模态分析的作用---底盘专业问题

2019-08-16 19:55:27· 来源：IND4汽车人

模态分析这个词本身是我们取义翻译过来的一个概念，用它来表达所分析的内容，其实并不准确，所有的CAE 软件中都没有我们所说的模态分析这一项，而只有Frequency

‘模态分析’这个词本身是我们取义翻译过来的一个概念，用它来表达所分析的内容，其实并不准确，所有的CAE 软件中都没有我们所说的‘模态分析’这一项，而只有‘Frequency Analysis’。其实这就是我们的‘模态分析’，为了迎合习惯叫法，我们还是将‘频率分析’叫做‘模态分析’吧。

一模态分析的概念

模态也就是结构产生自由振动时的振动形态，也称为振形。每一个自由振动的固有频率都对应一个振形，因为结构件都是连续体，具有无限多的自由度（如果深究下去可以到分子、原子层级的数量），所以其模态具有无穷阶。模态分析就是将结构件的各阶固有频率找到，并找出结构件在该固有频率下震动时的形态。

二模态分析的作用

我们做‘模态分析’的目的是什么？可能多数人都会回答‘找到固有频率，检查频率耦合’.这个答案针对某些时候是正确的，比如如果研究纯粹噪声问题，所测的噪音频率和发出噪音部件的固有频率确实有直接关系。这时候我们可能更多的是关注部件特征频率的具体数值，而不关心它在这个频率下的振动形式。

但还有一种情况，我们关心的反而是它的振形。比如下面一个结构，部件A 坐落在悬臂梁B 的端部，而部件A 对于Z方向的振动非常的敏感，而对其他两个方向却不敏感。

现在的问题是，基座有约2000 Hz的随即振动。分析在这种状态下，部件A 的工作是否受到影响？

对于这个问题，很显然，第一步肯定需要对悬臂梁B进行模态，过程略过。结果如下

当我们看到第三阶固有频率2236Hz时，是不是一阵紧张。频率耦合,要共振? 没错，频率耦合确实会发生共振，但我们还要关注一点，这个悬臂梁的这种振动形式对部件的工作状态是否有影响。所以，我们需要进一步看其振形。

查看振形，我们发现，第三阶共振只是在X-Y平面内的振动。Z 方向并没有明显的位移。

Z方向并没有明显的位移，那么其二阶微分得出的Z向加速度也当然不会太大

部件A 恰好只对Z方向的加速度敏感。通过这一通的分析，我们可以下这样一个结论，在2000Hz随即振动作用下，悬臂梁会发生共振，但共振形对部件A 的工作并未造成影响，所以结构上不存在问题。

可能有人会有疑惑？只要共振了不都要解决吗？其实这个问题，需要延伸到振动的能量的传递维度去讨论了。由于篇幅关系，我们就不展开讨论了，但这里我们举个简单例子来解释一下。

士兵步调一致通过大桥而造成大桥坍塌的故事相信大家都听说过，具体的解释就是共振造成的。

但我们如果将这一队士兵换成一队蚂蚁，以同样的步调走过大桥?大桥也会坍塌吗？

显然几只小蚂蚁不会导致大桥坍塌，因为小蚂蚁的振动能量实在太小了。所以共振不可怕，振幅大了才可怕。

我们回过头来，看制动盘的模态分析结果，如果我们研究噪音问题，其实最关心的是盘面内的扭转振形,如下图所示的第八阶固有频率所对应的振形，就是我们所谓的特征振形。

有了这个特征振形，我们就可以有针对性的设计结构以避免出现2685Hz的共振。

如果观察仔细的读者可能已经发现了，对于这个制动盘1与2的频率很接近，同样的还有3与4、6与7 以及9和10。在模态分析中我们称之为‘重根模态’，也就是频率相同而振幅相差90°相位，对于对称结构的部件，‘重根模态’很常见。

以上的模态分析只是宏观的表述了，共振的产生与否，如果我们想要更进一步的了解知晓部件在振动环境下的具体某个点的振动位移、速度、加速度等详细信息，我们就需要在模态分析的基础之上在进行动态响应分析。

动态响应是分析具有该固有频率和振动形态的结构在受到动载荷时的响应，特征点的位移、速度、加速度及变化规律。

动态响应可分为稳态响应和瞬态响应两个内容，分别针对周期振动环境和随即冲击振动环境下的部件响应分析。

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