固有頻率計算和分析實例精講-壓縮機曲軸分析.ppt

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1、第8章 固有頻率計算和分析實例精講壓縮機曲軸分析,本章內容簡介 本實例以壓縮機曲軸單個零部件的結構模態(tài)為分析對象，在介紹有限元法模態(tài)分析的基礎上，構建該結構有限元模型和仿真模型，分別求解該結構的自由模態(tài)與約束模態(tài)，得到相應條件下的模態(tài)參數，包括各階固有頻率與振型，為進一步進行結構動力學分析提供必要的基礎參數。,本章節(jié)主要內容:,基礎知識 問題描述 問題分析 操作步驟 本節(jié)小結,8.1 基礎知識,主要內容分為2大部分： 有限元法模態(tài)分析理論基礎 結構模態(tài)分析操作流程,8.2 問題描述,如圖所示為某一壓縮機用的曲軸模型，曲軸是該類產品的關鍵零部件，為避免該產品在使用中出現過大的振動破壞情況，需對

2、曲軸零部件進行模態(tài)分析，曲軸的正常工作轉速在800r/min，在設計中根據實際的需要要求正常轉速低于第一階臨界轉速；,工況條件,曲軸使用材料為40CrMoMn，曲軸的支撐約束情況如圖所示，使用局部圓柱坐標系，約束除沿軸線轉動自由度外的其余五個自由度，計算曲軸結構自由模態(tài)與約束模態(tài)的前3階固有頻率和相應的振型。,8.3 問題分析,（1）曲軸結構的幾何模型上的一些小尺寸的圓孔、倒角等，可以在理想化幾何模型中進行處理，并不影響模態(tài)參數的計算。 （2）可以按照先計算曲軸的自由模態(tài)，然后在此基礎之上施加約束，計算約束模態(tài)的求解思路和計算自由模態(tài)的求解思路一致。UG NX高級仿真計算結構模態(tài)的操作順序和操

3、作步驟和靜力學分析過程相似，在幾何體模型基礎上，可以進行理想化模型操作，然后建立有限元模型（包括賦予材料屬性、定義單元屬性、劃分網格等），在仿真模型環(huán)境中，如果不定義邊界約束條件，那可以求解該結構的自由模態(tài)（6個DOF均為自由）；如果定義了邊界約束條件，那可以求解該結構的約束工況模態(tài)，但是有一點相同的，那就是不必進行定義作用載荷操作。,8.4 操作步驟,8.4.1 曲軸結構自由模態(tài)的計算 創(chuàng)建有限元模型 優(yōu)化（理想化）模型 創(chuàng)建有限元模型 創(chuàng)建仿真模型 求解自由模態(tài) 后處理及其動畫演示,8.4.2 曲軸結構約束模態(tài)的計算 施加約

4、束條件 求解約束模態(tài) 后處理及其動畫演示 8.4.3 曲軸結構模態(tài)計算精度的對比,,8.4.1 曲軸結構自由模態(tài)的計算,打開隨書光盤part源文件所在的文件夾路徑：Book_CDPartPart_CAE_UnfinishCh08_Crank Shaft，選中文件Crank Shaft.prt，調出曲軸三維實體模型。,,（1）創(chuàng)建有限元模型,依次左鍵單擊【開始】和【高級仿真】，在【仿真導航器】窗口分級樹中單擊【Crank Shaft.prt】節(jié)點，新建FEM，并進行相關操作；單擊【確定】按鈕即可進入了創(chuàng)建有限元模型的環(huán)境；,仿真導航器新增節(jié)點,,（2）

5、優(yōu)化（理想化）模型,在【仿真導航器】窗口分級樹中，單擊【fem1_Crank Shaft_i.part】節(jié)點，右鍵彈出快捷菜單【設為顯示部件】并單擊之（也可以直接雙擊該節(jié)點），即可進入優(yōu)化模型的環(huán)境。 右鍵單擊【fem1_Crank Shaft_i.part】節(jié)點，選擇【提升】命令，在窗口圖形中選擇整個曲軸模型作為要提升的選擇體，單擊【確定】。,,1）理想化幾何體,在工具欄上單擊【理想化幾何體】命令，彈出【理想化幾何體】對話框；,設置相關參數,油孔1,油孔2,刪除曲軸上兩個貫通的油孔,,2）移除幾何特征,刪除模型上的油孔后會發(fā)現，在油孔刪除部位處還殘留有前面的斷線，選擇【移除幾何特征】命令，,

6、選取相應的對象,移除幾何特征操作后示意圖,,（3）創(chuàng)建有限元模型,1）定義材料屬性 單擊工具欄中的【指派材料】圖標，彈出【指派材料】對話框；,設置相關參數,單擊該命令,,2)創(chuàng)建物理屬性,單擊工具欄中的【物理屬性】圖標，彈出【物理屬性表管理器】對話框,單擊【創(chuàng)建】,,選擇材料,單擊【確定】,3)網格屬性定義,單擊工具欄中的【網格收集器（俗稱為：網格屬性定義）】圖標，彈出【網格捕集器】對話框,單擊【確定】,4）劃分網格,,單擊工具欄中的【3D網格】命令，彈出【3D網格】對話框；,設置相關參數,單擊工具欄中的【單元質量】圖標，彈出【單元質量】對話框，如圖所示。,5）檢查單元質量,單擊該命令,設

7、置相關參數,（4）創(chuàng)建仿真模型,1）單擊【仿真導航器】窗口分級樹的【Crank Shaft_fem1.fem】節(jié)點，右鍵彈出快捷菜單，單擊【新建仿真】，彈出【新建部件文件】對話框，在【名稱】中修改為【Crank Shaft_sim1.sim】, 選擇本實例高級仿真相關數據存放的【文件夾】，單擊【確定】按鈕，彈出【新建仿真】對話框，如圖所示,默認所有的選項，單擊【確定】按鈕；,單擊確定,2）創(chuàng)建解算方案,彈出【創(chuàng)建解算方案】對話框，如圖所示，在【名稱】中修改為【Solution 1】，【解算方案類型】選取為【SOL 103 Real Eigenvalues】。,設置相關參數,單擊確定,單擊【創(chuàng)建

8、解算方案】對話框下面【工況控制】選項卡，出現相應的選項及其參數對話框，默認【特征值方法】選項為【Lanczos法】，單擊【Lanczos法】右側的【創(chuàng)建模型對象】圖標，彈出如圖所示的【實數特征值】對話框；,設置參數,單擊確定,3）設置工況控制參數,4）仿真導航器新增節(jié)點,單擊【創(chuàng)建解算方案】對話框的【確定】按鈕，注意到【仿真導航器】窗口分級樹中新出現了相關的數據節(jié)點，如圖所示。 單擊工具欄中的【保存】按鈕，將上述操作成功的仿真模型和數據及時保存起來。,仿真導航器新增節(jié)點,,在【仿真導航器】窗口分級樹中單擊【Crank Shaft_sim1.sim】節(jié)點，單擊求解，待求解完成關閉相應的窗口，如圖

9、所示。雙擊【結果】命令窗口，出現模態(tài)后處理結果。,（5）求解自由模態(tài),后處理導航器新增節(jié)點,解算監(jiān)視器對話框圖,2020/9/4,（6）后處理及其動畫演示,,1）在【后處理導航器】窗口中，可以發(fā)現在【Crank Shaft_sim1.sim】的【Solution 1】前6階模態(tài)非常接近零，是因為此次計算的是曲軸的自由模態(tài)，放開了6個自由度，因此在6個自由度方向中出現了剛體位移，讀者可以點擊進行查看相對某一自由度的剛體位移形式。從后處理導航器可以看出：曲軸模型的第1階固有頻率為56.51Hz，第2階固有頻率為58.71Hz，第3階固有頻率為137.2Hz。,2020/9/4,2）模式7下云圖查看

10、,,展開【模式7】下【位移-節(jié)點的】節(jié)點，雙擊出現的【幅值】節(jié)點，在圖形窗口中出現該彎管的位移云圖，如圖所示，可以清楚的觀看到曲軸在此頻率發(fā)生共振的位移變形情況。,第7階模態(tài)振型（固有頻率=56.51Hz）,2020/9/4,3）模式8下云圖查看,,展開【模式8】下【位移-節(jié)點的】節(jié)點，雙擊出現的【幅值】節(jié)點，在圖形窗口中出現該彎管的位移云圖，如圖所示，可以清楚的觀看到曲軸在此頻率發(fā)生共振的位移變形情況。,第8階模態(tài)振型（固有頻率=58.71Hz）,2020/9/4,4）模式9下云圖查看,,展開【模式9】下【位移-節(jié)點的】節(jié)點，雙擊出現的【幅值】節(jié)點，在圖形窗口中出現該彎管的位移云圖，如圖所示

11、，可以清楚的觀看到曲軸在此頻率發(fā)生共振的位移變形情況。,第9階模態(tài)振型（固有頻率=137.2Hz）,2020/9/4,5）查看動畫迭代圖像,,在上述步驟中查看模態(tài)振型時，單擊工具欄中的【播放】按鈕，出現曲軸某階模態(tài)下的振型變形演示過程，這就是分析某階模態(tài)的振型演變過程。 單擊工具欄上的【動畫】圖標，彈出【動畫】對話框，在【動畫】選項中切換為【迭代】，單擊【播放】按鈕，即可清楚地觀察到第1階到第10階模態(tài)振型的動態(tài)轉換過程，單擊【停止】按鈕，退出動畫演示。,單擊工具欄中的【返回到仿真】命令，返回到仿真模型中。右鍵單擊【Solution 1】在彈出的菜單中選擇【克隆】，會發(fā)現出現復制的新的解算方案

12、【Copy of Solution 1】，右鍵單擊選擇【重命名】為【Solution 2】，右鍵單擊【激活】命令。,8.4.2 曲軸結構約束模態(tài)的計算,（1）施加約束條件,1）在窗口工具欄中選擇【約束類型】圖標的小三角或在解算方案的【約束】右鍵選擇【新建約束】，單擊彈出的【用戶定義約束】命令，彈出【用戶定義約束】對話框。,設置相關參數,2）設置模態(tài)參數,單擊【Solution 2】節(jié)點下的【Subcase - Eigenvalue Method 1】，右鍵選擇【編輯】命令，如圖所示，在【所需模態(tài)數】中輸入【4】，定義提取前4階的振型和模態(tài)參數，如圖所示。單擊工具欄中的【保存】按鈕，將上述操作成

13、功的數據及時保存起來。,設置相關參數,單擊該命令,,（2）求解約束模態(tài),在【仿真導航器】窗口分級樹中單擊【Solution 2】節(jié)點，右鍵單擊【求解】命令，彈出相應的對話框，在【分析作業(yè)監(jiān)視器】中查看任務分析的進度，等出現【作業(yè)已完成】的提示后再依次關閉各個對話框，如圖所示。,分析作業(yè)監(jiān)視器,解算監(jiān)視器,（3）后處理及其動畫演示,在【仿真導航器】窗口分級樹中，雙擊【結果】節(jié)點，進入了【后處理導航器】窗口，可以發(fā)現在【Crank Shaft_sim1.sim】節(jié)點出現了【模式1，3.070e+002Hz】、【模式2，3.070 e+002Hz】、【模式3，5.123e+002Hz】及【模式4，5

14、.201e+002Hz】等四個子節(jié)點，這就是在上述約束條件下曲軸前4階模態(tài)及其對應的固有頻率值；,后處理導航器新增節(jié)點,1）模式1下云圖查看,展開【模式1】下【位移-節(jié)點的】節(jié)點，雙擊出現的【幅值】節(jié)點，在圖形窗口中出現該曲軸的振型位移云圖，如圖所示，可以清楚的觀看到整個曲軸的振型位移的變形情況；,第1階模態(tài)振型（固有頻率=307.01Hz）,2）模式2下云圖查看,展開【模式2】下【位移-節(jié)點的】節(jié)點，雙擊出現的【幅值】節(jié)點，在圖形窗口中出現該曲軸的振型位移云圖，如圖所示，可以清楚的觀看到整個曲軸的振型位移的變形情況,第2階模態(tài)振型（固有頻率=307.5Hz）,3）模式3下云圖查看,展開【模式

15、3】下【位移-節(jié)點的】節(jié)點，雙擊出現的【幅值】節(jié)點，在圖形窗口中出現該曲軸的振型位移云圖，如圖所示，可以清楚的觀看到整個曲軸的振型位移的變形情況,第3階模態(tài)振型（固有頻率=512.3Hz）,3）模式3下云圖查看,展開【模式3】下【位移-節(jié)點的】節(jié)點，雙擊出現的【幅值】節(jié)點，在圖形窗口中出現該曲軸的振型位移云圖，如圖所示，可以清楚的觀看到整個曲軸的振型位移的變形情況,第3階模態(tài)振型（固有頻率=512.3Hz）,2020/9/4,4）查看動畫迭代圖像,,單擊工具欄中的【播放】按鈕，可以查看曲軸在受約束狀態(tài)下前4階模態(tài)振動位移動態(tài)變形的演示過程，可以看到曲軸在工作狀態(tài)下受到外界激勵產生共振時，發(fā)生的

16、模態(tài)振型變化形式，具體的振型描述不再贅述。 單擊工具欄上的【動畫】圖標，彈出【動畫】對話框，在【動畫】選項中切換為【迭代】，單擊【播放】按鈕，即可清楚地觀察到第1階到第4階模態(tài)振型的動態(tài)轉換過程，單擊【停止】按鈕，退出動畫演示。,2020/9/4,5）退出后處理視圖,,讀者也單擊工具欄中的【四視圖】按鈕，可以展示彎管前3階模態(tài)的振型情況，在此不贅述，最后退出后處理仿真界面，具體操作請參考隨書光盤中的錄像文件。 本實例中其他計算結果和顯示模式請參考隨書光盤Book_CD Part_CAE_FinishPartCh08_Crank Shaft文件夾中相關文件，操作過程的演示請參考影像文件Book_

17、CDAVICh08_Crank Shaft_AVI。,2020/9/4,8.4.3 曲軸結構模態(tài)計算精度的對比,,將曲軸模型在不同的軟件（工程中常用有限元分析軟件有NX Nastran、Ansys和Abaqus）中建立有限元模型，使用相同的材料及施加相同的約束條件，并進行分析計算，得出的前3階模態(tài)數據比較結果如表所示。,2020/9/4,8.5 本章小結,,本實例以曲軸的結構模態(tài)為分析對象，在建立同一個有限元模型后，設定不同的模態(tài)解算方案，分別計算了自由模態(tài)與約束模態(tài)，介紹了單個零部件進行模態(tài)分析的基本步驟和模態(tài)計算結果參數的查看方法。 生產中精密設備或者帶有旋轉部件的設備中，需要對它們重要的零部件，特別是轉子部件進行固有頻率的計算，為了避免其旋轉時產生過大的振動，必須預測轉動頻率是否接近它的任何一階固有頻率； 可以在本實例分析的基礎上,利用系統(tǒng)提供的優(yōu)化解算功能，以模型固有頻率最大作為設計目標，在確定約束條件基礎上，以曲軸的某一部位的草圖尺寸作為設計變量，對結構模態(tài)進行了優(yōu)化，當然還可以以某個固定頻率值作為設計目標，或者以固有頻率最小作為設計目標，這都需要和實際工程設計的具體要求結合起來。 結構模態(tài)分析是動力學分析的基礎，它可以為后續(xù)的動態(tài)分析（瞬態(tài)分析、隨機響應分析、響應譜分析、瞬態(tài)分析中時間步長的選取等）提供指導和基本的模態(tài)數據。,