模态分析在汽车方面的应用

模态分析在汽车方面的应用

周海涛

(重庆公共运输职业学院，重庆402247)

摘要：结构模态在汽车领域应用非常普遍，通过结构模态的定义及目的，结构模态分析的两种分析方法：有限元分析方

法和实验模态分析方法。结合实际情况分别从汽车开发初期的应用，汽车对标分析，汽车在生产过程中质量控制，故障 诊断等方面说明结构模态在汽车方面的应用。

关键词：结构模态；对标分析；质量控制；故障诊断 doi ： 10. 3969/j. issn. 1006 - 8554. 2017.07.058

〇引言

由于之前的学习工作并没有接触到“结构模态”相关领域， 所以对这方面没有太多的认识。通过对《结构模态分析理论与 应用》课程的学习有了一定的认识。结构模态在汽车领域应用 非常广泛，从汽车设计初期到实验，从汽车生产质量控制到故 障诊断都会应用到结构模态的分析。据相关统计数据显示，汽 车使用过程中大概有1/3的故障问题是跟车子的振动、噪音等 有联系，而各大汽车企业花费了近20%的研发费用用于在解 决车辆的振动、噪音等问题上。通过结构模态的分析也是解决 这方面问题的有效办法。文章主要分析了结构模态在汽车方 面的应用。1

结构模态分析的概述

结构模态分析理论是在20世纪30年代机械阻抗与导纳

概念的基础上形成的。结合了振动知识、信号分析处理、数据 分析、数理统计、自动控制等相关的知识，在这基础上形成一套 自己的理论。1.1

结构模态分析的定义及目的

将线性时不变系统振动微分方程组中的物理坐标变换成 为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数 描述的独立方程，坐标变换的变换矩阵为振型矩阵，其每列即 为各阶振型[1]。目的找出结构模态系统各阶的固有频率、阻尼 比与振型。

1) 现有车身结构的动态特性分析。

2) 新产品汽车开发中进行结构动态特性的预测和优化设计■3) 再用汽车诊断及预测车身结构系统的可能出现的问题。1.2结构模态的分析方法

1)

结构模态分析可以采用有限元分析，也可以采用试验分

析。结构模态分析有限元分析主要通过有限元分析软件（如 ANSYS、NASTRAN、SAP、MAC等）建立起分析的结构模型，在

通过划分网格，在进行模拟加载来分析出结构的固有特性参数， 比如固有频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼、模态矢量等。

2)

试验模态分析则是对已制成的结构进行能测量可以控 的动力学激励，由激振力和响应的信号求得系统的频响函数。 实验获取频率响函数，如图1所示，通过在一点测试响应，用带 传感器的专用锤头在标准杆件的一点敲击，将会产生相应的振 动，通过传感器测出敲击点、振动以及敲击力，输人电脑，通过

模态分析软件LMS模拟出测点的频响函数如式（1)所示m和 各级阶频谱图。频响函数直观的反映响应与外力之间的关系。

⑴

再在频域或转到时域采用多种识别方法求出模态参数，得 到结构固有的动态特性，结构模态如图2所示，得出杆件在一 点的敲击下，产生一、二阶振型的一次弯曲模态图和一次扭曲 模态图和三、四阶振型的二次弯曲模态图和二次扭曲模态图。

1.3两种模态分析方法的优缺点

结构模态有限元的分析，简单容易实现，特别适用于汽车 产品开发的初期阶段。这个阶段还没有实物只有模型，为了对 汽车产品进一步的优化设计哪么模态分析就是必不可少的，这

个时候结构模态采用有限元分析就是非常理想的选择，应用非 常普遍。但初期设计开发中，因为设计出来的数学模型和实际 结构有一定的差别，并且很难准确的估计所有的边际条件对结 构的影响，特别是哪些结构比较复杂而且动态响应特性也很复

143

：技术研发

TECHNOLOGY AND MARKET

Vol. 24, No. 7,2017

杂时，哪么通过有限元简化的数学模型以及理论计算出来的误 差就比较大。然而在制作出汽车产品样件时，可以对样件进行 实验模态分析，可以比较准确的判定它的动态特性，而且可以 利用模态实验结果去修改之前建立的有限元模型，从而可以保 证我们建立的模型更加满足实际需求，进一步提高产品的质 量，减少生产过程的差错。22.1

结构模态在汽车方面的应用 汽车开发初期的应用

在汽车产品的设计阶段，根据开发设计的总体要求建立完 成汽车结构模型。为了对汽车的各组成构件相关性能进一步 分析，比如车顶刚度、变速器支撑安装位置、汽车悬架振动平顺 性等性能，需要进行模态分析。虽然在这个阶段利用模态分析 很多边界条件掌握得并不准确，得到的结果也可能和实际情况 有一定的差距，但是使用起来很方便，利用模态分析结果对模 型的调整也相当的方便。这阶段主要采用有限元相关软件，比

如通常使用Ansys软件，该软件通过有限元计算可以精确了解 车身的刚度、应力及其分布情况、节点位置等。在设计初期对 车身进行有限元计算，可以找出设计中可能存在的问题，为今 后的车身设计提供重要的理论依据。比如可以通过模态分析 判断评价车身设计是否合理。①该车身上的一些安装点（如悬 发动机支架安装点和变速器安装点）是否满足要求。 架安装点、

②车身的固有频率是否与激励频率相近。2.2汽车对标分析

在汽车开发过程，需要选择对标车辆。为了充分清楚对标 车辆固有特性比如固有频率、刚度、载荷分布情况，那么就需要 对标杆车进行结构模态实验分析，来获取相关数据，再结合开 发车辆相关数据，来进一步修改调整开发车辆的数据，优化车 辆的设计。这种采用模态实验分析进行逆向开发，也是非常普 遍的方法。2.3

生产过程中的质量控制

汽车生产过程中，为了随时掌握生产的零部件结构特性是 否满足质量控制要求，也可以通过模态实验分析来掌握生产零 部件的质量。比如制动盘在生产过程，由于生产的工艺等问题(上接第12页）

员工一定的惩罚;再就是加强员工的工作意识教育和安全意识 教育，让他们认识到变电运行中的变压器故障可能带来的危害 和造成的不良影响，让每一个员工在实际工作过程中明确自己 的任务和工作要求，这样才不会因为人为的因素而导致的变电 运行中的变压器的故障。

2.2加强变电设备的保养和维护工作

在进行变电设备的保养和维护工作之前首先要确保变电 设备自身的质量是否存在问题，在采购变电设备的时候不能为 了节省成本而采用一些品质差的电气设备。再就是在采购和 使用变电设备之前要进行仔细的检查和检验，确保部件和零件 的材料合格，在使用的过程中不会出现问题。另外一个方面就 是要进行变电设备的保养和维护工作，最基本的要求是保证设 备内部和外部的清洁，因为一些铁屑和废料很厚可能会混人电 路系统之中，引起电路系统的短路，烧坏变压器和相关的零件 和部件;除此之外就是对变电设备的保养和维修，在平时工作

可能导致制动盘特性参数发生变化，比如固有频率。这样就会 导致汽车在制动过程可能产生制动异性，那么生产的制动盘固 有频率就应该限制在一定的范围内。为了实现制动盘质量的 控制，可以在生产制动盘这个过程中增加制动盘模态分析工 艺，把不合格的制动盘淘汰掉，提高产品的制造质量，使生产质 量得到很好的控制。

2.4 故障诊断的应用

在汽车实际运行过程中，由于汽车零部件或整车的某些结 构设计不合理，会产生一定程度的振动，由此产生的弯曲、扭转 等变形会造成车身某些部件疲劳损坏甚至断裂。比如发动机 支架、车身纵梁及横梁有可能长时间振动导致疲劳损害和开 裂[3]。模态分析法得到的模态参数可以完整地描述结构的动 态特性，利用其结果进行损伤判别，因此用结构模态分析方法 对汽车车架或车身进行故障分析，是一种有效手段。3

结语

在汽车领域，由于节能环保的要求和满足顾客的个性化的 要求，汽车的轻量设计和快速设计就是必然的趋势。但是这样 的设计也容易导致很多的问题，比如汽车轻量设计后振动明显 严重，就容易导致汽车一些构件疲劳损坏开裂。利用模态分析 的方法，不管是在汽车的设计阶段还是在汽车的试制阶段，都 能发挥很大的作用。总的来说，模态分析在汽车的研发、制造 和诊断方面都是极为关键的一种手段。通过对本课程的学习 很有启发，之前还没有考虑过利用模态分析的方法去解决汽车 的相关问题，通过这些学习可以更好地解决相关问题。参考文献：[1] 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海

交通大学出版社，2000.

[2] 陈乐德.自由衰减振动信号的频谱校正及其在汽车结构

模态参数估计中的应用[D]广州：华南理工大学，2009.[3] 何耀民.运用模态试验诊断汽车车架故障[J].北京汽

车.2007(4).

[4] 吴强.基于振动信号分析的汽车故障诊断研究[D]合

肥：合肥工业大学，2014.

时要保证电流和电压不会超过其工作电压电流的额定值，定期 对强度高的部件进行检查和检测，一旦出现部件损坏的情况， 应该立即进行维修或者是更换元件和部件。最后就是加强操 作人员自身的工作意识，让他们严格的按照规章制度的要求来 进行操作。3

结语

要保证变电系统的正常运行，就要加强相关工作的管理； 增强工作人员的专业素质能力和综合素质水平，培养他们认真 负责的工作态度;对变电设备进行定期的维修和保养，确保整 个电力系统的正常运行;员工的操作要按照规章制度进行。只 有这样才能防止安全事故的发生，保证变电系统的正常运行。 参考文献：

[1] 阳志超.35 kV电力变压器运行维护的方法探究[J].硅

谷，2014(20) :90 +50.

[2] 周柯，涂春鸣，高立克，等.电力电子变压器故障下的运行

策略[J].电源学报，2014(6) :108 -114.

144