白車身模態(tài)振形

簡單來說，模態(tài)振型就是結構在某一個特定的頻率下振動的形狀，而該特定的振動形狀對應的就是模態(tài)頻率。下面我們就用一個簡單的例子來詳細說明一下結構模態(tài)振型。


粱結構模態(tài)分析位移云圖（左：一階彎曲，右：二階彎曲）

上圖是一個梁結構的自由模態(tài)計算結果，其中左邊為一階彎曲模態(tài)，右邊為二階彎曲模態(tài)。我們把結構的這種振動形狀稱為模態(tài)振型。對于上面的振動位移云圖，顏色越深代表位移量越大，顏色越淺表明位移量越小。其中模態(tài)位移量為0的點，我們稱之為節(jié)點（如圖上銀白色處的點），而模態(tài)位移量最大的點，我們稱之為反節(jié)點（如圖梁兩端紅色部位上的點）。在模態(tài)節(jié)點處表明該模態(tài)對于整體響應的貢獻為0，而反節(jié)點處表示該模態(tài)對于整體響應的貢獻最大，因此我們應該盡量把集中質量和外界激勵力布置在車身節(jié)點或節(jié)點附近，有助于減少激勵對車身整體的輸入，從而降低車身的振動響應，所以我們看到所有車型，集中質量部件（發(fā)動機總成，變速箱）與傳遞路面激勵力的懸掛系統(tǒng)都是布置在離車身前后端約1/5車身總長度附近，有一部分原因就是由于該位置為車身模態(tài)節(jié)點或節(jié)點附近。



下圖給出模態(tài)分析后，白車身一階扭轉與一階彎曲的位移云圖。由圖我們看以看出：

左邊白車身前后兩端的左右兩邊都做反向運動，前后兩端對角做同向運動，整個車身在扭動，我們把這種振動形式稱為白車身一階扭轉振形；
右邊白車身前后兩端做同向運動，中部做反向運動，車身在縱向做彎曲運動，我們把這種振動形式稱為白車身一階彎曲振形。


車身模態(tài)分析 -左：一階扭轉 右：一階彎曲

白車身模態(tài)頻率

每一階模態(tài)都會對應有一個模態(tài)頻率，在對應的模態(tài)頻率下會有對應的模態(tài)振型。在車身模態(tài)中，最值得我們去關注的就是車身一階彎曲模態(tài)頻率與一階扭轉模態(tài)頻率，如下圖所示為白車身一階彎曲模態(tài)與一階扭轉模態(tài)計算結果。右上角的數(shù)值表示，車身一階扭轉模態(tài)頻率為35.34 Hz，車身一階彎曲模態(tài)頻率為50.78 Hz. 該款車型的模態(tài)數(shù)據(jù)符合SUV的正常情況。


車身模態(tài)分析 -左：一階扭轉 右：一階彎曲

對于不同的車型，一階彎曲與一階扭轉的模態(tài)頻率有不同的范圍區(qū)間，下表給出幾組車型白車身的一階彎曲與一階扭轉的模態(tài)頻率數(shù)據(jù)：



當在白車身上安裝了車門開閉件，內飾件和座椅后，車身就稱為內飾車身。由于內飾車身的質量較白車身增重不少，增加的部件對車身整體彎曲剛度卻沒有明顯的提高，導致內飾車身彎曲剛度模態(tài)頻率下降約20Hz，對于整車來說，一階彎曲模態(tài)頻率相比內飾車身的也會下降2Hz左右?？偟膩碚f，整車的一階彎曲模態(tài)頻率為白車身一階彎曲模態(tài)頻率的0.45~0.65倍之間（20~30Hz）。

相比于一彎曲轉模態(tài)頻率，內飾車身的一階扭轉模態(tài)頻率較白車身降低幅度沒那么大，大約降低5~10Hz，整車一階扭轉模態(tài)頻率比內飾車身的降低2Hz左右，這是因為內飾件與車門開閉件提高了車身的扭轉剛度導致的?？偟膩碚f，整車的一階扭轉模態(tài)頻率在20~30Hz之間。

白車身模態(tài)分析教程

好了，經過上面的討論，我想大家都已經對車身模態(tài)振型與頻率有一定的了解了。接下來，我們來講講如何通過有限元的方式來計算出白車身的模態(tài)參數(shù)。使用的前處理軟件為Hypermesh, 求解器為Nastran, 后處理軟件為Hyperview.

1. 首先我們需要先使用Hypermesh軟件把白車身CAD模型劃分成CAE網格模型，如下圖所示，白車身網格模型共有304個組件components；


白車身CAE模型

2. 然后在空白處右鍵選擇material 與 property給模型所有的部件附上單元材料屬性，對于實體網格，賦予PSOLID單元屬性，片體網格則賦予PSHELL單元屬性，且附上單元厚度T；一般車身結構大部分材料為鋼材，彈性模量206800MPa，泊松比0.3，密度7.85e-9ton/mm3 . 具體的參數(shù)設置如下圖所示（這一步應該在第一步劃分CAE網格模型的時候同步進行，劃分一個部件網格同時對不見賦予單元材料屬性）。


material - 材料屬性
property - 單元屬性


材料參數(shù)設置
材料 - 鋼材


實體solid單元屬性設置
card image 選上PSOLID
material 選上對應的材料


片體shell單元屬性設置
card image 選上PSHELL
鈑金件厚度T，單位mm

3. 按同樣的方式，創(chuàng)建一個Load Collector，命名為eigrl，card image選擇EIGRL的模態(tài)求解方法，求解頻率范圍為V1~V2 =0~100Hz，其余具體參數(shù)設置如下所示；


載荷集設置

4. 按同樣的方式，建立工況步Load Step，命名為mode，分析類型Analysis type選上Normal Modes 表示采用模態(tài)法進行模態(tài)分析，其余具體參數(shù)如下所示；


模態(tài)分析工況設置

5. 設置控制卡片，點擊hypermesh界面右下角Analysis中的control card行進控制卡設置，詳細設置如下圖示說明，找到對應的位置按照圖示進行設置即可；


控制卡設置選擇


圖示標綠處均需要點擊設置


SOL設置
Normal Modes表示進行模態(tài)分析求解


PARAM設置
AUTOSPC YES - 自動約束不相關自由度
COUPMASS =1 啟動耦合質量計算
POST = -1 輸出op2結果文件


Global_output_requests設置
勾選displacement輸出位移結果
勾選ESE輸出應變能結果

6. 到這里CAE計算模型就已經完成了，模型設置總覽如下瑣事；


模型設置樹

7. 最后導出BDF計算文件提交Nastran計算即可計算出該模型的模態(tài)參數(shù)。下圖給出了該車型的一階彎曲與一階扭轉模態(tài)結果。


上：一階彎曲模態(tài) 下：一階扭轉模態(tài)
左：位移云圖 右：應變能云圖
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