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1、模态分析在摩托车减振工作中的应用模态分析在摩托车减振工作中的应用天津内燃机研究所 第一研究室天津内燃机研究所 第一研究室模态分析模态分析模态是指结构在各频率下的动态响应 研究结构动态特性有两种途径: 有限元模态分析 实验模态分析 有限元模态分析是指通过确定的结构形状,设定的边界条件和材料特 性把结构的质量分布,刚度分布和阻尼分布分别用相应的矩阵表示并 以此确定系统的模态参数 实验模态分析是指根据结构上测量点的动态输入力和输出响应数据估 计系统的频响函数,根据频响函数确定结构的模态参数. 下面以摩托车降振工作为例分别介绍两种模态分析过程有限元模态分析过程有限元模态分析过程有限元分析结果可以用来指
2、导结构设计和修改,对结构设计和修改方案 进行预测 这是为某厂家进行摩托车减振工作的摩托车车架车架模型车架模型有限元模态分析过程该车架有限元分析模型:有限元分析模型18276个壳单元,18912个节点1381个管单元,1392个节点材料属性材料弹性系数:196GPa泊松比:0.27 材料密度:7800kg/m3连接处用刚性元模拟焊点有限元模态分析过程有限元分析模态动画示例如下:一阶振型,频率78.2Hz二阶振型,频率81.94Hz有限元模态分析过程有限元分析模态动画示例三阶振型,频率172.58HZ四阶振型,频率194.09HZ有限元模态分析过程从各阶振型动画可以看出,车架的振动形式主要表现为车
3、架上部纵梁的弯曲 和扭转很明显车架的振动形态是由车架刚度不足引起根据有限元分析结果,我们组织了5种旨在增加车架刚度的改进方案,通过有 限元计算预测发现其中方案1的效果最理想.改进方案1如下图所示有限元模态分析过程改进方案1其它方案不再一一介绍有限元模态分析过程方案1有限元预测结果一阶振型:频率126.7Hz二阶振型:频率142.9Hz三阶振型:172.4Hz四阶振型:频率197.5Hz有限元模态分析过程方案1有限元预测结果有限元模态分析过程从有限元预测的结果可以看出,改进后的车 架基频明显提高,振幅也明显下降，但相对 其它几种改进方案该方案较为复杂，考虑到 成本与工艺要求，最后决定采取改动最小
4、的 第五种方案作为本次车架改进设计的方案. 并针对改进前和第5种改进方案进行了模态 实验.下面是车架实验模态过程.实验模态过程实验模态系统示意图如下图所示实验模态工作原理:在模态实验过程中,由小锤给系统施加一个激振力,力的大小可通过小锤前端的力传感 器测量,试件上的加速度传感器测量输出的加速度,分析系统将这些信号离散并用来估 计频响函数存在硬盘上,分析系统再根据测得的频响函数确定试件的模态参数,并以线 条模型模拟结构的模态振型.实验模态过程实验模态过程模态实验使用比利时LMS多通道数据采集仪,比利时LMS设备是世界范 围公认以模态实验著称的顶级设备 为了对比改进后车架的改进效果,对改进前,后的
5、车架分别进行了模态实 验过程 这是正在进行的该摩托车改进前车架模态实验过程实验模态过程实验前首先在LMS中建立如下的几何模型,图中各点表示测量点实验模态过程实验模态过程 模态实验过程中应注意事项:实验时车架要保持自由悬挂状态,尽可能减少对车架的约束实验过程中,车架要用足够软的橡皮绳悬挂,悬挂后的刚体共振频率要小 于车架1阶固有频率的1/10,而且悬挂点尽量处于模态节点上.实验前采用手持式振动标定器对加速度传感器的灵敏度进行标定,每 次同时测量X,Y,Z三个方向的振动加速度实验采用力锤激励进行频响函数计算时以力锤所对应的通道为参考通道实验采用单点输入多点响应的方法实验前要设置合理的通道量程,选择
6、最佳激励点,设置合理的分析 频带宽度和分辨率,选用合适的窗函数.实验模态过程实验模态过程测量过程中要保证频响函数曲线干净,光滑,有较多的波峰,而且峰值处 相干要好.实验后采用最小二乘复指数方法提取模态参数,包括频率,阻尼和模态 振形 对提取的模态参数利用模态判定准则(MAC) 进行验证. 通过提取的模态振形模拟结构振动实验模态过程实验模态过程测量后通过生成的稳定性图表来帮助确定模态参数,如下图所示的稳定 性图表,图中标注有d,v,f,s.只有稳定的注有”S”的频率才可能确定是真实 的模态频率实验模态过程改进前车架实验模态动画示例如下:实验模态过程改进前车架实验模态动画实验模态过程按照方案5改进
7、的车架实验模态过程下图是改进后车架的前四阶实验模态动画实验模态过程改进后车架实验模态动画实验模态过程通过仔细对比改进前,后车架实验模态参数可以看出,改进前后车 架各阶固有频率没有明显变化,但振幅明显减小,能够达到减振目的. 模态实验不仅帮助确定改进方案,而且帮助确定对车架实施改进的 方案是否可行 下面是我们做过的另外一种车型的模态实验实验模态过程 该车实验模态动画示例如下:实验模态过程从所提取的该车前四阶模态参数可以看出,其基频较高,避开了由于路面和 发动机冲击容易引起的共振频率,因此不能通过改变车架结构达到整车降 振的目的.总结有限元分析模态对设计和修改进行预测,为设计和修改提供依据实验模态能够真实显示改进的效果不能只凭借设备,只有将数学工具,经验,直观感觉相结合,才能得出最 加的模态模型.有限元模态和实验模态相互验证,对整车降振方案的制定起到了重要 作用,缩短了开发进程.End Thank you 杨景玲2006.09返回目录
