毕业设计（论文）490Q柴油机曲轴有限元分析.doc

《毕业设计（论文）490Q柴油机曲轴有限元分析.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）490Q柴油机曲轴有限元分析.doc（40页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、Tianjin University of Technology and Education毕 业 论 文专 业： 汽车维修工程教育 班级学号： 汽修0402-14 学生姓名： 指导教师： 二八年 六 月天津工程师范学院本科生毕业论文 490Q柴油机曲轴的有限元模态分析modal analysis of finite element on 490Q diesel engine cramkshaft专业班级：汽修0402学生姓名： 指导教师： 系 别：汽车工程系2008 年 6 月天津工程师范学院毕业设计（论文）任务书 2007年12月题 目（包括副标题）490Q柴油机曲轴有限元分析教师姓名阎文

2、兵系 别汽车工程系职 称教授学生姓名宋 炜班 级汽0402班学 号14号课题成果形式论文 设计说明书 实物 软件 其它1毕业设计（论文）课题任务的内容及方法：1、本课题的研究任务是：（1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解题思路与步骤；（2）了解曲轴的结构及工作特点；（3）熟练掌握ANSYS有限元分析软件。并应用其对490Q柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。2、本课题的研究方法：应用ANSYS软件对490Q柴油机曲轴进行分析：（1）曲轴的工况分析及ANSYS建模Pro/e或其他三维CAD软件建模（2）有限元网格划分（3）确定边界条件，施加载荷（4）三维有限元计算，求解前十二阶固有

3、频率（5）调出分析结果2毕业设计（论文）工作进度计划：周 次工作内容第1周-第3周第4周-第5周第6周-第8周第9周-第10周第11周-第12周查阅搜集资料，学习有关知识；总体结构及多方案比较自学模态分析的基本理论及方法；自学有限元法的基本理论，了解有限元分析的基本步骤；自学有限元分析软件ANSYS零件及工艺设计应用有限元分析软件ANSYS建立曲轴的三维模型并进行曲轴自由模态计算，要求求解曲轴前六阶固有频率，分析计算结果；撰写毕业论文，准备答辩。 教研室（学科组）主任签字： 摘要曲轴是柴油机重要部件，本文在介绍490Q柴油机曲轴结构的基础上，根据三维有限元分析理论和多自由度系统振动模态分析理论

4、，运用ANSYS软件，采用有限单元法,对490Q 柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模，对柴油机曲轴的整体进行有限元自由模态分析，提取出它的前十二阶模态固有频率和振型，参考其总体位移变化云图对曲轴整体振动特性进行分析和评价，结合曲轴应力应变云图，对曲轴结构强度进行分析，为柴油机优化、改进设计提供了有价值的理论依据。关键词 :曲轴；有限元；模态分析 AbstractThe crankshaft is an important part of a diesel engine ,This article talks about the structure of crankshaft of 490Q

5、 diesel engine at first, then the finite element free modal analysis of the crankshaft was carried out in ANSYS software, which depends on the theoretic of 3-D finite element analysis and freedoms-system Vibration modal analysis , by means of FEM , this paper set up a 32dimentional model for model 4

6、190 diesel engines crankshaft corresponding to practical conditions, obtain its front 12 modal inherent frequency ,talks on its vibration characteristic according to total DOF picture. And created a finite element modal for single crutch , then analysis its static characteristic ，The model analysis

7、was made for the crankshaft，which provides valuable theoretical foundation for the optimization and improvement of engine designKeywords: crankshaft ； finite element；modal analysis目录1 引言11.1 课题研究背景11.2 课题研究的意义11.3 研究任务22 曲轴的功用和工作条件32.1 功用32.2 工作条件33 模态分析的基本理论53.1 模态的概念53.2 模态分析方法53.3 有限元法63.4 课题研究拟采

8、用的手段64 ANSYS简介74.1 ANSYS软件主要功能74.2 ANSYS软件主要特点74.3 运行环境（ANSYS10.0）85 ANSYS 的基本使用96 模态分析166.1 模态分析的定义166.2 模态提取方法167 490Q柴油机曲轴自由模态分析187.1 几何建模187.2 曲轴自由模态分析267.3 获取处理图形和数据结果28结论33参考文献34致谢361 引言1.1课题研究背景 曲轴是发动机中最重要的运动部件之一。它的尺寸参数还影响着发动机整体尺寸、重量和制造成本，并且在很大程度上影响着发动机的可靠性和寿命。曲轴在工作中承受着汽缸内周期性变化的气体压力、往复运动质量及旋转

9、质量惯性力引起的周期性变化的载荷，并对外输出扭矩，因此承受交变的拉伸、压缩、弯曲和扭转的复合应力，同时还有弯曲振动，从而会引起曲轴疲劳失效，而一旦失效，就可能引起其他零件随之破坏。所以对于整体式多缸发动机曲轴，如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布，对用于指导曲轴的优化、改进和设计具有重要意义1。随着科技的进步和使用要求的不断提高，以经验和试制、实验为典型特征的传统设计方法已远不能满足现代产品对性能的需求，取而代之的是以计算机为基本工具，以数值仿真分析为主要手段的现代设计理论和方法的广泛应用。汽车发动机设计是典型的机械系统设计，针对汽车发动机的现代设计技术研究具有代表性意义。曲轴是汽车发动机

10、至为关键的部件之一，其性能优劣直接影响着汽车发动机的可靠性和寿命，所以利用计算机仿真对曲轴设计及生产有着积极的指导作用2。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。经过迄今约半个世纪的发展，它已日趋成熟实用。发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术在发动机零部件设计中的广泛应用，提高了设计的可靠性，优化了结构，缩短了设计周期，降低了设计成本，大大推动了发动机工业的发展3。1.2 课题研究的意义曲轴是发动机中最重要、载荷最大、价格最高的零件之一。曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷,并对外输出扭矩,曲轴还有扭转振动,因此在曲

11、轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力,可能引起曲轴疲劳失效,而一旦曲轴失效,就可能引起其它零件随之破坏。所以对于整体式多缸机曲轴,如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布和曲轴的固有频率及振形,对用于指导曲轴的设计和改进,具有重要意义。本文采用有限单元法,对490Q柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模,研究了整体曲轴的变形和应力状态,校核了曲轴在交变载荷下的疲劳强度,探讨了目前曲轴应力有限元计算中广泛采用的单拐力学模型的可靠性,并对曲轴进行了模态分析, 曲轴的模态分析能准确地确定振形节点位置,并能快速地分析曲轴尺寸、平衡块大小与布置、曲轴材料等因素对轴系动特性的影响。这对产品改进和开发选择较优的

12、轴系参数是很有效的。随着柴油机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否可靠，对柴油机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需给予高度重视。由于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据随着柴油机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否可靠，对柴油机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需给予高度重视。由于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方

13、法进行结构分析往往有局限性。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据45。1.3 研究任务（1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解题思路与步骤；（2）了解曲轴的结构及工作特点；（3）熟练掌握ANSYS有限元分析软件。并应用其对490Q柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。2柴油机曲轴的基本叙述2.1功用和工作条件曲轴连杆机构是发动机五大机构之一。其曲轴是内燃机的一个重要零部件，也是内燃机中成本最高的零件，它的尺寸较大、材料昂贵、形状复杂、 加工精度要求很高。曲轴的主要功用是把活塞、连杆

14、传来的气体压力、往复惯性力和旋转惯性力，转变为转矩，驱动汽车的传动系统和发动机的配器机构，及其它辅助装置（如喷油泵、水泵、机油泵、发电机、风扇等）。在周期性变化的气压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭矩共同作用下，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，因此，曲轴应具有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应具有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小，对各轴颈的润滑应该充分。2.2曲轴的分类曲轴的可根据不同的方式分类。从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主从轴承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为普通型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的

15、最多，其中又以采用滑动轴承的占绝大多数。曲轴的不同结构型式，会使整个发动机结构有很大的变化，还会涉及到曲轴的制造方法与成本。所以要根据发动机的用途、要求和制造条件来考虑。本文选用多支承式滑动轴承整体式曲轴。2.3 曲轴的结构设计曲轴的结构形式有很多种。从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主从轴承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为普通型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的最多，其中又以采用滑动轴承的占绝大多数。曲轴的不同结构型式，会使整个发动机结构有很大的变化，还会涉及到曲轴的制造方法与成本。所以要根据发动机的用途、要求和制造条件来考虑。本文选用多支承

16、式滑动轴承整体式曲轴6。（a）整体式 （b） 组合式1-油道 2-台阶图2-1 整体式曲轴和组合式曲轴1-曲轴前端 2-连杆轴颈（曲柄销） 3-主轴颈 4-曲柄 5-平衡重 6-后端凸缘图2-2 四缸直列式曲轴示意图3模态分析的基本理论3.1 模态的概念模态是机械结构的固有振动特性。用于反映模态特征的参数，如固有频率、阻尼比和模态振型。每一阶模态都拥有与其相对的模态参数，各阶模态的叠加就是结构固有振动特性的全貌。模态分析是研究结构动力特性的一种近代分析方法。基于线形叠加原理，一个结构的复杂振动是由无数阶模态叠加的结果，其中有对结构振动起主要作用的模态，也有对结构振动影响很小的模态。显然必须应用

17、某种方法找出那些主要的模态，以便了解结构振动特性的实质，这种方法就是模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。3.2 模态分析方法模态分析方法分为理论（解析）模态分析和试验模态分析其中)理论（解析）模态分析或称模态分析的理论过程，是指以线形振动理论、有限元理论及方法（也可包括传递矩阵理论及方法）为基础，以计算机及工程分析软件（CAE）为手段，以建立研究对象物理参数及求解其动态特性为目标的研

18、究激励、系统，响应三者之间关系的模态分析如图所示。理论模态分析实际上是一种理论建模及分析过程，其实施过程：1)运用有限元理论及方法或其他方法（如集中参数法或传递矩阵法等）对振动结构进行离散、分析、再综合成整体，以建立其有限元理论模型，即建立有限元运动微分方程。2)一般在比例阻尼和无阻尼的假设条件下，建立有限元理论模型的特征问题的数学模型，用各种近似方法（如子空间迭待法等）求解其特征值和特征向量，进而运用线形振动理论建立其模态参数模型。3)根据模态参数模型，求其频率响应函数（或传递函数）、脉冲响应函数，就可导出其非参数模型。4)理论模型的工程应用7。物理参数模型非参数模型模态参数模型工程应用3.

19、3有限元法有限元法（FiniteElement Method）始于本世纪四十年代初期，有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。有限元理论的发展为精确而全面地计算曲轴应力提供了条件。总体来看，已有的曲轴有限元分析的研究对象都是针对某种具体型号曲轴，而且从模型和边界条件的处理上存在较大的差别：在模型方面，二维平面模型和三维计算模型的1/4或1/2拐模型和单拐模型乃至整体曲轴模型都有采用；载荷处理上一般只考虑了单一受载情况，而忽略了扭矩和惯性力的作用；连杆轴颈表面作用力

20、和主轴颈约束采用不同的简化处理方法。同时，有限元软件也层出不穷，目前常用的有：SAP、ANSYS、ADINA、NASTRAN、IDEAS等8。在美国、西欧、日本等发达国家和地区有限元分析早已作为一种基本的设计手段，尤其是在内燃机产品开发中的使用，大大的推动了发动机工业的发展。近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，发动机零部件有限元技术又取得了许多新发展，由此也带出了新的研究课题。3.4 课题研究拟采用的手段应用ANSYS软件对490Q柴油机曲轴进行分析曲轴的工况分析ANSYS建模 Pro/e或其他三维CAD软件建模有限元网格划分确定边界条件，施加载荷 三维有限元计算，求解前十二阶固有频率调出分

21、析结果 4 ANSYS简介ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。到80年代初期，国际上较大型的面向

22、工程的有限元通用软件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的5.7版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。4.1 ANSYS软件主要功能ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能

23、源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。 4.2 ANSYS软件主要特点主要技术特点： 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件 唯一具有多物理场优化功能的FEA软件 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件 强大的非线性分析功能 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用

24、户界面统一、数据文件全部兼容 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行 多种自动网格划分技术 良好的用户开发环境 支持的图形传递标准： SAT Parasolid STEP 与CAD软件的接口 Unigraphics Pro/ENGINEER I-Deas Catia CADDS SolidEdge SolidWorks 4.3 运行环境（ANSYS10.0）Computer: Pentium-class systemMemory (RAM): 64 MB以上Hard Disk: 500MB以上自由空间.Operating System: Microsoft Windows 2000,

25、 Windows NT 4.0 (SP 5 or higher) or Windows 98Graphics: A Windows 2000/NT 4.0 or 98 supported Graphics Card, capable of 1024x768 in High Color (16-bit).A 17 inch monitor (or larger) compatible with the above mentioned card is recommended9.5 ANSYS 的基本使用5.1 ANSYS环境简介ANSYS有两种模式：一种是交互模式（Interactive Mode

26、），另一个是非交互模式（Batch Mode）。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。运行该程序一般采用 Interactive 进入，这样可以定义工作名称，并且存放到指定的工作目录中。若使用 Run Interactive Now 进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用 Interactive 进入交互模式。进入系统后会有6个窗口，提供使用

27、者与软件之间的交流，凭借这6个窗口可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与打印。整个窗口系统称为GUI(Graphical User Interface).如图2-1所示。各窗口的功能如下：1. 应用命令菜单（Utility Menu）：包含各种应用命令，如文件控制（File）、对象选择（Select）、资料列式（List）、图形显示（Pplot）、图形控制（PlotCtrls）、工作界面设定（WorkPlane）、参数化设计（Parameers）、宏命令（Macro）、窗口控制（MenuCtrls）及辅助说明（Help）等。2. 主菜单（Main Menu）：包含分

28、析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。3. 工具栏（Toolbar）：执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。4. 输入窗口（Input Window）：该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的历程。5. 图形窗口（Graphic Window）：显示使用者所建立的模块及查看结果分析。6. 输出窗口（Output Window）：该窗口叙述了输入命令执行的结果。图5-1 ANSYS的操作界面5.2 有限元法的基本构架 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将

29、问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元的基本构成：1. 节点（Node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应。2. 元素（Element）：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程统，可选用不同种类的元素，ANSYS提供了一百多种元素，故使用是必须慎重选则元素型号。3.

30、自由度（Degree Of Freedom）：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数，请查看ANSYS自带的帮助文档（Help/Element Refrence），那里有每种元素类型的详尽介绍。5.3 ANSYS架构及命令ANSYS构架分为两层，一是起始层（Begin Level），二是处理层（Processor Level）。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下：1. 前置处理（General Preprocessor, PREP7）1） 建立有

31、限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序2） 材料属性3） 元素切割的产生2. 求解处理（Solution Processor, SOLU）1） 负载条件2） 边界条件及求解3. 后置处理（General Postprocessor, POST1或Time Domain Postprocessor, POST26）POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。5.4 典型的分析过程ANSYS分析过程包含三个

32、主要的步骤：1. 创建有限元模型1） 创建或读入限元模型2） 定义材料属性3） 划分网格2. 施加载荷并求解1） 施加载荷及设定约束条件2） 求解3. 查看结果1） 查看分析结果2） 检查结果是否正确5.5 ANSYS 文件及工作文件名ANSYS在分析过程中需要读写文件，文件格式为jobname.ext，其中jobname是设定的工作文件名，ext是由ANSYS定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型，默认的工作文件名是file。ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是数据库文件jobname.db、记录文件jobname.log、输出文件jobname.out、错误文件jobname

33、.err、结果文件jobname.rxx及图形文件jobname.grph。5.6 图形控制图形在校验前处理的数据和后处理中检查结果者是非常重要的。ANSYS的图形常用功能如下：在实体模型和有限元模型上边界条件显示计算结果的彩色等值线显示可以对视图进行放大、缩小、平移、旋转等操作用于实体显示的橡皮筋技术多窗口显示隐藏线、剖面及透视显示边缘显示变形比率控制三维内直观化显示动画显示窗口背影的选择以上功能利用GUI可方便实现，如打开图形控制窗口（Utility MenuPlotCtrlsPanPan,Zoom,Rotate）可对图形进行放大、缩小、平移、旋转等操作。也可通过键盘各三键鼠标实现上操作，

34、同时按下Ctrl键和鼠标左键并拖移可实现视图的平移；同时按下Ctrl键和鼠标中键并拖移可实现视图的缩放各Z向旋转（上下拖动实现缩放，左右实现旋转）；同时按下Ctrl键和鼠标中键并拖移可实现视图的X及Y向旋转。5.7 ANSYS中的有限元分析步骤1. 前处理前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括建立实体模型、定义单元属性、划分网格、模型修正等几个方面的内容。与CAD相类似，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，可以在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷，但是实体模型并不参与ANSYS的计算过程，而是ANSYS把施加在实体模型边界上的载荷或者约束传递到有限元模型上进行最

35、终的求解。（1） 建模建立模型在整个分析过程中所花费的时间应该远远多于其它过程。首先必须指定作业名和分析标题（也可使用ANSYS软件默认的作业名和标题，但不推荐这样做），然后使用PREP7（预处理）处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何模型。ANSYS程序的单元库中有超过100多种的不同单元类型，每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名；当为材料选择了划分网格的单元类型时，接下来应该输入与此单元类型相关的单元常数。单元类型的实常数是根据所选的单元类型而定的；大多数单元类型在分析时都要指定材料特性，ANSYS程序可以选择的材料特性有：线性或非线性、各向同性、正交异性或非弹性、不随温度

36、而变化或随着问题变化；接下来就可以创建几何模型，ANSYS中提供两种创建有限元模型的方法：实体建模和直接生成。可以根据自己的需要选择合适的方式来生成有限元模型。虽然ANSYS软件的前处理模块具有建模功能，但与其他CAD软件相比，其功能还不够强大，对于一些形状较复杂的模型，建构起来还非常困难。因此，设置了与多种CAD软件如Pro/E、UG、AutoCAD等的数据交换接口。通过这个接口，可以把模型直接传入ANSYS中，然后进行网格划分，加载求解等过程，此种方法适用于一些复杂的三维实体模型12。（2） 网格划分在ANSYS程序当中，网格划分是在几何模型建立好之后，最终进行求解之前完成的，也就是说，它

37、既可以放在加载之前，也可以放在加载之后。在ANSYS中，有限元的网格是由程序自己来完成的，用户所要做的就是通过给出一些参数与命令来对程序实行“宏观调控”。总的来说，ANSYS的网格划分有两种。第一种是自由划分网格（Free meshing），主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则的排列的。常常对于复杂形状的边界选择自由划分网格。它的缺点是分析精度往往不够高。第二种是映射网格划分（Mapped Meshing），该方法是将规则的形状（如正方形，三棱柱等）映射到不规则的区域（如畸变的四边形、底面不是正多边形的棱柱等）上面，它所生成的网格相互之间是呈规则的排列的，分析的精

38、度也很高。但是，它要求划分区域满足一定的拓扑条件，否则就不能进行映射网格划分。而且该方法对于复杂形状的边界模拟能力较自由划分网格差。在非边界区域尽可能地采用映射网格划分，只有对于形状复杂的边界才采用自由划分网格。当然，对于精度条件不是很高的情况下，且没有足够的时间，不妨采用自由划分网格。在对模型划分网格之前，甚至在建立模型之前，确定是采用自由（free）网格还是采用映射（mapped）网格进行分析是十分重要的。自由网格对于单元形状没有限制，并且对模型没有特定的要求。与自由网格相比，映射网格对其包含的单元形状有限制，而且要求几何模型必须满足特定的规则。在ANSYS程序的前处理当中有功能强大的自动

39、划分网格模块（MeshTool）,我们可以通过该功能快捷有效地将几何模型转化为物理模型（单元）。在MeshTool选项下面，有绝大部分常用的网格划分功能，至于完整的网格划分功能，则都包含在Meshing里面13。ANSYS中有限元网格划分过程包括3个步骤：1）定义单元属性；2）设置网格控制；3）生成网格。对于机械结构进行有限元网格划分，从理论上来讲是任意的，但在实际工作中必须考虑到现实性及经济性，因而在划分时，必须遵循下列原则：（1） 所选用的单元不应使受力状态失真；（1） 结构的简化应确保所需要的计算精度；（2） 尽可能利用对称性、重复性，从而压缩所需的计算机内存量，减少计算时间；（4） 要

40、选择恰当的数学模型，保证计算精度，减少计算时间，降低计算费用。2. 加载对有限元模型的加载有两层含义：一是加约束，二是加载荷。根据受力分析，对已经划分完网格的数据模型进行简化，模拟真实情况下实体所受到的约束与载荷。ANSYS中大多数载荷既可施加于实体模型（关键点、线和面）上也可以施加于有限元模型（节点和单元）上。但ANSYS的求解期期望所有载荷应该依据有限元模型，因此，如果将载荷施加于实体模型，在开始求解时，ANSYS会自动将这些载荷转换到节点和单元上，当然也可以通过命令转换。在求解前，要定义好材料特性，预定义的材料特性为：弹性模量:E泊松比:密度：载荷施加于实体模型上有如下优点：实体模型载荷

41、独立于有限元网格。所以可以改变单元网格而不必改变施加的载荷 。与有限元模型相比，实体模型通常包括较少的实体（点线面图元相对于节点和 元来讲要少许多）。因此，选择实体模型的实体并在这些实体上施加载荷要容易得多，尤其是通过GUI操作时。载荷施加于实体模型上有如下缺点：ANSYS网格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中。网格划分命令生成的节点使用整体笛卡儿坐标系。因此，实体模型和有限元模型可能具有不同的坐标系，加载的方向也会因此而不同。在缩减分析中，实体模型载荷不是很方便，此时，载荷施加于主自由度（只能 节点而不能在关键点定义主自由度）。不能显示所有实体模型载荷。如前所述，在开始求解时，实体

42、模型载荷将自动转换到有限元模型。ANSYS将改写任何已存在于对应有限元实体上的载荷。载荷施加于有限元模型有如下优点：在缩减分析中，可将载荷直接施加在主节点。缺点：任何对于有限元网格的修改都将使载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格重新施加载荷。不便使用图形拾取施加载荷。除非仅包含几个节点或单元。3. 后处理后处理是指检查并分析求解的结果的相关操作。这是分析中最重要的一环之一，因为任何分析的最终目的都是为了研究作用在模型上的载荷是如何影响设计的。检查分析结果可使用两个后处理器：POST1（通用后处理器）和POST26（时间历程后处理器）。POST1允许检查整个模型在某一载荷步和子步（或某一特定时

43、间点或频率）的结果。POST26可以检查模型的指定节点的某一结果项相对于时间、频率或其他结果项的变换。需要注意的是ANSYS的后处理器仅是用于检查分析结果的工具。要判断一个分析的结果是否正确，或者对结果进行解释，仍然需要工程判断能力。6 ANSYS中的模态分析6.1模态分析的定义模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谱响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可

44、以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。ANSYS6.1中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触(间隙)单元，即使定义了也将被忽略。 6.2 模态提取方法 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题： iiiMK=2 其中： K刚度矩阵， i第i阶模态的振型向量(特征向量)， i第I阶模态的固有频率(是特征值)， 2iM质量矩阵 有许多数值方法可用于求解上面的方程。ANSYS6.1提供了7种模态提取方法。它们是： 􀁺 Block Lanc

45、zos (分块兰索斯)法 分块兰索斯(Block Lanczos)法特征值求解器采用Lanczos算法，Lanczos算法是用一组向量来实现Lanczos递归计算。当计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块兰索斯(Block Lanczos)法提取模态特别有效。计算时，求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基本上一样快。其特别适用于大型对称特征值求解问题。 􀁺 Subspace (子空间)法 Subspace（子空间）法使用子空间迭代技术，它内部使用广义的Jacobi迭代算法，主要适用于大型对称特征值求解问题。可以用几种求解控制选项来控制子空间迭代过程。 􀁺 Powerdynamics法 PowerDynamics法适用于非常大的模型（100,000个自由度以上）。此法特别适合于只求解结构前几阶模态以了解结构将如何响应的情形，接着可以选择合适的提取方法（Subspace或Block Lanczos）求得最终的解。这种方法自动采用集中质量