《【2017年整理】固有频率计算和分析实例精讲—压缩机曲轴分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】固有频率计算和分析实例精讲—压缩机曲轴分析（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 固有频率计算和分析实例精讲压缩机曲轴分析,本章内容简介 本实例以压缩机曲轴单个零部件的结构模态为分析对象，在介绍有限元法模态分析的基础上，构建该结构有限元模型和仿真模型，分别求解该结构的自由模态与约束模态，得到相应条件下的模态参数，包括各阶固有频率与振型，为进一步进行结构动力学分析提供必要的基础参数。,本章节主要内容:,基础知识问题描述问题分析操作步骤本节小结,8.1 基础知识,主要内容分为2大部分：有限元法模态分析理论基础结构模态分析操作流程,8.2 问题描述,如图所示为某一压缩机用的曲轴模型，曲轴是该类产品的关键零部件，为避免该产品在使用中出现过大的振动破坏情况，需对曲轴零部件进行
2、模态分析，曲轴的正常工作转速在800r/min，在设计中根据实际的需要要求正常转速低于第一阶临界转速；,工况条件,曲轴使用材料为40CrMoMn，曲轴的支撑约束情况如图所示，使用局部圆柱坐标系，约束除沿轴线转动自由度外的其余五个自由度，计算曲轴结构自由模态与约束模态的前3阶固有频率和相应的振型。,8.3 问题分析,（1）曲轴结构的几何模型上的一些小尺寸的圆孔、倒角等，可以在理想化几何模型中进行处理，并不影响模态参数的计算。（2）可以按照先计算曲轴的自由模态，然后在此基础之上施加约束，计算约束模态的求解思路和计算自由模态的求解思路一致。UG NX高级仿真计算结构模态的操作顺序和操作步骤和静力学分
3、析过程相似，在几何体模型基础上，可以进行理想化模型操作，然后建立有限元模型（包括赋予材料属性、定义单元属性、划分网格等），在仿真模型环境中，如果不定义边界约束条件，那可以求解该结构的自由模态（6个DOF均为自由）；如果定义了边界约束条件，那可以求解该结构的约束工况模态，但是有一点相同的，那就是不必进行定义作用载荷操作。,8.4 操作步骤,8.4.1 曲轴结构自由模态的计算 创建有限元模型 优化（理想化）模型 创建有限元模型 创建仿真模型求解自由模态 后处理及其动画演示,8.4.2 曲轴结构约束模态的计算 施加约束条件 求解约束模态 后处理及其动画演示 8.4.3 曲轴结构模态计算精度的对比,8
4、.4.1 曲轴结构自由模态的计算,打开随书光盘part源文件所在的文件夹路径：Book_CDPartPart_CAE_UnfinishCh08_Crank Shaft，选中文件Crank Shaft.prt，调出曲轴三维实体模型。,（1）创建有限元模型,依次左键单击【开始】和【高级仿真】，在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Crank Shaft.prt】节点，新建FEM，并进行相关操作；单击【确定】按钮即可进入了创建有限元模型的环境；,仿真导航器新增节点,（2）优化（理想化）模型,在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，右键弹出快捷菜单【设为显
5、示部件】并单击之（也可以直接双击该节点），即可进入优化模型的环境。右键单击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，选择【提升】命令，在窗口图形中选择整个曲轴模型作为要提升的选择体，单击【确定】。,1）理想化几何体,在工具栏上单击【理想化几何体】命令，弹出【理想化几何体】对话框；,设置相关参数,油孔1,油孔2,删除曲轴上两个贯通的油孔,2）移除几何特征,删除模型上的油孔后会发现，在油孔删除部位处还残留有前面的断线，选择【移除几何特征】命令，,选取相应的对象,移除几何特征操作后示意图,（3）创建有限元模型,1）定义材料属性 单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指派材料】对话框；,
6、设置相关参数,单击该命令,2)创建物理属性,单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框,单击【创建】,选择材料,单击【确定】,3)网格属性定义,单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框,单击【确定】,4）划分网格,单击工具栏中的【3D网格】命令，弹出【3D网格】对话框；,设置相关参数,单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框，如图所示。,5）检查单元质量,单击该命令,设置相关参数,（4）创建仿真模型,1）单击【仿真导航器】窗口分级树的【Crank Shaft_fem1.fem】节点，右键弹出快捷菜单，单击【新建仿真】，
7、弹出【新建部件文件】对话框，在【名称】中修改为【Crank Shaft_sim1.sim】, 选择本实例高级仿真相关数据存放的【文件夹】，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，如图所示,默认所有的选项，单击【确定】按钮；,单击确定,2）创建解算方案,弹出【创建解算方案】对话框，如图所示，在【名称】中修改为【Solution 1】，【解算方案类型】选取为【SOL 103 Real Eigenvalues】。,设置相关参数,单击确定,单击【创建解算方案】对话框下面【工况控制】选项卡，出现相应的选项及其参数对话框，默认【特征值方法】选项为【Lanczos法】，单击【Lanczos法】右侧的【创建
8、模型对象】图标，弹出如图所示的【实数特征值】对话框；,设置参数,单击确定,3）设置工况控制参数,4）仿真导航器新增节点,单击【创建解算方案】对话框的【确定】按钮，注意到【仿真导航器】窗口分级树中新出现了相关的数据节点，如图所示。单击工具栏中的【保存】按钮，将上述操作成功的仿真模型和数据及时保存起来。,仿真导航器新增节点,在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Crank Shaft_sim1.sim】节点，单击求解，待求解完成关闭相应的窗口，如图所示。双击【结果】命令窗口，出现模态后处理结果。,（5）求解自由模态,后处理导航器新增节点,解算监视器对话框图,2017/12/30,（6）后处理及其动画演
9、示,1）在【后处理导航器】窗口中，可以发现在【Crank Shaft_sim1.sim】的【Solution 1】前6阶模态非常接近零，是因为此次计算的是曲轴的自由模态，放开了6个自由度，因此在6个自由度方向中出现了刚体位移，读者可以点击进行查看相对某一自由度的刚体位移形式。从后处理导航器可以看出：曲轴模型的第1阶固有频率为56.51Hz，第2阶固有频率为58.71Hz，第3阶固有频率为137.2Hz。,2017/12/30,2）模式7下云图查看,展开【模式7】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该弯管的位移云图，如图所示，可以清楚的观看到曲轴在此频率发生共振的位移
10、变形情况。,第7阶模态振型（固有频率=56.51Hz）,2017/12/30,3）模式8下云图查看,展开【模式8】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该弯管的位移云图，如图所示，可以清楚的观看到曲轴在此频率发生共振的位移变形情况。,第8阶模态振型（固有频率=58.71Hz）,2017/12/30,4）模式9下云图查看,展开【模式9】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该弯管的位移云图，如图所示，可以清楚的观看到曲轴在此频率发生共振的位移变形情况。,第9阶模态振型（固有频率=137.2Hz）,2017/12/30,5）查看动画迭代图像,在上
11、述步骤中查看模态振型时，单击工具栏中的【播放】按钮，出现曲轴某阶模态下的振型变形演示过程，这就是分析某阶模态的振型演变过程。单击工具栏上的【动画】图标，弹出【动画】对话框，在【动画】选项中切换为【迭代】，单击【播放】按钮，即可清楚地观察到第1阶到第10阶模态振型的动态转换过程，单击【停止】按钮，退出动画演示。,单击工具栏中的【返回到仿真】命令，返回到仿真模型中。右键单击【Solution 1】在弹出的菜单中选择【克隆】，会发现出现复制的新的解算方案【Copy of Solution 1】，右键单击选择【重命名】为【Solution 2】，右键单击【激活】命令。,8.4.2 曲轴结构约束模态的计
12、算,（1）施加约束条件,1）在窗口工具栏中选择【约束类型】图标的小三角或在解算方案的【约束】右键选择【新建约束】，单击弹出的【用户定义约束】命令，弹出【用户定义约束】对话框。,设置相关参数,2）设置模态参数,单击【Solution 2】节点下的【Subcase - Eigenvalue Method 1】，右键选择【编辑】命令，如图所示，在【所需模态数】中输入【4】，定义提取前4阶的振型和模态参数，如图所示。单击工具栏中的【保存】按钮，将上述操作成功的数据及时保存起来。,设置相关参数,单击该命令,（2）求解约束模态,在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Solution 2】节点，右键单击【求解】
13、命令，弹出相应的对话框，在【分析作业监视器】中查看任务分析的进度，等出现【作业已完成】的提示后再依次关闭各个对话框，如图所示。,分析作业监视器,解算监视器,（3）后处理及其动画演示,在【仿真导航器】窗口分级树中，双击【结果】节点，进入了【后处理导航器】窗口，可以发现在【Crank Shaft_sim1.sim】节点出现了【模式1，3.070e+002Hz】、【模式2，3.070 e+002Hz】、【模式3，5.123e+002Hz】及【模式4，5.201e+002Hz】等四个子节点，这就是在上述约束条件下曲轴前4阶模态及其对应的固有频率值；,后处理导航器新增节点,1）模式1下云图查看,展开【模
14、式1】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况；,第1阶模态振型（固有频率=307.01Hz）,2）模式2下云图查看,展开【模式2】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况,第2阶模态振型（固有频率=307.5Hz）,3）模式3下云图查看,展开【模式3】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况,第3
15、阶模态振型（固有频率=512.3Hz）,3）模式3下云图查看,展开【模式3】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况,第3阶模态振型（固有频率=512.3Hz）,2017/12/30,4）查看动画迭代图像,单击工具栏中的【播放】按钮，可以查看曲轴在受约束状态下前4阶模态振动位移动态变形的演示过程，可以看到曲轴在工作状态下受到外界激励产生共振时，发生的模态振型变化形式，具体的振型描述不再赘述。单击工具栏上的【动画】图标，弹出【动画】对话框，在【动画】选项中切换为【迭代】，单击【播放】按钮，即可清楚地观察到第1阶到第4阶模态振型的动态转换过程，单击【停止】按钮，退出动画演示。,2017/12/30,5）退出后处理视图,读者也单击工具栏中的【四视图】按钮，可以展示弯管前3阶模态的振型情况，在此不赘述，最后退出后处理仿真界面，具体操作请参考随书光盘中的录像文件。本实例中其他计算结果和显示模式请参考随书光盘Book_CD Part_CAE_FinishPartCh08_Crank Shaft文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考影像文件Book_CDAVICh08_Crank Shaft_AVI。,
