谐响应响应谱分析随机振动与模态分析分解

重型载重汽车驾驶室的动态特性分析【摘要】随着我国重载汽车国际化市场的推进,竞争日趋激烈,对其性能的要求不再局限于载重性、动力性方面,而是朝着舒适性、低噪声的方向发展,而要减少振动和降低噪声,就必须全面了解驾驶室的动态特性。

基于此,本文以某载重汽车驾驶室为原型,运用了有限元方法对驾驶室的动态特性和车内声场特性进行了研究。

本文首先应用三维软件UG建立了该驾驶室模型,将其导入HyperMesh中进行了前处理和划分网格,将生成的有限元模型输入到ANSYS中进行计算,求得了该驾驶室的前10阶模态固有频率及振型,发现第一阶模态频率略高于怠速频率。

此外,从模态振型分析中找出了结构的薄弱部位,通过谐响应和瞬态动力学响应分析,得出了这些薄弱部位节点处的响应。

结果表明,驾驶室的侧围窗口和前围窗口下部的振动响应幅值最大,易发生疲劳破坏。

其次,本文利用SYSNOISE计算了车内声模态,结果表明车内声场的各阶模态形状基本上呈前后、左右和上下方向对称分布,车内声场共鸣频率和模态形状主要由其几何形状决定。

为了进一步确定由驾驶室结构振动引起的车内辐射噪声声压,本文进行了声固耦合计算,得到了驾驶员、乘客左右耳处的位置的声压级曲线。

最后,本文依据驾驶室动态特性... 更多还原【Abstract】 Owing to the fact that the developing international markets of home-made heavy truck has resulted in fierce competitions, what demand on the performance of heavytruck is not only the load capacity and power property, but also the comfortability and low noise. Thus, in order to reduce the vibration and noise, the dynamic property of cab should be studied deeply. According to this, the dynamic property and acoustic field of a type of truck cab are studied using FEM method.3D model of the heavy-du... 更多还原【关键词】模态；谐响应分析；瞬态动力学分析；声模态；声固耦合；【Key words】modal；harmonic analysis；transient analysis；acoustic modal；acoustic-structure coupling；【索购硕士论文全文】Q联系Q：138113721 139938848 即付即发目录摘要3-5ABSTRACT 5-6第一章绪论10-201.1 研究课题的来源101.2 本研究的背景和意义10-121.3 载重汽车驾驶室动态特性分析和NVH的发展现状及研究综述12-171.3.1 载重汽车驾驶室动态特性的研究综述12-141.3.2 模态分析在驾驶室设计中的应用现状14-151.3.3 NVH在汽车设计中的应用现状15-171.4 本课题的主要研究内容17-20第二章驾驶室CAD模型的建立20-282.1 UG软件简介202.2 驾驶室曲面建模中主要用到的UG命令20-222.3 驾驶室模型的建立22-262.3.1 驾驶室建模主要的思路222.3.2 驾驶室建模的简化22-232.3.3 驾驶室的CAD模型23-262.4 本章小结26-28第三章驾驶室CAE模型的建立28-403.1 有限元法理论基础28-303.1.1 有限元理论简述28-293.1.2 有限元基本原理29-303.2 HyperMesh、ANSYS软件介绍30-323.2.1 HyperMesh主要功能30-313.2.2 ANSYS功能简介31-323.3 驾驶室有限元模型的建立32-393.3.1 驾驶室UG模型的导入323.3.2 驾驶室模型几何清理32-343.3.3 驾驶室模型抽取中面34-353.3.4 驾驶室划分网格35-393.4 本章小结39-40第四章驾驶室结构模态分析40-484.1 驾驶室模态分析原理40-434.1.1 模态分析理论40-424.1.2 模态特征值求解方法简述424.1.3 模态分析步骤42-434.2 驾驶室模态分析43-464.2.1 驾驶室模态计算结果43-454.2.2 计算结果分析45-464.3 本章小结46-48第五章驾驶室结构的响应分析48-565.1 驾驶室谐响应分析48-525.1.1 谐响应分析理论基础48-495.1.2 谐响应求解方法49-505.1.3 谐响应分析步骤50-515.1.4 驾驶室谐响应计算51-525.2 驾驶室瞬态动力学分析52-555.2.1 瞬态动力学分析理论基础52-535.2.2 驾驶室瞬态动力学计算与分析53-555.3 本章小结55-56第六章驾驶室声场的研究56-726.1 声学基本理论56-616.1.1 声学基本假设566.1.2 声学基本方程56-576.1.3 理想气体声波方程57-586.1.4 无衰减波动方程的离散化58-596.1.5 声学流体矩阵的引出59-606.1.6 衰减声波的有限元分析60-616.2 驾驶室声学模态分析61-656.2.1 声学模态理论61-626.2.2 SYSNOISE简介626.2.3 驾驶室声场有限元模型的建立62-636.2.4 驾驶室声模态的计算63-656.3 驾驶室声固耦合分析65-696.3.1 声固耦合理论65-666.3.2 驾驶室声固耦合计算66-696.4 本章小结69-72第七章驾驶室结构改进72-807.1 驾驶室改进后模态计算72-777.1.1 薄弱部位的改进72-747.1.2 改进后的模型模态计算74-777.2 驾驶室改进后声压计算77-797.3 本章小结79-80第八章总结与展望80-828.1 工作总结80-81 8.2 工作展望81-82。

谐响应(Harmonic Response)分析谐响应分析主要用来确定纯属结构在承受持续的周期载荷时的周期响应（谐响应）。

谐响应分析能够预测结构的持续动力学特性，从而验证其设计能否成功克服共振、疲劳及其他受控振动引起的有害效果。

谐响应分析结果包括：①每个自由度的谐响应位移，通常情况下谐响应位移和施加的载荷是不相同的；②应力和应变等其他导出值。

谐响应分析通常用于如下结构的设计与分析：①旋转设备（如压缩机、寻机、泵、涡轮机械等）的支座、固定装置和部件等；②受涡流（流体的漩涡运动）影响的结构，包括涡轮叶片、飞机机翼、桥和塔等。

谐响应（Harmonic Response）是用于确定线性结构在承受一个或多个随时间按正弦（间谐）规律变化的载荷时簷响应的一种技术。

一般有两种方法进行谐响应分析：①模态叠加法Mode Superposion②完全法Full响应谱分析（Response Spectrum Analysis）响应谱分析是分析计算结构受到瞬间载荷作用时产生的最大响应。

响应谱分析广泛用于地震响应、机械电子设备的冲动载荷响应等。

谱分析是一种将模态分析的结构与一个书籍的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术。

它主要应用于时间历程分析，以便确定结构对随机载荷或随时间变化载荷（如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等）的动力响应情况，因此在进行谱分析之前必须要进行模态分析。

谱分析有三种形式：①响应谱分析方法（单点谱分析方法、多点谱分析方法）；②动力设计分析方法；③功率谱密度方法。

响应谱分析步骤：如上图所示，谱响应分析的步骤为：①对模型进行模态分析；②定义响应谱分析选项；③施加载荷和边界条件；④对问题进行求解；⑤进行结果评价和分析。

下面以地震位移谱下的结构响应分析为例进行演示。

问题描述：三层楼模型的如下图所示。

该模型主要包含房屋的框架部分以及每一层的底板部分。

现在要计算该房屋在地震作用下的响应。

已知梁的截面是10mm*16mm的矩形梁，而板的厚度是2mm，所有材料均使用默认的钢材。

4.5 模态分析4.5.1．模态分析的概念模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型。

模态分析是最基本的动力学分析，也是其它动力学分析的基础，如响应谱分析、随机振动、谐响应分析、DDAM 分析、模态叠加法瞬态分析都需要在模态分析的基础上进行。

模态分析是最简单的动力分析，但有非常广泛的实用价值。

模态分析可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，从而使结构设计避免共振，并指导工程师预测在不同载荷作用下结构的振动形式。

此外，模态分析还有助于估算其它动力分析参数，比如瞬态动力分析中为了保证动力响应的计算精度，通常要求在结构的一个自振周期有不少于25个计算点，模态分析可以确定结构的自振周期，从而帮助分析人员确定合理的瞬态分析时间步长。

4.5.2．模态分析理论无阻尼模态分析是经典的特征值问题，动力学问题的运动方程如式（4-2）所示，可以将运动方程假定为自由振动并忽略阻尼，则得到下式：[]{}[]{}{}0=+u K uM && （4-4） 结构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数，遵循下式：()t u u ωsin = （4-5）式（4-5）代入式（4-4）则得到： [][](){}{}02=−u M K ω （4-6） 式（4-6）为经典的特征值问题，此方程的特征值为2i ω，其开方i ω即为自振圆频率，自振频率则为πω2i 。

特征值i ω对应的特征向量{}i u 为自振频率则为πω2i 对应的振型。

模态分析实际上就是进行特征值和特征向量的计算，称为模态提取。

ALGOR 提供了两种模态提取方法：稀疏矩阵法（Sparse ）和子空间法（Subspace ）。

稀疏矩阵法用于大模型，而且支持多CPU 并行处理，子空间法则用于相对简单的模型，程序可以根据模型特点自动选择合适的算法。

模态分析的位移为按照质量矩阵归一化后的位移，只具有描述相对变形的意义，如下式所示。

{}[]{}1=Τi i u M u （4-7）模态分析是线性分析，所有非线性行为都不会被考虑。

个人对Ansys中的谱分析和谐响应分析的区别进行了简单的总结。

谱分析
是模态分析的扩展，用于计算结构对地震及其它随机激励的响应
谱的概念：谱反映了激励的频率特征（即激励随频率的变化特征）
计算方法：
对于结构的每一个模态，软件都会对结构施加谱中激励的合力，计算该模态对结构响应的贡献
因此，在进行谱分析之前，必须要对结构进行模态分析，得到的结果仅在各阶模态有意义。

补充知识：任何一个周期激振力（如方波）均可通过傅里叶级数展开成具有不同频率的波的和。

谐响应分析
用于确定线性结构在受正弦荷载作用时的稳态响应
目的是计算出结构在几种频率下的响应,并得到响应随频率变化的曲线. 确保一个给定的结构能经受住不同频率的各种正弦载荷（例如：以不同速度运行的发动机）
预测结构的持续动力特性,从而验证设计能否成功地克服共振、疲劳,以及其他受迫振动引起的不良影响.
计算方法：输入简谐振动的幅值和频率范围，软件会将频率范围内的每一个频率的谐波载荷施加到结构上进行稳态响应计算，可以从得到的响应曲线上到“峰值”
响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。

因此，与之前是否进行模态分析并未有必然联系。