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悬臂梁结构的模态分析

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1、问题的提出

需要建立如图1 所示的模型,并利用有限元软件ANSYS 对不同材料的悬臂

梁进行模态分析。

图1:悬臂梁结构图

2、建模和求解

2.1建模及导入ANSYS

2.1.1建模方式

根据上图尺寸,在三维建模软件SolidWorks 中建立三维模型,分别用拉伸、

筋、放样指令建立图2 所示模型。为了能够导入ANSYS 软件,将模型另存为格

式为.x_t 的文件见图3 所示。


    

 

图2:SolidWorks 建模

图3:文件保存格式

2.1.2导入方式

双击打开ANSYS,通过File →Import →PARA 指令,见图4 所示,选择之

前保存的liang.x_t 文件,如图5 所示。导入效果见图6 所示为线框显示,然后通

过PltoCtrls →Style →Solid Model Facets,下拉选择Normal Faceting,刷新后

显示为实体,见图7。

图4


    

 

图

图6:导入效果


    

 

图7:导入显示

2.2单元选择

确定研究对象为结构实体,见图8。此处使用的为ANSYS19.0,没有找到

10node92 单元,所以此处选择节点更多的solid186 单元进行计算,选择方式见

图9。

图8:选择结构分析


    

 

图9:单元选择

2.3材料属性选择

首先,在左侧前处理模块中找到Material Props →Material models,选择里

面的Structural →linear →Elastic →Isotropic 栏目,设置材料的弹性模量与泊

松比大小。首先,按照钢材料进行设置,见图10。

图10:弹性模量及泊松比

同样的在Material Props →Material models →structural →Density 中设

置密度,如图11。


    

 

图7:密度

2.4网格划分

2.4.1网格划分

通过前处理模块Meshing →MeshTool,在里面勾选Smart Size 自动划分网

格,又有结构较为简单,调高网格划分精度不会对计算速度造成影响,调整网格

划分精度选取一级精度,单击Mesh,在Mesh Volumes 窗口,单击Pick All,对

结构进行网格划分。在List →Status →Global status 中得知模型共有8099 个

节点,5049 个单元。如图8-11 所示。

图8:网格划分方式


    

 

图9:网格划分效果

图10:节点及单元数目

3、模态分析

3.1模态分析选择

在Preprocessor →Loads →Analysis Type →New Analysis 中选择Modal

进行模态分析。


    

 

图11:模态分析选择

3.2分析方法选择

在Preprocessor →Loads →Analysis Type →Analysis Options 中指定模态

分析选项,采用Block Lanczos 方法提取模态,提取5 阶模态。

图12:分析方法选择

3.3约束选择

在典型的模态分析中有效的“载荷”是零位移约束。其它类型的载荷,如力、

压力、温度、加速度等,可以在模态分析中指定,但在模态提取时将被忽略。在

Main Menu →Solution →Define Loads →Apply →Structural →

Displacements →On Area 中选择模型底面作为零位移约束施加位置。


    

 

图15:约束施加方式

图16:约束施加效果

3.4扩展模态及合并

在Main Menu →Solution →Load Step Ops →Expansion Pass →Single


    

 

Expand Modes 找到扩展模式,扩展前5 阶模块,为了保证能够激励起高阶固

有频率,取频率范围为0-9999Hz。

图17:模态扩展

在Preprocessor →Loads →Analysis Type →Analysis Options 处选择下方

的振形扩展窗口,选择总共要计算的模态为5 阶。

图18:模态合并

4、求解及结果查看与提取


4.1求解及结果查看

在Main Menu →Solution →Solve →Current LS 中进行求解,提示运算完

成后,在Main Menu →General Posrproc →Results Summary 中观察结果。

图19:结果查看

4.2提取模态分析结果

提取模态分析结果。单击Main Menu →General Postproc →Read Results

中读取结果,通过First Set、Nex Set 依次提取模态分析结果,单击Plot Result →

Contour Plot →Nodal Solution,在Contour Nodal Solution Data 中查看模态分析

提取情况。单击Plot Result →Deformed Shape 并选择Def+undeformed 进行变形

前后对比。

图20:模态提取方式


    

 

4.3结果分析

4.3.1钢制悬臂梁

第一阶模态

图21:云图

图22:形变前后对比图


    

 

第二阶模态

图23:云图

图24:形变前后对比图


    

 

第三阶模态

图25:云图

图26:形变前后对比图


    

 

第四阶模态

图27:云图

图28:形变前后对比图


    

 

第五阶模态

图29:云图

图30:形变前后对比图


    

 

4.3.2铝合金悬臂梁

将材料改为铝合金材料,如图30,31 所示。重复上述步骤,重新求解。

图31:铝合金弹性模量及泊松比设定

图32:铝合金密度设定

求解结果如图32。

图33:


    

 

第一阶模态

图34:云图

图35:形变前后对比图


    

 

第二阶模态

图36:云图

图37:形变前后对比图


    

 

第三阶模态

图38:云图

图39:形变前后对比图


    

 

第四阶模态

图40:云图

图41:形变前后对比图


    

 

第五阶模态

图42:云图

图43:形变前后对比图


    

 

5、结果分析

通过上述图形,可以看出越是低阶的固有频率越容易被激励起来,需要避免

或者快速的同共振频率范围,来避免共振给结构带来的消极影响,告诫频率振型

对系统的位移影响更大,会让系统产生更大的应变,但是也难激励起来,所以一

般条件下,低载荷时可以忽略高阶振型的影响。不同材料的对比发现,该形状的

钢和铝合金材料的悬臂梁的各阶共振频率相差不大,但是钢制梁的振幅明显小于

铝合金悬臂梁。

来源:力学AI有限元
MeshingDeformADSSolidWorksUM材料
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首次发布时间:2025-07-09
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力学AI有限元
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