試驗?zāi)B(tài)測試分析技術(shù)

1、模態(tài)基礎(chǔ)知識及模態(tài)測試方法模態(tài)基礎(chǔ)知識及模態(tài)測試方法動力總成動力總成NVHNVH所所 徐永江徐永江2010-04模態(tài)知識模態(tài)知識ABCABC模態(tài)分析的定義及方法分類模態(tài)參數(shù)及其應(yīng)用模態(tài)分析的重要性模態(tài)振型介紹動力總成模態(tài)分析難點提高動力總成模態(tài)頻率的方法模態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則及模態(tài)數(shù)據(jù)庫1 1、模態(tài)分析的定義及方法分類、模態(tài)分析的定義及方法分類1.1 模態(tài)分析的定義模態(tài)分析的定義 一般地，以振動理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，稱為模態(tài)分析。更確切地說，模態(tài)分析是研究系統(tǒng)物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過一定手段確定這些系統(tǒng)模型的理論及其應(yīng)用的一門學(xué)科。振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析則是指對一

2、般結(jié)構(gòu)所做的模態(tài)分析。理論模態(tài)分析以線性振動理論為基礎(chǔ)，研究激勵、系統(tǒng)、響應(yīng)三者的關(guān)系。試驗?zāi)B(tài)分析是理論模態(tài)分析的逆過程，是綜合運用線性振動理論、動態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號處理和參數(shù)識別等手段，進(jìn)行系統(tǒng)識別的過程。非參數(shù)模型模態(tài)參數(shù)模型物理參數(shù)模型物理參數(shù)模型模態(tài)參數(shù)模型非參數(shù)模型1.2 模態(tài)分析方法模態(tài)分析方法 CAE方法是進(jìn)行理論模態(tài)分析的常用方法，將分析對象（動力總成）分解成有限個剛體單元，針對每個剛體單元列出微分方程，進(jìn)行傅立葉變換后，得到系統(tǒng)矩陣，求解后得到模態(tài)參數(shù)。1.3 理論模態(tài)分析方法理論模態(tài)分析方法有限元有限元多體動力學(xué)多體動力學(xué)有限元分析有限元法是將連續(xù)體理想化為有限個單元集

3、合而成，這些單元僅在有限個節(jié)點上相連接，亦即用有限個單元的集合來代替原來具有無限個自由度的連續(xù)體有限元法的基本步驟研究分析結(jié)構(gòu)的特點，包括結(jié)構(gòu)形狀與邊界、載荷工況等；將連續(xù)體劃分成有限單元，形成計算模型，包括確定單元類型與邊界條件、材料特性等；以單元節(jié)點位移作為未知量，選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)來表示單元中的位移，再用位移函數(shù)求單元中的應(yīng)變，根據(jù)材料的物理關(guān)系，把單元中的應(yīng)力也用位移函數(shù)表示出來，最后將作用在單元上的載荷轉(zhuǎn)化成作用在單元上的等效節(jié)點力，建立單元等效節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系，這就是單元特性分析；利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，集合成整體的有限元方程，求解出

4、節(jié)點位移。 模態(tài)分析的試驗方法，通過測得的系統(tǒng)頻響函數(shù)(FRF) ，應(yīng)用合適的模態(tài)參數(shù)估計方法，進(jìn)行曲線擬合，得到相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)。1.4 試驗?zāi)B(tài)分析方法試驗?zāi)B(tài)分析方法力錘激勵力錘激勵激振器激勵激振器激勵2.1 模態(tài)參數(shù)模態(tài)參數(shù)固有頻率阻尼比模態(tài)振型(模態(tài)向量)模態(tài)質(zhì)量模態(tài)剛度模態(tài)阻尼中間參數(shù)：極點，留數(shù)，模態(tài)參預(yù)因子等2 2、模態(tài)參數(shù)及其應(yīng)用、模態(tài)參數(shù)及其應(yīng)用2.2 模態(tài)參數(shù)的應(yīng)用模態(tài)參數(shù)的應(yīng)用直接評價結(jié)構(gòu)的動力特性與有限元或邊界元分析結(jié)果比較,進(jìn)行模型驗證或修正作為結(jié)構(gòu)修改或動力特性優(yōu)化的依據(jù)響應(yīng)模擬或載荷識別由子結(jié)構(gòu)組合法獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力特性表現(xiàn)為明顯的共振帶噪聲傳動系統(tǒng)扭振會產(chǎn)生敲

5、擊噪聲部件的模態(tài)會影響整機(jī)的部件的模態(tài)會影響整機(jī)的NVHNVH性能性能模態(tài)直接影響結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)及噪聲！模態(tài)直接影響結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)及噪聲！3 3、結(jié)構(gòu)模態(tài)的重要性、結(jié)構(gòu)模態(tài)的重要性4 4、模態(tài)振型介紹、模態(tài)振型介紹一階伸縮模態(tài)一階伸縮模態(tài)剛體模態(tài)剛體模態(tài)剛體模態(tài)剛體模態(tài)剛體模態(tài)剛體模態(tài)一階垂彎模態(tài)一階垂彎模態(tài)二階垂彎模態(tài)二階垂彎模態(tài)三階垂彎模態(tài)三階垂彎模態(tài)四階垂彎模態(tài)四階垂彎模態(tài)一階橫彎模態(tài)一階橫彎模態(tài)二階橫彎模態(tài)二階橫彎模態(tài)三階橫彎模態(tài)三階橫彎模態(tài)四階橫彎模態(tài)四階橫彎模態(tài)5 5、動力總成模態(tài)分析的難點、動力總成模態(tài)分析的難點動力總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件的模態(tài)會對整機(jī)模態(tài)的分析產(chǎn)生干擾動力總成形狀不

6、規(guī)則，導(dǎo)致彎曲模態(tài)的不規(guī)則，很多時候無法得到十分規(guī)則的縱彎和橫彎，更多得到的是兩者的綜合彎曲動力總成模態(tài)測試動力總成模態(tài)測試5.1 動力總成模態(tài)測試分析難點動力總成模態(tài)測試分析難點動力總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行精確建模的成本很高對一些非關(guān)重件進(jìn)行集中質(zhì)量處理的方法對連接關(guān)系的處理對非線性材料的處理各種邊界條件的處理動力總成模態(tài)計算有限元法動力總成模態(tài)計算有限元法5.2 動力總成模態(tài)動力總成模態(tài)CAE分析難點分析難點提高本體與變速器之間連接剛度的方法提高本體與變速器之間連接剛度的方法 對發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高整體結(jié)構(gòu)剛度，減小整體重量 提高發(fā)動機(jī)本體與變速器之間的連接剛度 縮短本體重心與變速器總成

7、重心之間的距離 應(yīng)盡量將附件安裝于模態(tài)節(jié)點處6 6、提高動力總成模態(tài)頻率的方法提高動力總成模態(tài)頻率的方法連接螺栓彈性剛度越大，系統(tǒng)固有頻率越高；連接螺栓與旋轉(zhuǎn)中心軸的距離越大，系統(tǒng)固有頻率越高；在與轉(zhuǎn)動中心軸距離不為0的點增加連接螺栓，可以提高系統(tǒng)固有頻率。變速器總成繞轉(zhuǎn)動中心軸轉(zhuǎn)動慣量越小，系統(tǒng)固有頻率越高。7 7、模態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則及模態(tài)數(shù)據(jù)庫、模態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則及模態(tài)數(shù)據(jù)庫對象名稱對象名稱關(guān)注度排序關(guān)注度排序頻率目標(biāo)頻率目標(biāo) 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以額定轉(zhuǎn)速為以額定轉(zhuǎn)速為6000rpm的直列四缸發(fā)動機(jī)為例的直列四缸發(fā)動機(jī)為例試驗?zāi)B(tài)基本理論試驗?zāi)B(tài)基本理論1、無阻尼單自由度自由振動無阻尼單自由度自由振動2、模態(tài)參數(shù)的獲取3、模態(tài)分析的重要性4、模態(tài)振型介紹5、動力總成模態(tài)分析及難點6、提高動力總成模態(tài)頻率的方法7、模態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則及模態(tài)數(shù)據(jù)庫1.1單自由度建模 mgsk彈簧自由狀態(tài)soxkm0skmgxkmgxms 0kxx

10、m 02xxn mkn令：mgxsxk力學(xué)模型力學(xué)模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型1、無阻尼單自由度自由振動、無阻尼單自由度自由振動1.2 微分方程求解02xxn 通解為：tAxnsincos)0cos(sin)0sin(00nnnAApxAAx002020arctan)(xxxxAnn振幅為：初相位為：數(shù)學(xué)模型：單自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動是簡諧振動振動的振幅(強(qiáng)弱)與振動的初始條件有關(guān)；自由振動的頻率或周期與初始條件無關(guān)，因此為系統(tǒng)的固有特性參數(shù)。1.3結(jié)果的討論：固有頻率n 固有頻率只與系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)，與初始條件無關(guān)； 質(zhì)量越小、剛度越大，頻率越高。mkn1.4結(jié)果的討論：振幅-A2020)(nxx

11、A振幅的決定因素：初始狀態(tài)-系統(tǒng)能量固有頻率：越大振幅越小在在NVHNVH開發(fā)中，一開發(fā)中，一般要求固有頻率般要求固有頻率越高越好越高越好1.5能量法建模 常數(shù)UT0)( UTdtd0)2121(22kxxmdtd0kxxm 1.6其他單自由度系統(tǒng)：扭轉(zhuǎn)振動JlGdk324kJ02nJknk平衡位置力學(xué)模型力學(xué)模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型令：1.6其他單自由度系統(tǒng)：單擺運動mgaonJmga令：sin0mgaJ sin00mgaJ 02n力學(xué)模型力學(xué)模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型1.7各種單自由度系統(tǒng)的對比mgakmKJonJmga00mgaJ 02n02xxn 0kxxm mkn0kJ02nJkn力學(xué)模型力學(xué)

12、模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型2.1 2.1 表達(dá)式說明表達(dá)式說明2、模態(tài)參數(shù)的獲取、模態(tài)參數(shù)的獲取2.2 2.2 極點極點或者：或者：2.3 2.3 留數(shù)留數(shù)2.4 2.4 單位說明單位說明2.5 2.5 模態(tài)參數(shù)的獲取示意圖模態(tài)參數(shù)的獲取示意圖2.6 2.6 模態(tài)參數(shù)的獲得方法模態(tài)參數(shù)的獲得方法2.7 2.7 單自由度與多自由度方法單自由度與多自由度方法2.8 2.8 局部估計與整體估計方法局部估計與整體估計方法2.9 2.9 多輸入分析法多輸入分析法模態(tài)參預(yù)因子模態(tài)參預(yù)因子模態(tài)參預(yù)因子模態(tài)參預(yù)因子2.10 2.10 時域和頻域分析方法時域和頻域分析方法其中：其中：3、模態(tài)參數(shù)估計方法、模態(tài)參數(shù)估計

13、方法3.1 3.1 峰檢索峰檢索半功率點半功率點3.2 3.2 模態(tài)檢出法模態(tài)檢出法1.2.3.3 3.3 圓擬合法圓擬合法3.4 3.4 復(fù)模態(tài)指示函數(shù)法復(fù)模態(tài)指示函數(shù)法-CMIF-CMIFFRFFRF矩陣矩陣CMIF的一般步驟的一般步驟1 1）模態(tài)頻率選定）模態(tài)頻率選定2 2）生成增強(qiáng)）生成增強(qiáng)FRFFRF3 3）獲得其它參數(shù)）獲得其它參數(shù)3.5 3.5 最小二乘復(fù)指數(shù)法最小二乘復(fù)指數(shù)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態(tài)數(shù)的確定最佳模態(tài)數(shù)的確定計計算算模模態(tài)態(tài)參參數(shù)數(shù)穩(wěn)態(tài)圖穩(wěn)態(tài)圖最小二乘誤差最小二乘誤差3.6 3.6 最小二乘頻域法最小二乘頻域

14、法-LSFD-LSFD估計留數(shù)估計留數(shù)-轉(zhuǎn)回頻域轉(zhuǎn)回頻域3.7 3.7 頻域直接參數(shù)識別法頻域直接參數(shù)識別法-FDPI-FDPI3.8 3.8 極點估計法極點估計法 - PolyMAX- PolyMAX模態(tài)測試基本方法模態(tài)測試的常見方法軟件啟動模態(tài)測試一般步驟測試軟件參數(shù)設(shè)置模態(tài)測試中的常用技巧動力總成模態(tài)測試規(guī)范1 1、模態(tài)測試一般方法、模態(tài)測試一般方法錘擊法錘擊法激振器法激振器法Impact testing2 2、軟件啟動、軟件啟動菜單菜單快捷按鈕快捷按鈕工作流程條工作流程條主界面主界面設(shè)置面板設(shè)置面板顯示窗口顯示窗口狀態(tài)確認(rèn)狀態(tài)確認(rèn)傳感器布置傳感器布置設(shè)備連接設(shè)備連接測試模型建立測試模型

15、建立預(yù)試驗預(yù)試驗正式試驗正式試驗關(guān)重部件狀態(tài)確認(rèn)關(guān)重部件狀態(tài)確認(rèn)連接剛度確認(rèn)：連接螺栓數(shù)量及扭力連接剛度確認(rèn)：連接螺栓數(shù)量及扭力測試狀態(tài)確認(rèn)：放空機(jī)油、潤滑油、冷卻液、自由測試狀態(tài)確認(rèn)：放空機(jī)油、潤滑油、冷卻液、自由-自由邊界模擬、坐標(biāo)方向確定自由邊界模擬、坐標(biāo)方向確定橫平豎直原則橫平豎直原則體現(xiàn)關(guān)重振型原則體現(xiàn)關(guān)重振型原則降低附加質(zhì)量對結(jié)果的影響原則降低附加質(zhì)量對結(jié)果的影響原則測點命名方便測量與分析測點命名方便測量與分析測試電腦測試電腦數(shù)采前端數(shù)采前端數(shù)采前端數(shù)采前端激勵力錘激勵力錘數(shù)采前端數(shù)采前端傳感器傳感器確定坐標(biāo)原點確定坐標(biāo)原點測量測點坐標(biāo)測量測點坐標(biāo)創(chuàng)建測點模型創(chuàng)建測點模型連接測點模

16、型，創(chuàng)建測試模型連接測點模型，創(chuàng)建測試模型選定合適的力錘錘頭選定合適的力錘錘頭選定合適的激勵點選定合適的激勵點檢查傳感器信號檢查傳感器信號3 3、模態(tài)測試一般步驟、模態(tài)測試一般步驟4 4、軟件參數(shù)設(shè)置、軟件參數(shù)設(shè)置測試模型建立測試模型建立components測試模型建立測試模型建立nodes測試模型建立測試模型建立lines模態(tài)測試常用技巧模態(tài)測試的常見方法軟件啟動模態(tài)測試一般步驟測試軟件參數(shù)設(shè)置模態(tài)測試中的常用技巧動力總成模態(tài)測試規(guī)范動力總成模態(tài)識別方法動力總成模態(tài)識別方法3 3、試驗?zāi)B(tài)分析、試驗?zāi)B(tài)分析其一：其一：“異向曲線對比法異向曲線對比法” 通過對比不同激勵方向得到的通過對比不同激勵方向得到的FRF綜合曲線，比較其在不同方綜合曲線，比較其在不同方向上的敏感度，從而找出模態(tài)振型的主導(dǎo)變形方向，為振型的向上的敏感度，從而找出模態(tài)振型的主導(dǎo)變形方向，為振型的判定提供依據(jù)。判定提供依據(jù)。動力總成模態(tài)識別方法動力總成模態(tài)識別方法3 3、試驗?zāi)B(tài)分析、試驗?zāi)B(tài)分析其二：其二：“整體模型整體模型”的應(yīng)用的應(yīng)用“整體模型整體模型”的應(yīng)用可以排除附件模態(tài)對整機(jī)模態(tài)判斷判斷造成的干擾，使整機(jī)模態(tài)的判斷更加的準(zhǔn)確的應(yīng)用可以排除附件模態(tài)對整機(jī)模態(tài)判斷判斷造成的干擾，使整機(jī)模態(tài)的判斷更加的準(zhǔn)確。圖。圖4-2-20中，通過中，通過“整體模型整體模型”的應(yīng)