UGNX8.5曲轴结构自由模态计算实例精讲

时间：2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：打开随书光盘part源文件Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch08_Crank Shaft\Crank Shaft.prt，调出图8-1所示的曲轴三维实体模型。在模态分析中所允许的失败网格不能超过网格总数的1%，且不出现在关键部位，此例的结果对计算结果的精度影响不大，因此不必重新划分网格。提示一般情况下，对模态分析或屈曲分析来说，可以使用较为粗糙的单元；对于复杂模型的其他工况分析来说，网格划分后失败单位的数量不能超过单元总数的1%；而对于简单的模型来说，应尽量采取措施避免出现失败单元。

打开随书光盘part源文件Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch08_Crank Shaft\Crank Shaft.prt，调出图8-1所示的曲轴三维实体模型。

（1）创建有限元模型

1）依次单击【开始】和【高级仿真】按钮，在【仿真导航器】窗口分级树中右击【Crank Shaft.prt】节点，从弹出的快捷菜单中选择【新建FEM】命令，弹出【新建部件文件】对话框。【新文件名】下面的【名称】默认为【Crank Shaft_fem1.fem】，单击按钮，选择本实例高级仿真相关数据存放的【文件夹】，单击【确定】按钮。

2）弹出【新建FEM】对话框，【求解器】和【分析类型】中的选项保留默认设置，单击【确定】按钮，进入创建有限元模型的环境。注意在【仿真导航器】窗口分级树中，出现了图8-3所示的数据节点，展开和查看相关数据节点。

（2）优化（理想化）模型

1）在【仿真导航器】窗口分级树中右键单击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，从弹出的快捷菜单中选择【设为显示部件】命令（也可以直接双击该节点），进入优化模型的环境。

2）右击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，从弹出的快捷菜单中选择【提升】命令，在窗口图形中选择整个曲轴模型作为要提升的选择体，单击【确定】按钮。

图8-3 仿真导航器中的节点

图8-4 理想化几何体对话框

3）在工具栏上单击【理想化几何体】按钮，弹出【理想化几何体】对话框，如图8-4所示。在窗口图形中选择整个曲轴模型作为【要求体】，勾选【用相连法选择的圆角】及【孔】复选框，在【直径】右侧的文本框中输入【20】，选择图8-5所示曲轴模型上的两个油孔，单击【确定】按钮，删除曲轴上两个贯通的油孔。

图8-5 要删除的油孔

4）经过步骤3）删除模型上的油孔后会发现，在油孔删除部位处还残留有前面的断线。选择【移除几何特征】命令，选择图8-6所示的4个圆柱面作为移除对象，单击按钮，完成移除后的几何体如图8-7所示。

图8-6 移除几何特征-面操作

图8-7 移除后的几何体效果

提示

读者可以自己摸索如何删除法兰上的小圆孔及倒角，这里不多赘述。

（3）创建有限元模型

1）右击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，选择显示【Crank Shaft_fem1.fem】，回到有限元模型界面中。单击工具栏中的【指派材料】按钮，弹出【指派材料】对话框，如图8-8所示。在图形窗口选中曲轴模型作为【选择体】，单击【新建材料】下的【创建】按钮，弹出图8-9所示的【各向同性材料】对话框。在【名称-描述】中输入【40CrMoMn】，在【质量密度（RHO）】中输入【7.85e-6】，【单位】选择【kg/mm^3】，在【力学】性能【杨氏模量（E）】中输入【207000】，【单位】选择【N/mm^2（MPa）】，在【泊松比（NU）】中输入【0.254】，单击两次【确定】按钮，完成曲轴材料及其性能参数的定义。

2）单击工具栏中的【物理属性】按钮，弹出【物理属性表管理器】对话框，如图8-10所示，【类型】默认为【PSOLID】，【名称】默认为【PSOLID1】，单击【创建】按钮，弹出【PSOLID】对话框，如图8-11所示。在【材料】选项中选取上述操作设置的【40CrMoMn】子项，单击【确定】按钮，返回到【物理属性表管理器】对话框，单击【关闭】按钮。

图8-8 【指派材料】对话框

图8-9 【各向同性材料】对话框

图8-10 【物理属性表管理器】对话框

图8-11 【PSOLID】对话框

3）单击工具栏中的【网格收集器】按钮，弹出【网格收集器】对话框，如图8-12所示。【单元族】选项默认为【3D】，【收集器类型】选项默认为【实体】，在【实体属性】选项中选取上述设置的【PSOLID1】，【名称】默认为【Solid（1）】，单击【确定】按钮。

4）单击工具栏中的【3D四面体网格】按钮，弹出【3D四面体网格】对话框，如图8-13所示。在图形窗口选取曲轴模型作为【要进行网格划分的对象】，在【单元大小】中输入【30】，单位默认为【mm】，在【目标收集器】选项中勾选【自动创建】复选框，【网格收集器】默认为【Solid（1）】，单击【确定】按钮。

图8-12 【网格收集器】对话框

图8-13 【3D四面体网格1】对话框

5）单击工具栏中的【单元质量】按钮，弹出【单元质量】对话框，如图8-14所示。在图形窗口中选择曲轴网格模型作为选择对象，单击【检查单元】按钮，在弹出的【信息】对话框中提示有22个失败单元的信息，55个警告单元，失败单元的位置基本都位于曲轴的倒圆上。在模态分析中所允许的失败网格不能超过网格总数的1%，且不出现在关键部位，此例的结果对计算结果的精度影响不大，因此不必重新划分网格。

提示

一般情况下，对模态分析或屈曲分析来说，可以使用较为粗糙的单元；对于复杂模型的其他工况分析来说，网格划分后失败单位的数量不能超过单元总数的1%；而对于简单的模型来说，应尽量采取措施避免出现失败单元。

（4）创建仿真模型(www.xing528.com)

1）右击【仿真导航器】窗口分级树的【Crank Shaft_fem1.fem】节点，从弹出的快捷菜单选择【新建仿真】命令，弹出【新建部件文件】对话框，【名称】修改为【Crank Shaft_sim1.sim】，选择本实例高级仿真相关数据存放的【文件夹】，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，如图8-15所示，所有的选项都保留默认设置，单击【确定】按钮。

2）弹出【解算方案】对话框，如图8-16所示。【名称】修改为【Solution 1】，【解算方案类型】选择【SOL 103 Real Eigenvalues】。

3）单击【解算方案】对话框下面的【工况控制】选项卡，出现相应的选项及参数，如图8-16所示，【特征值方法】默认为【Lanczos法】。单击【Lanczos数据】右侧的【创建模型对象】按钮，弹出图8-17所示的【Real Eigenvalue-Lanczos1】对话框，【所需模态数】默认为【10】，单击【确定】返回到【解算方案】对话框，单击【确定】按钮，完成模态分析的模态参数的设置操作。

图8-14 【单元质量】对话框

图8-15 【新建仿真】对话框

图8-16 【解算方案】对话框

提示

在做自由模态分析时，因为前6阶模态会出现刚体位移，所以固有频率几乎是零；在计算约束模态时，可以根据所需得到的模态阶数，设置合适的求解参数。当对分析零部件的固有频率一无所知时，建议输入一个【所需的模态数】值，该值不要超过10；当对分析零部件的固有频率范围心中有数时（一般为经验值，或者预先已通过试验模态分析进行测试得到），建议在【频率选项】的【上限】和【下限】中输入相应的预估值，便于提高计算效率。

4）注意到【仿真导航器】窗口分级树中新出现了相关的数据节点，如图8-18所示。

图8-17 定义计算的模态参数

图8-18 新建的仿真模型节点

5）单击工具栏中的【保存】按钮，将上述操作成功的仿真模型和数据及时保存起来。

（5）求解自由模态

在【仿真导航器】窗口分级树中右击【Crank Shaft_sim1.sim】节点，从弹出的快捷菜单中选择【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮。依次弹出【模型检查】信息对话框、【作业监视器】对话框和【解算监视器】对话框。【解算监视器】对话框包括【解算方案信息】、【稀疏矩阵求解器】和【特征值提取】3个选项卡，单击【特征值提取】选项卡，如图8-19所示。等计算完成出现【作业已完成】的提示后，再依次关闭各个对话框，双击【结果】命令窗口，出现图8-20所示的模态后处理结果。

图8-19 【解算监视器】对话框

图8-20 自由模态后处理窗口效果

提示

只有在使用Lanczos方法抽取特征值计算模态时，【解算监视器】对话框才会出现【特征值提取】选项卡，支持的解法包括：SOL 103 Real Eigenvalues、SOL 103 Response Simula-tion、SOL 105 Linear Buckling、SOL 111 Modal Frequency Response和SOL 112 Modal Transient Response。提取的特征值数显示在该选项卡窗口的顶部，图形将根据移位点数绘制抽取的特征值数。当特征值数符合或超过请求的数量时，即认为提取计算已经完成。

（6）后处理及其动画演示

1）在【后处理导航器】窗口中，可以发现在【Crank Shaft_sim1.sim】的【Solution 1】前6阶模态非常接近零，是因为此次计算的是曲轴的自由模态，放开了6个自由度，因此在6个自由度方向中出现了刚体位移。读者可以单击查看相对某一自由度的刚体位移形式。从图8-20中可以看出：曲轴模型的第1阶固有频率为56.51Hz，第2阶固有频率为58.71Hz，第3阶固有频率为137.2Hz。

2）展开【模式7】下的【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该弯管的位移云图，如图8-21所示，可以清楚地看到曲轴在此频率发生共振的位移变形情况。