模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析的目的

2017-03-17 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

有限元分析類型

一、nastran中的分析種類

(1)靜力分析

靜力分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員使用最為頻繁的分析手段,主要用來(lái)求解結(jié)構(gòu)在與時(shí)間無(wú)關(guān)或時(shí)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(qiáng)制位移、慣性載荷等)作用下的響應(yīng)、得出所需的節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力、約束反力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力、應(yīng)變能等。該分析同時(shí)還提供結(jié)構(gòu)的重量和重心數(shù)據(jù)。

(2)屈曲分析

屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)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(dòng)力學(xué)分析

NX Nastran在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中有非常多的技術(shù)特點(diǎn),具有其他有限元分析軟件所無(wú)法比擬的強(qiáng)大分析功能。結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析不同于靜力分析,常用來(lái)確定時(shí)變載荷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響,同時(shí)還要考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。

NX Nastran的主要?jiǎng)恿W(xué)分析功能:如特征模態(tài)分析、直接復(fù)特征值分析、直接瞬態(tài)響應(yīng)分析、模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析、模態(tài)復(fù)特征值分析、直接頻率響應(yīng)分析、模態(tài)頻率響應(yīng)分析、非線性瞬態(tài)分析、模態(tài)綜合、動(dòng)力靈敏度分析等可簡(jiǎn)述如下:

正則模態(tài)分析

正則模態(tài)分析用于求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)的振動(dòng)模態(tài),計(jì)算廣義質(zhì)量,正則化模態(tài)節(jié)點(diǎn)位移,約束力和正則化的單元力及應(yīng)力,并可同時(shí)考慮剛體模態(tài)。

復(fù)特征值分析

復(fù)特征值分析主要用于求解具有阻尼效應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征值和振型,分析過(guò)程與實(shí)特征值分析類似。此外Nastran的復(fù)特征值計(jì)算還可考慮阻尼、質(zhì)量及剛度矩陣的非對(duì)稱性。

瞬態(tài)響應(yīng)分析(時(shí)間-歷程分析)

瞬態(tài)響應(yīng)分析在時(shí)域內(nèi)計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng),分為直接瞬態(tài)響應(yīng)分析和模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析。兩種方法均可考慮剛體位移作用。

直接瞬態(tài)響應(yīng)分析
該分析給出一個(gè)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的載荷的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)可以同時(shí)具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。該分析在節(jié)點(diǎn)自由度上直接形成耦合的微分方程并對(duì)這些方程進(jìn)行數(shù)值積分,直接瞬態(tài)響應(yīng)分析求出隨時(shí)間變化的位移、速度、加速度和約束力以及單元應(yīng)力。

模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析
在此分析中,直接瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題用上面所述的模態(tài)分析進(jìn)行相同的變換,對(duì)問(wèn)題的規(guī)模進(jìn)行壓縮,再對(duì)壓縮了的方程進(jìn)行數(shù)值積分,從而得出與用直接瞬態(tài)響應(yīng)分析類型相同的輸出結(jié)果。

隨機(jī)振動(dòng)分析

該分析考慮結(jié)構(gòu)在某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布的載荷作用下的隨機(jī)響應(yīng)。例如地震波,海洋波,飛機(jī)超過(guò)建筑物的氣壓波動(dòng),以及火箭和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音激勵(lì),通常人們只能得到按概率分布的函數(shù),如功率譜密度(PSD)函數(shù),激勵(lì)的大小在任何時(shí)刻都不能明確給出,在這種載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)就需要用隨機(jī)振動(dòng)分析來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。NX Nastran中的PSD可輸入自身或交叉譜密度,分別表示單個(gè)或多個(gè)時(shí)間歷程的交叉作用的頻譜特性。計(jì)算出響應(yīng)功率譜密度、自相關(guān)函數(shù)及響應(yīng)的RMS值等。計(jì)算過(guò)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(yīng)譜分析

響應(yīng)譜分析(有時(shí)稱為沖擊譜分析)提供了一個(gè)有別于瞬態(tài)響應(yīng)的分析功能,在分析中結(jié)構(gòu)的激勵(lì)用各個(gè)小的分量來(lái)表示,結(jié)構(gòu)對(duì)于這些分量的響應(yīng)則是這個(gè)結(jié)構(gòu)每個(gè)模態(tài)的最大響應(yīng)的組合。

頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)分析主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對(duì)每一個(gè)計(jì)算頻率的動(dòng)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果分實(shí)部和虛部?jī)刹糠帧?shí)部代表響應(yīng)的幅度,虛部代表響應(yīng)的相角。

直接頻率響應(yīng)分析
直接頻率響應(yīng)通過(guò)求解整個(gè)模型的阻尼耦合方程,得出各頻率對(duì)于外載荷的響應(yīng)。該類分析在頻域中主要求解兩類問(wèn)題。第一類是求結(jié)構(gòu)在一個(gè)穩(wěn)定的周期性正弦外力譜的作用下的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)可以具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼,分析得到復(fù)位移、速度、加速度、約束力、單元力和單元應(yīng)力。這些量可以進(jìn)行正則化以獲得傳遞函數(shù)。
第二類是求解結(jié)構(gòu)在一個(gè)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)載荷作用下的響應(yīng)。此載荷由它的互功率譜密度定義。而結(jié)構(gòu)載荷由上面所提到的傳遞函數(shù)來(lái)表征。分析得出位移、加速度、約束力或單元應(yīng)力的自相關(guān)系數(shù)。該分析也對(duì)自功率譜進(jìn)行積分而獲得響應(yīng)的均方根值。

模態(tài)頻率響應(yīng)
模態(tài)頻率響應(yīng)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析在頻域中解決的兩類問(wèn)題與直接頻率響應(yīng)分析解決相同的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)矩陣用忽略阻尼的實(shí)特征值分析進(jìn)行了壓縮,然后用模態(tài)坐標(biāo)建立廣義剛度和質(zhì)量矩陣。該分析的輸出類型與直接頻率響應(yīng)分析得到的輸出類型相同。
NX Nastran的模態(tài)擴(kuò)張法(殘余矢量法)可以估算高階模態(tài)的作用,以確保參加計(jì)算的頻率數(shù)足以使模態(tài)法的響應(yīng)分析的計(jì)算精度顯著提高。

聲學(xué)分析

NX Nastran中提供了完全的流體-結(jié)構(gòu)耦合分析功能。這一理論主要應(yīng)用在聲學(xué)及噪音控制領(lǐng)域,例如車輛或飛機(jī)客艙的內(nèi)噪音的預(yù)測(cè)分析。

(4)非線性分析

實(shí)際工程問(wèn)題中,很多結(jié)構(gòu)響應(yīng)與所受的外載荷并不成線性關(guān)系。由于非線性,結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)或多個(gè)零件在載荷作用下接觸狀態(tài)不斷發(fā)生變化。要想更精確地反映實(shí)際問(wèn)題,就必須考慮材料和幾何、邊界、單元等非線性因素。NX Nastran強(qiáng)大的非線性分析功能為設(shè)計(jì)人員有效地設(shè)計(jì)產(chǎn)品,減少額外成本提供了一個(gè)十分有用的工具。

(5)熱傳導(dǎo)分析

熱傳導(dǎo)分析通常用來(lái)校驗(yàn)結(jié)構(gòu)零件在熱邊界條件或熱環(huán)境下的產(chǎn)品特性,利用NX- Nastran可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱分布狀況,并直觀地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)潛熱、熱點(diǎn)位置及分布。用戶可通過(guò)改變發(fā)熱元件的位置、提高散熱手段或絕熱處理或用其他方法優(yōu)化產(chǎn)品的熱性能。

(6)空氣動(dòng)力彈性及顫振分析

氣動(dòng)彈性問(wèn)題是應(yīng)用力學(xué)的分支,涉及氣動(dòng)、慣性及結(jié)構(gòu)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(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈、斜拉橋乃至高聳的電視發(fā)射塔、煙囪等都需要?dú)鈩?dòng)彈性方面的計(jì)算。

(7)流-固耦合分析

流-固耦合分析主要用于解決流體(含氣體)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用效應(yīng)。NX Nastran中擁有多種方法求解完全的流-固耦合分析問(wèn)題,包括:流-固耦合法、水彈性流體單元法、虛質(zhì)量法。

二、模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析的概念

模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析的確是兩個(gè)不同的概念。

模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有的一種特性,它只與結(jié)構(gòu)的形狀、約束形式、材料特性等有關(guān),而與其他輸入(例如加載)無(wú)關(guān)。模態(tài)分析主要目的有:了解結(jié)構(gòu)的共振區(qū)域,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo);對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行校驗(yàn),驗(yàn)證你做仿真計(jì)算的模型是否正確;開(kāi)展瞬態(tài)分析、譜分析的基礎(chǔ)。

而頻率響應(yīng)分析則是指結(jié)構(gòu)對(duì)一載荷(可以是沖擊載荷,也可能是一頻率在一定范圍內(nèi)的載荷)的響應(yīng)。頻率響應(yīng)分析的目的是確定結(jié)構(gòu)上兩點(diǎn)的輸入輸出關(guān)系(一般以頻率為橫坐標(biāo))。

1、模態(tài)分析亦稱振型分析

指結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的理論分析與實(shí)驗(yàn)分析。目的是確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),如固有頻率、阻尼、振型等。

理論分析采用有限元法。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和所劃分的有限單元數(shù)目過(guò)多時(shí),采用簡(jiǎn)化的方法使有限元模型的自由度減少,或用模態(tài)綜合法,把結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)子結(jié)構(gòu),先求出子結(jié)構(gòu)的模態(tài),再進(jìn)行綜合。

實(shí)驗(yàn)分析是利用模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)施,激勵(lì)結(jié)構(gòu)使其作橫向彎曲振動(dòng)、縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),通過(guò)實(shí)時(shí)分析儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,測(cè)試結(jié)構(gòu)的響應(yīng),給出模態(tài)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果用于驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的精確性,并找出改進(jìn)分析精度的途徑。廣泛應(yīng)用于航空、航天器的振動(dòng)性能分析,以及機(jī)器和一些大型建筑(如橋梁)的故障診斷與監(jiān)測(cè)。

2、頻率響應(yīng)分析