移是主要的未知量[K]d=F中[K]为刚度矩阵，d为节点位移的未知量，而F为节点载荷的知量。

§在动力学分析中，添加阻尼矩阵[C]和质量矩阵[M]§上式为典型的在有阻尼的交迫振动方程当短少阻尼及外力时，该短少阻尼及外力时〔自在振动〕，该方程式简化为45© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§知识点§频率分析会涉及刚度系数和质量矩阵，因此构造的外形就必需坚持不变§如以下图所示，在不同载荷作用下，两个梁可以相互独立，也可以相互接触这两种情况下的振动特征会截然不同46© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§对装配体进展分析，要求一切零件都接合在一同，不允许有不接触或有缝隙的情况，不允许有干涉，同时也不能运用螺栓接头§在Simlation中螺栓接头，我们假设螺栓头/垫圈和螺母接触面不断坚持接触，不会在剪切载荷下滑动故不能运用螺栓接头§假设定义了无穿透接触，由于无穿透接触可允许接触面之间分别和接触，载荷施加后构造的外形就能够会改动§因此本例中，无论是螺栓接触还是无穿透接触情况都必需使其贴近实践情况47© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§工程描画§发动机支架支撑着一个较重的发动机。

对该支架进展分析，以判别发动机在额定转速范围内能否发生共振§为简化模拟过程，假设与发动机直接接触的衔接部件的刚性很高，而且相对于发动机的质量来说其本身的质量可以忽略不计这样 ，在进展分析时就能忽略这些零部件但依然需求模拟装配体中的其他衔接§关键步骤§远程质量§设置衔接§结合与自在接触条件48© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§翻开装配体“FullBase.sldasm〞，配置“no engine〞§远程质量§当一个实体的质量很重要但其应力和变形不重要时，可处置为远程质量发动机不是此次分析关注的对象，故将其视为远程质量§被视为远程质量的实领会被排除到网格化外，但进展分析时会思索它们的质量属性和惯性张量49© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§添加约束§固定几何体50© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§检查结合接触〔结合配置〕51© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件。

案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§划分装配体网格§为节省分析时间，选择“草稿〞质量，默许网格大小§运转分析§列举共振频率§假设发动机的任务频率正益处在这些频率范围之间，就必需重新设计以防止共振频率(弧度/秒) 频率(赫兹) 周期(秒)873.83139.070.00719911.15145.010.0068962339.2372.290.0026864360.2693.940.0014414634737.530.00135652© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§显示前4阶方式53© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§显示前4阶方式54© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§显示前4阶方式55© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§显示前4阶方式56© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件。

案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤〔结合与自在接触〕§翻开算例“Frequency-bonded〞§本算例中将支杆与板面之间一切接触设置为【自在】57© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤〔结合与自在接触〕§刚性销钉接头§由于支杆之间的接触是自在的，因此必需建立支杆与锁紧螺母之间的衔接方式拧紧的螺栓衔接可以设置为刚性销钉接头，如下图58© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件§分析步骤〔结合与自在接触〕§刚性销钉接头§已完成9个，将余下3个定义案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕59© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§分析步骤§其他设置与前算例一致§添加固定约束§列举共振频率60© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件案例三：装配体的频率分析〔发动机支架〕§总结§从上面的分析可知，用结合近似模拟一切的接触会添加装配体的刚性，而采用“结合加自在〞的接触方式使模型柔性更强§对于装配体中不同的接触与衔接，可以用结合、自在接触、销钉衔接和点焊等方式近似模拟，使基于这些方法组合运用，可以有代表性地建立一些模型，以便得到更加刚性或柔化的结果。

从而得到原装配体的振动特征信息的范围§质量参与因子：质量参与因子是用来决议所计算的方式能否适宜运用根底运动来处理动态问题§譬如，鼓励是延X方向，那么当X方向的质量参与到达80%以上，那么这个模态数量就足够来算动态问题的要是不到，那继续添加模态数量，直到质量参与因子到达80％以上为止61© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件课后练习§颗粒分别器的频率分析§工程描画§对一个接受颗粒分别器的支架进展频率分析62© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件课后练习§本练习运用的技术§频率及方式形状§全部结合接触条件§频率分析结果处置63© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件课后练习§操作步骤§翻开装配体：particle separator§查看频率分析§激活频率分析“frame〞§设置零件文件夹§为简化分析，分别器可视作远程质量，被结实地衔接在支撑平台上§将最后一个零件“〞定义为远程质量，均匀分布在支撑导轨的8个平面上64© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件课后练习§操作步骤§编辑结点§复制“静态分析〞算例中的结点到“频率〞算例§设置接触§复制“静态分析〞算例中的衔接文件夹到“频率〞算例中。

此外在支撑板底面之间创建结合的接触条件65© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件课后练习§操作步骤§添加约束§查看“静态分析〞算例中的约束，复制至“频率〞算例中§划分网格§运转分析§动画显示方式形状66© 2007 SolidWorks Corp. 机密文件课后练习§操作步骤§列举共振频率。