机械模态分析研究现状综述报告-王宇-2015-4-16

机械模态分析研究现状综述报告姓名：王宇班级：研1402学号：2014020071目录1机械模态分析方法综述[1].............................................................31数值模态分析与试验模态分析现状及局限性....................31.数值模态分析..............................................................32.试验模态分析...............................................................32工作模态................................................................................43模态分析发展现状及趋势[2].................................................52ANSYS模态分析[3]........................................................................63模态分析实例（ANSYS）...........................................................74总结..............................................................................................101机械模态分析方法综述[1]1数值模态分析与试验模态分析现状及局限性模态分析过程如果是由有限元计算的方法取得的,则称为数值模态分析;如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数,称为试验模态分析。两种方法各有利弊,目前的发展趋势是把有限元方法和试验模态分析技术有机地结合起来,取长补短,相得益彰。利用试验模态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力模型;利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性和响应,进行结构的优化设计。1.数值模态分析数值模态分析主要采用有限元法,它是将弹性结构离散化为有限数量的具体质量、弹性特性单元后,在计算机上作数学运算的理论计算方法。它的优点是可以在结构设计之初,根据有限元分析结果,便预知产品的动态性能,可以在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题,并可改变结构形状以消除或抑制这些问题。2.试验模态分析试验模态分析是模态分析中最常用的,它与有限元分析技术一起成为解决现代复杂结构动力学问题的两大支柱。利用试验模态分析研究系统动态性能是一种更经济、更有实效的方法。传统的试验模态分析方法是建立在系统输入/输出数据均已知的基础上,利用激励和响应的完整信息进行参数识别。传统的模态分析方法已经在桥梁、汽车和航空航天工程等几乎所有和结构动态分析有关的领域中得到广泛应用,数值模态分析与试验模态分析的方法在理论上已经趋于完善,然而这些方法在具体应用时还是存在局限性。2工作模态工作模态分析的理论和思想的提出早在20世纪70年代初期就已开始。工作模态的主要手段都是基于响应信号的时域参数辨识技术。工作模态分析常称为环境激励下的模态分析、只有输出或激励未知条件下的模态分析,正是近年来模态分析领域发展活跃,新理论、新技术的应用层出不穷的一个研究方向,被视为对传统试验模态分析方法的创新和扩展。工作模态分析的优点是:仅需测试振动响应数据,由于这些数据直接来源于结构实际所经受的振动工作环境,因而识别结果更符合实际情况和边界条件;无需对输入激励进行测试,节省了测试费用;利用实时响应数据进行模态参数识别,其结果能够直接应用于结构的在线健康监测和损伤诊断。因此工作模态试验技术使试验模态分析,由传统的主要针对静止结构被扩展到处于现场运行状态的结构,不仅可以实现对那些无法测得载荷的工程结构进行所谓在线模态分析,而且利用实际工作状态下的响应数据识别的模态参数,能更加准确地反映结构的实际动态特性,已经在桥梁、建筑、机械领域取得实质性的进展。3模态分析发展现状及趋势[2]尽管我国在模态分析领域里的研究工作起步较晚，但发展迅速。在理论与方法研究上已接近国际先进水平，在工程应用方面模态分析已渗透到我国各个工程领域，并取得了不少成就。模态分析技术发展到今天已趋成熟，特别是线性模态理论方面的研究已日臻完善，但在工程应用方面仍有工作可做。首先是提高模态分析的精度，扩大应用范围。增加模态分析的信息量是提高分析精度的关键，目前提出的一种激光扫描方法是大增加测点数的有效方法，测点数目的增加随之而来的是增大数据采集与分析系统的容量及提高分析处理速度，在测试方法、数据采集与分析方面也有不少工作可做。对复杂结构空间模态的测量分析、频响函数的耦合、高频模态检测、抗噪声干扰等方面的研究沿需进一步开展。非线性是模态分析的一个重要发展趋势，最近已逐步形成了非线性模态动力学。关于非线性模态的正交性、解耦性、稳定性、模态的分叉、渗透等问题是当前研究的重点。在非线性建模理论与参数辨识方面的研究工作亦是当今研究的热点。非线性系统物理参数的识别、载荷识别方面的研究亦已开始。展望未来，模态分析与试验技术仍将以新的速度、新的内容不断向前发展。2ANSYS模态分析[3]ANSYS软件是美国Swanson公司推出的融结构、流体、电磁、热、声学为一体的大型通用有限元分析软件,与其他大型有限元分析软件相比,其最突出的特点是友好的程序—用户界面,完整强大的图形交互能力,从而极大地方便了用户的操作.它拥有丰富的单元库和材料库,用户可以根据具体的分析对象选取合理的剖分单元及材料特性,除此之外,用户还可以自定义材料特性,以满足特殊情况的需要.ANSYS能够高效的求解各种复杂结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、断裂力学等问题.它具有完善的前后处理模块和强大的数据接口,因而是计算机辅助工程(CAE)、工程数值分析和仿真的有效工具.ANSYS环境下的模态分析是一个线性分析,整个过程分为四步:1.建模:在前处理中定义单元类型,单元实常数,材料性质和模型几何性质,由于模态分析中只包括线性行为的分析,因此在定义单元时必须选用线性单元.2.加载及求解:定义分析类型和分析选项,施加载荷,指定加载步选项,进行有限元计算求解固有频率.ANSYS提供了7种模态分析的方法,分别是子空间法(Subspace),分块Lanczos方法(BlockLanczos),PowerDynamics方法,缩减法(Reduced),非对称法(Unsymmetric),阻尼法(Damped),QR阻尼法(QRDamped).在通常的使用中,选择分块Lanczos方法、子空间方法、PowerDynamics方法、缩减法已经足够大多数分析使用了.3.扩展模态:所谓的扩展模态就是将振型写入结果文件,如果想在后处理中观察到振型,就必须先进行模态扩展.4.观察结果:经过模态扩展以后模态分析结果被写入到结构分析的结果文件中,其中包括:固有频率,扩展模态形状以及相对应力和力的分布。ANSYS是成熟的工程分析软件,可直接输入结构几何图形,运用其丰富的单元库,在图形中进行有限元网格划分,另外还具有完善的计算工具.在进行结构的模态分析时,只要建模正确,单元及模态分析法选择适当,所得到的计算结果准确性极高.通过使用ANSYS模态分析可将繁难的模态分析工作变得轻松、直观.同时在ANSYS环境中以模态分析为基础,还能够进行其他动力学分析,概念清晰简洁,计算方便快捷.ANSYS作为目前在国际上流行通用的大型有限元分析软件,易在进行结构设计、结构优化过程中推广使用.3模态分析实例（ANSYS）北京航空航天大学的李硕东，马纲在充分利用ANSYS模态分析功能的基础上，结合大量振动台用夹具模态分析的科研课题和实际分析经验，提出编程开发程序以自动生成ANSYS宏代码并将宏封装的新思路以及采用数据库管理结果文件的办法。实现了分析过程模块化自动完成，分析结果由数据库管理系统管理的便捷、高效的模态分析。[4]陕西科技大学的陈勇强，李小莹，陈号在有限元技术基础上，采用ANSYSWorkbench软件对摩擦离合器外壳体和内壳体进行模态分析，得到了摩擦离合器外壳体和内壳体的各阶固有频率和固有振型。分析结果为离合器结构设计及动态响应分析奠定了一定的理论基础。[5]中北大学的徐兆华，崔志琴，张腾通过三维建模软件Pro/E建立6300柴油机曲轴的简化模型，再将其导入到有限元软件ANSYS，然后运用Blocklanczos法对曲轴进行模态分析，得到曲轴的前9阶固有频率与振型，为曲轴的优化设计和动态响应奠定基础。[6]南京信息工程大学的袁安富，陈俊利用大型有限元分析软件ANSYS对设计的结构进行模态分析，将有效预估结构的振动特性及结构的优化设计。文章以主轴箱为例，运用该软件建立了主轴箱的三维有限元模型，在0-200Hz频率范围内，分析了该主轴箱的前十阶振型，结果表明：该主轴箱的主振频率处于62Hz，为主轴箱的整体设计及其制造提供了有力的技术支撑。[7]河南科技大学的徐立友，李金辉在介绍模态分析基本理论的基础上，基于UG软件建立了拖拉机液压机械无级变速器(HMCVT)太阳轮轴的三维模型，利用ANSYS-UG的数据接口将太阳轮轴三维实体模型导入ANSYS中生成有限元分析模型，并运用自由模态和约束模态两种分析方法对太阳轮轴进行了模态分析。结果表明：两种模态分析方法均可以得到较准确的计算分析结果，但约束模态分析方法更能反映系统的实际工作状况；太阳轮轴在低阶频率下以弯曲摸态为主，高阶频率下为整体的扭转模态以及整体和局部的混合模态。本研究对细长轴的结构设计及动态特性分析提供了理论依据。[8]安徽理工大学的叶友东，周哲波研究了直齿圆柱齿轮的固有振动特性,采用有限元法建立了直齿圆柱齿轮的动力学模型,通过有限元分析软件ANSYS对齿轮进行模态分析,得到了齿轮的低阶固有振动频率和主振型,可以为齿轮系统的动态设计提供参考,同时也为齿轮系统的动态响应计算和分析奠定了基础。[9]江西理工大学的刘祚时，彭建云为了确定振动筛偏心轴的振动特性，通过工程分析软件ANSYS对其进行了建模与模态分析。详细阐述了模态分析的全过程，从建模环境的选择，偏心轴实体模型和有限元模型的建立，到最后的模态分析。其中，有限元建模中用弹性支承单元COMBIN14代替将轴承简单处理为刚性约束的方式，更加真实的分析得出轴的前10阶固有频率和振型。对比传递矩阵法，方法简便，计算快捷，得到直观振型形象。模态分析有效预估了结构的振动特性，为选择电机参数提供依据，并为谐响应分析及瞬态分析奠定基础。[10]南京航空航天大学的艾平贵，朱如鹏利用非线性有限元的方法对金属挠性膜盘联轴器的特性进行研究。主要包括以下几个方面：根据已设计的符合实际尺寸的模型，建立膜盘联轴器应力分析的有限元模型；在对前述模型静力分析和模态分析的基础上，鉴于膜盘的型号多变，为了能够做出通用的分析方法，文中采用通用的有限元分析软件ANSYS的二次开发语言APDL建模和分析膜盘，大大提高了分析的通用性和效率。[11]吉林电子信息职业技术学院的王宇，刘凯，林永龙简要阐述了模态分析的基本原理以及在ANSYS环境下进行模态分析的步骤，并举出具体算例，对一标准齿轮进行模态分析计算，以此说明在ANSYS软件中进行模态分析的方法，结果表明对于确定机械结构的振动特性来说此法行之有效，完全能够满足结构设计的要求。[12]4总结这篇综述报告首先引用了一篇2006年的综述性的文献[1]，对模态分析方法进行概括和总结：传统模态分析方法主要分为数值模态分析和试验模态分析，并陈述了工作模态分析的方法。之后引用了一篇2014年的综述性文献[2]，陈述模态分析最新的研究方法以及发展现状和发展趋势。本文主题内容针对ANSYS在模态分析中的应用进行表述和举例。先利用2005年的一篇文