第4章 曲轴模态分析

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

4.1.2 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>Analysis Type>New Analysis>Model，新建求解类型为模态求解； （2）在Analysis Option 中，选择算法，选择“Block Lanzcons”,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>>Current LS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。

（5）待出现“Solution done”提示，点击“Close”。依次点击：General Postproc>Results Summary，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>Load step opts>ExpansionPass>Single Expand>Expand Model，进行设置。频率范围：0—100000 ；

（2）依次选择：Solution>Load step opts>DB/Results File，选择每步操作都进行到每个子空间（Substep）；

（3）依次选择：Solution>Load step opts>Solu Pintout，选择Every substep；

（4）依次选择：Solution>>solve>>Current LS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。

（5）待出现“Solution done”提示，点击“Close”。 4、查看各种振型

（1）依次选择：General Postproc>Read Result>First Set，读取第一阶振型； （2）依次选择：General Postproc> Plot Results>Contour Plot>>Nodal Solu，选择Displacement vector sum，查看总变形图。

注意：每查看一种振型，要选择“Next Set”，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 固有频率（HZ） 1 300 .74 2 441 .12 3 674 .77 4 727 .38 5 827 .90 6 986 .64 7 1133 .9 8 1434 .8 9 1803 .3 10 1984 .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