ANSYS Workbench 模态分析（二）

从网上找个例子再熟悉下模态分析的基本流程以及一些基本选项。发射简化的立方星（也有说细胞卫星）的时候，它放在一个盒子里面，大概就是下面这样的，实际是非常复杂的。其盒子主体结构由6061-T6铝构成（假设的材料），里面用两个简单的矩形块和一个圆柱代表飞行计算以及控制系统啥的。

首先建立好如下的分析流程，然后定义材料以及导入几何模型，几何模型将在文末提供给各位，可以一起练习下。

进入材料库定义铝6061-T6的基本参数，并且将该材料使用右键的duplicate复制三份分别修改名称为Large Box （Density = 1000 kg/m^3）

、Small Box （Density = 900 kg/m^3）、Cylinder （Density = 1200 kg/m^3）

对于存在着多种不同的材料需要赋予的时候，建议从准备的材料选项里面剔除不需要的，因为ANSYS会默认一种材料，这样进入Mechanical以后所欲的零部件都已经分配好了材料，这并不是我想看到的。（个人认为这种不利于检查材料分配）按照如下图示抑制不要的即可

材料指定

点击Geometry下的对象，从下侧明细栏的Materials指定材料。两个大的矩形块（Large Box）、一个小矩形块（Small Box）以及一个圆柱（Cylinder），实体几何与材料一一对应。提供两种不错的方法指定材料：

1、将同一种材料的零部件成组放置

选择需要赋予同一材料的几何体，单击鼠标右键，选择【Group】或者使用快捷键Ctrl+G，这将对象放到一个组里面。这个与Named Selection 完全不是一个东西，这里仅仅是作为归类使用，主要是方便查找校验。成组主要适用于许多对象分配同一种属性的情况，类似的情况应用是有很多的，如接触里面也有组，还有建立关节的时候。

2、从图形区直接选择需要指定材料的几何过滤

首先从图形区域选择需要分配材料的对象，然后单击鼠标右键，选择【Go To】选项，进一步选择如下图示。按照这种方法十分方便从树型栏直接找到需要分配材料的几何模型，更高的版本在分配材料上更方便。此方法主要适用于比较少的几何无法及时从树型栏找到，很遗憾ANSYS没有材料视图（切换到该模式下，各部件对应什么材料都会以指定的颜色来显示），所以如果存在ANSYS默认材料，你即便是没有指定想要的材料，软件也会显示所有零部件已经包含材料，十分不利于排查。因此，复杂的模型还是应该采用专业的前处理，ANSYS的前处理太鸡肋了

，不建议执着下去

接触连接

软件默认生成接触条件是绑定，通常是没有按照零部件命名的，因此首先建议自动重命名处理。选定好【Contact】，单击鼠标右键，按照如下图示直接自动重命名：

特别重要的一点就是，所有零部件应该规范命名，有明确的含义或者代号。因为之前特别的懒，所有几何都是阿拉伯数字命名，有时候因为名字重复了就不断地按键盘上同一个数字，导致名字特别的长，诸如.11111111

。如果命名不规范，生成几十个接触对，要检查会特别麻烦。对于同种接触类型的，建议放到一个组里面，既方便指定，也方便检查，也可按照部件组成处理，方法都是一样的。本模型将名字里面带有wall to wall（名字里面有两个wall的接触对）的接触对全部抑制掉，一共12个。

在检查接触对的时候，建议打开下面视图上的开关。当我们点击接触对的时候就会出现下面这样的视图，每个窗口有对应的名称，转动图形区域几何模型，右侧对应的接触分解视图也会转动，十分方便。

由于网格对于低阶模态的不敏感性，这里并不会划分十分细致的网格，全局设定2mm，软件自动划分，得到如下结果。

分析设定

默认获得前6阶模态，这里指定范围为0到1000Hz，如此设置减少了计算时间。并且如下图所示，可以设定输出应力应变结果，虽然是不能用作强度分析，但是书籍指出：高应力的区域也是结构设计的薄弱部分，产生共振的时候也是率先破坏的。

边界条件

这个盒子是放置到一个发射装置上，四条腿是要对其加速度方向，即正指天空，因此不允许它有侧向位移。盒子设计为弹性加载系统，考虑上升过程中在竖直方向上存在少许移动，因此顶面释放竖直方向自由度，加载如下：

底面固定支撑

有时候你选择完了对象可能一不留神就松动键盘或者点鼠标就变了，建议使用线框模式，如上图所示。可以时刻确认选择的对象是否正确

顶面释放竖直自由度

使用位移约束，释放数值自由度，如上图所示。

计算结果

计算以为完成了，结果来了个不好的提示。。。。。软件说给的单元太少了，至少有一个体，在至少两个方向上仅仅存在着一个单元，减缩积分的时候，可能产生无效的解。为了解决这个问题，它建议我使用完全积分法或者更多的单元。完蛋咯，偷懒没偷成

。你说的倒是轻巧，网格多一点算不动，完全积分？你倒是给个选择项啊，又要写命令

，不干，先就这样了。

前六阶频率如上表所示，可见没有刚体模态。如果存在着刚体模态，则低阶频率为0或者接近为0。

在静力学里面，要求所有几何位置是确定的，避免产生刚体位移，要不无法计算。在模态分析里面却没有这个要求，边界条件应该按照实际情况加载。静力学如果遇到缺少约束无法计算时，书上建议我们做一个模态分析，查看对应的刚体模态来确定何处少了需要的边界。

这是静力学的应用，实际上在很多地方都可以用。比方说，有几百个，甚至是上千个零件需要合理的连接到一起。对于这样关系很复杂的，可以通过模态分析来检查模型的连接是否可靠。对于无约束的几何体，存在着六阶刚体模态，所以如果装配中超过六阶刚体模态，必定存在着连接不可靠的问题，并且可以趁机找到约束不足的位置。

有时候上图这样的选项特别多，导致每次找选项很麻烦，所以如果我只想关注结果的选项，采用上面的方法可以过滤掉不需要的部分。按照上次的插件查看各个方向有效质量的占比情况，显然任意一个方向都是不够的，但是这里只是为了进一步熟悉流程，因此并不进一步计算。

查看上升方向的模态。由插件查看上升方向主要由哪一阶为主，如下图所示：

上图显示，在上升方向上，二阶占主导地位。上部顶端中心连接区域形变高于四周区域，这显然是符合实际的。

模态分析主要是为了获得系统的振动特性参数，诸如固有频率、模态以及振型参与系数等，同样也是线性动力学的根基。如谐响应分析，可以基于模态叠加法来计算系统的动力响应。可我始终不明白，为什么可以基于振型叠加计算动力学响应？也就是说，一个确确实实的激励作用下产生的响应，居然活生生的用这个系统可能的振动形式叠加出来了，感觉很神奇，因为精度在工程上可接受。

查询过一些资料，说的比较多的都是怎么样叠加，至于为什么可以这么叠加好像并没有什么书去说，莫非这是个显而易见？

像模态叠加如何叠加的，看下面这张图就十分清楚了

这张图说了振型参与系数的作用，用来计算模态系数的，至于上面说的模态组合方法，即采用何种方法叠加模态，一般书上面都有的啥CQC、SRSS之类的。至于模态为何可以叠加，这其实要从力学的角度去找答案，而有限元仿真书籍在动力学这一块普遍缺少力学理论的阐述。对此心中已有方向，慢慢总结。

为什么低阶模态各个软件计算相差无几，而高阶却很不一样？为什么线性动力学的响应仅由有限个数的低阶模态可以近似表达，高阶呢？计算响应，诸如应力应变（动力学响应）为什么需要较多的模态阶数才能比较好的近似解？动力学里面的单元或者网格，相比较静力学有什么不一样，为什么不一样？....

对于一般仿真计算书籍上很常见的，会尽量少摘录，感觉多看几次也就记住了，可能并不清楚有什么用。就好像你可能听说过，反正我听说过

，一致质量矩阵和集中质量矩阵，亦或者质量矩阵归一与位移归一。记住了，可是为什么没有用到分析中去呢，难道单纯的只是满足自己的好奇心吗（奇怪的知识又增加了呢

）。很多时候我不清楚这个东西我要记住它干嘛，反正就是知道，而有的时候真的只是想要知道。其实要运用而没有用到，是因为学的还不够，上次好像看到过，一致质量矩阵和集中质量矩阵事关单元选择的问题，在动力学分析中与应力波的传递有关。猴年马月才能找到门，还入啥。。

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注：仅记录学习FEM的一个过程，表达的是个人观点与认识，欢迎一起讨论学习。有疑问可以私，本号没有留言功能，无法互动。本人小白一枚，正在努力的路上。