6.3 实例1——方杆模态分析
本节主要介绍ANSYS Workbench的模态分析模块，计算方杆的自振频率。
学习目标：熟练掌握ANSYS Workbench模态分析的方法及过程。
6.3.1 问题描述
如图6-3所示为某方板模型，请使用ANSYS Workbench 2020分析方杆自振频率。
6.3.2 建立分析项目
① 在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→“ANSYS 2020 R1”→“Workbench 2020 R1”命令，启动ANSYS Workbench 2020，进入主界面。
② 双击主界面“Toolbox”（工具箱）中的“Analysis Systems”→“Modal”（模态分析）命令，即可在“Project Schematic”（工程项目管理窗格）中创建分析项目A，如图6-4所示。
图6-3 方板模型
图6-4 创建分析项目A
6.3.3 创建几何体
① 双击A3栏的“Geometry”，进入DesignModeler几何建模平台，单击“Sketching”按钮，在XYPlane平面上绘制如图6-5所示的矩形，并对矩形进行标注“：H1=100mm”；“V2=100mm”。
② 依次选择“Concept”→“Surfaces from Sketches”命令，如图6-6所示，在厚度栏中输入“1mm”，单击
按钮，生成几何模型。
图6-5 绘制矩形
图6-6 “Concept”菜单
③ 单击DesignModeler界面右上角的
（关闭）按钮，关闭DesignModeler平台，返回到Workbench 2020主界面。
6.3.4 添加材料库
① 双击项目A中A2栏的“Engineering Data”，进入如图6-7所示的材料参数设置界面，在该界面下可以进行材料参数设置。
图6-7 材料参数设置界面1
② 在界面的空白处右击，在弹出的快捷菜单中选择“Engineering Data Sources”（工程数据源）命令，此时的界面会变为如图6-8所示的界面。原界面窗口中的“Outline of Schematic A2：Engineering Data”表消失，出现“Engineering Data Sources”及“Outline of General Materials”表。
图6-8 材料参数设置界面2
③ 在“Engineering Data Sources”表中选择A4栏的“General Materials”，然后单击“Outline of General Materials”表中A12栏的“Stainless Steel”（不锈钢）后B12栏的
（添加）按钮，此时在C12栏中会显示
（使用中）图标，如图6-9所示，表示添加材料成功。
④ 同步骤2，在界面的空白处右击，在弹出的快捷菜单中选择“Engineering Data Sources”（工程数据源）命令，返回到初始界面。
⑤ 根据实际工程材料的特性，在“Properties of Outline Row 12：Stainless Steel”表中可以修改材料的特性，如图6-10所示，本实例采用的是默认值。
图6-9 添加材料
图6-10 修改材料的特性
提示
用户也可以通过材料参数设置界面自行创建新材料并添加到模型库中，这在后面的讲解中会涉及，本实例不介绍。
⑥ 单击工具栏中的
按钮，返回到Workbench 2020主界面，完成材料库的添加。
6.3.5 添加模型材料属性
① 双击项目A中A3栏的“Model”，进入如图6-11所示的Mechanical界面，在该界面下可以进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。
图6-11 Mechanical界面
② 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Geometry”→“Surface Body”命令，此时可以在“Details of‘Surface Body’”面板中给模型添加材料，如图6-12所示。
③ 单击“Material”→“Assignment”栏后的
按钮，此时会出现刚刚设置的材料“Stainless Steel”，选择该选项即可将其添加到模型中。此时分析树中“Geometry”前的
图标变为
图标，如图6-13所示，表示材料已经添加成功。
图6-12 添加材料
图6-13 添加材料后的分析树
6.3.6 划分网格
① 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Mesh”命令，此时可在“Details of‘Mesh’”面板中修改网格参数，如图6-14所示，在“Resolution”栏中输入“4”，在“Element Size”栏中输入“5.e-003m”，其余选项采用默认设置。
② 右击“Outline”（分析树）中的“Mesh”命令，在弹出的快捷菜单中选择“Generate Mesh”命令，划分完成的网格效果如图6-15所示。
图6-14 修改网格参数
图6-15 网格效果
6.3.7 施加载荷与约束
① 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Modal（A5）”命令，此时会出现如图6-16所示的“Environment”选项卡。
② 选择“Environment”选项卡中的“Structural”（结构）→“Fixed”（固定）命令，此时在分析树中会出现“Fixed Support”命令，如图6-17所示。
图6-16 “Environment”选项卡
图6-17 添加“Fixed Support”命令
③ 选择“Fixed Support”命令，选择需要施加固定约束的面，单击“Details of‘Fixed Support’”面板中“Geometry”栏中的
按钮，即可在选中的面上施加固定约束，如图6-18所示。
图6-18 施加固定约束
④ 右击“Outline”（分析树）中的“Modal（A5）”命令，在弹出的快捷菜单中选择“Solve”命令，进行求解，如图6-19所示。
图6-19 求解
6.3.8 结果后处理
① 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”命令，此时会出现如图6-20所示的“Solution”选项卡。
② 选择“Solution”选项卡中的“Results”（结果）→“Deformation”（变形）→“Total”命令，如图6-21所示，此时在分析树中会出现“Total Deformation”（总变形）命令。
图6-20 “Solution”选项卡
图6-21 添加“Total Deformation”命令
③ 右击“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”命令，在弹出的快捷菜单中选择“Solve”命令，如图6-22所示，此时会弹出进度条，表示正在求解，当求解完成后，进度条会自动消失。
④ 选择“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”→“Total Deformation”（总变形）命令，此时会出现如图6-23所示的一阶总变形分析云图。
图6-22 选择“Solve”命令
图6-23 一阶总变形分析云图
⑤ 如图6-24所示为方杆的二阶变形分析云图。
⑥ 如图6-25所示为方杆的三阶变形分析云图。
⑦ 如图6-26所示为方杆的四阶变形分析云图。
⑧ 如图6-27所示为方杆的五阶变形分析云图。
图6-24 二阶变形分析云图
图6-25 三阶变形分析云图
图6-26 四阶变形分析云图
图6-27 五阶变形分析云图
⑨ 如图6-28所示为方杆的六阶变形分析云图。
⑩ 如图6-29所示为方杆的各阶模态频率，Workbench模态计算的默认模态数量为6。
图6-28 六阶变形分析云图
图6-29 各阶模态频率1
⑪ 选择“Outline”（分析树）中的“Modal（A5）”→“Analysis Settings”（分析设置）命令，在“Details of‘Analysis Settings’”面板下的“Options”中有“Max Modes to Find”选项，在此选项中可以修改模态数量为“20”，如图6-30所示。
⑫ 重新计算得到的各阶模态频率如图6-31所示。
图6-30 修改模态数量
图6-31 各阶模态频率2
⑬ 单击工具栏中的
按钮，在下拉列表中单击
按钮，单击不同窗口会显示不同模态下的变形，如图6-32所示。
图6-32 不同模态下的变形
6.3.9 保存与退出
① 单击Mechanical界面右上角的
（关闭）按钮，关闭Mechanical平台，返回到Workbench 2020主界面。
② 在Workbench 2020主界面中单击工具栏中的
（保存）按钮，在“文件名”对话框中输入“Modal.wbpj”，保存文件。
③ 单击右上角的
（关闭）按钮，退出Workbench 2020主界面，完成项目分析。