作者 |CAE之家 仿真秀優(yōu)秀講師

首發(fā) |仿真秀App

導讀：模態(tài)分析是研究結(jié)構動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用。模態(tài)是機械結(jié)構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。

模態(tài)分析就求特征值和特征向量的問題，特征值就是要知道結(jié)構振動的一些基本振型對應的頻率。在實際中，有時為了避開這些頻率，防止共振，進行避頻設計。為此，我在仿真秀原創(chuàng)首發(fā)了視頻課程《汽車NVH之模態(tài)分析與識別方法技巧進階7講》幫助工程師朋友，行業(yè)進階汽車及機械的模態(tài)分析、識別及處理方法，詳情見后文。

一、模態(tài)識別在NVH分析中的地位

對于汽車NVH，模態(tài)是基礎，是一切NVH分析的基礎，也是汽車NVH設計的基石。如何準確的識別模態(tài)結(jié)果，顯得尤為重要。對于一些復雜結(jié)構，往往需要借助模態(tài)識別等輔助工具來進行模態(tài)頻率的確定。

模態(tài)是結(jié)構的一個重要特性，主要包括頻率、振型和阻尼。在許多情況下，像一些大型裝配體，由于結(jié)構局部模態(tài)的影響，往往很難準確定位所關注的模態(tài)振型，通常需要借助工具進行輔助識別。我們根據(jù)可以根據(jù)模態(tài)原理，采用頻響函數(shù)的方法進行模態(tài)識別研究。

二、模態(tài)識別的原理依據(jù)

（1）模態(tài)分析的實質(zhì)是計算結(jié)構振動特征方程的特征值和特征向量；

（2）在數(shù)學中，結(jié)構的頻率和振型通過振動系統(tǒng)的運動方程進行求解得到結(jié)構的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，通過這些矩陣可以計算得到特征值和特征向量。

（3）在物理中，物體按照某一階固有頻率振動時，物體上各個點偏離平衡位置的位移是滿足一定的比例關系的，可以用一個向量表示，這個就稱之為模態(tài)，即振動形態(tài)。系統(tǒng)的主振型是指一個多自由度系統(tǒng)所有可能的振動方式；

（4）模態(tài)分析的意義在于了解結(jié)構的共振區(qū)域，為結(jié)構設計提供指導，是進行其它動力學特性分析的基礎；為結(jié)構系統(tǒng)的振動特性、振動故障診斷以及結(jié)構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

（5）根據(jù)實際要求可選擇輸出幅值相位或?qū)嵅刻摬俊Ｔ诤筇幚碇腥暨x擇幅值相位，則幅值達到最大，相位通過90度；若選擇實部虛部，則實部通過零，虛部達到最大，據(jù)此可判定所關注的模態(tài)頻率。同時要根據(jù)識別結(jié)果的相關工況各個點達到峰值時的斜率和趨勢走向共同鎖定關注的模態(tài)頻率。

比如常見的模態(tài)識別方法主要有：

（1）四點法

（2）十點法

（3）二十四點法

（4）FRF法

......

三、以四點法為例講解模態(tài)識別方法

該方法在實際應用較為廣泛，如車身或TB整體彎曲及扭轉(zhuǎn)模態(tài)識別，其原理是在車身的縱梁前后對稱位置分別選取4個點，如下圖1所示。在選取點施加單位載荷，計算這四個加載點的響應，通過四點響應來輔助判斷車身一階彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)。載荷的大小和方向如下表1所示。

圖1彎曲工況識別結(jié)果

圖2彎曲工況識別振型圖

識別結(jié)果：在四點法的彎曲模態(tài)識別曲線上可以看到在43Hz有非常明顯的峰值，根據(jù)這個峰值，在計算模態(tài)結(jié)果中進行判斷和定位。通過分析該43Hz即為車身一階彎曲模態(tài)。

圖1 彎曲工況識別結(jié)果

同時根據(jù)需要，可靈活選擇不同類型的模態(tài)識別方法，其目的是高效準確鎖定需要關注的模態(tài)頻率，進而為避頻設計等提供有價值意義的結(jié)果。

審核編輯：湯梓紅