简单轴的模态分析

1. 什么是模态分析？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，则称为计算模态分析；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。

模态分析最终目标在是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。

2. 模态分析有什么用处？模态分析所的最终目标在是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；通过结构的模态分析可以求得各阶模态参数（模态频率、模态振型以及模态阻尼），从而评价结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计算结构的准确性。

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；近年来，结构故障技术发展迅速，而模态分析已成为故障诊断的一个重要方法。

利用结构模态参数的改变来诊断故障是一种有效方法。

例如，根据模态频率的变化可以判断裂纹的出现；根据振型的分析可以确定断裂的位置；根据转子支承系统阻尼的改变，可以诊断与预报转子系统的失稳等。

4. 控制结构的辐射噪声；结构噪声是由于结构振动所引起的。

结构振动时，各阶模态对噪声的“贡献”并不相同，对噪声贡献较大的几阶模态称为“优势模态”。

基于OptiStruct的某型汽车传动轴模态分析尹荣栋;赵振东;陈鸿键;白田伟;臧利国【摘要】针对传动轴受到自身以及其他外部激励会引起振动和异响的问题,对传动轴进行模态分析来获取其固有特性参数.建立了考虑十字轴万向节和中间支撑的某型汽车传动轴三维模型,然后基于HyperMesh建立了传动轴的有限元仿真模型.采用RBE2单元模拟十字轴万向节,用弹簧单元模拟中间支撑,基于OptiStruct对传动轴进行了模态分析.分析结果显示可避免传动轴模态频率与发动机激励频率发生共振,并通过试验模态分析验证了仿真结果的正确性,为传动轴的设计了提供理论依据.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2018(056)007【总页数】5页(P6-10)【关键词】汽车;传动轴;有限元;模态分析【作者】尹荣栋;赵振东;陈鸿键;白田伟;臧利国【作者单位】211100 江苏省南京市南京工程学院汽车与轨道交通学院;211100 江苏省南京市南京工程学院汽车与轨道交通学院;211100 江苏省南京市南京东华传动轴有限公司;211100 江苏省南京市南京东华传动轴有限公司;211100 江苏省南京市南京工程学院汽车与轨道交通学院【正文语种】中文【中图分类】U463.216+.20 引言汽车传动轴是用于将发动机通过变速箱输出动力的传递到驱动桥的重要部件。

传动轴在实际工作中如果受到自身或其他外部的激励就会产生振动及噪声，这不仅会影响乘车舒适性，更严重的是会引起传动轴以及与传动轴连接的变速器和驱动桥的破坏，甚至影响安全驾驶[1-2]。

影响传动轴振动的自身因素有很多，比如材料、连接形式、结构尺寸、传动轴当量夹角以及中间支撑刚度等[3-5]。

因此，为了在传动轴的设计开发阶段就能及时发现传动轴设计可能存在的共振问题，对其进行有限元模态分析是十分必要的。

采用有限元方法具有方便更改设计方案、缩短设计周期以及降低生产成本的优点，成为传动系统设计领域的必要的设计方法[6-7]。

高速动车组车轴的模态分析与优化设计车轴是高速动车组重要的承载部件之一，对列车的安全性、平稳性和乘坐舒适度有着重要的影响。

为了满足运行速度的要求，提高车辆的稳定性和行驶平顺性，对车轴进行模态分析与优化设计是必不可少的。

模态分析是通过对车轴进行有限元建模，并对其进行振动特性的计算和分析。

具体的步骤包括有限元建模、求解特征值、振型分析和模态参数计算。

通过模态分析可以得到车轴在不同频率下的振动模态和振型，进而可以评估车轴的结构强度和稳定性。

同时，还可以确定车轮与轨道之间的共振关系，避免共振引起的不稳定运动和振动。

优化设计是指在满足车轴强度和稳定性要求的前提下，通过优化车轴的结构参数和材料性能，使车轴的质量降低、自振频率提高、动态特性改善。

具体的优化设计包括减少材料密度、增加截面强度、改善材料的疲劳性能等。

通过优化设计可以提高车轴的稳定性和寿命，减少动车组在高速运行过程中的振动和噪声。

在进行车轴的模态分析与优化设计时，需要考虑以下几个关键问题：首先，选择合适的有限元建模方法和模型精度。

有限元模型应该能够准确描述车轴的几何形状和材料特性，并能够有效地计算车轴的振动特性。

模型的精度对于振动特性和优化结果的准确性具有重要影响。

其次，要考虑车轴的边界条件和荷载情况。

在模态分析中，边界条件通常包括车轮与轴颈接触的约束和轨道对车轮的约束。

荷载情况包括列车的加速度、制动力、曲线力等。

边界条件和荷载情况对车轴的振动特性有着明显的影响，需要进行合理的设定和计算。

再次，要综合考虑车轴的强度和稳定性要求。

车轴在运行中所承受的载荷很大，必须能够满足一定的强度和刚度要求。

同时，要保证车轴的稳定性，避免振动过大和失稳引起的事故。

在进行优化设计时，要权衡车轴的强度和稳定性，保证两者的兼顾。

最后，要考虑车轴的制造和维修工艺。

车轴作为高速动车组的重要组成部分，其制造工艺和维修工艺对于车轴的质量和寿命具有重要影响。

在进行优化设计时，要考虑工艺的可行性，确保设计方案可以被有效地制造和维修。

齿轮传动轴的动态特性测试与模态分析引言齿轮传动系统在机械装置中扮演着关键的角色，它通过齿轮的相互啮合传递力与运动。

在实际应用中，齿轮传动轴的动态特性对于确保传动系统的稳定性、可靠性以及寿命都起着至关重要的作用。

本文将深入探讨齿轮传动轴的动态特性测试与模态分析，以提供对传动系统性能优化的基础理论和实践指导。

一、齿轮传动轴动态特性的测试方法1. 强制激励法强制激励法是一种常用的齿轮传动轴动态测试方法，它通过对传动轴施加特定的荷载或力矩，从而观察其自由振动状态下的响应特性。

一般情况下，引入外加力或力矩后，通过合适的传感器采集传动轴的振动响应信号，并将其转化为频谱图分析，可以获得传动轴在不同激励条件下的振动模态。

2. 自由振动法自由振动法是另一种常用的齿轮传动轴动态测试方法，它在没有外界强制激励的情况下，通过对传动轴施加初速度或初位移，观察其自由振动过程中的响应特性。

测试时应尽量降低传动轴的阻尼，以减小振动信号的衰减，并采集振动响应信号进行频谱分析，进而得到传动轴的振动模态。

二、齿轮传动轴的模态分析1. 模态分析的基本原理模态分析是一种通过对某个结构或系统施加激励并测量其振动响应，来研究其特定振动模态的方法。

在齿轮传动轴的模态分析中，通过将传动轴固定在一端，施加激励并测量振动响应，可以得到传动轴的自由振动模态频率、振型和阻尼比等信息。

这些信息对于齿轮传动轴的动态特性和谐波分析等方面具有重要的意义。

2. 模态分析的步骤a. 激励源与传感器的安装：在模态分析实验中，需要选择合适的激励源，如锤击法、电磁激振器等，并通过传感器采集传动轴的振动信号。

传感器通常安装在传动轴的不同位置，以获取全面的振动模态信息。

b. 数据采集与处理：采集传感器测得的振动信号，并对其进行滤波和放大等处理。

通常使用频谱分析方法将时域信号转换为频域信号，得到传动轴不同频率上的振动响应特性。

c. 振型识别与模态提取：通过对频谱图的分析，可以识别出传动轴的振动模态，并提取出相应的模态参数，如频率、振型和阻尼比。

轴模态分析摘要：对轴进行模态分析，分析基于有限元方法，利用ANSYS 软件仿真，得出轴的前五阶模态，并对结果进行分析。

关键字：有限元，仿真，模态分析1.模态分析及其意义模态分析是用于确定部件和组装件的固有频率，是动力学分析的起点，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态分析的最终目标在是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。

模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，见文献[1]在机构使用之前，了解它的动态特性是十分必要的。

如果其工作频率与固有频率相等或接近时，必然会影响到它的使用寿命，甚至引起安全事故。

2.有限元及ANSYS 介绍有限元的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个且按一定方式互相联结在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析法。

近年来，有限元分析方法的应用范围扩展到所有工程领域，成为连续介质问题数值解法中最活跃的分支。

3.分析过程图一 轴其必要的参数为：弹性模量pa 11101.2 ，密度3/7850m kg ,泊松比0.3。

3.1 材料建模并划分网格3.1.1定义工作文件名和工作标题1)执行Utility Menu>File>Change Jobname 命令，在对话框中输入“ZRQ ”，点击“OK ”按钮；2）执行Utility Menu>File>Change Title 命令，在弹出的对话框中输入“The Axes Model”,点击“OK ”按钮；3)执行Utility Menu>plot>Replot 命令，重新显示。

3.1.2 创建几何模型1）执行Utility Menu>WorkPlane>Display Working命令，显示工作平面；2）多次执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>V olumes>Cylinder>By Dimensions命令，出现Creat Cylinder by Dimensions(创建圆柱体)对话框；3）在RAD1 Outer radius 文本框中输入圆柱体外半径60，在RAD2 Optional inner radius文本框中输入圆柱体半径0，在Z1,Z2 Z-coordinates文本框中输入坐标值0，150，在THETA1 Starting angle(degrees)文本框中输入起始角度0，在THETA2 Ending angle(degrees)文本框中输入终止角度360，单击Apply按钮；4）重复上述过程，分别将以下3组数据输入Create Cylinder by Dimensions 对话框，依次生成第2、3、4、5个圆柱体，单击OK按钮关闭该对话框；5）执行Utility Menu>PlotCtrls>Numbering命令，出现Plot Numbering Controls 对话框，选中VOLU V olume numbers 复选框，使其从Off转变为On,单击OK按钮关闭该对话框；6）执行Main Menu>Preprocessor>modeling>Operate>Booleans>Add>V olumes 命令，在弹出的对话框中点击“pick all”按钮，选中所有圆柱体进行相加；7）执行Main Menu>Plot>Rrplot命令；8）执行Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers命令，出现Compress Numbers（压缩编号）对话框，在下拉列表框中选择V olumes，单击OK按钮关闭该对话框；9）在X,Y,Z Offsets 文本框中输入X、Y、Z三个方向上的平移量0，50，200，在XY,YZ,ZX Angles 文本框中输入转角90，90，90，单击OK;10) 执行Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Working Plane 命令，将当前坐标系设置为工作平面；11）执行Main Menu>Preprocessor>modeling>create>volumes>cylinder>solid Cylinder命令，如图输入：12）执行Main Menumodeling>>Preprocessor>create>volumes>block>By Dimensions命令,如图进行输入：键槽生成完毕，下面进行布尔减运算。

基于HyperWorks的汽车传动轴模态分析于淙洋北京汽车摘要：本文讨论了在基于HyperWorks的汽车传动系模态分析中，如何进行具有多自由度及运动副的传动轴模态分析。

并根据实际试验结果对模型本身进行优化，在模型计算质量达到要求后对设计进行指导，达到满足传动系振动性能要求并降低成本及加工难度的要求。

关键词：HyperWorks，传动轴，模态分析，尺寸及结构优化1 概述汽车传动轴用于将发动机发出的动力传递至前后桥，并且缓冲从行驶系传来的振动以保证整车动力系统正常运行。

随着近两年汽车行业在中国的快速发展，民众的需求已经不满足于前驱车这种“低端”车型，更多的稍有经济实力的用户已经考虑购买操控性平顺性更好的后驱车甚至是四驱车，因而传动轴这一零件在汽车中的应用也是越来越广泛。

随之而来的也有一些振动及噪声方面急需解决的问题。

在车辆运行时传动轴会进行高速自传，如果其模态频率过低很可能导致其与自转的激振频率相吻合进而产生共振，严重时会引起成员的不适。

因此需要对传动轴的模态做出一定要求，使之避开由于自转而产生的激振频率。

在传统的设计流程中，直到对样车进行测试时才能够知道是否会有共振现象出现，若发现共振也只能采用一些简单的补救措施，有时无法从根本上解决问题，甚至需要对零件进行重新设计，导致了成本和时间的双重浪费。

若在产品量产前就使用HyperWorks软件对其进行模态分析，并且进行优化，使之避开因自转而产生的激振频率，则不但能缩短设计周期，亦能降低开发成本提高产品质量。

因此CAE方法的合理应用在产品的生命周期中具有重要意义。

HyperWorks作为高效的CAE前后处理软件可以十分方便的完成传动轴的建模及后处理工作，因此选用HyperMesh进行建模，HyperView进行后处理，CAE求解器进行中间计算工作。

2 传动轴模态分析2.1传动轴模型的建立某些传动轴在高速行驶时发现会由于自转的激振频率而导致共振，轻者造成成员不适，严重时甚至会影响车辆可靠性耐久性等。