模态与频率响应分析：振动世界的钥匙

有限元分析类型

一、nastran中的分析种类

1）静力分析

静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷（如集中载荷、分布载荷、温度载荷、强制位移、惯性载荷等）作用下的响应、得出所需的节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力、应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。

2）屈曲分析

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，NX Nastran中的屈曲分析包括两类：线性屈曲分析和非线性屈曲分析。

3）动力学分析

NX Nastran在结构动力学分析中有非常多的技术特点，具有其他有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。结构动力分析不同于静力分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。

NX Nastran的主要动力学分析功能：如特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等可简述如下：

正则模态分析

正则模态分析用于求解结构的固有频率和相应的振动模态，计算广义质量，正则化模态节点位移，约束力和正则化的单元力及应力，并可同时考虑刚体模态。

复特征值分析

复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型，分析过程与实特征值分析类似。此外Nastran的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。

瞬态响应分析（时间-历程分析）

瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应，分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。

直接瞬态响应分析 该分析给出一个结构随时间变化的载荷的响应。结构可以同时具有粘性阻尼和结构阻尼。该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方程进行数值积分，直接瞬态响应分析求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。

模态瞬态响应分析 在此分析中，直接瞬态响应问题用上面所述的模态分析进行相同的变换，对问题的规模进行压缩，再对压缩了的方程进行数值积分，从而得出与用直接瞬态响应分析类型相同的输出结果。

随机振动分析

该分析考虑结构在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应。例如地震波，海洋波，飞机超过建筑物的气压波动，以及火箭和喷气发动机的噪音激励，通常人们只能得到按概率分布的函数，如功率谱密度（PSD）函数，激励的大小在任何时刻都不能明确给出，在这种载荷作用下结构的响应就需要用随机振动分析来计算结构的响应。NX Nastran中的PSD可输入自身或交叉谱密度，分别表示单个或多个时间历程的交叉作用的频谱特性。计算出响应功率谱密度、自相关函数及响应的RMS值等。计算过程中，NX Nastran不仅可以像其他有限元分析那样利用已知谱，而且还可自行生成用户所需的谱。

响应谱分析

响应谱分析（有时称为冲击谱分析）提供了一个有别于瞬态响应的分析功能，在分析中结构的激励用各个小的分量来表示，结构对于这些分量的响应则是这个结构每个模态的最大响应的组合。

频率响应分析

频率响应分析主要用于计算结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度，虚部代表响应的相角。

直接频率响应分析 直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对于外载荷的响应。该类分析在频域中主要求解两类问题。第一类是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼，分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化以获得传递函数。 第二类是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。此载荷由它的互功率谱密度定义。而结构载荷由上面所提到的传递函数来表征。分析得出位移、加速度、约束力或单元应力的自相关系数。该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。

模态频率响应 模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的两类问题与直接频率响应分析解决相同的问题。结构矩阵用忽略阻尼的实特征值分析进行了压缩，然后用模态坐标建立广义刚度和质量矩阵。该分析的输出类型与直接频率响应分析得到的输出类型相同。 NX Nastran的模态扩张法（残余矢量法）可以估算高阶模态的作用，以确保参加计算的频率数足以使模态法的响应分析的计算精度显著提高。

声学分析

NX Nastran中提供了完全的流体-结构耦合分析功能。这一理论主要应用在声学及噪音控制领域，例如车辆或飞机客舱的内噪音的预测分析。

4）非线性分析

实际工程问题中，很多结构响应与所受的外载荷并不成线性关系。由于非线性，结构中可能产生大位移、大转动或多个零件在载荷作用下接触状态不断发生变化。要想更精确地反映实际问题，就必须考虑材料和几何、边界、单元等非线性因素。NX Nastran强大的非线性分析功能为设计人员有效地设计产品，减少额外成本提供了一个十分有用的工具。

5）热传导分析

热传导分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性，利用NX- Nastran可以计算出结构内的热分布状况，并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。用户可通过改变发热元件的位置、提高散热手段或绝热处理或用其他方法优化产品的热性能。

6）空气动力弹性及颤振分析

气动弹性问题是应用力学的分支，涉及气动、惯性及结构力间的相互作用，在NX Nastran中提供了多种有效的解决方法。人们所知的飞机、直升机、导弹、斜拉桥乃至高耸的电视发射塔、烟囱等都需要气动弹性方面的计算。

7）流-固耦合分析

流-固耦合分析主要用于解决流体（含气体）与结构之间的相互作用效应。NX Nastran中拥有多种方法求解完全的流-固耦合分析问题，包括：流-固耦合法、水弹性流体单元法、虚质量法。

二、模态分析和频率响应分析的概念

模态分析和频率响应分析的确是两个不同的概念。

模态是结构固有的一种特性，它只与结构的形状、约束形式、材料特性等有关，而与其他输入（例如加载）无关。模态分析主要目的有：了解结构的共振区域，为结构设计提供一定的指导；对计算模型进行校验，验证你做仿真计算的模型是否正确；开展瞬态分析、谱分析的基础。

而频率响应分析则是指结构对一载荷（可以是冲击载荷，也可能是一频率在一定范围内的载荷）的响应。频率响应分析的目的是确定结构上两点的输入输出关系（一般以频率为横坐标）。

1、模态分析亦称振型分析

指结构动态特性的理论分析与实验分析。目的是确定结构的模态参数，如固有频率、阻尼、振型等。

理论分析采用有限元法。在结构复杂和所划分的有限单元数目过多时，采用简化的方法使有限元模型的自由度减少，或用模态综合法，把结构划分为若干个子结构，先求出子结构的模态，再进行综合。

实验分析是利用模拟实验设施，激励结构使其作横向弯曲振动、纵向振动和扭转振动，通过实时分析仪和计算机进行数据采集和处理，测试结构的响应，给出模态参数。实验分析的结果用于验证理论计算结果的精确性，并找出改进分析精度的途径。广泛应用于航空、航天器的振动性能分析，以及机器和一些大型建筑(如桥梁)的故障诊断与监测。

2、频率响应分析

Z向上的频率响应

Y向上的频率响应

Magnitude响应的振幅

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