模态分析中约束方式对结果的影响

模态分析的应用及它的试验模态分析--mjhzhjg这是mjhzhjg 写的关于模态分析的日志，读了后受益很多，特别在振动实验与测试技术论坛这里向大家推荐，我感觉到模态分析方面的知识变成了振动试验人员需要掌握的知识，希望大家自己谈谈自己的感想，请mjhzhjg 、欧阳教授等专家、高手关心指导。

模态分析的应用及它的试验模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

通常，模态分析都是指试验模态分析。

振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。

如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。

因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。

模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1) 评价现有结构系统的动态特性；2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3) 诊断及预报结构系统的故障；4) 控制结构的辐射噪声；5) 识别结构系统的载荷。

机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。

模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。

首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。

用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。

结构在不同约束下的位移模态和应变模态分
析
1 结构位移模态与应变模态分析
结构位移模态分析(SDMA)是一种测量结构强度和稳定性方法，它会对结构中的各个分量逐步分析，以确定它们受到外力时不同约束条件下的动态反应和运动特性。

它能够模拟出结构受力表现出来的应变形式，以及关于位移、速度和加速度的变化，并且能够快速准确地确定模型的振型。

结构的位移模态分析主要是分析结构中物体的形变状态和运动形式，如何应对外力，所受的压力和拉力大小，以及它们之间关系等。

例如厚壁管受压时，会通过位移模态分析来确定其受压下的形变状态和受压物体的运动特性。

此外，也可以通过模态分析来发现结构的敏感位置，以及受外力作用时的大小。

除此之外，结构应变模态分析(SMMA)也是对结构强度与稳定性的一种重要的分析方法。

它主要是利用材料的变形规律来确定结构的运动和变形特性。

因此，它能够从材料变形的物理背景出发，系统分析出结构在任何约束条件下，受到拉拔和压缩时的变形行为。

总之，结构位移模态分析和应变模态分析都是对结构强度和稳定性评估的重要方法，能够更加直观准确地反映结构受外力作用时的反
应和变形。

只要充分考虑结构约束条件，就能够更好地理解结构受力表现出来的应变形式和位移模态。

1)自由和约束模态分析只是边界条件不同的两种模态分析而已；2)在实际工程问题中，自由和约束两种边界条件均广泛存在，如飞机、火箭、导弹等为自由边界条件，而机床架、高层建筑等为约束边界。

3)解决工程问题的最终有限元模型分析应与工程实际的边界条件相同（或向近似）！如飞机用自由模态分析其动力学稳定问题，以便确定飞行品质。

机床架用约束模态分析其动响应问题。

4)但有限元模型不是凭空而来的，更不是一经建立便与实际结构固有特性相吻合，它必须是建立在结构设计数据和结构试验数据基础之上的。

其模型修改过程的模态分析方式应与试验边各界条件相吻合或近似。

5)结构的模态是与结构本身的特性和约束有关的，至于需要求解自由模态还是约束模态，完全取决于工作的需要，模态分析时的约束方式应与实际工作条件下一致，当然，如果工作时结构没有约束，如飞机、火箭等，则需要进行自由模态分析。

6)在进行自由模态分析时，可能会得出前几阶固有频率为0，这些为0的固有频率为刚体模态。

7)自由模态和约束模态不能被认为是“带约束的模态是自由模态的子集，约束后，模态数变少”，模态数与系统的自由度数量有关，与约束无关，自由模态和约束模态并没有什么谁包含谁的概念。

8)自由模态和工作模态的作用完全一样，都用于结构的模态分析，自由模态分析的对象主要是无约束的结构，如火箭、飞机等；约束模态分析的对象是有约束的结构。

需要纠正的是“自由模态分析在于了解你设计的结构自身的一些固有特性，而约束模态分析是你这个结构用于工程时实际的约束边界”这句话是错误的！对于一些结构系统实验或计算很难模拟实际自由状态，那么不得不增加的约束也是尽量的对实际状态产生较小的影响。

比如飞机、火箭等本来就是自由状态的，采用子结构实验时通常是需要人为的增加约束边界，模拟时当然也需要加。

如果试验频率和分析模型频率接近，是不是分析模型就正确？你有对比过模态振型吗？这非常重要，需要讨论。

这是另一个经常让人们混淆的领域。

万方数据７０小型内燃机与摩托车第３８卷（［Ｋ］一∞２［Ｍ］）｛西｝＝｛０｝（４）求解以上方程就可以确定系统从小到大的几个固有频率值∞ｉ和与之对应的固有模态咖。

（ｉ＝１，２，３…，凡）。

在自由振动时，结构中各结点振幅｛咖｝不全为零，因此式（４）中括号内矩阵的行列式之值必为零，由此得到结构自振频率方程，即：Ｉ［Ｋ］一∞２［肼］Ｉ－０（５）结构刚度矩阵［Ｋ］和质量刚度矩阵［Ｍ］都是ｎ阶方阵，其中凡是结点自由度的数目，所以式（５）是关于∞２的ｎ次代数方程，由此可求得ｎ个固有频率∞ｉ（ｉ＝ｌ，２，３…，ｎ），对于每个固有频率∞。

，由式（４）可确定几个结点振幅构成的一个列向量｛咖｝ｉ＝［咖“，咖乜，…，咖ｈ］１，它们相互之间保持固定的比值，但绝对值可任意变化，它们构成一个向量，称为特征向量，在工程上通常称为结构振型。

到此，通过求解式（５）便可求得系统的固有频率及其对应的振型。

２机体实体模型的建立柴油机机体是一个经铸造、机加工后得到的箱体式结构，其上布有各种加强筋、凸台、轴承孔、水套和油道孔，内有气缸套和各种纵、横隔板，形状较为复杂一Ｊ。

建立模型时，在不影响机体计算精度的条件下，对机体结构进行必要的简化，以便提高有限元计算速度。

建立机体的实体模型如图ｌ所示。

图１机体实体模型图３机体有限元模型的建立建立有限元模型包括两部分内容，即有限元模型的建立和单元的划分。

根据有限元原理，单元的选择对有限元的计算精度有很大的影响ＪＪ。

而柴油机机体主要涉及到的实体单元，有四面体单元和六面体单元，由于六面体单元形状规则，难以适应机体结构复杂的外形，四面体恰恰相反，它弥补了六面体的不足，能较好的适应机体复杂的几何外形，经综合考虑选择四面体单元。

考虑到网格的划分密度对四面体单元的计算精度影响比较大，理论上网格越密计算精度越好，为了验证这一理论，采用智能网格划分控制的６级、７级精度来划分网格进行计算，并以此来比较计算结果的差异，网格划分结果如表１、表２、表３所示，机体有限元模型如图２所示。

ANSYS入门——模态分析步骤与实例详解模态分析是ANSYS中的一项重要功能，它用于分析结构的模态特性，如固有频率、模态形态、振型等。

下面将详细介绍ANSYS中模态分析的步骤与实例。

1.准备工作：在进行模态分析前，首先需要完成模型的几何建模、模型的网格划分、边界条件的设定和材料属性的定义等准备工作。

2.设置分析类型：在ANSYS中，可以使用分析类型工具条或命令行指令设置分析类型。

对于模态分析，可以选择"Modal"。

选中“Modal”选项后，会弹出新窗口，用于设置分析的参数。

可以设置计算的模态数目、输出结果的范围、频率的单位等。

3.定义约束条件：在模态分析中，需要定义结构的约束条件，以模拟实际情况。

常见的约束条件有固定支撑、自由边界、对称几何等。

可以使用ANSYS中的约束条件工具条或命令行指令进行定义。

4.定义激励条件：在模态分析中，可以定义激励条件，以模拟结构在特定频率下的振动情况。

常见的激励条件有振动源、压力载荷、重力载荷等。

可以使用ANSYS中的激励条件工具条或命令行指令进行定义。

5.执行分析：完成上述设置后，点击分析工具条中的“运行”按钮，开始执行模态分析。

ANSYS会根据所设定的参数进行计算，并输出相应的结果。

6.结果展示与分析：模态分析完成后，可以查看分析结果并进行进一步的分析。

ANSYS会输出各模态下的固有频率、模态振型、模态质量、模态参与度等信息。

接下来，我们以一个简单的悬臂梁的模态分析为例进行详解。

1.准备工作：在ANSYS中绘制悬臂梁的几何模型，并进行网格划分。

设定材料属性、加载条件和边界条件。

2.设置分析类型：在ANSYS主界面上选择“Workbench”，然后点击“Ana lysis Systems”工具条中的“Modal”选项。

3.定义约束条件：设置悬臂端点的约束条件为固定支撑。

可以使用ANSYS中的“Fixed Support”工具进行设置。

4.定义激励条件：在此示例中，我们只进行自由振动分析，不设置激励条件。

航空发动机涡轮机转子振动特性模态分析航空发动机是现代航空运输的核心设备之一，其关键部件之一就是涡轮机转子。

涡轮机转子的振动特性直接影响到发动机的工作效率、稳定性和安全性。

因此，对涡轮机转子的振动特性进行模态分析是非常重要的。

模态分析是结构振动分析的一种方法，其目的是研究结构的固有振动特性，找出结构的固有频率、振型和振型分布。

通过模态分析可以更好地了解结构的动力特性，为结构设计、改进和优化提供依据。

在航空发动机涡轮机转子的振动特性分析中，首先需要建立合适的数学模型。

一般可以采用有限元方法来建立模型。

有限元方法是一种常用的结构分析方法，其基本思想是将结构分割成多个有限大小的单元，然后通过求解每个单元的位移和应力，最终得到整个结构的位移和应力分布。

在建立数学模型时，需要考虑转子的几何形状、材料特性以及受力情况等多个因素，并进行相应的简化和假设。

建立数学模型后，可以利用现代计算机软件对模型进行求解和分析。

常用的软件包括ANSYS、ABAQUS等。

这些软件提供了强大的求解功能和友好的用户界面，可以帮助工程师方便地进行模态分析。

在模态分析中，需要设置合适的边界条件和约束条件，以确保模型的真实性和可靠性。

同时，还需要考虑转子受力情况、旋转速度等因素对分析结果的影响。

在进行模态分析时，可以获得转子的固有频率、振型和振型分布等关键参数。

固有频率是指结构在没有外力作用下自由振动的频率，是结构固有振动的基本特性之一。

振型描述了结构振动时不同部位的位移分布情况，可以帮助工程师了解结构的运动特性。

振型分布是指不同振型在结构内部的强度分布情况，可以帮助工程师确定结构的薄弱部位和改进方向。

通过对航空发动机涡轮机转子进行模态分析，可以得到其振动特性的详细信息，并进一步分析和优化设计。

根据分析结果，可以针对转子的固有频率、振型分布等关键参数进行调整和优化，以提高转子的工作效率、降低振动噪声、延长使用寿命等。

除了模态分析外，还可以进行转子动力学分析。

一、对称约束的概念对称约束是结构力学分析中常用的一种约束方式。

它可以模拟结构在对称载荷作用下的行为，使得分析结果更加接近真实情况。

在ANSYS Workbench中，对称约束被广泛应用于模态分析中，以减少计算量并提高分析的准确性。

二、对称约束的原理对称约束的原理是基于结构的对称性。

当结构具有对称性时，可以通过施加对称约束来减少需要分析的自由度。

这样一来，可以减少计算量，提高分析效率。

对称约束还可以通过预先对结构进行简化，使得分析结果更加真实可靠。

三、ANSYS Workbench中对称约束的应用在进行模态分析时，ANSYS Workbench中的对称约束可以帮助工程师快速准确地获取结构的振动特性。

通过施加对称约束，可以只分析结构的一部分，从而节省计算资源，提高分析效率。

这对于大型结构或复杂结构的模态分析尤为重要。

四、对称约束的建模方法在ANSYS Workbench中，对称约束的建模方法通常包括以下几个步骤：1. 确定结构的对称性：首先需要分析结构的对称性，确定可以施加对称约束的位置和方式。

2. 添加对称约束：在ANSYS Workbench的模态分析模块中，可以直接添加对称约束，或者通过设置边界条件来模拟对称约束。

3. 验证模型：在添加对称约束后，需要对模型进行验证，确保对称约束的施加是正确的，符合结构的实际情况。

五、对称约束的优缺点对称约束作为一种常用的约束方式，在模态分析中具有一定的优缺点。

其优点包括：1. 减少计算量：对称约束可以减少需要分析的自由度，从而减少计算量，提高分析效率。

2. 模拟真实情况：对称约束可以模拟结构在对称载荷作用下的行为，使得分析结果更加真实可靠。

其缺点包括：1. 无法应用于非对称结构：对称约束只适用于具有对称性的结构，对于非对称结构无法有效应用。

2. 需要事先确定对称性：对称约束需要事先确定结构的对称性，这对于复杂结构而言可能并不容易实现。

六、对称约束在实际工程中的应用在实际工程中，对称约束被广泛应用于各种结构的模态分析中。

V ol 39No.4Aug.2019噪声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第39卷第4期2019年8月文章编号：1006-1355(2019)04-0150-05工装对前端模块约束模态试验影响分析李子俊1，郑康2，郑旭1，郝志勇1（1.浙江大学能源工程学院，杭州310027；2.宁波工程学院杭州湾汽车学院，浙江宁波315336）摘要：针对某主机厂生产的轿车前端模块在约束模态试验中所测频响函数稳态极点不清晰、模态置信度（Modal Assurance Criterion ，MAC ）较差问题，采用有限元仿真及实测相结合的方法，分析前端模块模态特性，找出影响前端模块约束模态试验结果的原因。

改进工装设计，加强工装与前端模块间的约束刚度，实测模态及理论计算所得模态互相对照，有效提高有限元模型的可信度，据此模型计算出不同工装约束刚度对约束模态试验结果的影响程度。

试验结果表明：增加工装约束刚度能有效提高前端模块约束模态试验结果准确性，不仅各阶模态独立性更高，实验数据与有限元分析结果也更接近，从而验证了工装约束刚度对前端模块约束模态试验的影响，对约束模态试验工装设计具有参考意义。

关键词：振动与波；前端模块；模态试验与分析；工装；约束刚度中图分类号：U467文献标志码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2019.04.028Analysis of the Influence of Tooling on Constraint Modal Test ofFront End ModuleLI Zijun 1,ZHENG Kang 2,ZHENG Xu 1,HAO Zhiyong 1(1.College of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;(2.Hangzhou Bay Automobile College,Ningbo Institute of Technology,Ningbo 315336,Zhejiang China )Abstract :The constraint modal characteristics of the front end module of a car are analyzed by means of finite element simulation and experimental test.The factors influencing the test results are found.The tooling design is improved and the constraint stiffness between the tooling and the front end module is strengthened.The test modals and the simulated modals are mutually compared and the reliability of the results of the finite element simulation is effectively raised.Based on the finite element model,the influence degree of different tooling constraint stiffness on the constraint modal test results is calculated.The results of the restraint stiffness test show that increasing the tooling constraint stiffness can effectively raise the accuracy of the test results of the front end module ’s constrained modal,make the modals of different orders more independent and make test results and simulation results closer.Thus,the influence of the tooling constraint stiffness on the constrained modal test results is verified.This paper has a reference significance for the constrained modal test tooling design.Keywords :vibration and wave;front end module;modal test and analysis;tooling;constraint stiffness汽车的前端由多个部件组成，包括散热器组件、前灯、前模块锁、保险杠横梁、保险杠、小腿保护支架、吸能泡沫，格栅和喇叭。