ANSYS Workbench算例——零件的模态分析

1 写在前面

从ANSYS7.0开始，ANSYS公司推出了ANSYS经典版（Mechanical APDL）和ANSYS Workbench版两个版本。Workbench是ANSYS公司提出的 协同仿真环境 ，解决企业产品研发过程中CAE软件的 异构问题 。ANSYS公司提出的观点是： 保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境 。ANSYS Workbench仿真平台能对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热力学、电磁场以及耦合场等进行分析模拟。这个协同仿真环境大白话说意思就说 集成 ，Workbench把求解器看作一个组件，不论由哪个CAE公司提供的 求解器都是平等 的，在Workbench中经过简单开发都可 直接调用 。

下面根据自己的专业背景，我以油气井工程中最常见的油管柱为例（其实模型就是一根有一定壁厚的圆管），对其进行 模态分析 。在结构动力特性研究方面，模态分析可以实现对工程振动问题的系统辨别。所谓的模态，即为机械结构的 固有振动特性 。而各模态拥有各自的固有频率、振型和阻尼比，可以通过计算或试验获得，获得的过程就称之为模态分析。

2 模态分析详细GUI步骤

我的操作步骤是先用proe进行建模（用solidworks、Catia等建模软件均可，会其中一种就可以了），然后导入到SCDM，在SCDM中进入Workbench，再进行模态分析（我用的版本是16.0）。

由于模型非常简单，就是一根有一定壁厚的圆管，所以详细的建模过程就不赘述了（proe建模的简单操作在之前搅拌槽的例子里有），这里简单贴几张步骤图。进入proe后注意设置单位（此处设置为毫米），建模完成后保存为.prt文件格式即可。

模型建好后，保存在指定工作目录下（我这里就存在桌面了），然后先进入SCDM（即SpaceClaim）。在ANSYS16.0的目录下找到SCDM16.0，点击进入，出现如图所示截面。

这里需要简单说明一下SCDM。SCDM是ANSYS自带的一个建模软件（从16.0的版本后才集成的这个软件，之前版本是没有的），可以直接在里面建模，也可以对已有的模型导入进行修改或重构。用第三方软件建模后可以生成不同格式的文件，比如step格式（step格式是不保留模型数据的），直接在workbench中导入这些格式的模型，多多少少会出现 模型数据的缺失和精简 ，即与原模型存在或多或少的不符。但是从SCDM中导入的是 模型的源文件 ，不会出现以上问题。

SCDM相对于专业的CAD建模软件并不是很容易用，所以不建议直接在SCDM中建模，而是需要把它作为一个文件的中转站，在SCDM的环境下打开workbench，保证模型数据的完好导入。

点击打开文件，在文件类型里选择pro/ENGINEER文件，单击打开。出现如图所示界面。

此处无需对模型进行任何处理，在一级菜单中找到“准备”，在相应的下级菜单中找到16.0，这个就是进入ANSYS workbench16.0的入口，点击进入。出现如图所示界面，可以看到模型已经被成功导入workbench。

在Analysis Systems中有很多的分析选项和模块，我们要做的是模态分析，所以选择Modal（下方有一个带ABAQUS的Modal，代表它所使用的求解器是ABAQUS，我们不使用这个）。拖动Modal至A项目的Geometry处，当出现如图所示情况时松开鼠标。

此时会发现，在上图中的Share A2区域会出现项目B。为了便于识别，我重新命名了项目的名称，A项目为油管柱模型，B项目为油管柱模态分析。在项目中的每一个子模块代表分析的步骤，包括材料属性设置，建模，划分网格，约束与载荷，求解以及结果分析。每一项后面都会有一个小图标，绿色的对勾代表这一模块已经准备就绪，首尾相接的绿色箭头代表当前需设置的模块，蓝色问号代表还未设置的模块。

虽然材料属性这一模块默认已经准备就绪，但是为了让workbench入门同学对其有一个大概的认识，我们还是简单的介绍一下，双击Engineering Data（这一模块主要就是用来定义材料），会出现如图所示界面。其中默认的材料是结构钢，具体的各项材料属性都位于Properties of Outline Row这一对话框里。

如果我们需要更改使用的材料，需要点击Engineering Data Sources，其实就是一个材料库，里面有workbench自带的各种材料。

点击后会出现如图所示对话框，它会把材料按照不同的属性分成几类，比如我们点击一般非线性材料，下方就会出现库里所包含的各种非线性材料（库里是指在材料库里，不是斯蒂芬·库里，噗嗤）。

假设我们想选用非线性的结构钢（只是做演示，后面我们不会选用这个做材料），点击B栏的“＋”号，C栏会出现一本紫色小书（书的颜色我很喜欢），表示非线性结构钢已经被加入到备选序列里了。

退出材料属性模块，双击Model进入模型编辑模块。（注意这个Model子模块和Modal是不一样的，一个是“e”一个是“a”。modal是形容词，代表模式的，模态的，形式的；model是个名词，意为模型；还有一个比较容易弄混的，就是medal，也是名词，意思是奖章、勋章。别再弄混哈）。Model界面如图所示，可以看到导入的油管柱模型。

在界面的最左边，我们可以看到如图所示的项目树，包括实体模型设置，坐标系设置，网格划分，模态分析设置与结果后处理。

点击Geom/实体1，右边的模型会全部变成绿色，代表实体1即整个油管这个零件体，如果是装配体，这里会显示多个实体。在材料设置的下方，默认材料是结构钢。

如果我们需要更改为其他材料，在该栏右边的下拉菜单里，可以在材料备选区看到刚才我们在材料库中加入的非线性结构钢。一般我们应该事先定义好需要的材料，然后进入Model后直接在备选区选用；如果忘记定义就直接进入到了Model的话，也可以在这里点击New Material进行设置。

坐标系我们默认为全局坐标。接下来进行网格划分。这里说一个小细节，在项目树中，所有设置好的模块前面都会打绿色对勾，画黄色闪电的代表还未完全设置好的模块。由于模型相对简单，我们只需要对划分方法和划分尺度进行设置就可以了。点击Mesh Control下的Method，出现Details of“Automatic Method”，Geometry处于高亮状态，表示未选中。

我们单击高亮部位，会出现Apply和Cancel两个按键，此时鼠标处于可选状态，选中油管柱模型，点击Apply，模型由绿色变为紫色，代表已将模型选中为划分对象。在Method中默认为Automatic方式，即自动划分网格，我们可以在下拉列表中选择如图所示的其他划分方式，此处我们使用默认方式。

点击Mesh Control下的Sizing，出现Details of“Sizing”，同样的方法选中模型，在Element Size处输入5mm。网格划分尺度根据自己计算机的配置进行设置，在可以满足计算精度的前提下，可以适当减少网格，使得计算更快速。

生成网格的方式，可以右键单击Mesh，选择Generate Mesh进行生成，或者直接右键单击模型，选择Generate Mesh on Selected Bodies生成网格。

出现以下对话框代表网格正在生成中，如果划分较密、计算机性能不佳的话，这个过程可能会很慢，请耐心等待。如果出现进度条不动、等待长时间未果的情况，可以点击stop，然后重新划分低密度网格。

网格生成后，效果如图所示。

要确定网格是否达到计算要求，我们需要检查网格质量。在左下角有网格细节的编辑对话框，我们点击Statistics，在Mesh Metric中选择Element Quality（也可以选择别的网格质量判别项目，如歪斜率等），此时我们可以得到平均网格质量为0.9346，属于很好的网格。一般来讲，Average的值只要大于0.7，网格质量就可以满足我们所能做的任何分析，所以没必要尽可能的追求高密度网格，这不仅是一种资源的浪费，关键就是可能你所使用的计算机内存不够而带不动高密度网格。

模型下方会出现如图所示的柱状图，该柱状图横轴为网格质量，纵轴为相应网格质量对应的网格单元数量。由柱状图可以看出，大部分网格都集中在在0.9~0.96之间，质量很好。点击任意一条柱状图，可以单独看到网格质量为该值时所对应的所有网格。如图所示。

接下来进行模态分析设置。点击Analysis Settings。在Details的Options中，默认最大模态数为6。这6个模态是每个物体均具有的刚体模态，即3个方向的平动模态和3个方向的转动模态，所以我们需要增加最大模态数（如果是无约束条件的话，分析前6个模态就毫无意义），寻找更多频率下对应的模态。此处我们将最大模态数增加至20。

（此处我们不加任何载荷，所以预应力模块直接默认为None）施加约束。点击Supports，在下拉选项中选择Fixed Support，分别固定油管柱的两端截面，如图所示。

求解。右键点击Solution，点击Solve，开始求解。出现如下对话框表示求解进行中。

求解完成后，我们需添加20个油管柱的模态求解结果。可以直接点击菜单栏下方的Deformation，也可以右键点击Solution，点击下拉列表中的Insert找到Deformation，选择Total。此时可以看到Mode数为1，表示1阶模态，可以依照同样的方法，添加剩下的19个模态。

但是这种操作比较繁琐，那可不可以直接得到20个模态呢？当然可以。在模型下方有柱状图，每一条代表不同的模态，柱状图右侧有一个表格，即Tabular Data，表格列出了不同模态数对应的频率。方法是：右键点击表格左上方空白处，会出现如图所示对话框，点击Create Mode Shape Results，点击后可以发现，项目树的Solution下面出现了20个Total Deformation。但是需要注意的是，每个Total Deformation前面都存在黄色闪电符号，代表求解结果还未被赋予到该模块中。

右键点击Solution，点击Evaluate All Results，将求解结果赋予到每个Total Deformation。赋予成功后，每个Total Deformation前面的闪电会变为绿色对勾。

此时，任意点开一个模态，可以看到该模态下油管的形貌与对应频率。但是该形貌并不是实际油管的变形情况（实际情况没有这么夸张），那么如何更改为实际形貌呢？

在菜单栏下方Result处，此时默认为17（Auto Scale），我们需要改为真实尺度，即1.0（True Scale），更改后，油管柱实际变形情况如图所示。可以看到变形没那么明显，但是变形量与弯矩所在处并无改变，说明刚才的尺度放缩并没有影响到求解的结果，只是对呈现的效果进行了改变而已。

此时的形貌图有网格存在，如果不需要，可以只显示云图。和Result在同一行中，点击一个彩色的对角线相连的六边形，在下拉列表中选择No WireFrame，代表无网格状态，更改后云图如图所示。

同样可以得到矢量图，具体操作见图中的红色框标注，可以调节箭头的大小与密度。

（下面两图分别是另两个频率下对应的模态，没有表现为弯曲，而是表现为旋转与扭转）

如果想要保存动画，可以在模型下方点击Graph，workbench自动生成了动画，点击三角播放键可以查看动画，也可以调节动画的帧，或保存为视频格式。

具体如何分析不同频率下的模态，可以补一下相关的知识，我也在补习中。这是简单的只有约束条件下模态模拟，还可以施加不同的载荷（预应力、温度等），以及管柱上面有缺陷等等情况下对应的模态分析等，但是基础操作差不多就是这些，如果是做预应力状态下的模态分析，在进入Modal之前，先做一个静力分析，然后再与Modal进行数据共享即可。如果这部分有疑问，下次我会单独做一个预应力+模态分析。

本文结束。

掰掰！