一种典型辅助支撑部件的模态与振动响应分析(附件)【字数：11042】
摘 要 通常我们对结构运动学进行分析，首先需要掌握模态分析。它是一种得到研究对象振动特性和激励响应的技术，其固有频率和固有振型对于结构动力学特性的分析是重要的参考指标。以钢结构部件作为研究对象，对其构建有限元模型，利用数值仿真系统计算得到模型的各阶模态频率和模态振型等解析模态参数。然后给予目标结构一种自由状态，通过模态实验获得实验模态参数。将有限元法和试验法得到的两组参数进行对照，前6阶模态频率的误差不超过4.1%，则表明该有限元模型与实际相符，可以进行下一步的分析计算。准备振动响应实验。首先用螺栓连接固定块把目标结构固定在小型振动台的水平滑台上，利用振动台施加随机和扫频激励，得到台面周围的振动响应信号，通过所得信号合成自功率谱图。图上出现多处功率峰值，表示钢架在峰值处产生共振。用HyperMesh模拟实际连接，对先前的自由状态有限元模型施加全约束，并计算其在该状态下的前6阶模态频率和振型。将所得结果和有限元法获得的模态频率进行比较，修正约束状态下的钢架模型（着重于脚部支撑处的约束及连接）。多次修正后，振动实验获得的峰值对应频率都能与解析模态得到的前6阶模态频率得到对应。由此可以说明，约束条件下的有限元模型和实际模型基本吻合，以此为基础方便之后其他动力学的分析。构建出合理的模型后，利用HyperMesh对钢架的整体进行瞬态响应分析。在支撑台面中心施加激励，得到钢架支撑腿处的响应信号，并对其振动能量分布加以描述。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 研究目的和意义 1
1.3 课题重点研究内容 1
第二章 分析方法介绍 3
2.1模态分析 3
2.2有限元分析法 3
2.3应用软件 3
第三章 通过有限元法获取钢结构的模态参数 4
3.1建立有限元模型 4
3.1.1三维几何建模 4
3.1.2构建有限元模型 4
3.2求解解析模态参数 5
3.3模态的计算 6
3.3.1模型在自由状态下的分析结果 6
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.3.2模型在约束状态下的分析结果 8
3.4小结 11
第四章 运用试验法获取钢架的自由模态参数 12
4.1试验模态测试步骤及减小误差的方法 12
4.2实验器材和步骤 12
4.3实验结果的分析 14
4.4解析模态和试验模态结果的对比及分析 18
4.5小结 19
第五章 利用振动台的钢架动态响应实验 20
5.1实验器材 20
5.2动态响应实验过程 21
5.3动态响应实验的结果 22
5.4实验数据的分析 22
5.5完善有限元模型 23
5.6小结 24
第六章 基于有限元的钢架瞬态响应分析 25
6.1瞬态响应动态分析的基础理论 25
6.2瞬态响应的计算方法 25
6.3钢架瞬态响应分析的过程 25
6.4钢架的瞬态响应分析 25
6.5小结 29
结束语 30
致谢 31
参考文献 32 第一章 绪 论
1.1引言
支撑部件对于几乎全球所有的机械设备设计和制造行业都是不可或缺的。框架结构作为一种常见的支撑结构用途广泛，例如支撑运动部件、构成整体框架或承受冲击载荷。随着机械产品运用范围日趋广泛，结构与力学环境愈发复杂，在这样的背景下现有辅助支撑部件逐渐满足不了新的需求。因此需要对其模态和振动响应进行研究，实现新的设计 [2]。本次以钢结构作为研究对象，用仿真和试验法得到两组模态参数，校核分析数据，通过振动实验修正模型后对钢架整体进行瞬态响应分析。
1.2研究的目的和意义
对该钢结构来说，在影响其质量的因素中，力学性能的优劣占有一席之地。特别是在动态环境下，更凸显了载荷及其自身结构和材料的影响。支撑部件作为机械设备的基础，其静态和动态特性决定着整个设备的可靠稳定性及其使用安全和使用时间。所以要对钢结构部件本身的模态特性有基本的了解。本课题大体研究目的如下：
(1) 用合理的途径分析该钢部件的模态特性。同时，选择合适的分析方法，特别是试验模态的进行和动态响应分析还有有限元模型的建立修正。这对分析相同类型支撑部件的结构是一个参考；
(2)对钢部件进行振动测试以获得其振动能量分布；
(3)得到模态参数振动特性后，草拟钢部件结构的改进方案。
构建部件的计算机模型，通过Hypermesh，对其结构性能进行分析。通过分析静刚度了解部件在固定载荷下的形变和应力状况，有助于了解目标体的机械特性；其次，部件结构的模态特性对设备整体性能有关键影响。简单的说模态分析就是利用数学或实验的方法获取研究对象的振动特性，它们反映了部件在实际运用中承受动载荷能力的大小。设计过程中，通过以上的模态分析与静态分析，设计师可以靠变形云图，排查部件的薄弱环节，获取固有频率。以计算数据和模拟实验的结果为依据，加强薄弱部位的同时在不影响性能的前提下简化结构，既增强产品可靠性，提升了产品力学性能，又满足了产品轻量化的要求[4]。
1.3课题重点研究内容
本课题的工作以钢结构的振动特性为中心，重点研究内容如下:
(1) Hypermesh有限元软件操作方法；
(2)如何利用振动台进行振动试验；
(3)采用频域法或时域法识别通过施加激励所得响应信号的模态参数；
(4)根据实验数据修正有限元模型；
(5)对钢部件瞬态响应分析并予以评估。
第二章 分析方法介绍
本毕业设计获取模态参数的方法大体两种。利用模态分析所得的支撑部结构模态参数，是结构设计中评价承受动态载荷能力的的参考指标，并为之后分析其他动态问题打下基础。其次是通过计算机仿真得到结构固有频率和振型等参数的有限元分析法，这种方法基于钢结构自身的结构设计，针对其复杂非线性振动特性，利用hypermesh对钢结构工作过程中产生的振动进行分析。
2.1模态分析
模态分析是一种常见的分析方法，过程中要考虑的因素很多，尤其是结构的几何特点及材料相关特性。通过解系统的特征方程是模态分析的一般方式，由此就算是多自由度系统也能用单自由度的复合表示。利用模态分析可以得到模型的模态参数，诸如模态频率及振型。
通过模态分析得到的各阶模态频率与很大程度上与实际相符，这让设计师以此为参考进行有针对的修正，大幅减小研究对象在实际工作中产生共振的概率。通过这些模态参数，设计师能模拟同一种机构在不同激励下的响应情况，得到一种量化数据，这有助于设计师掌握其他动态分析中的估算求解参数。
模态分析有试验和解析模态法两类。解析法作为模态法的基础，试验法为解析法做补充。解析法结合试验法的手段可以得更合理的结构模型。
先对研究对象做有限元分析，结合得到的参数再用试验法。虽然靠实验得到的模态频率也会有误差，但它仍是比较可靠的，以此为依据可以改进有限元模型，使得所建模型更符合实际，也为接下来对研究对象进行其他动态分析的做好基础。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 研究目的和意义 1
1.3 课题重点研究内容 1
第二章 分析方法介绍 3
2.1模态分析 3
2.2有限元分析法 3
2.3应用软件 3
第三章 通过有限元法获取钢结构的模态参数 4
3.1建立有限元模型 4
3.1.1三维几何建模 4
3.1.2构建有限元模型 4
3.2求解解析模态参数 5
3.3模态的计算 6
3.3.1模型在自由状态下的分析结果 6
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.3.2模型在约束状态下的分析结果 8
3.4小结 11
第四章 运用试验法获取钢架的自由模态参数 12
4.1试验模态测试步骤及减小误差的方法 12
4.2实验器材和步骤 12
4.3实验结果的分析 14
4.4解析模态和试验模态结果的对比及分析 18
4.5小结 19
第五章 利用振动台的钢架动态响应实验 20
5.1实验器材 20
5.2动态响应实验过程 21
5.3动态响应实验的结果 22
5.4实验数据的分析 22
5.5完善有限元模型 23
5.6小结 24
第六章 基于有限元的钢架瞬态响应分析 25
6.1瞬态响应动态分析的基础理论 25
6.2瞬态响应的计算方法 25
6.3钢架瞬态响应分析的过程 25
6.4钢架的瞬态响应分析 25
6.5小结 29
结束语 30
致谢 31
参考文献 32 第一章 绪 论
1.1引言
支撑部件对于几乎全球所有的机械设备设计和制造行业都是不可或缺的。框架结构作为一种常见的支撑结构用途广泛，例如支撑运动部件、构成整体框架或承受冲击载荷。随着机械产品运用范围日趋广泛，结构与力学环境愈发复杂，在这样的背景下现有辅助支撑部件逐渐满足不了新的需求。因此需要对其模态和振动响应进行研究，实现新的设计 [2]。本次以钢结构作为研究对象，用仿真和试验法得到两组模态参数，校核分析数据，通过振动实验修正模型后对钢架整体进行瞬态响应分析。
1.2研究的目的和意义
对该钢结构来说，在影响其质量的因素中，力学性能的优劣占有一席之地。特别是在动态环境下，更凸显了载荷及其自身结构和材料的影响。支撑部件作为机械设备的基础，其静态和动态特性决定着整个设备的可靠稳定性及其使用安全和使用时间。所以要对钢结构部件本身的模态特性有基本的了解。本课题大体研究目的如下：
(1) 用合理的途径分析该钢部件的模态特性。同时，选择合适的分析方法，特别是试验模态的进行和动态响应分析还有有限元模型的建立修正。这对分析相同类型支撑部件的结构是一个参考；
(2)对钢部件进行振动测试以获得其振动能量分布；
(3)得到模态参数振动特性后，草拟钢部件结构的改进方案。
构建部件的计算机模型，通过Hypermesh，对其结构性能进行分析。通过分析静刚度了解部件在固定载荷下的形变和应力状况，有助于了解目标体的机械特性；其次，部件结构的模态特性对设备整体性能有关键影响。简单的说模态分析就是利用数学或实验的方法获取研究对象的振动特性，它们反映了部件在实际运用中承受动载荷能力的大小。设计过程中，通过以上的模态分析与静态分析，设计师可以靠变形云图，排查部件的薄弱环节，获取固有频率。以计算数据和模拟实验的结果为依据，加强薄弱部位的同时在不影响性能的前提下简化结构，既增强产品可靠性，提升了产品力学性能，又满足了产品轻量化的要求[4]。
1.3课题重点研究内容
本课题的工作以钢结构的振动特性为中心，重点研究内容如下:
(1) Hypermesh有限元软件操作方法；
(2)如何利用振动台进行振动试验；
(3)采用频域法或时域法识别通过施加激励所得响应信号的模态参数；
(4)根据实验数据修正有限元模型；
(5)对钢部件瞬态响应分析并予以评估。
第二章 分析方法介绍
本毕业设计获取模态参数的方法大体两种。利用模态分析所得的支撑部结构模态参数，是结构设计中评价承受动态载荷能力的的参考指标，并为之后分析其他动态问题打下基础。其次是通过计算机仿真得到结构固有频率和振型等参数的有限元分析法，这种方法基于钢结构自身的结构设计，针对其复杂非线性振动特性，利用hypermesh对钢结构工作过程中产生的振动进行分析。
2.1模态分析
模态分析是一种常见的分析方法，过程中要考虑的因素很多，尤其是结构的几何特点及材料相关特性。通过解系统的特征方程是模态分析的一般方式，由此就算是多自由度系统也能用单自由度的复合表示。利用模态分析可以得到模型的模态参数，诸如模态频率及振型。
通过模态分析得到的各阶模态频率与很大程度上与实际相符，这让设计师以此为参考进行有针对的修正，大幅减小研究对象在实际工作中产生共振的概率。通过这些模态参数，设计师能模拟同一种机构在不同激励下的响应情况，得到一种量化数据，这有助于设计师掌握其他动态分析中的估算求解参数。
模态分析有试验和解析模态法两类。解析法作为模态法的基础，试验法为解析法做补充。解析法结合试验法的手段可以得更合理的结构模型。
先对研究对象做有限元分析，结合得到的参数再用试验法。虽然靠实验得到的模态频率也会有误差，但它仍是比较可靠的，以此为依据可以改进有限元模型，使得所建模型更符合实际，也为接下来对研究对象进行其他动态分析的做好基础。
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