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1、高速旋转轮盘模态分析,主讲人：,高速旋转轮盘模态分析,在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件，工作时由于受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。,一问题描述 对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析，求解出该轮盘的前5阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图所示，该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。相关参数为：弹性模量EX2.1E5Mpa，泊松比PRXY0.3，密度D
2、ENS7.8E-9Tn/mm3。,关键点坐标： 1(-10, 150, 0) 2(-10, 140, 0) 3(-3, 140, 0) 4(-4, 55, 0) 5(-15, 40, 0) 6(-15, 10, 0) RS=5,高速旋转轮盘模态分析,二分析具体步骤 1.定义工作名、工作标题、过滤参数 定义工作名：Utility menu File yuanpan 工作标题：Utility menu File yuanpan 2.选择单元类型 选用六面体结构实体单元来分析，但在建模过程中需要使用四边形平面单元，定义两种单元类型：PLANE42和SOLID45。 3.设置材料属性 由于要进行的是考
3、虑离心力引起的预应力作用下的轮盘的模态分析，材料的弹性模量EX和密度DENS必须定义。 定义材料的弹性模量EX 定义材料的密度DENS 弹性模量 EX2.1E5 DENS =7.8E-9 泊松比 PRXY0.3,高速旋转轮盘模态分析,4.实体建模 对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。具体的操作过程如下。 创建关键点操作：Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS,高速旋转轮盘模态分析, 由关键点生成线的操作：Main Me
4、nu Preprocessor Modeling Create Lines Lines In Active Coord 建立圆角：Preprocessor Modeling Create Lines Lines Lines Fillet,高速旋转轮盘模态分析, 生成面：Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines,高速旋转轮盘模态分析,5.划分网络 Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool,高速旋转轮盘模态分析,6. 出整个轮盘的有限元模型 通过将面绕轴旋转成有限元实体模型的
5、功能，将前面建立的轮盘截面有限元网格，围绕定义的旋转轴扫掠成整个轮盘的实体有限元模型。 定义旋转轴。可以通过定义旋转轴所在轴线上的两个关键点来，指定旋转轴的位置。 Main Menu Preprocessor Modeling Create Key points In Active CS 生成两个关键点20（-10，0，0）、21（10，0，0）。 设置单元生成选项 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Elem Ext Opts,高速旋转轮盘模态分析, 绕轴旋转截面 Main Menu Preprocessor Modeling Op
6、erate Extrude Areas About Axis,高速旋转轮盘模态分析, 观察创建的网格形式。 Utility Menu Plot Element，图形窗口中将会显示出由平面网格扫掠而成的实体单元网格情况。,高速旋转轮盘模态分析,7. 节点的坐标变换 根据轮盘的工作情况其约束条件为盘心轴向和周向约束，这种约束条件在直角坐标系下无法定义，而柱坐标下可以非常方便地定义。根据ANSYS程序中坐标系的定义规则，需要将柱坐标系的Z轴和旋转轴重合，Y轴表示转角，X轴表示径向。 通常可以有两种办法来解决这个问题： a.将所建有限元模型进行旋转使其轴向和柱坐标Z轴方向一致。 b.重新建立一个柱坐标
7、系使其的Z向和旋转轴一致。 本实例采用第二种方法。具体操作过程如下： Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments，弹出Offset WP (工作平面偏移)菜单,拖动Degrees滑动条，将Degrees (旋转角度)值设置为90。单击按钮，使工作平面绕Y轴正向旋转90度，单击ok按钮，将工作平面的WZ轴和总体坐标系的X轴方向重合。,高速旋转轮盘模态分析, 在工作平面原点创建柱坐标系。 Utility Menu WorkPlane Local Coordinate Systems Create Local CS At WP Origin 将所有节
8、点移到当前柱坐标系中。 Main Menu Preprocessor Modeling Create Nodes Rotate Node CS To Active CS将弹出Rotate Nodes into CS菜单。在菜单中单击按钮，将所有的节点都移到当前激活柱坐标系下。,高速旋转轮盘模态分析,8. 进行静力分析 由于对轮盘模态的分析需要考虑离心力引起的应力对模态的影响，所以需要先对其进行静力分析，求解出离心力产生的应力，及其对刚度阵的影响，将结果写入数据库文件。有预应力的轮盘静力分析具体过程如下。 指定分析类型及分析选项 aMain Menu Solution New Analysis“
9、Static” bMain Menu Solution Soln Controls，将弹出求解控制(Solution Controls)对话框。单击标签“Basic”，在Calculate Prestress effects选项前打“”。打开预应力选项。单击OK,高速旋转轮盘模态分析, 定义边界条件和转速 对于本实例分析的轮盘，由安装条件知道其边界条件应该是，在轮盘盘心的节点轴向和周向固定，而径向自由。其离心载荷是由于高速旋转产生的，因此需要在分析时指定轮盘的旋转速度，具体操作过程如下。 定义约束：Main Menu Solution Define Loads Apply Structural
10、 Displacement On Nodes 限制UY,UZ两个自由度，分别表示对周向和轴向施加约束。,高速旋转轮盘模态分析,定义转速: Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Inertia Angular Velocity Global 指定轮盘的旋转速度为1256.64弧度/秒。 进行求解 Main Menu | Solution | Current LS,高速旋转轮盘模态分析,9进行模态分析设定 由于模态分析时位移约束条件和进行静力分析时一样，而静力分析时所定义的转速在模态分析时将被忽略，因此进行模态分析时再不需要重新定义边条，
11、可以直接进入求解菜单进行求解。 指定分析选项 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis“Modal”(模态分析),高速旋转轮盘模态分析, 分析选型设定（兰索斯法） Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options No. of modes extract (提取模态的阶数)为10 ,将Expand mode shapes (模态扩展)设置为“YES”,在No. of modes to expand (模态扩展阶数)文本框中输入10。将Incl prestress effects (预应力效应)设
12、置为“YES”，这样在进行模态分析时ANSYS程序将会把前面静力分析中求解得到的离心力产生的应力对刚度的影响考虑进去。Start Freq (开始频率)是0，End Frequency (结束频率)是99999999。 进行求解 Main Menu | Solution | Current LS,高速旋转轮盘模态分析,10. 后处理 列出固有频率 Main Menu General Postproc Results Summary，将列出轮盘的所有求解的固有频率，在文本框里列出了轮盘的前10阶固有频率，可以看出有些频率值相同，这是由于轮盘结构和边条都是对称的，会出现振型和频率相同但相位不同的情
13、况。,高速旋转轮盘模态分析, 观察解得的模态 本实例中由于设置了对模态进行扩展，所以对于求得的每一阶固有频率，程序同时都求解了其对应的模态振型，来反映在该固有频率时，轮盘的各节点的位移情况。 a选取菜单路径Main Menu General Postproc Read Results First Set，选择轮盘第一阶模态。 b选取菜单路径Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu 选择DOF 从结果可以看出，轮盘第一阶模态的固有频率为527.21Hz，对应的振型为一节径。 c观察第一阶模态的动画显示。 Utility Menu PlotCtrls Animate Deformed Results 选择 DOF 图形显示窗口中将会显示本节模态的动画。同时在工作目录下会将生成的动画文件保存下来，以后可以观察。 观察完动画显示之后，单击close按钮，关闭动画控制器。,高速旋转轮盘模态分析,下面为本实例求解得到的其余不同频率时的振型图。,一阶模态振型,二阶模态振型,高速旋转轮盘模态分析,三阶模态振型,六阶模态振型,高速旋转轮盘模态分析,四阶模态振型,五阶模态振型,高速旋转轮盘模态分析,七阶模态振型,八阶模态振型,高速旋转轮盘模态分析,九阶模态振型,十阶模态振型,高速旋转轮盘模态分析,Thank You!,
