[原创] 全面讲解ANSYS高速旋转轮盘模态分析讲解

在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件，工作时由于受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。我通过该例子学习到了如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。  

一．例子描述  

本例子是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析，求解出该轮盘的前10阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图1所示，该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。相关参数为：弹性模量EX＝2.1E5Mpa，泊松比PRXY＝0.3，密度DENS＝7.8E-9T/mm3。

图1、轮盘截面图

1-5关键点坐标：

1(-10, 150, 0)

2(-10, 140, 0)

3(-3, 140, 0)

4(-4, 55, 0)

5(-15, 40, 0)

L=15

RS=5

二．Ansys求解的具体步骤

1.启动ansys，定义工作名、工作标题

①定义工作名：Example of dynamic

②工作标题：dynamic analysis of a disc

2、选择单元类型

本例将选用六面体结构实体单元来分析，但在建模过程中需要使用四边形平面单元，所有需要定义两种单元类型：PLANE42和SOLID45，设置完成后，如图2，在Element Types (单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单元类型：PLANE42、 SOLID45，

图2、定义单元类型

3、设置材料属性

由于要进行的是考虑离心力引起的预应力作用下的轮盘的模态分析，材料的弹性模量EX和密度DENS必须定义。

① 定义材料的弹性模量EX

弹性模量 EX＝2.1E5

泊松比 PRXY＝0.3

② 定义材料的密度DENS

DENS =7.8E-9

4、 建立实体模型

对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。具体的操作过程如下。  

① 创建关键点操作：

② 由关键点生成线的操作，见图3.

③ 建立圆角：

④ 生成面：

图3、生成线

5、划分网络

打开MeshTool

①首先对全局进行设置。单击Size Controls (尺寸控制区)全局设置项(Global)的Set按钮，将弹出Global Element Sizes单元尺寸全局设置对话框在对话框中输入Element edge Length (单元边长度)为6。  

②单击Size Controls (尺寸控制区) Lines (线设置项)的按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)的拾取对话框。 用鼠标左键在图形输出窗口中拾取圆角对应的线。 单击ok按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)对话框，在对话框中输入No. of element divisions (每条线将要分成的单元数)为1，设定圆角处对应的线只分一个单元。

③对分网进行控制。在分网控制区的Mesh下拉框中选定分网类型为Area (面)，Shape (网格形状)设置为Quad (四边形)，分网方式设置为Free (自由分网)。  

④对面进行分网。在MeshTool (分网工具)对话框中单击Mesh按钮，将弹出Mesh Aeras (对面划分网格)拾取对话框。从图形输出窗口中拾取创建的面，单击ok按钮。完成网格划分。划分后的截面如图4。