试验模态测试分析技术

1、模态基础知识及模态测试方法模态基础知识及模态测试方法动力总成动力总成NVHNVH所所 徐永江徐永江2010-04模态知识模态知识ABCABC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 1、模态分析的定义及方法分类、模态分析的定义及方法分类1.1 模态分析的定义模态分析的定义 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

2、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、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 理论模态分析方法理论模态分析方法有限元有限元多体动力学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

3、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

4、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) ，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 试验模态分析方法试验模态分析方法力锤激励力锤激励激振器激励激振器激励2.1 模态参数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 2、模态参数及其应用、模态参数及其应用2.2 模态参数的应用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

5、击噪声部件的模态会影响整机的部件的模态会影响整机的NVHNVH性能性能模态直接影响结构的振动响应及噪声！模态直接影响结构的振动响应及噪声！3 3、结构模态的重要性、结构模态的重要性4 4、模态振型介绍、模态振型介绍一阶伸缩模态一阶伸缩模态刚体模态刚体模态刚体模态刚体模态刚体模态刚体模态一阶垂弯模态一阶垂弯模态二阶垂弯模态二阶垂弯模态三阶垂弯模态三阶垂弯模态四阶垂弯模态四阶垂弯模态一阶横弯模态一阶横弯模态二阶横弯模态二阶横弯模态三阶横弯模态三阶横弯模态四阶横弯模态四阶横弯模态5 5、动力总成模态分析的难点、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

6、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动力总成模态计算有限元法5.2 动力总成模态动力总成模态CAE分析难点分析难点提高本体与变速器之间连接刚度的方法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

7、重心之间的距离 应尽量将附件安装于模态节点处6 6、提高动力总成模态频率的方法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 7、模态设计准则及模态数据库、模态设计准则及模态数据库对象名称对象名称关注度排序关注度排序频率目标频率目标 HzEngine modal cross direction bending1240Engine modal vertical direction bending1240Eng

8、ine modal torsional1240Gearbox side Mounting bracket2480&(600-700)Exhaust side Mounting bracket2480&(600-700)Intake side Mounting bracket2480&(600-700)wheel side Mounting bracket2480&(600-700)Intake manifold4Exhaust manifold4Exhaust manifold cover3Generator bracket5480AC bracket5480S

9、tarter bracket5480Steering pump bracket5480Water pump bracket5480Oil rail5480Valve cover3Timing cover3Oil pan3以额定转速为以额定转速为6000rpm的直列四缸发动机为例的直列四缸发动机为例试验模态基本理论试验模态基本理论1、无阻尼单自由度自由振动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 mgsk弹簧自由状态soxkm0skmgxkmgxms 0kxx

10、m 02xxn mkn令：mgxsxk力学模型力学模型数学模型数学模型1、无阻尼单自由度自由振动、无阻尼单自由度自由振动1.2 微分方程求解02xxn 通解为：tAxnsincos)0cos(sin)0sin(00nnnAApxAAx002020arctan)(xxxxAnn振幅为：初相位为：数学模型：单自由度系统的无阻尼自由振动是简谐振动振动的振幅(强弱)与振动的初始条件有关；自由振动的频率或周期与初始条件无关，因此为系统的固有特性参数。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。mkn1.4结果的讨论：振幅-A2020)(nxx

11、A振幅的决定因素：初始状态-系统能量固有频率：越大振幅越小在在NVHNVH开发中，一开发中，一般要求固有频率般要求固有频率越高越好越高越好1.5能量法建模 常数UT0)( UTdtd0)2121(22kxxmdtd0kxxm 1.6其他单自由度系统：扭转振动JlGdk324kJ02nJknk平衡位置力学模型力学模型数学模型数学模型令：1.6其他单自由度系统：单摆运动mgaonJmga令：sin0mgaJ sin00mgaJ 02n力学模型力学模型数学模型数学模型1.7各种单自由度系统的对比mgakmKJonJmga00mgaJ 02n02xxn 0kxxm mkn0kJ02nJkn力学模型力学

12、模型数学模型数学模型2.1 2.1 表达式说明表达式说明2、模态参数的获取、模态参数的获取2.2 2.2 极点极点或者：或者：2.3 2.3 留数留数2.4 2.4 单位说明单位说明2.5 2.5 模态参数的获取示意图模态参数的获取示意图2.6 2.6 模态参数的获得方法模态参数的获得方法2.7 2.7 单自由度与多自由度方法单自由度与多自由度方法2.8 2.8 局部估计与整体估计方法局部估计与整体估计方法2.9 2.9 多输入分析法多输入分析法模态参预因子模态参预因子模态参预因子模态参预因子2.10 2.10 时域和频域分析方法时域和频域分析方法其中：其中：3、模态参数估计方法、模态参数估计

13、方法3.1 3.1 峰检索峰检索半功率点半功率点3.2 3.2 模态检出法模态检出法1.2.3.3 3.3 圆拟合法圆拟合法3.4 3.4 复模态指示函数法复模态指示函数法-CMIF-CMIFFRFFRF矩阵矩阵CMIF的一般步骤的一般步骤1 1）模态频率选定）模态频率选定2 2）生成增强）生成增强FRFFRF3 3）获得其它参数）获得其它参数3.5 3.5 最小二乘复指数法最小二乘复指数法-LSCE-LSCE求解特征方程，求解特征方程，1、2、多自由度多自由度最佳模态数的确定最佳模态数的确定计计算算模模态态参参数数稳态图稳态图最小二乘误差最小二乘误差3.6 3.6 最小二乘频域法最小二乘频域

14、法-LSFD-LSFD估计留数估计留数-转回频域转回频域3.7 3.7 频域直接参数识别法频域直接参数识别法-FDPI-FDPI3.8 3.8 极点估计法极点估计法 - PolyMAX- PolyMAX模态测试基本方法模态测试的常见方法软件启动模态测试一般步骤测试软件参数设置模态测试中的常用技巧动力总成模态测试规范1 1、模态测试一般方法、模态测试一般方法锤击法锤击法激振器法激振器法Impact testing2 2、软件启动、软件启动菜单菜单快捷按钮快捷按钮工作流程条工作流程条主界面主界面设置面板设置面板显示窗口显示窗口状态确认状态确认传感器布置传感器布置设备连接设备连接测试模型建立测试模型

15、建立预试验预试验正式试验正式试验关重部件状态确认关重部件状态确认连接刚度确认：连接螺栓数量及扭力连接刚度确认：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、坐标方向确定自由边界模拟、坐标方向确定横平竖直原则横平竖直原则体现关重振型原则体现关重振型原则降低附加质量对结果的影响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点命名方便测量与分析测试电脑测试电脑数采前端数采前端数采前端数采前端激励力锤激励力锤数采前端数采前端传感器传感器确定坐标原点确定坐标原点测量测点坐标测量测点坐标创建测点模型创建测点模型连接测点模

16、型，创建测试模型连接测点模型，创建测试模型选定合适的力锤锤头选定合适的力锤锤头选定合适的激励点选定合适的激励点检查传感器信号检查传感器信号3 3、模态测试一般步骤、模态测试一般步骤4 4、软件参数设置、软件参数设置测试模型建立测试模型建立components测试模型建立测试模型建立nodes测试模型建立测试模型建立lines模态测试常用技巧模态测试的常见方法软件启动模态测试一般步骤测试软件参数设置模态测试中的常用技巧动力总成模态测试规范动力总成模态识别方法动力总成模态识别方法3 3、试验模态分析、试验模态分析其一：其一：“异向曲线对比法异向曲线对比法” 通过对比不同激励方向得到的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。判定提供依据。动力总成模态识别方法动力总成模态识别方法3 3、试验模态分析、试验模态分析其二：其二：“整体模型整体模型”的应用的应用“整体模型整体模型”的应用可以排除附件模态对整机模态判断判断造成的干扰，使整机模态的判断更加的准确的应用可以排除附件模态对整机模态判断判断造成的干扰，使整机模态的判断更加的准确。图。图4-2-20中，通过中，通过“整体模型整体模型”的应