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应力刚化与旋转软化对旋转结构固有频率的综合影响分析

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发表时间:2025-07-23 14:23
前面介绍了模态频率、振型的基本特性,本文针对结构的应力刚化和旋转软化进行探讨。

01



基础概念

应力刚化是一个非常普遍的现象,应力刚化现象可从节点的相对位置进行描述,结构在承受外力载荷作用时,结构节点会产生相对的运动(远离或者接近),节点位置的改变导致结构刚度矩阵发生变化,从而影响结构的刚度。在大多数情况下,外力载荷引起结构节点相对远离时,结构的刚度增大,表现为频率增加;外力载荷引起结构节点相对接近时,结构的刚度减小,表现为频率减小。
旋转软化通常表现在旋转机构上,往往与应力刚化现象同时发生。当模型在离心力作用下,结构的刚度会增大,同时由于离心力的不断变化,导致模型并不稳定,这又是模型的刚度变小。因此,在进行旋转结构固有频率的计算时,不仅要考虑应力刚化,同时还要考虑旋转软化。

02



实 例


(1)计算模型

下面以一个圆盘为例,进行应力刚化与旋转软化过程进行描述。
圆盘外径为120mm,内径40mm,厚度为0.2mm,建立壳体模型,对内圆孔进行五个自由度约束,释放绕Z轴的旋转,如下图。
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(2)工况介绍

本次分析通过三个计算工况进行计算,各工况说明如下:
工况一:约束模态
工况二:预应力模态,考虑应力刚化
  • 需要在静力学分析中,定义旋转速度(9549.3RPM),打开大变形。
工况三:预应力摩天,考虑应力刚化与旋转软化。
  • 需要在静力学分析中,定义旋转速度(9549.3RPM),打开大变形。
  • 需要在模态分析中,定义转速(9549.3RPM),选择阻尼求解器,打开Coriolis Effect。
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(3)结果

各工况频率结果如下图所示
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03



小 结

结构旋转产生的离心力使模型的刚度增大,变现为固有频率增加,这是典型的应力刚化现象。
旋转必然带来旋转软化现象,会导致结构低频段的刚度降低,固有频率减小,注意此处的固有频率减小是相对于应力刚化后的频率减小,因此,在计算旋转结构在转动状态下的频率于振型时,应同时考虑应力刚化于旋转软化。
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