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1、模态基础知识及模态测试方法 动力总成NVH所 徐永江 2010-04 模态知识ABC 模态分析的定义及方法分类 模态参数及其应用 模态分析的重要性 模态振型介绍 动力总成模态分析难点 提高动力总成模态频率的方法 模态设计准则及模态数据库 1、模态分析的定义及方法分类 1.1 模态分析的定义 一般地，以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，称为模态分 析。更确切地说，模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非 参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一 门学科。振动结构模态分析则是指对一般结构所做的模态分析。 理论模态分析 以线性振动理论为基础，研究激励、系统、
2、响应三者的关系。 试验模态分析 是理论模态分析的逆过程，是综合运用线性振动理论、动态测试 技术、数字信号处理和参数识别等手段，进行系统识别的过程。 非参数模型模态参数模型物理参数模型 物理参数模型模态参数模型非参数模型 1.2 模态分析方法 CAE方法是进行理论模态分析的常用方法，将分析对象（动力总成） 分解成有限个刚体单元，针对每个刚体单元列出微分方程，进行傅立叶 变换后，得到系统矩阵，求解后得到模态参数。 1.3 理论模态分析方法 有限元 多体动力学 有限元分析 有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成 ，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个 单元的集合来代替原来具有无限个自由
3、度的连续体 有限元法的基本步骤 研究分析结构的特点，包括结构形状与边界、载荷工况等； 将连续体划分成有限单元，形成计算模型，包括确定单元类型与边界条件、材 料特性等； 以单元节点位移作为未知量，选择适当的位移函数来表示单元中的位移，再用 位移函数求单元中的应变，根据材料的物理关系，把单元中的应力也用位移函数 表示出来，最后将作用在单元上的载荷转化成作用在单元上的等效节点力，建立 单元等效节点力和节点位移的关系，这就是单元特性分析； 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，集 合成整体的有限元方程，求解出节点位移。 模态分析的试验方法，通过测得的系统频响函数(FRF)
4、，应用合适的 模态参数估计方法，进行曲线拟合，得到相应的模态参数。 1.4 试验模态分析方法 力锤激励激振器激励 2.1 模态参数 固有频率 阻尼比 模态振型(模态向量) 模态质量 模态刚度 模态阻尼 中间参数：极点，留数，模态参预因子等 2、模态参数及其应用 2.2 模态参数的应用 直接评价结构的动力特性 与有限元或边界元分析结果比较, 进行模型验证或修正 作为结构修改或动力特性优化的依 据 响应模拟或载荷识别 由子结构组合法获得复杂结构的动 力特性 表现为明显的共振带噪声 传动系统扭振会产生敲击噪声 部件的模态会影响整机的NVH性能 模态直接影响结构的振动响应及噪声！ 3、结构模态的重要性
5、 4、模态振型介绍 一阶伸缩模态 刚体模态 刚体模态刚体模态 一阶垂弯模态 二阶垂弯模态 三阶垂弯模态四阶垂弯模态 一阶横弯模态 二阶横弯模态 三阶横弯模态四阶横弯模态 5、动力总成模态分析的难点 动力总成结构复杂，附件的模态会对整机模态的分析产生干扰 动力总成形状不规则，导致弯曲模态的不规则，很多时候无法得到十分规则 的纵弯和横弯，更多得到的是两者的综合弯曲 动力总成模态测试 5.1 动力总成模态测试分析难点 动力总成结构复杂，进行精确建模的成本很高 对一些非关重件进行集中质量处理的方法 对连接关系的处理 对非线性材料的处理 各种边界条件的处理 动力总成模态计算有限元法 5.2 动力总成模态
6、CAE分析难点 提高本体与变速器之间连接刚度的方法 对发动机整体结构进行优化，提高整体结构刚度，减小整体重量 提高发动机本体与变速器之间的连接刚度 缩短本体重心与变速器总成重心之间的距离 应尽量将附件安装于模态节点处 6、提高动力总成模态频率的方法 连接螺栓弹性刚度越大，系统固有频率越高； 连接螺栓与旋转中心轴的距离越大，系统固有频率越高； 在与转动中心轴距离不为0的点增加连接螺栓，可以提高系统固有频率 。 变速器总成绕转动中心轴转动惯量越小，系统固有频率越高。 7、模态设计准则及模态数据库 对象名称关注度排序频率目标 Hz Engine modal cross direction bendi
7、ng1240 Engine modal vertical direction bending1240 Engine modal torsional1240 Gearbox side Mounting bracket2480&(600-700) Exhaust side Mounting bracket2480&(600-700) Intake side Mounting bracket2480&(600-700) wheel side Mounting bracket2480&(600-700) Intake manifold4 Exhaust manifold4 Exhaust manifo
8、ld cover3 Generator bracket5480 AC bracket5480 Starter bracket5480 Steering pump bracket5480 Water pump bracket5480 Oil rail5480 Valve cover3 Timing cover3 Oil pan3 以额定转速为6000rpm的直列四缸发动机为例 试验模态基本理论 1、无阻尼单自由度自由振动 2、模态参数的获取 3、模态分析的重要性 4、模态振型介绍 5、动力总成模态分析及难点 6、提高动力总成模态频率的方法 7、模态设计准则及模态数据库 1.1单自由度建模 mg
9、弹簧自由状态 o x k m 令： mg x 力学模型数学模型 1、无阻尼单自由度自由振动 1.2 微分方程求解 通解为： 振幅为： 初相位为： 数学模型： 1.3结果的讨论：固有频率n 固有频率只与系统的参数有关，与初始条件无关； 质量越小、刚度越大，频率越高。 1.4结果的讨论：振幅-A 振幅的决定因素： 初始状态-系统能量 固有频率：越大振幅越小 在NVH开发中，一 般要求固有频率 越高越好 1.5能量法建模 1.6其他单自由度系统：扭转振动 J k 平衡位置 力学模型数学模型 令： 1.6其他单自由度系统：单摆运动 mg a 令： 力学模型数学模型 1.7各种单自由度系统的对比 mg
10、a k m K J 力学模型数学模型 2.1 表达式说明 2、模态参数的获取 2.2 极点 或者： 2.3 留数 2.4 单位说明 2.5 模态参数的获取示意图 2.6 模态参数的获得方法 2.7 单自由度与多自由度方法 2.8 局部估计与整体估计方法 2.9 多输入分析法 模态参预因子 模态参预因子 2.10 时域和频域分析方法 其中： 3、模态参数估计方法 3.1 峰检索 半功率点 3.2 模态检出法 1. 2. 3.3 圆拟合法 3.4 复模态指示函数法-CMIF FRF矩阵 CMIF的一般步骤 1）模态频率选定 2）生成增强FRF 3）获得其它参数 3.5 最小二乘复指数法-LSCE
11、求解特征方程， 1、 2、 多自由度 最佳模态数的确定 计 算 模 态 参 数 稳态图 最小二乘误差 3.6 最小二乘频域法-LSFD 估计留数-转回频域 3.7 频域直接参数识别法-FDPI 3.8 极点估计法 - PolyMAX 模态测试基本方法 1模态测试的常见方法 2软件启动 3模态测试一般步骤 4测试软件参数设置 5模态测试中的常用技巧 6动力总成模态测试规范 1、模态测试一般方法 锤击法 激振器法 Impact testing 2、软件启动 菜单 快捷按钮 工作流程条 主界面 设置面板 显示窗口 状态确认 传感器布置 设备连接 测试模型建立 预试验 正式试验 关重部件状态确认 连接
12、刚度确认：连接螺栓数量及扭力 测试状态确认：放空机油、润滑油、冷却液、自由-自由边界模拟、坐标方向确定 横平竖直原则 体现关重振型原则 降低附加质量对结果的影响原则 测点命名方便测量与分析 测试电脑数采前端 数采前端激励力锤 数采前端传感器 确定坐标原点 测量测点坐标 创建测点模型 连接测点模型，创建测试模型 选定合适的力锤锤头 选定合适的激励点 检查传感器信号 3、模态测试一般步骤 4、软件参数设置 测试模型建立components 测试模型建立nodes 测试模型建立lines 模态测试常用技巧 1模态测试的常见方法 2软件启动 3模态测试一般步骤 4测试软件参数设置 5模态测试中的常用技
13、巧 6动力总成模态测试规范 动力总成模态识别方法 3、试验模态分析 其一：“异向曲线对比法” 通过对比不同激励方向得到的FRF综合曲线，比较其在不同方 向上的敏感度，从而找出模态振型的主导变形方向，为振型的 判定提供依据。 动力总成模态识别方法 3、试验模态分析 其二：“整体模型”的应用 “整体模型”的应应用可以排除附件模态对态对 整机模态态判断判断造成的干扰扰，使整机模态态的判断更加的准确 。图图4-2-20中，通过过“整体模型”的应应用，发现发现 整机FRF综综合曲线线在348.7Hz处处一个主要峰值对应值对应 的是 进进气歧管的局部模态态，排除了在348.7Hz处处存在整机模态态的可能，避免了误误判断 发动机附件模态测试方法 发动机附件模态测试的测点布置方法： 在附件与发动机本体连接点的对面点上 布置参考点，有利于进行振型判断。 3、试验模态分析 部件的模态测试实例 H15NA发动机上测试表明，带悬置软垫状态与台架测试振动结果比较吻合
