Урок FeMap #16. Модальный анализ шарнира

В данной публикации будет рассмотрен пример частотного анализа модели шарнира, взятый и переведенный из книги "FEMAP - Examples".

Модальный анализ используется для определения отклика структуры к гармоническим (колебательным) возбуждениям, где все силы на каждой вынуждающей частоте известны и определяются в частотной области.
Результаты состоят из комплексных чисел и определяются как величина и фаза или как реальные и мнимые компоненты. 

Первый анализ нормальных колебаний будет запущен на модели шарнира для определения собственных частот. При использовании опции NX Nastran, которая позволяет перезапускать анализы, мы выполним модальный анализ без повторного извлечения форм колебаний. Целью данного урока будет определение отклика шарнира на нагрузку, которая представляет собой колебания с единичной амплитудой в диапазоне частот до 600 Гц. Этот частотный диапазон был выбран, основываясь на предварительном частотном анализе, и содержит в себе первые три формы колебаний конструкции. Критическое затухание системы будет равно 10%.

В этом уроке мы будем использовать ранее созданную модель шарнирного кронштейна. Вы пройдете через весь процесс анализа, который включает в себя:

• Использование перезапуска анализа в NX Nastran для повышения эффективности решения.

• Создание функций для определения единичной амплитуды для частотного нагружения и модальной таблицы демпфирования.

• Анализ модели, используя NX Nastran Frequency/Harmonic Response.

• Обработка результатов.

Импорт модели

Что делать:
Импортируйте файл модели, который содержит в себе узлы, элементы, свойства и материалы.
Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		File (файл), New (новый)
2.		File, Import (импорт), FEMAP Neutral
3.		Открываем модель при помощи диалогового окна FEMAP Neutral: FEMAP93/Examples/Dynamics/hinge.neu
4.		Найдите файл hinge.neu Open (открыть) В диалоговом окне Neutral Read Options: OK
5.

Создание ограничений

Для этого примера модель должна иметь ограничения.
Что делать:

Создайте набор ограничений и примените фиксированные ограничения к узлам модели.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		Model (модель), Constraint (ограничения), Set
2.		В диалоговом окне Create or Activate Constraint Set (создание или активация ограничений): Введите название «Hole Fixed» в поле Title
3.		Нажмите ОК
4.		Model, Constraint, Nodal (узел)
5.		В диалоговом окне Entity Selection – Enter Node(s) to Select (введите узлы для выбора): Выберите узлы, расположенные вокруг кромки отверстия. Вы можете выбирать как по одному, так и использовать альтернативные методы выбора, описанные в предыдущих уроках.
6.
7.		Нажмите ОК В диалоговом окне Create Nodal Constrains/DOF:  Нажмите кнопку Fixed (зафиксированый), затем… Нажмите ОК, затем… В диалоговом окне Entity Selection – Enter Node(s) to Select: Нажмите Cancel (отменить)

Запуск частотного анализа

Извлечение нормальных форм колебаний позволит NX Nastran выбрать частотное решение автоматически в порядке создания решения частотной функции. Мы также поспособствуем опции перезапуска анализа для преобразования анализа нормальных форм в анализ частотного отклика.

Что делать:

Создайте набор анализов, используя менеджер анализов FEMAP.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		Model, Analysis (анализ)
2.		В диалоговом окне Analysis Set Manager: Нажмите New (новый)
3.		В диалоговом окне Analysis Set: Введите название «Normal Modes Analysis» в поле Title
4.		Выберите «36..NX Nastran» из выпадающего меню Analysis Program, затем… Выберите «2..Normal Modes/Eigenvalue» из выпадающего меню Analysis Type
5.		Нажмите Next (следующий)
6.		В диалоговом окне NASTRAN Executive and Solution Options: Поставьте галочку для пункта Save Databases for Restart (сохранить базу данных для перезапуска) в разделе Restart Control (управление перезагрузкой) Примечание: убедитесь, что требуемые NX Nastran’ом файлы, которые будут использоваться для перезапуска, находятся в каталоге, не имеющем пробелов в пути. Например, если пусть к *.MASTER файлу будет C:\Analysis Files\Filename.MASTER, то NX Nastran не сможет перезагрузить данный файл. А путь, такой как, C:\Analysis_Files\filename.MASTER будет правильным, так как он не содержит пробелов, а содержит подчеркивание между двумя словами.
7.		Нажмите ОК В диалоговом окне Analysis Set Manager: Нажмите Analyze (анализировать)

Важное примечание: после того, как частотный анализ был завершен, убедитесь, что результаты были получены из NX Nastran, нажав F5, а затем нажав кнопку «Deformed and Contour Data». В диалоговом окне «Select Post Processing» убедитесь, что пункт «1.Mode 1,89.81622 Hz» видим. Если не видно результатов, значит, что анализ был неуспешно завершен и по этой причине модель должна быть проверена на наличие ошибок, а затем заново перезапустить анализ. Нажмите ОК, затем снова нажмите ОК. 

Также убедитесь, что базы данных NX Nastran (*.MASTER и *.DBALL файлы) сохранены в директории, где проводится анализ.

Создание единичной нагрузки для амплитудно-частотной характеристики

Единичная нагрузка должна быть создана для того, чтобы оставаться постоянной во всем диапазоне частот. Простая функция будет  использоваться для представления временной части нагрузки и затем давать направление для представления пространственной части условия нагружения.

Что делать:

Создайте функцию для единичной нагрузки.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		Model, Function (функция)
		Совет: вы также можете новую функцию, используя команду New, расположенную в разделе Functions в дереве Model Info (данные о модели).
2.		В диалоговом окне Function Definition: Введите название «Load Value vs. Frequency» в поле Title
3.		Выберите «3..vs. Frequency» из выпадающего меню Type
4.		Выберите Single Value (однозначность)
5.		Введите следующие значения в соответствующие поля: X = 0, Y = 1, затем нажмите кнопку More (больше) X = 1, Y = 1
6.		Нажмите ОК, затем… Нажмите Cancel

Что делать:

Приложите единичную нагрузку со значением, равным 1 на шарнирный кронштейн.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		Model, Load (нагрузка), Set
2.		В диалоговом окне Create or Activate Load Set: Введите название «Unit Load» в поле Title
3.		Нажмите ОК
4.		Model, Load, Nodal
5.		В диалоговом окне Entity Selection – Enter Node(s) to Select: Выберите узел под номером 44 в нижней правой части модели.
6.		Нажмите ОК
7.		В диалоговом окне Create Loads on Nodes: Выберите Force (сила)
8.		Введите значение «1.0» в поле FZ
9.		Выберите «1..Load Value vs. Frequency» из выпадающего меню Time/Freq Dependence
10.		Нажмите ОК, затем… В диалоговом окне Entity Selection – Enter Node(s) to Select: Нажмите Cancel

Условие амплитудно-частотной характеристики было только что применено.

Определение модального демпфирования

Простая функция должна быть создана для определения модального демпфирования системы. Созданный тип функции зависит от единиц предполагаемого значения демпфирования:

1. Если известен структурный коэффициент демпфирования (G), тогда может быть использован тип функции «6..Structural Damping vs. Freq».

2. Если известно критическое значение демпфирования, тогда может быть использован тип функции «7..Critical Damping vs. Freq».

3. Если известен фактор качества или коэффициент динамического усиления (Q), тогда может быть использован тип функции «8..Q Damping vs. Frequency».

В нашем случае критическое значение демпфирования равно 10% и входит в диапазон частот. Таким образом, мы будем использовать тип функции «7..Critical Damping vs. Freq».

Что делать:

Создайте функцию для представления заданного критического

демпфирования системы.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		Model, Function
2.		В диалоговом окне Function Definition: Введите название «Damping Function» в поле Title
3.		Выберите «7..Critical Damping vs. Freq» из выпадающего меню Type
4.		Выберите Single Value
5.		Введите следующие значения в соответствующие поля: X = 0, Y = 0.1, затем нажмите кнопку More X = 1, Y = 0.1
6.		Нажмите ОК, затем… Нажмите Cancel

Определение частот

Частоты можно определить двумя разными способами. Первый способ – это создание функции, которая постепенно увеличивает частоту в определенном интервале, обусловленным частотным диапазоном. Если вы еще не получили нормальные формы в предыдущем анализе, то нужно воспользоваться способом создания таблицы частот для возбуждающей конструкции. Недостатком этого метода является то, что в результате он выдаст вам огромное количество точек с координатами для просмотра и не сосредоточится вокруг результатов собственных форм, где отклик должен быть самым высоким.

Так как мы запускаем анализ для определения нормальных форм, и NX Nastran имеет возможность перезапуска анализа, которую мы настроили ранее, мы можем использовать другой и более эффективный метод для создания нашей таблицы частот. Используя известные результаты анализа нормальных форм, который ранее был выполнен в нашем уроке, FEMAP может создать более точную таблицу частот для модального анализа. Таблица частот, наряду с другими параметрами, должна быть определена внутри набора нагрузок, раньше чем будет произведен анализ шарнира.

Что делать:

Определите таблицу частот и частотные параметры.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		Model, Load, Dynamic Analysis (динамический анализ)
2.		В диалоговом окне Load Set Options For Dynamic Analysis: Выберите Modal Frequency (модальные частоты)
3.		Выберите «2..Damping Function» (функция затухания) из выпадающего меню Modal Damping Table, расположенного в разделе Equivalent Viscous Damping
4.		Нажмите кнопку Modal Freq…
5.		В диалоговом окне Frequency Table From Modal Results: Выберите «1..Mode 1, 89.81622 Hz» из выпадающего меню First Freq (первая частота), затем… Выберите «3..Mode 3, 568.1597 Hz» из выпадающего меню Last Freq (последняя частота).
6.		Введите следующие значения в соответствующие поля: Number of Point per Existing Modes = 5 Frequency Band Spread = 10 (%)
7.		Нажмите ОК В диалоговом окне Load Set Options for Dynamic Analysis: Убедитесь, что пункт «3..Modal Frequency Table» доступен из выпадающего меню Frequencies, расположенного в разделе Frequency Response (частотный отклик).
8.		Введите следующие значения в соответствующие поля: Highest Freq (Hz) (высокая частота) = 1000
9.		Нажмите ОК

Визуальная проверка функции таблицы частот в области XY, всегда является хорошей проверкой перед анализом модели.

Что делать:

Проверьте функцию частотной таблицы, используемую для построения графика XY.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		View (вид), Select (выбор) или… Нажмите F5
2.		В диалоговом окне View Select: Выберите XY of Function
3.		Нажмите кнопку Model Data (данные о модели)
4.		В диалоговом окне Select Model Data for View: Выберите «3..Modal Frequency Table» из выпадающего меню Select, расположенного в разделе Function
5.		Нажмите ОК В диалоговом окне View Select: Нажмите ОК
		Совет: в пользовательском интерфейсе FEMAP есть быстрый способ представления специального вида, именуемого «XY Show», чтобы показать график функции XY. Это достигается использованием ветви Functions в дереве Model Info. Расширьте ветвь Functions, и все функции, используемые в модели, будут представлены. Чтобы представить этот вид, вы должны использовать команду Show в меню для пункта Functions. Просто выделите девять функций, затем нажмите правую кнопку мыши и выберите команду Show. Новый вид, появится в FEMAP и может быть закрыт в любое время, но будет оставаться в модели. Если вы хотите удалить «XY Show» навсегда, используйте команду Delete View... Вы можете изменить цвета и другие параметры для каждой кривой, используя опции «XY Curve #» в категории PostProcessing опции View, Options (F6).

На графике XY должны появиться три пика (максимума), один пик для каждой из первых трех форм колебаний. Значения Y на этом графике произвольные, но значения X – это отличный способ представления, где происходят возбуждения конструкции в диапазоне частот. Кроме того, ширина основания каждого пика представляет собой диапазон частот, связанный с каждой частотой возмущающей силы.

Теперь модель готова к анализу!

Запуск частотного анализа

Что делать:

Создайте частотный анализ и определите для него перезапуск, используя менеджер анализа.
Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		Model, Analysis
2.		В диалоговом окне Analysis Set Manager: Нажмите кнопку New
3.		В диалоговом окне Analysis Set: Введите название «Modal Frequency Response Analysis» в поле Title
4.		Выберите «36..NX Nastran» из выпадающего меню Analysis Program, затем… Выберите 4. Frequency/Harmonic Response (частотный/гармонический ответ) из выпадающего меню Analysis Type
5.		Нажмите Next
6.		В диалоговом окне NASTRAN Executive and Solution Options: Поставьте галочку для пункта Restart Previous Analysis (перезапуск предыдущего анализа) в разделе Restart Control
7.		Нажмите кнопку Browse (кнопку «…») и укажите путь к *.MASTER файлу, который был создан ранее в этом уроке. Запомните, он должен находиться в той же директории, где и файл частотного анализа. Нажмите Open
8.		Нажмите ОК В диалоговом окне Analysis Set Manager: Нажмите кнопку Analyze

Последующая обработка результатов

Во множестве случаев результаты частотного анализа лучше всего просматривать, используя возможность построения графиков в FEMAP. Мы рассмотрим отклик одного узла во всем диапазоне частот нашего анализа. Для этого урока, мы будем использовать загруженный узел под номером 44.

Что делать:

Создайте график отклика одного узла из всей конструкции во всем диапазоне частот.

Как делать:

Шаг	Интерфейс	Команда/Отобразить
1.		View, Select или… Нажмите F5
2.		В диалоговом окне View Select: Выберите XY vs. Set Value (заданное значение)
3.		Нажмите кнопку XY Data (данные)
4.		В диалоговом окне Select XY Curve Data: Выберите «11..Case 1 Freq 80.83459» из выпадающего меню, расположенного в разделе Output Set, затем… Выберите «4..T3 Translation» из выпадающего меню, расположенного в разделе Output Vector
5.		Введите значение «44» в поле Node, расположенного в разделе Output Location.  Введите значение «11» в поле From, расположенного в разделе Show Output Sets.  Введите значение «25» в поле To, расположенного в разделе Show Output Sets.  Примечание: первые 10 выходных  множеств, представляют собой нормальные формы колебаний конструкции и не будут отображены на графике амплитудно-частотной характеристики для узла 44.
6.		Нажмите ОК, затем… В диалоговом окне View Select: Нажмите ОК

В результате на графике видны перемещения вдоль оси Z узла под номером 44 во всем диапазоне частот.

На этом заканчивается данный урок. Пожалуйста, сохраните модель под именем Hingemodal.mod для использования в других уроках.

Отдельное СПАСИБО за помощь в переводе Александру Дунаеву.