干货 | ANSYS Workbench模态分析

纵横CAE

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模态是结构的固有振动特性，包含固有频率和振型。模态由结构的质量和刚度矩阵决定，结构确定的情况下，固有频率和振型也就唯一确定。当外界激励频率与结构固有频率接近时，会发生振动幅值异常放大的共振现象。

Fig. 1 大桥晃动之谜：共振现象引起的诡异现象

模态分析可以获取结构的固有频率和振型，进而与外载荷环境进行错频设计。模态分析具有非常广泛的实用价值，是最基本的动力学分析，也是其它动力学分析的基础。模态分析是一种线性分析，任何非线性行为均被忽略。

Fig. 2 异型真空罐前6阶固有频率和振型

本文以一种异型真空罐为例，介绍ANSYS Workbench的模态分析功能，详细步骤如下所述。

Step 1：建立分析项目

启动ANSYS Workbench，添加Analysis Systems中的Modal。

Fig. 3 ANSYS Workbench模态分析项目流程图

Step 2：导入几何模型

右击Geomrtry导入几何模型。双击Geomrtry，进入DesignModeler界面，设置单位为mm，单击Generate显示几何体。该几何模型为抽中面获取的壳体，具体方法参见：强烈推荐｜CAE前处理：基于UG的几何模型简化方法。

Fig. 4 异型真空罐抽中面模型

Step 3：设置材料属性

双击EngineeringData，右击空白界面选择Engineering Data Sources，点击欲添加材料后面的“+”号，也可以根据工程需要修改材料属性。双击Model，进入Mechanical界面，单击零件名字，在下方Assignment选择材料。

Fig. 5 材料属性设置

Step 4：进行网格划分

单击Mesh，选择Sizing，在Element Size设置参数（或设置RelevanceCenter或Relevance），然后右击Mesh，选择Generate Mesh生成网格。具体方法参见：干货 | ANSYS Workbench壳单元网格划分方法。

Fig. 6 异型真空罐网格划分

Step 5：模态阶数设置

ANSYS Workbench模态分析的默认模态数量为6，通过Modal—>Analysis Settings —>Options—>Max Modes to Find可以修改模态数量。

Fig. 7 模态阶数设置

Step 6：求解与后处理

右击Modal，点击Solve，求解模型。单击Solution，添加变形(total)，右击Solution选择Equivalent All Results。单击Total Deformation，查看一阶模态云图，并在右下角添加其余各阶模态云图。

Fig. 8 异型真空罐第一阶固有频率和振型

特别注意：

(1) 自由模态分析是对处于自由边界的结构进行模态分析，即不施加任何约束和载荷，分析后前6阶固有频率为0，或很小的小数，称为刚体模态。其它各阶模态为弹性模态，一般查看7~12阶固有频率。

(2) 装配体自由模态分析时，经常会得到前6阶固有频率不为0的情况，这是由于零件间默认是绑定接触+罚函数方法，会引入接触刚度导致计算误差。为了消除该误差，将接触算法Formulation调整为MPC。

来源：纵横CAE

一文搞懂ANSYS Workbench多场耦合仿真

工程实际中，结构场、温度场、流体场、电磁场相互耦合。随着产品的要求越来越高，单场载荷响应已不能满足设计要求，多场耦合仿真技术的重要性愈发凸显，更好模拟实际问题提高工程设计的准确性和可靠性。航空发动机流-热-固耦合仿真按照耦合程度，多场耦合可分为单向耦合和双向耦合。单向耦合即A场对B场有影响，而B场对A场没影响。双向耦合即A场对B场有影响，而B场对A场也有影响。按照计算方法，多场耦合主要有直接耦合法和迭代耦合法。多物理场耦合作用随着当今世界科技发展，多场耦合分析已在许多领域都有广泛的应用，如航空航天、土木工程、机械工程、电子工程、光学工程等。多场耦合分析可以帮助我们更好地理解和预测复杂系统的性能，其主要分析步骤如下：Step 1：建立数学模型根据所研究的问题，将各个物理场用数学方程表示出来，如 Navier-Stokes 方程、波动方程、热传导方程等。Step 2：确定边界条件根据实际问题的几何形状和物理特性，设定数学模型的边界条件和初始条件。Step 3：求解数学模型利用数值计算方法（如有限元法、有限差分法等）求解各个物理场的数学模型，得到各个场的分布和变化情况。Step 4：分析结果数据对计算结果进行分析，找出各个物理场之间的相互作用规律，评估设计方案的优劣，为工程决策提供依据。Step 5：优化设计模型根据分析结果，对设计方案进行优化，以满足工程要求。流-固耦合燃烧模拟ANSYS Workbench是功能最全面、性能最卓越的工程仿真软件之一，具备解决复杂多物理场的耦合计算能力，通过图形化界面进行多种物理场耦合的仿真分析，如流-热-固耦合、电-磁-热耦合、光-机-热耦合等。热-固耦合仿真由热力学定理可知，热胀冷缩是物体的固有属性。当环境温度发生改变时，结构的连续性或边界条件由于热胀冷缩而产生热应力，在正常工况下存在稳态热应力，在启动或关闭过程中存在瞬态热应力。由约束限制产生热应力由材料差异产生热应力一般情况下，热-固耦合为单向耦合。结构力学响应不会影响热物性、传热方式以及热边界条件，结构热应力问题可以解耦为热分析和结构分析，将热分析的温度分布作为结构分析的输入条件。结构热应力分析流程 ANSYS Workbench热-固耦合仿真分析流程，如下图所示。首先，进行结构热分析，获取温度场分布。然后，将温度作为外载荷，导入到结构力学计算中，从而得到结构热应力热变形。ANSYS Workbench热-固耦合仿真分析流程流-固耦合仿真流-固耦合是流体力学 (CFD) 与固体力学 (CSM) 的交叉力学分支，用于研究流体流场与固体变形之间的相互作用，计算固体在流体流动作用下的应力应变，以及流体在固体变形影响下的流场改变。CAE告诉你“脑子进水”是什么感觉单向流-固耦合：数据只从流体计算传递压力到固体表面，或者数据只从固体计算发送节点位移到流体界面。固体计算既可采用静态结构分析，也可采用瞬态结构分析。Workbench单向流-固耦合分析流程，如下图所示。ANSYS Workbench单向流-固耦合仿真分析流程双向流-固耦合：每一时刻都同时进行流体计算传递压力到固体表面，固体计算发送节点位移到流体界面。固体计算通常采用瞬态结构分析。Workbench双向流-固耦合分析流程，如下图所示。 ANSYS Workbench双向流-固耦合仿真分析流程流-热耦合仿真流-热耦合是研究温度场与流体场之间的相互作用，在工程实际中非常普遍，例如预测氧化、冷隔、浇不足等铸造缺陷。流-热耦合需要进行多次迭代计算，需要考虑多种因素，如流体的物理性质、温度场的影响等。ANSYS Workbench可以完成单向和双向流-热耦合仿真，用户可以利用ICEMCFD划分流体场网格，使用Fluent模块求解流体场，从而完成流-热耦合计算。流-热耦合计算中，主要基于对流换热计算公式进行数据交换。ANSYS Workbench双向流-热耦合仿真分析流程流-热-固耦合仿真流-热-固耦合是研究流体场、温度场、结构场之间的相互耦合作用，例如航空领域的尾喷管气动加热问题、航空发动机一体隔热结构的散热问题，航天领域飞行器的热气弹问题，汽车领域的排气管流-热-固耦合问题等。三通管流-热-固耦合仿真ANSYS Workbench使用Fluent、Steady-State Thermal、Static Structural实现流-热-固耦合分析，流体通过耦合面传递流体力至结构并传递温度至热场，热场通过体耦合传递温度至结构，数据流如下图所示。ANSYS Workbench双向流-热-固耦合仿真分析流程电-磁-热-固耦合仿真电-磁-热-固耦合仿真是研究电场、磁场、温度场、结构场相互耦合作用，可以在产品设计阶段就能减少产品问题，使产品更加小型化、更安全可靠高效，大幅降低变压器、电机、电磁炉等机电原型机的测试和生产成本。5G数字电路电-磁耦合仿真ANSYS Maxwell是工业界领先的电磁仿真软件，已被集成到先进的仿真平台Workbench中，可以实现电机电磁、振动和噪声的耦合分析。也可以与其他软件进行耦合分析，如Maxwell模块与FLUENT软件之间的电磁热流耦合分析。ANSYS Workbench电-磁-热耦合仿真分析流程刚-柔耦合仿真在实际工程问题中，刚形体与柔性体同时存在，其中柔性体很容易发生疲劳破坏，其变形也会影响机械系统精度，因此需要考虑结构的变形效果，分析柔性体的结构力学响应，即进行刚-柔耦合仿真分析。ANSYS Workbench刚-柔耦合分析项目流程如下图所示，主要分为两步：首先进行刚体动力学分析（ANSYS Workbench刚体动力学分析流程），然后进行柔性体力学分析。刚柔耦合仿真案例参见文章：ANSYS Workbench刚-柔耦合仿真。ANSYS Workbench刚-柔耦合仿真分析流程光-机-热耦合仿真在精密光学仪器中，由于机械载荷、温度变化、装配偏差等因素，会引起光学镜面几何变形和光学材料性能变化，难以满足镜片面形和位置精度要求。因此，需要将光学、结构力学、热力学等多学科集成耦合，形成光-机-热集成分析方法，通过仿真驱动设计实现光机方案快速迭代。太空望远镜光-机-热耦合仿真Ansys Mechanical结构分析对镜头的装配和温度工况进行模拟分析，得到镜头变形数据结果，再通过Zemax的STAR模型进行耦合，将镜头的结构分析数据导入到镜头设计软件中，从而进行镜头设计和优化。ANSYS Workbench光-机-热耦合仿真分析流程多场耦合分析是研究多种物理场相互作用的分析方法，涉及固体力学、流体力学、热力学、电磁学、热学等多学科知识。作为新时代工程师，学好自身专业的同时，也要不断拓展其它专业知识，更好实现产品交叉融合。来源：纵横CAE