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1、Training Manual第三章第三章高级模态分析高级模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0预应力模态分析预应力模态分析预应力模态分析定义具有预应力结构的模态分析；同样的结构在不同的应力状态下表现出不同的动力特性。例如，一根琴弦随着拉力的增加，它的振动频率也随之增大。涡轮叶片旋转时，由于离心力引起的预应力的作用，它的自然频率逐渐具有增大的趋势。为了恰当地设计这些结构，必须要做具有预应力和无预应力的模型的模态分析.Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0主要步骤:建立模型有预应力的静力分析作有预应力
2、的模态分析建立模型:与通常的标准模态分析考虑事项相同.需要指定有正确单位的密度.预应力模态分析预应力模态分析 Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0建模Solution Unabridged Menu Solution Analysis Type Analysis Options 预应力模态分析预应力模态分析 在静态分析中给模型施加预应力选择分析类型和选项： 必须激活预应力选项。载荷： 施加引起预应力的载荷后处理： 观察结果，确认已经施加了合适的载荷。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Element P
3、lot - Static Analysis of Prestressed ModalStress Plot - Static Analysis of Prestressed Modal预应力模态分析预应力模态分析 Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0建立模型有预应力静态分析除了在分析选项中必须激活预应力效果选项外，其它步骤与普通模态分析的步骤一样。预应力模态分析预应力模态分析 Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0预应力板预应力板没有预应力没有预应力对比:预应力模态分析预应力模态分析 Training M
4、anualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0建立模型有预应力的静力分析考虑预应力的模态分析预应力模态分析预应力模态分析 Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0循环对称结构模态分析循环对称结构模态分析利用循环对称的模态分析；可以只模拟结构的一个扇形区，然后观察整个结构的振型。节省了建模时间 不需要模拟整个结构。节省了计算时间和硬盘空间只需要较少的单元和自由度。应用：可用于任何具有循环对称的结构：如涡轮、叶轮。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0循环对称分析循环对称分析六个主要步骤：基本扇区
5、的建模确定循环对称平面在两个扇区上施加边界条件指定分析类型和选项用CYCSOL命令求解将求解结果扩展到360，对结果进行评价Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0基本扇区建立基本扇区建立基本扇区必须在全局柱坐标系中：X为径向，Y 沿着 向， Z 为轴向循环对称面 （或边）：必须要有相匹配的节点分布，可以通过规定线的分布来保证这一点可以是曲线的只要360/是整数，扇区角 可以是任何值.Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0确定循环对称面确定循环对称面确定循环对称面:自动过程:执行CYCLIC命令来探测:扇区的
6、数目扇区的角度循环坐标系循环边界手工过程:选择沿最低角度 的节点.创建节点组元: Utility Menu Select Comp/Assembly Create Component选择沿最高角度 的节点.创建节点组元: Utility Menu Select Comp/Assembly Create Component执行 CYCLIC 命令Components:DISC_M01LDISC_M01HTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0施加边界条件施加边界条件施加边界条件：主要是位移约束；仅在各节点上施加约束（因为第二个扇区只包括节点和单元）；根据
7、位置选择节点，而不是根据编号；不需要施加对称边界条件（除非是进行静态分析以施加预应力）。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0指定分析类型和选项指定分析类型和选项指定分析类型 分析类型 模态选项Block Lanczos 方法是推荐的提取模态阶数 (NMODE) 是每个节径上 扩展所提取的模态.Main Menu Solution Analysis Type New AnalysisTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解指定循环对称分析选项并利用SOLVE命令:执行 CYCOPT,hindex命令去
8、指定求解哪个谐波指数.缺省是求解所有可用的谐波指数 （harmonic indices）.菜单操作:Solution Solve Current LSTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解 节径振动中位移为零的线提供了从基本扇区计算整个模型模态振型的关系一条节径通常在周向引起一个振动波，即一条横穿零位移平面的线，两条节径引起的两个振动波，如此类推；每条节径有许多振型，应当注意一条给定节径的高阶振型可能在周向出现更多的振动波。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解一条节径注意，下面的位移UZ等
9、值线图中有一条零位移的径向线，右图表示的是振型的侧视图。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解两条节径Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解三条节径Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解四条节径Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解零节径 （轴对称模型）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解对每个谐波指数，指定提取振型的阶数；可以指定提取
10、振型的谐波指数；最小谐波指数是0 ( “breathing mode”).若扇区数是偶数，则最大谐波指数(NSECTOR/2)；若扇区角是奇数，则最大谐波指数 (NSECTOR-1)/2Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0求解求解谐波指数k 与含有N个扇区模型的节径数 d 之间的关系式是:Thefollowingtableshowshowtheharmonicindex,nodaldiameterandnumberofsectorsrelatetooneanother:Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.
11、0说明为了扩展至 360所需的扇区数量：输入命令 EXPAND，n ，其中n是扇区数量；在读入结果时，实际扩展即已完成。使用SET命令或菜单中的 “By Load Step”，可以读入所需振型。扩展结果查看扩展结果查看Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0结果查看结果查看Harmonic index 0, modes 1-5Harmonic index 1, modes 1-5Harmonic index 2, modes 1-5Harmonic index 3, modes 1-5Harmonic index 4, modes 1-5列出频率：Ge
12、neral Postproc Results Summary每一条节径都作为一个单独的载荷步进行保存Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0结果查看结果查看执行命令 /CYCEXPAND,ON. ( General Postproc Cyclic Analysis Cyc Expansion )扩展至 360所需的结果使用SET命令或菜单中的 “By Load Step”，可以读入所需振型。Harmonic index. LSTEP=1 means harmonic index 0 in this case.Mode numberTraining Ma
13、nualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0动画显示振型及频率结果PlotCtrls Animate Mode Shape.结果查看结果查看Harmonic Index 0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0结果查看结果查看Harmonic Index 1Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0结果查看结果查看Harmonic Index 2Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Harmonic Index 3结果查看结果查看Training Ma
14、nualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Harmonic Index 4结果查看结果查看Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0对比循环分析与全分析频率吻合较好.对于每个谐波指数，低阶模态是Notice that the lower modes are the first few modes for each harmonic index.538个单元和 1790激活自由度 vs. 2690单元和 17900 激活自由度.对称模型的CPU运行时间少于全模型分析的一半.结果文件大小对比: 1.34 MB vs. 4.16 MB.36
15、Symmetry ModelFull 360 Model结果查看结果查看Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0大变形模态分析大变形模态分析大变形模态分析?经历了大变形后的结构模态分析.应用当在相对细薄的气轮机叶片上作用压力或旋转载荷时，此载荷易当在相对细薄的气轮机叶片上作用压力或旋转载荷时，此载荷易于使影响自然频率的螺旋桨松开于使影响自然频率的螺旋桨松开. .海平面下安装的管道由于接触海底导致频率的改变海平面下安装的管道由于接触海底导致频率的改变. .压力载荷下的薄膜分析压力载荷下的薄膜分析. .Training ManualDYNAMICS 11.
16、0DYNAMICS 11.0大变形模态分析与预应力模态分析区别?预应力模态分析假定应会影响模态，但变形是小的也就是几何没有变化 .大变形模态分析假定发生了较大的变形，需更新几何，从而这种更新的几何位形会影响结构的模态.接触和大变形接触和大变形大变形模态分析大变形模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0主要步骤:建立模型进行大变形静力分析更新几何位形利用部分求解命令，进行模态分析查看结果建立模型:与通常的标准模态分析考虑事项相同.需要指定有正确单位的密度.大变形模态分析大变形模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNA
17、MICS 11.0进行静力分析进行静力分析建模建模进行静力分析 分析类型确定激活预应力与大变形开关 载荷 施加静力载荷求解Solution Unabridged Menu Solution Analysis Type Analysis Options Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0更新变形几何体更新变形几何体更新位形从静力分析向原有的几何位置增加位移.新的模态分析会在此更新的几何位置上进行.Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0设置分析类型和选项利用部分求解功能求解分析类型和选项矩阵三角化 ( PS
18、OLVE,TRIANG)计算特征值 ( PSOLVE,EIGLANB)扩展模态 ( PSOLVE,EIGEXP)进行模态分析进行模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0分析类型和选项设置求解类型：模态模态提取方法 ( Block Lanczos)选择模态提取阶数进行模态分析进行模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 矩阵三角化(PSOLVE,TRIANG) Solution Solve Partial Solu进行模态分析进行模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DY
19、NAMICS 11.0计算特征值 (PSOLVE,EIGLANB)进行模态分析进行模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0扩展模态 这作为一个独立的阶段 打开扩展开关 进行模态分析进行模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0扩展模态 (接上页)选择要扩展的模态阶数进行模态分析进行模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0此时，用户可以得到模态分析的标准的结果文件此时，用户可以得到模态分析的标准的结果文件 扩展模态 (接上页)进行部分求解扩展模态进行
20、模态分析进行模态分析Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0模态模态4, 频率频率= 585.631 Hz模态模态 2, 频率频率 = 151.584 Hz模态模态6 , 频率频率=881.08 Hz查看结果查看结果Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 大变形模态分析模态都是基于变形后的几何体.注意，在模态分析阶段非线性因素被忽略，接触单元保持它们的初始接触状态不变. 接触单元的滑移运动是否允许依赖于设置的摩擦系数值.选择粗糙接触，可避免滑移.查看结果查看结果Training ManualDYNAMICS
21、11.0DYNAMICS 11.0组元模态合成组元模态合成组元模态合成?子结构分析类型基于各自的独立部件进行模态分析.合成要确保组元能作为一个整体工作，要满足内部组元协调性及平衡约束.在交界面节点要求主自由度.Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0应用可精确解决大模型的问题.组元分析可并行运算.单一组元的变化只需要它在generation pass和use pass被重新求解.利用重复、对称结构的优点.可以建立组元库，并用来组合不同的组合体在不同的组元上不同的设计可独立进行. 组元模态合成组元模态合成Training ManualDYNAMICS 1
22、1.0DYNAMICS 11.0两种方法 固定界面与自由界面固定界面法计算组元的振动基于一个固定的界面 CMSOPT,FIX,自由界面法计算组元的振动基于一个没有约束的界面 CMSOPT,FREE,下面讨论固定界面法. 理论简介理论简介Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0理论简介理论简介组元模态合成方法用主自由度集um和一系列模态系数yd d.取代全模型自由度u.转换如下所示m 表示主自由度或边界自由度表示主自由度或边界自由度 s 表示从自由度或内部自由度表示从自由度或内部自由度 T 为变换矩阵为变换矩阵Training ManualDYNAMIC
23、S 11.0DYNAMICS 11.0内部自由度内部自由度, us边界自由度边界自由度, umCMS Component组件装配组件装配理论简介理论简介Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0(约束模态约束模态)(固定模态固定模态)CMS 转换矩阵转换矩阵 固定模态法固定模态法约束模态是在单位位移约束模态是在单位位移边界条件边界条件下，在内部节点自由度上所下，在内部节点自由度上所得到的位移得到的位移.固定模态是有固定边界组元的模态固定模态是有固定边界组元的模态理论简介理论简介Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11
24、.0CMS假定内部自由度由约束模态和固定模态的集合近似.对于一个特定模态Us = um F Fc+yd dF Fs约束模态约束模态F Fc, 和固定模态和固定模态F Fs 在在generation pass进行；进行；um 和和yd d 在在use pass计算；计算；Us在扩展阶段计算在扩展阶段计算.理论简介理论简介Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.01.Couplesuperelements2.ModalanalysisSubStructure11.AssembletheM,K2.Staticreduction3.ModalanalysisSu
25、perelement 1 Transferbacktophysicalcoordinateofsubstructure 1Transferbacktophysicalcoordinateofsubstructure 2USE Pass (Step 4)GenerationPass (Step 3)Expansion Pass (Step 5)Partition Model (Steps 1 &2)Transferbacktophysicalcoordinateofsubstructure NSubStructure21.AssembletheM,K2.Staticreduction3.Moda
26、lanalysis Superelement 2 SubStructureN1.AssembletheM,K2.Staticreduction3.Modalanalysis Superelement N .求解步骤求解步骤Assembled Results Display (Step 6)Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0六个步骤:建立模型. 定义单元组元和节点界面组元在选择的单元集上生成操作.在组合体上进行使用操作.扩展组元子结构结果.读取组元结果到后处理器中.过程过程Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 1
27、1.0建立模型可用自下而上或自上而下方法.自上而下方法，组元从整个数据库中选择自下而上方法，每个组元都会创建一个数据库将模型分成多个组元.如果组元没有共用节点，则他们的交界面需要协调，才能在use pass 中耦合起来.过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）FuselageRight WingLeft WingVertical TailHorizontal TailExample ModelTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0为了便于在GUI中运用和识别单元和节点，需要生成单元和节点组集定义单元组元和组元界面之间的节点组元组元管理向导可以使用 U
28、tility Menu: Select: Component Manager过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0在选择的单元集上进行生成操作.求解细节 子结构的Block Lanczos 特征值求解静态的数值缩减 (Guyan Reduction).生成以后要用的文件For USE pass: _.subFor EXPANSION pass: _.cms, _.emat, _.db, 用户操作命名超单元矩阵文件 SEOPT 命令指定 CMS 法 CMSOPT 命令定义 CMS 法: 固定或自由 指定模态数和频
29、率范围 指定刚体模态数 (仅对自由法有效.)定义界面自由度. M 命令 保存数据库.过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0在选择的单元集上进行生成.利用超单元管理器去自动化这个过程过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0在选择的单元集上进行生成.超单元管理器管理所有的文件处理细节过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0步骤4. Run a modal
30、 use pass of the assembled substructure.求解细节 整个模型的频率以及界面自由度的模态形状 (_.dsub)用户操作读取超单元 SE 命令如果不共享界面节点，则连接他们 CPINTF 命令充分利用重复/对称的几何特性 SESYMM 或 SETRAN 命令过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0步骤5. 扩展组件子结构的结果.求解细节对每一个组件的所有自由度的结果 (_.rst)用户操作声明 expansion pass EXPASS 命令给 use pass .dsub 文件
31、和 generation pass .sub 文件命名 SEEXP 命令指定要扩展的模态数目 NUMEXP 命令过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0读取组元结果到后处理器中.求解细节为整个模型组合数据结果.用户操作清除数据库. 后处理是完全从组件结果文件中进行的.指定组件结果文件的名字 (_.rst) 来被读入CMSFILE 命令存储结果，进行常规的后处理操作 SET 命令步骤6. 将组件结果读入后处理器.过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNA
32、MICS 11.0将组元结果读入后处理器中.每阶模态组元结果可以组合以产生整个模态的显示.结果会与完全分析结果相殊一致.Single modal analysis of the full modelAssembled CMS solution过程（用户界面方法）过程（用户界面方法）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0SOLID95SOLID92完全网格划分完全网格划分modelcourtesyofPADTTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0CMS 组元组元part 1part 6part 4part 2
33、part 3part 5Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0单元和节点组元单元和节点组元 336nodesx22244Interfacenodes648Nodes462nodesx2Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0装配体应力结果装配体应力结果Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0装配体位移结果装配体位移结果Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0装配体位移结果装配体位移结果Training ManualDYNAMI
34、CS 11.0DYNAMICS 11.0 INDEX OF DATA SETS ON RESULT FILE SET TIME/FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.16218E-02 4 0.40648E-02 5 0.72312E-02 6 0.10677E-01 7 427.85 8 432.85 9 453.58 10 454.25 11 485.00 12 673.07 13 683.99 14 1347.6 15 2337.0INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE SET TIME/FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.
35、0000 4 0.18403E-02 5 0.38434E-02 6 0.48260E-02 7 427.85 8 432.85 9 453.58 10 454.25 11 485.00 12 673.06 13 683.98 14 1347.5 15 2337.0CMS vs. 完全分析法完全分析法 频率比较频率比较Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0CMS Solution Times on 2.8 Ghz PCSix Generation Passes - 3100 cp-secs/4320 wall-secsUse Pass 330 cp-
36、secs/ 600 wall-secsSix Expansion Passes 320 cp-secs/ 510 wall-secsTotal 3750 cp-secs/5430 wall-secsFull Model Solution Time on 2.8 Ghz PCSingle pass modal 2100 cp-secs/5700 wall-secsCMS vs. 完全分析法完全分析法 频率比较频率比较Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0创建整个模型的网格，指定材料属性包括密度为每个零件创建单元组件为每一对零件的界面节点创建节点组这些组
37、在随后的操作中可以用来简化选择过程文件命令步文件命令步Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0resume,rocket,db ! Database of full model/filnam,part1 ! Name files for part 1/soluantype,substr ! CMS generation passseopt,part1,2 ! Stiffness and mass matricescmsopt,fix,15 ! 15 modes by fixed interface cmsel,s,part1 ! Pre-defined
38、 element componentcmsel,s,interface1 ! Pre-defined node component m,all,all ! Make interface DOF master DOF nsle,s ! Select nodes by selected elemssolve ! Generation save ! Save part databaseFinish! Repeat for parts 2 through 6实例研究实例研究 Generation PassesTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0/clear
39、,nostart ! Clear database/filname,use ! Name use pass files/prep7 ! Enter preprocessor to read superelemset,1,matrix50 ! Define superelement typese,part1 ! Read superelements (partx.sub)se,part2se,part3se,part4se,part5se,part6/solu ! Enter Solution moduleantype,modalassopt,front ! Suggested until Re
40、lease 9.0modopt,lanb,15 ! Request 15 modesmxpand,15 ! Expand nodal solutionsolve ! Solution writes use.dsubfinish实例研究实例研究Modal Use PassTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0/clear,nostart ! Clear database after use pass/filname,part1 ! Re-set file names for part1resume ! Read part1 database/solu
41、! Re-enter solution moduleexpass,on ! Request expansion passseexp,part1,use ! Expand part1 with use.dsub filenumexp,all ! Expand results for all modessolve ! Expansion solutionfinish! Repeat for parts 2 through 6实例研究实例研究扩展处理扩展处理Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0/clear,nostart ! No database re
42、quired!/post1 ! Enter postprocessorcmsfile,add,part1,rst ! Select partscmsfile,add,part2,rstcmsfile,add,part3,rstcmsfile,add,part4,rstcmsfile,add,part5,rstcmsfile,add,part6,rstset,first ! Postprocess as usualplnsol,u,x后处理后处理Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0分析指导分析指导“Component mode synthesis”
43、chapter in the Advanced Analysis Techniques GuideProvides central location for documentation of component mode synthesisMain sections:Understanding Component Mode Synthesis Reference to substructure guideMulti-level substructurePre-stressed analysisTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0未来展望未来展望谐响应和瞬态分析自动化 CMS并行处理与实验数据的整合Nastran 数据的传输Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
