關於模態分析和頻率響應分析

2021-02-25 正脈科工 CAE

有限元分析類型

(1)靜力分析

靜力分析是工程結構設計人員使用最為頻繁的分析手段,主要用來求解結構在與時間無關或時間作用效果可忽略的靜力載荷(如集中載荷、分布載荷、溫度載荷、強制位移、慣性載荷等)作用下的響應、得出所需的節點位移、節點力、約束反力、單元內力、單元應力、應變能等。該分析同時還提供結構的重量和重心數據。

(2)屈曲分析

屈曲分析主要用於研究結構在特定載荷下的穩定性以及確定結構失穩的臨界載荷,NX Nastran中的屈曲分析包括兩類:線性屈曲分析和非線性屈曲分析。

(3)動力學分析

NX Nastran在結構動力學分析中有非常多的技術特點,具有其他有限元分析軟體所無法比擬的強大分析功能。結構動力分析不同於靜力分析,常用來確定時變載荷對整個結構或部件的影響,同時還要考慮阻尼及慣性效應的作用。

NX Nastran的主要動力學分析功能:如特徵模態分析、直接復特徵值分析、直接瞬態響應分析、模態瞬態響應分析、響應譜分析、模態復特徵值分析、直接頻率響應分析、模態頻率響應分析、非線性瞬態分析、模態綜合、動力靈敏度分析等可簡述如下:

正則模態分析

正則模態分析用於求解結構的固有頻率和相應的振動模態,計算廣義質量,正則化模態節點位移,約束力和正則化的單元力及應力,並可同時考慮剛體模態。

復特徵值分析

復特徵值分析主要用於求解具有阻尼效應的結構特徵值和振型,分析過程與實特徵值分析類似。此外Nastran的復特徵值計算還可考慮阻尼、質量及剛度矩陣的非對稱性。

瞬態響應分析(時間-歷程分析)

瞬態響應分析在時域內計算結構在隨時間變化的載荷作用下的動力響應,分為直接瞬態響應分析和模態瞬態響應分析。兩種方法均可考慮剛體位移作用。

直接瞬態響應分析
該分析給出一個結構隨時間變化的載荷的響應。結構可以同時具有粘性阻尼和結構阻尼。該分析在節點自由度上直接形成耦合的微分方程並對這些方程進行數值積分,直接瞬態響應分析求出隨時間變化的位移、速度、加速度和約束力以及單元應力。

模態瞬態響應分析
在此分析中,直接瞬態響應問題用上面所述的模態分析進行相同的變換,對問題的規模進行壓縮,再對壓縮了的方程進行數值積分,從而得出與用直接瞬態響應分析類型相同的輸出結果。

隨機振動分析

該分析考慮結構在某種統計規律分布的載荷作用下的隨機響應。例如地震波,海洋波,飛機超過建築物的氣壓波動,以及火箭和噴氣發動機的噪音激勵,通常人們只能得到按概率分布的函數,如功率譜密度(PSD)函數,激勵的大小在任何時刻都不能明確給出,在這種載荷作用下結構的響應就需要用隨機振動分析來計算結構的響應。NX Nastran中的PSD可輸入自身或交叉譜密度,分別表示單個或多個時間歷程的交叉作用的頻譜特性。計算出響應功率譜密度、自相關函數及響應的RMS值等。計算過程中,NX Nastran不僅可以像其他有限元分析那樣利用已知譜,而且還可自行生成用戶所需的譜。

響應譜分析

響應譜分析(有時稱為衝擊譜分析)提供了一個有別於瞬態響應的分析功能,在分析中結構的激勵用各個小的分量來表示,結構對於這些分量的響應則是這個結構每個模態的最大響應的組合。

頻率響應分析

頻率響應分析主要用於計算結構在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應。計算結果分實部和虛部兩部分。實部代表響應的幅度,虛部代表響應的相角。

直接頻率響應分析
直接頻率響應通過求解整個模型的阻尼耦合方程,得出各頻率對於外載荷的響應。該類分析在頻域中主要求解兩類問題。第一類是求結構在一個穩定的周期性正弦外力譜的作用下的響應。結構可以具有粘性阻尼和結構阻尼,分析得到復位移、速度、加速度、約束力、單元力和單元應力。這些量可以進行正則化以獲得傳遞函數。
第二類是求解結構在一個穩態隨機載荷作用下的響應。此載荷由它的互功率譜密度定義。而結構載荷由上面所提到的傳遞函數來表徵。分析得出位移、加速度、約束力或單元應力的自相關係數。該分析也對自功率譜進行積分而獲得響應的均方根值。

模態頻率響應
模態頻率響應分析和隨機響應分析在頻域中解決的兩類問題與直接頻率響應分析解決相同的問題。結構矩陣用忽略阻尼的實特徵值分析進行了壓縮,然後用模態坐標建立廣義剛度和質量矩陣。該分析的輸出類型與直接頻率響應分析得到的輸出類型相同。
NX Nastran的模態擴張法(殘餘矢量法)可以估算高階模態的作用,以確保參加計算的頻率數足以使模態法的響應分析的計算精度顯著提高。

聲學分析

NX Nastran中提供了完全的流體-結構耦合分析功能。這一理論主要應用在聲學及噪音控制領域,例如車輛或飛機客艙的內噪音的預測分析。

(4)非線性分析

實際工程問題中,很多結構響應與所受的外載荷並不成線性關係。由於非線性,結構中可能產生大位移、大轉動或多個零件在載荷作用下接觸狀態不斷發生變化。要想更精確地反映實際問題,就必須考慮材料和幾何、邊界、單元等非線性因素。NX Nastran強大的非線性分析功能為設計人員有效地設計產品,減少額外成本提供了一個十分有用的工具。

(5)熱傳導分析

熱傳導分析通常用來校驗結構零件在熱邊界條件或熱環境下的產品特性,利用NX- Nastran可以計算出結構內的熱分布狀況,並直觀地看到結構內潛熱、熱點位置及分布。用戶可通過改變發熱元件的位置、提高散熱手段或絕熱處理或用其他方法優化產品的熱性能。

(6)空氣動力彈性及顫振分析

氣動彈性問題是應用力學的分支,涉及氣動、慣性及結構力間的相互作用,在NX Nastran中提供了多種有效的解決方法。人們所知的飛機、直升機、飛彈、斜拉橋乃至高聳的電視發射塔、煙囪等都需要氣動彈性方面的計算。

(7)流-固耦合分析

流-固耦合分析主要用於解決流體(含氣體)與結構之間的相互作用效應。NX Nastran中擁有多種方法求解完全的流-固耦合分析問題,包括:流-固耦合法、水彈性流體單元法、虛質量法。

模態分析和頻率響應分析的確是兩個不同的概念。

模態是結構固有的一種特性,它只與結構的形狀、約束形式、材料特性等有關,而與其他輸入(例如加載)無關。模態分析主要目的有:了解結構的共振區域,為結構設計提供一定的指導;對計算模型進行校驗,驗證你做仿真計算的模型是否正確;開展瞬態分析、譜分析的基礎。

而頻率響應分析則是指結構對一載荷(可以是衝擊載荷,也可能是一頻率在一定範圍內的載荷)的響應。頻率響應分析的目的是確定結構上兩點的輸入輸出關係(一般以頻率為橫坐標)。

1、模態分析亦稱振型分析

指結構動態特性的理論分析與實驗分析。目的是確定結構的模態參數,如固有頻率、阻尼、振型等。

理論分析採用有限元法。在結構複雜和所劃分的有限單元數目過多時,採用簡化的方法使有限元模型的自由度減少,或用模態綜合法,把結構劃分為若干個子結構,先求出子結構的模態,再進行綜合。

實驗分析是利用模擬實驗設施,激勵結構使其作橫向彎曲振動、縱向振動和扭轉振動,通過實時分析儀和計算機進行數據採集和處理,測試結構的響應,給出模態參數。實驗分析的結果用於驗證理論計算結果的精確性,並找出改進分析精度的途徑。廣泛應用於航空、太空飛行器的振動性能分析,以及機器和一些大型建築(如橋梁)的故障診斷與監測。

2、頻率響應分析


 Z向上的頻率響應

Y向上的頻率響應


Magnitude響應的振幅

相關焦點

  • 模態分析和頻率響應分析的目的
    NX Nastran的主要動力學分析功能:如特徵模態分析、直接復特徵值分析、直接瞬態響應分析、模態瞬態響應分析、響應譜分析、模態復特徵值分析、直接頻率響應分析、模態頻率響應分析、非線性瞬態分析、模態綜合、動力靈敏度分析等可簡述如下: 正則模態分析正則模態分析用於求解結構的固有頻率和相應的
  • 什麼是Trimmed Body模態分析?
    車輛NVH分析的工況地圖中,有很多分支(如下圖),今天我想來說說Trimmed Body(關於其他的分支,也有細文講述,請諸君自行檢閱歷史文章)。模態分析中模態頻率和模態振型直接反應車身的動態性能,一階重要模態的識別影響整車模態分布表的規劃。
  • 什麼是模態分析?模態分析有什麼用?
    模態分析主要用於計算結構的振動頻率和振動形態,因此,又可以叫做頻率分析或者是振型分析。動力學分析可分為時域分析與頻域分析,模態分析是動力學頻域分析的基礎分析類型。對上進一步分析,假設此時的自由振動為諧響應運動,也就是說u=u0sin(ωt),上又可進一步描述為:
  • 模態分析若干問題解釋
    模態分析可以得到系統結構的固有頻率與固有模態;頻響分析則可以得到系統結構的響應與頻率之間的關係!這樣系統的振動特性就明朗了。「頻率響應分析可以更加直觀地看出系統在寬頻激勵下,哪些頻率處被激起共振。結合模態分析的結果,可以更加深刻的了解系統的動態特性」。模態分析和頻率響應分析的確是兩個不同的概念。
  • MeshFree頻率響應分析方法
    MeshFree是MIDAS公司最新發布的一款免網格劃分的軟體,在MeshFree的分析過程中,工程師不需要進行模型簡化和網格劃分的操作,其操作流程為:導入CAD模型、輸入載荷和邊界條件、查看分析結果,三步驟的分析流程為工程師節省了大量時間。從今天開始我們帶您走進midas MeshFree的世界,讓您感受midas MeshFree分析的簡便、高效和可靠。
  • 模態分析入門知識
    模態分析是研究結構動力特性一種近代方法,是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性,每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的,則稱為計算模記分析;如果通過試驗將採集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數,稱為試驗模態分析。
  • 振動與模態分析的主要概念
    已知激勵(動載荷)和結構參數,求解結構的振動響應(由輸入和系統的參數,求輸出)這稱為振動正問題:基於結構動力學分析理論,求結構動力學響應。2. 已知激勵和振動響應,求結構參數。這個問題稱為振動問題的第一類反問題或系統辨識(系統識別)問題。3. 已知結構參數和振動響應,求激勵。這個問題稱為振動問題的第二類反問題——(動態)載荷識別問題。
  • 模態分析(modal analysis)詳解
    模態分析(Modal Analysis)是分析物體在激勵狀態下的動力響應,是動力分析的一種。比如測量汽車在電磁振動器激勵下的振動,或者室內空間在擴音器下的噪音特性等都屬於模態分析的範疇。模態分析一般涉及到計算機的仿真分析和實物測試,實物測試一般會使用到位移,加速度或者速度傳感器等。
  • 模態分析到底是什麼鬼
    模態分析的實質是計算結構振動特徵方程的特徵值和特徵向量。這是迄今我最認可的一句解釋,鞭辟入裡。從數學的角度發現模態的靈魂在數學中,結構的頻率和振型問題實際就是描述結構的剛度矩陣和質量矩陣相乘得到的矩陣的特徵值和特徵向量。
  • 模態分析FQA:一些基本概念和基礎知識問答
    模態分析所的最終目標在是識別出系統的模態參數,為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。模態參數有那些?模態參數有:模態頻率、模態質量、模態向量、模態剛度和模態阻尼等。7. 什麼是主模態、主空間、主坐標?無阻尼系統的各階模態稱為主模態,各階模態向量所張成的空間稱為主空間,其相應的模態坐標稱為主坐標。
  • HyperMesh和Optistruct聯合仿真,模態分析實例——小孔應力集中仿真
    本期基於小孔應力集中問題,繼續分享HyperMesh和Optistruct聯合進行模態分析的方法。靜力學分析方法詳見往期推文:《HyperMesh和Optistruct聯合仿真,靜力學分析實例——小孔應力集中仿真》Optisturct的指導書籍較少,如有需要還是推薦學習Nastran的指導書,兩種求解器的卡片設置幾乎完全一致。
  • ANSYS Workbench模態分析(一)
    另外很常見就是超聲波牙刷和超聲波清洗配飾,如手錶鏈或者項鍊耳環之類的。還有就是無處不在的揚聲器,聲學設計很重要的一個方面就是要研究振動。工業上也有利用振動的,像振動篩分機構,碾米機的分離排沙石。因此綜合看,研究振動是為了更深入了解結構的動力學響應,更好的掌控,做到抑制有害的,利用有益的一面。
  • 基於減基法的試驗模態分析方法
    摘要:一種基於減基法的試驗模態分析方法,其分析方法步驟為:(1)試驗模態分析的準備過程;(2)動態信號採集,並採用LabVIEW圖形化軟體對信號預處理並得出頻率響應輸入輸出傳遞函數矩陣;(3)在嵌入LabVIEW的Matlab程序實現減基法,得出包括極點和模態參與因子在內的模態參數;(4)建立穩態圖,求解模態振型;(5)模態驗證和與其它算法進行結果比較
  • 什麼是模態分析?(下)
    準備一次模態分析實驗時,試驗工程師應當考慮有關實驗結構的一切可用知識。其中包括實驗目的、方法、測試設置、所要求的數據(頻響函數或模態參數),測量結果的精度等信息。在設計實驗時,應該儘可能地考慮一切可能遇到的問題,運用一切能運用的知識,包括經驗,合理地安排、組織實驗。從實踐的角度講,一個好的試驗設計應符合下面的一些準則:1.
  • 頻率響應函數簡單概述
    頻率響應函數表徵了測試系統對給定頻率下的穩態輸出與輸入的關係,是試驗分析和仿真分析的基礎。互譜的一個重要應用是計算線性系統的頻率響應函數。設x(t ) 為某點輸入的平穩隨機信號,y(t ) 為任一點的響應,也是隨機平穩信號,則振動系統的頻率響應函數的互功率譜密度函數除以自功率譜密度函數的商,即:
  • 模擬集成電路之頻率響應分析零極點
    零極點的理解是模擬電路最關鍵的基礎之一,信號與系統都會講自然響應,自然響應就是偏微分方程的通解部分,而受迫響應則是偏微分方程的特解。本文將詳解零極點與頻率響應之間的關係。 我們從頻率域來分析零極點的影響。從頻率域上,零點和極點會決定系統的頻率響應。
  • NVH|如何進行白車身自由模態分析
    但卻依然不妨礙我們通過一些經典分析項目對其進行管中窺豹。今天我們要介紹的,就是模態分析。什麼是模態分析呢?模態分析是用於確定設計結構振動特性,即確定結構的固有頻率和振型。對白車身進行模態分析就是使其結構在設計中儘量避免共振和噪聲,加強其穩定性和安全性,同時計算方法與結果也可以為實車試驗提供參考和依據。下面就來詳細介紹一下如何去對白車身進行模態分析的關鍵技術。1、白車身模態分析是自由模態分析,即不加任何形式的約束。2、分析的頻率範圍設定為1-100Hz。
  • 斜拉橋地震響應分析中阻尼矩陣精確估計研究
    在斜拉橋地震響應分析中,阻尼對斜拉橋地震響應的影響很大[1 - 2],而斜拉橋各個組成部分的阻尼特性差異 較 大,整 橋 阻 尼 呈 現 非 比 例 的 特 性[3]。Rayleigh[4]和 Caughey[5 - 6]研究了經典正交阻尼的特性,但由於實際阻尼系統機制的複雜性,使其一般不具有經典正交模態,這時就要採用非正交阻尼動力系統求解方法,主要有 Foss[7] 提出的狀態空間法以及攝動法在實測阻尼的結構振動試驗中,通過自由振動的衰減分析 或 阻 尼 參 數 識 別[1] 得 到 特 定 振 型 的 阻尼比。
  • 行星齒輪傳動系統固有特性與動態響應分析
    但是振動與噪聲問題一直未能得到很好的解決,使其在傳動過程中產生較大的振動、噪聲和動載荷,可能導致系統某環節的失靈和損壞,甚至導致齒輪系統本身的破壞和故障。因此,有必要建立行星齒輪系統的動力學模型,深入研究其動力學特性。根據齒輪系統的具體情況和分析目的,分析模型可以分為三種[1]:非耦合型、嚙合耦合型和轉子耦合型。
  • 模態空間—是否能僅通過模態評價結構設計?
    看待這個問題的一個方法是,系統模態不過是一組非常複雜的濾波器,具有在不同頻率處將輸入信號進行放大和衰減的能力。對於某一特定的應用,如果僅僅關注濾波器本身,我們能否評價這些濾波器是好是壞呢?當然不能!我們只能說這些濾波器具有某些特性,與中心頻率、衰減率、和某些增益設置有關,如圖1所示。