基于ANSYS和实验的悬臂薄板模态分析

基于ANSYS和实验的悬臂薄板模态分析

摘要：运用ANSYS 软件对某悬臂薄板进行了模态分析，得到了悬臂薄板的前10阶固有频率和振型，确定了悬臂薄板的振动特性，模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径，从而为以后应用过程中提供了依据。

关键词：Ansys模态分析悬臂薄板振型

悬臂薄板的固有特性，在一定程度上可以模拟和反应航空发动机叶片的固有特性。因而，研究悬臂薄板的固有特性在航空领域具有很重大的意义。鉴于发动机叶片的振动疲劳故障的不断出现，发动机叶片的振动问题越来越得到研究学者的关注。叶片是航空发动机的重要零、部件之一，其工作可靠性直接影响发动机的正常运行和飞行安全。在一般情况下，叶片属于无限寿命设计的零件，即在发动机全寿命期间，叶片不会因为到寿而损坏。但是在航空发动机的工作过程中，叶片起着气体热能、压力能与气体动能相互转化媒介的作用。鉴于此特殊功能的关系，叶片的承载情况十分复杂，工作条件十分恶劣。其承受较高的离心力、气动力、振动应力、温度应力和介质等的综合作用

[1]。因此，对悬臂薄板的研究在航空领域具有重大的意义。

1 悬臂薄板有限元分析

在SOLID单元分析中，分别建立体模型、面模型，以便分析不同的网格划分方式对结果的影响；在SHELL单元分析中，建立面模

型进行分析，利用单元不同的厚度实常数设置对悬臂薄板的厚度进行分析。

对于薄板结构，可以使用SOLID45、SOLID95、SOLID185、SOLID186等类型的单元进行建模。SOLID45和SOLID185用于建立三维实体结构模型。该单元由八个节点定义，每个节点有3个自由度：节点坐标系的x、y、z方向的平动。

定义好材料属性后就要对模型进行网格划分。网格划分时网格密度要选择适中，太密影响分析模型的速度，太疏降低分析的精度[2]。

根据上述悬臂薄板有限元建模方法建立响应的计算模型，采用Block Lanczos方法进行模态分析。

2 模态分析

模态分析需要指定模态提取方法，模态提取阶数，模态扩展的阶数、和求解频率范围等。ANSYS 中有7种求解模块，由于Lanczos法被认为是目前求解大型特征值问题最有效的方法，它具有求解精度高，计算速度快的特点，本文选择其中的BLOCKLANCZOS 方法求解[3]。扩展模态计算设置，悬臂薄板的自由振动可以表示为各阶固有振型的线性组合。

3 计算结果与分析

从计算结果以及实验结果可以分析得到：悬臂薄板低阶振动主要是以简单的弯、扭来加以描述或者采用半波数的方式来描述[4]。

4 结语

本文借助有限元分析软件ANSYS 以及实验进行了某一悬臂薄板的固有频率、固有振型的分析。获得了此悬臂薄板前4阶的固有频率和固有振型，为航空发动机叶片类的优化设计奠定了基础。

参考文献

[1] 柳海龙.复杂边界约束条件下发动机叶片的固有振动特性研究[D].南京航空航天大学，2007.

[2] 何勇.基于ANSYS的航空发动机压气机盘模态分析[J].机械制造与自动化，2012(1).

[3] 周鹏，胡予立，张小军.基于ansys的压气机盘模态分析[J]．机械设计与制造，2005，25(6)：61-62．

[4] 曹志远.板壳振动理论[M].北京:中国铁道出版社，1989.