ANSYS在模态分析中的应用
ＡＮＳＹＳ在模态分析中的应用
摘要:共振是机械结构不可避免的问题之一,为有效预估结构的振动特性及结构的优化设计,利用大型有限元分析软件ANSYS对设计的结构进行模态分析。文章以磁瓦为例,利用APDL语言建立电机磁瓦的参数化模型,在ANSYS软件中自动建立相应的电机磁瓦模型。通过ANSYS求解得到电机磁瓦固有频率以及对应的模态振型,与音频法实验所得共振频率进行对比证明ANSYS仿真的可靠性,对改进电机性能、优化磁瓦结构提供数据支持。
关键词:ANSYS;模态分析;磁瓦
模态分析是结构的固有振动特性分析。这种分析用于确定结构的固有频率和振型,其分析结果可作为瞬态动力学分析,谐响应分析和谱分析等其他动力分析的基础。模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先,将结构物在静止状态下进行人为激振,通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换(FFT)分析,得到任意两点之间的机械导纳函数(传递函数)。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合,识别出结构物的模态参数,从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理,在已知各种载荷时间历程的情况下,就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。
1模态分析理论
在结构动力学问题中结构固有频率和固有振型是动力学问题分析的基础。在无阻尼自由振动的情况下,结构的固有频率和振型可转化为特征值和特征向量的问题。N自由度无阻尼系统的自由振动可表示为:[m]{q(t)}+[k]{q(t)}={0}?譹?訛由于弹性体的自由振动可以分解为一系列简谐振动的叠加。因此可设式?譹?訛的解为:{q(t)}={u}cos(ωt-?渍) ?譺?訛式中,ω为简谐运动的频率;?渍为任意常数。将式?譺?訛代人式(1)得:[k]{u}-ω2[m]{u}=0这是一个关于{u}的n元线性齐次代数方程组,kij-ω2mij=0称为系统频率方程。将它展开可得到关于ω2的n次代数式:ω2n+a1ω2(n-2)+a2ω2(n-2)+...+an-1ω2+an=0假定系统的质量矩阵与刚度矩阵都是正定的实对称矩阵,这一条件下,频率方程kij-ω2mij=0的n个根均为正实根,它们对应于系统的 个自然频率,因而可以由小到大按次序排列为ω12
2用ANSYS对模型进行模态分析
在ANSYS软件平台上,采取先划分二维实体模型,再在此基础上拉伸成三维实体模型(已网格划分)。建模如图1所示。采用solid 95单元进行网格划分共有25 949个节点,13053个单元,经过ANSYS的仿真得到磁瓦对应前9阶音频法实验值与ANSYS仿真所得固有频率及其相对应的主振型,如表1所示。
可见ANSYS仿真与用音频法进行实验所得数据基本吻合,由振型可知弧顶处振动幅度较大,应适当加固此处结构。
3结 语
通过ANSYS 软件建立了电机磁瓦的三维有限元模型,对电机磁瓦进行了有限元动力学模态分析,可以找到各部位变形趋势,求出了电机磁瓦低阶固有频率和对应的主振型,所以必须对磁瓦变形趋势较明显的部位进行改良。为了避免电机在转动时系统发生共振现象,应使外界激励响应的频率避开电机磁瓦的固有频率,保证电机安全工作。
参考文献:
[1] Parker R G, Lin J. Modeling,Modal Properties,and MeshStiffnessVariation Instabilities of Planetary Gears[R]. NASA/CR-2001-210939,2001,(5).
[2] 晏砺堂.结构系统动力特征分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,1989.