揚州大學廣陵學院本科生畢業設計（論文）開題報告 設計（論文）題 目 機械零件自由模態數字試驗誤差分析 題目來源 指導老師出題 題目類型 為結合科研 指導教師 學生姓名 學 號 專 業 機械設計制造及其自動化 開題報告內容：（調研資料的準備與總結，研究目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段、 內容及時間安排；完成畢業設計（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業設計（論文）課題應達到的目的： （ 1）培養 自己的調查研究以及資料、信息的獲取、分析及繪圖能力 ； （ 2）培養學生的工程設計能力，主要包 括設計、計算及繪圖能力； （ 3）培養學生的綜合運用專業理論知識，分析解決實際問題的能力； （ 4）培養學生的在設計過程中使用計算機的能力； （ 5）培養學生的撰寫設計說明書、論文的能力； 本畢業設計（論文）課題工作進度計劃： 起止日期 工 作 內 容 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 2 月至 3 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 3 月至 4 月 2014 年 4 月至 5 月 1） 外文參考資料譯文 (附原文 )； 2） 10 篇以上的相關中英文資料查 閱，書寫開題報告 (含文獻綜述 )； 到相關企業 參觀實習，書寫實習調研報告 ； 3） 中期檢查表。（要求在畢業設計工作中期完 成，連同封面及原文裝訂成冊）； 4） 熟練利用有限元軟件 ANSYS 對機械零件進 行模態分析。 5） 通過改變模態分析方法，單元形式、有限 元網格的密度等因素，分析其對模態分析 結果的影響。 6） 研究自由模態試驗中的吊裝形式、懸掛使 用繩索的剛度對模態分析結果的影響。 7） 對論文做最后的整理 。 文獻綜述 1.模態分析的起源與 發展 模 態分析技術作為結構動力學中的一種“逆問題”分析方法從 20 世紀 60年代后期發展至今已經有 40 多年的歷史了。模態分析的經典性定義是：將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。模態分析的理論基礎是在機械阻抗與導納的概念上發展起來的，機械阻抗的概念早在 20 世紀 30 年代就已經形成，經過幾十年的發展其理論及方法已經較為完整。 進入 20 世紀 80 年代以后，有限元法在理論的指導下 ，其應用已由彈性力學平面問題擴展到 空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩定問題、動力問題，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學等學科，成為應用廣泛的分析工具。同時隨著計算機技術的發展和軟件工程的興起，大型商用有限元軟件在更好的人機界面、更強的分析功能、更直觀結果的顯示方面取得了長足的進步，并日益和計算機輔助設計 CAD 軟件集成在一起，形成了一個新的領域 CAE，給工程設計帶來巨大的變革。由于有限元法特別適合于計算機程序編寫，因此許多國家都編制了大型通用的有限元程序，如美國加利福尼亞大學研制的 SAP 軟件、麻省理工學院研制的 ADINA 軟件、美國國家 航空與宇航局研制的 NASTRAN 軟件等。 近 10 余年來，模態分析理論吸取了有限元方法、結構動力學理論、信號分析、數據處理、數理統計及控制理論中的有關知識，并與 CAE 技術結合起來，形成了一套獨特的理論，為模態分析及參數辨識技術的發展奠定了理論基礎。由于模態分析技術的迅猛發展，無論是理論基礎還是實際應用都愈趨成熟。目前這一技術已經被廣泛應用于實際工程中的振動問題，如航空、航天、機械、船舶、建筑、土木、水利、醫藥等。 2.ANSYS 有限元法的簡介 2.1、有限元法的軟件實現 采用現有軟件開展有限元分析的 典型流程分為以下 5 個階段： 數學物理建模階段：對面臨的工程問題進行必要的建模分析，確定分析問題的時間、空間區域（即定義域）以及能描述所分析問題的數學物理方程。 有限元模型前處理階段：主要任務是建立完整的可以求解的有限元模型，這樣的模型包括全部的單元信息、節點信息和定解條件。目前幾乎所有的有限元軟件都提供了兩種建立有限元模型的技術途徑，即基于定義域幾何模型自動生成有限元模型和直接建立有限元模型。前者建立過程中主要包括建立問題定義域的幾何模型；選擇合適的單元類型：包含單元形狀、節點數及分布（決定插值函數的形式） 、材料參數等；設置單元劃分參數（單元尺寸、單元密度及分布）；設置單元劃分算法，將建立的定義域幾何模型自動離散成指定的單元模型。后者建立過程中主要包括輸入節點位置，建立節點模型；選擇單元類型：包含單元形狀、節點數及材料的參數等；根據單元類型指定節點建立原定義域的離散單元模型。 數值計算階段：該階段主要是進行結果輸出選項、方程組求解算法、文件輸出路徑等的設置。 結果后處理階段：通過數字、圖表、靜 /動態圖像等方式顯示得到的計算結果。顯示方式對結果的合理性檢驗和理解有較大的促進作用。 評價及優化改進階段：評價及改進 包括兩方面的含義：一是對單次計算得到的結果精度或合理性的評價，并基于評價結果進行有限元計算模型的改進；二是對基于合理的計算結果對原問題進行評價，以及基于評價結果進行工程設計的改進或優化。 3.2、 ANSYS 的基本分析步驟 ANSYS 基本分析步驟大致可分為三個模塊：前處理、加載求解和后處理。相應的 ANSYS 軟件架構分為兩層，一是起始層（ Begin Level），二是處理層（ Processor Level） ,這兩個層的關系主要是使用命令輸入時，要通過起始層進入不同的處理器。 ANSYS 的主要處理模塊： 1）前 置處理（ General Preprocessor,PREP7），包括建立有限元模型所需輸入的資料，如節點、坐標資料、元素內節點排列次序；材料屬性；模型的單元劃分； 2）求解處理（ Solution Processor,SOLU），包括負載條件；邊界條件及求解； 3）后置處理（ General Postprocessor,POST1或 Time Domain Postprocessor,POST26） ,其中 POST1 用于靜態結構分析、屈曲分析及模態分析，將解題部分所得的解答如變位、應力、反力等資料，通過圖形接口以各種不 同的表示方式把等位移圖、等應力圖等顯示出來。 POST26 僅用于動態結構分析，用于與時間相關的時域處理。 3.ANSYS 模態分析 ANSYS 的模態分析過程包括四個步驟： （ 1）建立模型：指定項目名稱和分析標題，然后在前處理中定義單元類型、單元實常數、材料性質和模型幾何性質； （ 2）加載及求解：定義分析類型和分析選項，施加載荷，進行固有頻率的有限元計算，在模態分析中唯一有效的載荷是零位移約束； （ 3）擴展模態：將振型寫入結果文件，只有擴展模態后才能在后處理中看到振型； （ 4）后處理：經過擴展模態后，模態分析的結果包括固有頻率、擴展的模態振型、相對應力和力分布將被寫入到結構分析結果文件中去。 ANSYS 提供了 6 種模態提取方法： （ 1）子空間迭代法（ subspace）：用于求解特征值對稱的大矩陣問題； （ 2）分塊法（ block lanczos）：也可用于以上的問題求解，收斂速度更快； （ 3） Power Dynamic 法。用于非常大的模型（超過 100000 個自由度），主要是用在求解結構的前幾階模態以了解模型特征的問題； （ 4）縮減法（ Reduced）：采用縮減的系統矩陣來求解，較子空間迭代法速度快，但準確性要差一些。使用縮減法時，必須仔細選擇主自由度，主自由度選擇的不當可能導致不正確的質量分布和不正確的特征值； （ 5）非對稱矩陣法（ Unsymmetric）：用于求解模型生成的剛度矩陣、質量矩陣存在不對稱的問題； （ 6）阻尼法：有些問題阻尼不能忽略，阻尼法允許在結構中包含阻尼因素。 主要參考文獻 1ANSYS 高級技術指南 2蔣玉川，李章政， 彈性力學與有限元方法 ， 化學工業出版社 ，2010； 3夏建芳，葉南海， 有限元法原理與 ANSYS 應用； 4任學平，高耀東， 彈性力學基礎及有限單元法， 華中科技大學出版社，2006； 5孫澤世，王鋒，子模型技術在橋梁分析上的應用 ； 6宋志安，于濤，李紅艷，等，機械結構有限元分析 ANSYS 與 ANSYS Workbench 工程 應用，國防工業出版社， 2010； 7廖日東，有限元法原理簡明教程，北京理工大學出版社， 2009； 8魯建霞，茍惠芳，有限元法的基本思想與發展過程； 9寧連旺， ANSYS 有限元分析理論與發展； 10李黎明， ANSYS 有限元分析實用教程 ，清華大學出版社 ， 2005； 11張紅松，胡仁喜，康士廷等， ANSYS 13.0 有限元分析； 12許文本，焦群英，機械振動與模態分析基礎 . 北京：機械工業出版社 . 1998； 13師漢民，機械振動系統：分析測試建模對策（上、下冊）（第二版） . 華中科 技大學出版社 . 2004 14劉國慶，楊慶東 ANSYS 工程應用教程 機械篇 2003 15楊帥，王太勇 .，豎直方向彈性約束懸臂梁的固有頻率分析 天津大學 報 2011（ 44）： 18-22 16陳忠，滾動軸承及其支承剛度計算 煤礦機械 2006（ 3） 387-388 17楊康，韓濤， ANSYS 在模態分析中的應用 佳木斯大學學報 2005 18袁安富，陳俊 ANSYS 在模態分析中的應用 19梁軍，趙登峰 模態分析方法綜述 20龍英，滕召金，趙福水 有限元模態分析與發展趨勢 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑） 1.課題研究目標和主要設計內容 1.學習了解機械振動相關內容； 2.掌握 各種模態分析的基本方法及適用范圍； 3.熟練掌握有限元軟件 ANSYS 進行進行一般的模態分析； 4.通過改變模態分析方法，單元形式、有限元網格的密度等因素，分析其對模態分析結果的影響； 5.能夠 通過數值 分析 和研究