《【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。,