第4章 曲轴模态分析.docx

第4章曲轴模态分析
模态分析分为三大类：自由模态分析、约束模态分析、带预应力的模态分析。自由模态和约束模态只是边界条件不同而已，所谓“自由”就是被分析的部件没有任何的约束，有限元分析的频率就是部件的固有频率，而约束模态是分析前处理好部件工作时的边界条件，模拟工况，在实际工程中，自由和约束两种边界广泛的存在，如飞机、火箭、导弹、子弹等为自由边界条件，而机床、发动机零件等为约束边界条件。对曲轴的自由模态分析可以求得曲轴的固有频率、振型等，了解曲轴的自身特性，为以后的动力学分析奠定了基础。
4.1曲轴模态分析步骤与操作
4.1.1模态分析步骤
有限元模态分析的步骤如下图

模态分析具体操作
1、模态分析前处理：第2章建立好的有限元模型已经做好前处理，直接调用曲轴有限元模型。
2、模态分析求解：
（1）Solution>AnalysisType>NewAnalysis>Model，新建求解类型为模态求解；
（2）在AnalysisOption中，选择算法，选择“BlockLanzcons”,选择10阶矩阵运算；
（3）在算法选项中选择截止频率为“100000”，设置求解频率范围；
（4）依次选择：Solution>>solve>>CurrentLS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。
（5）待出现“Solutiondone”提示，点击“Close”。依次点击：GeneralPostproc>ResultsSummary，出现计算的结果，即曲轴的固有频率。
3、进行模态扩展求解
（1）依次选择：Solution>Loadstepopts>ExpansionPass>SingleExpand>ExpandModel，进行设置。频率范围：0—100000；
（2）依次选择：Solution>Loadstepopts>DB/ResultsFile，选择每步操作都进行到每个子空间（Substep）；
（3）依次选择：Solution>Loadstepopts>SoluPintout，选择Everysubstep；
（4）依次选择：Solution>>solve>>CurrentLS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。
（5）待出现“Solutiondone”提示，点击“Close”。
4、查看各种振型
（1）依次选择：GeneralPostproc>ReadResult>FirstSet，读取第一阶振型；
（2）依次选择：GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>>NodalSolu，选择Displacementvectorsum，查看总变形图。
注意：每查看一种振型，要选择“NextSet”，在重复第（2）步操作查看振型图。
4.2自由模态分析
4.2.1边界条件
本章节是计算曲轴的自由模态，所以不需要对曲轴添加任何的约束与力。取第2章节中的曲轴有限元模型进行模态分析，为保证计算结果能真实的反映曲轴的动态特性，本文以整根曲轴作为研究对象。
由振动理论可知，引起发动机共振的频率都是曲轴较低阶次的固有频率。因此我们在求解扩展模态时提取前10阶模态就能达到目的；因为三维结构的模型在无约束边界条件下的前6阶固有频率是接近于0的刚体模态，真正的第一阶模态应该是从第7阶开始，及往后的10阶模态。表4-1为曲轴前10阶非零模态固有频率。
表4-1曲轴前10阶非零模态固有频率
阶数12345678910固有频率（HZ）300
.74441
.12674
.77727
.38827
.90986
.641133
.91434
.81803
.31984
.2
图4-1曲轴第一阶模态振型图
图4-2曲轴第二阶模态振型图

图4-3曲轴第三阶模态振型图

图4-4曲轴第四阶模态振型图

图4-5曲轴第五阶模态振型图

图4-6曲轴第六阶模态振型图

图4-7曲轴第七阶模态振型图

图4-8曲轴第八阶模态振型图

图4-9曲轴第九阶模态振型图

图4-10曲轴第十阶模态振型图
表4-2
阶数固有频率（HZ）最大变形量（mm）振型1300．7471.632441.1279.533674.7773.754727.3889.895827.9062.266986.6470.3971133.987.1881434.873.3691803.3102.17101984.295.39
由上面的求解结果和模态振型可知，在曲轴的前10阶模态中，其最低频率为300.74HZ，随着阶次的上升，其频率也随之增大。可是，从发动机各部件这间的动态干扰性来说，考虑到此发动机的转速范围是500—3000n/min，其基频为15—50HZ，而此发动机的最低阶模态的固有频率远高于基频；所以，曲轴的设计避开了共振频率，动态性能已满足，结构设计