模态分析在发动机托架中的应用
计算模态分析在发动机振动噪声中的应用
计算模态分析在发动机振动噪声中的应用作者：刘庆晨来源：《CAD/CAM与制造业信息化》2013年第12期关键词：模态分析；振动；噪声；发动机一、前言当今世界上，汽车的噪声和有害气体的排放已成为汽车污染环境的首要问题。
由于对生存环境的关心，人们力求降低汽车的噪声，而发动机又是汽车最重要的噪声源。
因此，汽车发动机的低噪音化研究是很必要的。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，在汽车产品开发方面，CAE技术已经大量应用。
在零部件以及整车尚未制造出来时，使用C AE技术可以对它们的强度、可靠性以及各种特性进行计算分析，在计算机上进行“试验”。
模态分析技术是现代机械产品结构设计、分析的基础，是分析结构系统动态特性强有力的工具。
计算模态分析可以预测产品的动态特性，为结构优化设计提供依据。
模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
二、模态分析基本理论振动模态是弹性结构固有的、整体的特性，通过模态分析方法得到结构各阶模态的主要特性，就可能预知结构在此频段内，在外部或是内部各种振源作用下的实际振动响应，而且一旦通过模态分析知道模态参数并给予验证，就可以将这些参数用于设计过程，优化系统动态性能。
模态分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，称为是数值模态分析。
结构模态分析是结构动态设计的核心，其目的是利用模态变换矩阵将耦合的复杂自由度系统解耦为一系列单自由度系统振动的线性叠加，为结构系统的振动特性分析，振动故障诊断与预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
1.结构动力学方程对一个线性多自由度系统，其动力学平衡方程可表示为：2.结构的自由振动由此，求解一个多自由度系统的固有频率和振型的问题就归结为求方程组（5）的特征值和特征向量问题。
由于一般情况下，有限元分析中系统的模型较大，且不需要提取全部模态，所以多选用迭代法求解，常用的方法有子空间迭代法（Subspace Method）和兰索斯法（Block Lanczos Method）等。
发动机悬置支架模态分析
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悬置、铁芯和悬置护罩
图2 带附加质量的下支架 图3 单独下支架
螺栓和螺母
上支架 下支架
图1 发动机悬置支架系统
进行模态分析时，将图1悬置简化成3个互相 垂直的线性弹簧，悬置的轴向刚度为8250N/mm， 径向刚度为5700N/mm。图1模型的约束边界条 件为下支架的前端面、上支架的端截面和上支架 与发动机连接上端面的螺栓孔附近区域进行全约
1 模态分析的理论基础
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实验分析取得，其计算或实 验分析过程称为模态分析。计算模态分析即有限元 模态分析，是把要分析的结构细分为有限个形状简 单的微小网格单元，再将其综合起来进行近似计 算，是在很多领域得到广泛应用的一种模拟实验技 术，属于动态分析有限元方法［3］。通常将所研究 的机械结构看成是质点、刚体、弹性体及阻尼器 构成的系统，并将其离散成有限多个相互弹性连接
机械设备的模态分析与优化设计
机械设备的模态分析与优化设计随着科技的不断发展，机械设备在工业生产中扮演着重要角色。
为了提高机械设备的效率和稳定性，模态分析与优化设计这一重要技术应运而生。
本文将对机械设备的模态分析和优化设计进行探讨。
一、模态分析模态分析是研究机械设备振动特性的一种方法。
它通过对机械结构进行振动测试和模态识别，得到结构的固有频率、模态形态和振动模态等信息。
模态分析有助于揭示机械设备存在的问题，如共振、应力集中和稳定性等，并为优化设计提供依据。
机械设备的模态分析通常涉及使用高精度传感器进行振动测量，采集设备在不同工况下的振动数据。
这些数据经过信号处理和频谱分析等处理手段，得到设备的频率响应曲线和振动模态图。
通过分析与对比这些数据，可以确定设备的固有频率和主要振动形态，识别可能存在的问题和缺陷。
二、优化设计模态分析为机械设备的优化设计提供了重要的依据。
优化设计旨在提高设备的性能、减少振动和噪声、延长使用寿命等。
在模态分析的基础上，可以对机械设备的结构进行调整和改进，以优化其振动特性。
优化设计的方法有很多种，例如材料优化、结构优化和参数优化等。
在材料优化方面，可以选择适合的材料，以提高设备的刚性和耐久性。
在结构优化方面，可以通过调整连杆、减小轴承间隙等方式，改善设备的振动特性。
在参数优化方面，可以通过对传动系统的参数进行调整，以减少设备的共振现象。
三、模态分析与优化设计的应用模态分析与优化设计广泛应用于各个领域的机械设备中。
比如，在汽车制造领域，通过对发动机和底盘等关键部件进行模态分析和优化设计，可以提高汽车的舒适性和安全性。
在航空航天领域，通过模态分析和优化设计可以降低飞机的振动水平，提高飞行稳定性和燃油效率。
在工业制造领域，通过对机械设备的结构和参数进行模态分析和优化设计，可以提高生产效率和产品质量。
结语机械设备的模态分析与优化设计是提高设备性能和可靠性的重要手段。
通过模态分析可以了解设备的振动特性，发现潜在问题和缺陷，并为优化设计提供依据。
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技术与市场____________________________________________________________________________________________________________技术研发2017年第24卷第7期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]。
发动机悬置支架模态分析实践
Ｉ阶固有频率。本文通过悬置支架优化设计及模态分析实践，总结出提高模态方法，为设计提供理
论的参考依据。
２对模态影响的因素
２．１
材料对模态的影响
针对材料物理属性：弹性模量、泊松比及密度等情况下对某一悬置支架进行模态分析，并结合
实际材料的应用，考察材料的物理属性对模态的影响。
２．２弹性模量对悬置支架的模态影响
选取两组弹性模量分别为１７５ＧＰａ及２１０ＧＰａ，Ｕ＝Ｏ．３０，ｐ＝７．８Ｘ１０３Ｋｇ／ｍ３，按上述材料物理属性
进行模态分析，约束与发动机装配的螺栓孔，其Ｉ阶模态振型如图ｌ所示。结果表明弹性模量的增
加会使悬置支架的Ｉ阶固有频率增加。
２．３泊松比对悬置支架的模态影响
选取两组泊松比分别为０．２５及０．３０，Ｅ＝２１０ＧＰａ，ｐ＝７．８Ｘ１０３Ｋｇ／ｍ３，按上述材料物理属性进行模 态分析，约束与发动机装配的三个螺栓孔，其Ｉ阶模态振型如图１、图２所示。结果表明泊松比对
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Ｉ阶楼态振型图（４４１
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斟３ Ｉ阶模态振型圈（４４０ ５Ｈｚ） 图４ Ｉ阶模志振型留（４４１ ７Ｈｚ
３结构设计对模态的影响
以两个悬置支架的模态分析为例，找出薄弱点或对结构刚度产生影响的原因，为结构的改进设 计提供理论依据。咧６为悬置支架原优化设计方案，模态较低。从模态振型图可看出，红色圈所示 部分为应变能较大的区域，对此部分进行加强可有效改善支架模态。增加加强筋后的结构模态分析 见图７，从上述模态分析可看出，在应变能太部位合理设置加强筋可有效改普模态。
实际应用中以铸钢和球墨铸铁材料为主。如ＺＧＤ４１０—７００和ＱＴ４５０－１０材料，其参数为
Ｅ＝２ＩＯＧＰａ／１５０ＧＰａ，ｌＪ＝０．３０／０．２５，ｐ＝７．８Ｘ１０３Ｋｇ／ｍ３／７．３Ｘ１０３Ｋｇ／ｍ３；铸钢材料的悬置支架的模态分析 见图４，球黑铸铁的悬置支架模态分析见图５，结果表明铸钢材料的悬置支架比球墨铸铁材料的悬置 支架Ｉ阶固有频率要高。
发动机悬置支架模态提升与轻量化设计
发动机悬置支架模态提升与轻量化设计钟超陈华韩伟楼江任立志（东风越野车有限公司，十堰4420⑶［摘要］发动机悬置支架是动力总成系统中的重要零部件，对于汽车的NVH性能有着重要影响。
文章基于某款皮卡车的动力总成悬置车身端支架一阶模态频率不达标的问题,提出优化方案，通过拓扑优化对结构进行减重分析,优化后车身端悬置妬结构不仅模态频率达到了设计要求，还实现了该悬置支架的轻量化设计。
计算结果表明了本分析优化沁的有效性，该研彌于车身®及车身上其他輛件定的券意义。
[Abstract]Engine mounting bracket is an important part of powertrain system,which has an important influence on the NVH performance of the automobile.In this article,based on a certain kind of pickup truck powertrain mount body end bracket whose first order modal frequency is substandard, the optimization scheme is put forward.Through analyzing the structure of topology optimization for weight loss,the optimized body side mount bracket structure modal frequency not only reaches the design requirement,but also realizes the lightweight of mount bracket design.The calculation result shows that the optimization method is efiective,and the work has certain reference significance for the design of the suspension bracket and other parts of the body.【关键词】悬置支架一阶模态拓扑优化doi:10.3969/j.issn.1007-4554.2021.04.110引言发动机是汽车产生振动噪声的重要激励源之一，通过悬置支架与车身相连，发动机产生的各种交变载荷会通过悬置支架传递到车身，引起车身振动，从而产生各种振动噪声问题。
发动机悬置系统极限强度与模态分析
发动机悬置系统极限强度与模态分析
谢伟
（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330030）
摘 要：为了校核某悬置系统是否满足性能要求，采用有限元技术对其进行极限强度分析，得到了其在垂向跳动工 况、紧急制动工况和紧急转弯工况时的应力分布，均在其材料屈服范围之内。再对其进行模态分析，分析表明其前 三阶模态频率均高于发动机的二阶点火激振频率，因此该悬置系统能够满足强度和模态设计要求。 关键词：悬置系统；有限元；强度；模态 中图分类号：U464.13 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)11-36-03
整车行驶时主要分为垂向跳动工况、紧急制动工况和紧 急转弯工况，因此约束悬置与车架连接处的 123456 自由度， 在-Z 方向加装 4g 重力场载荷（垂向跳动工况），在-Z 方向加 装 1g 重力场载荷，与此同时在-X 方向加装 1.0g 载荷（紧急 制动工况），在-Z 方向加装 1g 重力场载荷，与此同时在 Y 方 向加装 1.0g 载荷（紧急转弯工况），以此采用 Nastran 软件[3,4] 对该悬置系统进行极限强度分析。 3.3 强度分析结果
1 引言
汽车悬置系统作为动力总成最重要的组成部分，其主要 是起支撑发动机重量的作用，其性能直接影响着整车操稳性、
其进行模态分析，获取其模态频率值及其阵型。
2 有限元分析基本思想
有限元分析的基本思想[1,2]为：将连续的结构离散成有限
平顺性以及安全性。悬置系统主要具有支撑作用、减振作用 多个节点和单元，并且在每一个单元中设定有限个阶段，将
Ultimate Strength and Modal Analysis of Engine Mounting System
大型Z字钢结构的动力台架试验与模态分析
大型Z字钢结构的动力台架试验与模态分析动力台架试验与模态分析是一种广泛应用于大型结构体的工程实验方法，它可以通过对结构体加以动力荷载，观测和分析结构体对该荷载的响应，从而对于结构体的振动特性和动态性能进行评估和分析。
本文将重点介绍大型Z字钢结构的动力台架试验与模态分析。
大型Z字钢结构作为一种常用的工程结构体，广泛应用于工业厂房、桥梁和塔架等领域。
为了确保大型Z字钢结构的安全性和稳定性，对其进行动力台架试验与模态分析变得非常重要。
在进行大型Z字钢结构的动力台架试验时，首先需要选取合适的试验设备和仪器，并进行系统的校准。
试验设备应具备足够的载荷能力，能够模拟实际工况的荷载条件。
同时，应选择合适的传感器和数据采集系统，以确保对结构体响应的准确测量和数据记录。
在实施动力台架试验过程中，需要注意以下几个关键点。
首先，应确保试验荷载的合理施加，包括荷载的大小、方向和施加载荷的方式。
其次，应注意试验过程中的安全防护，避免意外发生。
同时，应合理安排试验时间和频率，以保证试验的全面性和有效性。
试验完成后，需要对所获得的数据进行处理和分析。
首先，应对振动响应数据进行滤波和去噪处理，以去除干扰信号和提取有效信息。
然后，可以采用频域分析方法，如傅里叶变换或小波变换，对结构体的频率特性进行分析。
此外，还可以利用模态分析方法，通过对结构体的振动模态进行分解和分析，得出结构体的振动模态参数。
模态分析是动力台架试验的重要内容之一，可以得出结构体的固有频率、阻尼比、振型形态等参数。
这些参数能够为结构体的设计和改进提供重要参考。
通过对结构体的模态分析，可以发现结构体的固有振动模态，并进行模态相容性分析，从而评估结构体的稳定性和可靠性。
对于大型Z字钢结构的动力台架试验与模态分析，还需要考虑结构体的材料特性和几何形状。
首先，应选择适当的材料以满足结构体的力学性能要求。
其次，在进行模态分析时，应考虑结构体的几何形状对振动特性的影响，如截面大小和形状等。
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模态分析在发动机托架中的应用
1 概述
由于发动机托架属于底盘的重要组成件，它对车辆的机动灵活性和操纵稳定性有直接影响，因此对发动机托架的设计提出了较高的要求，其中最基本同时也是最重要的属性要求是动刚度性能，必须进行相关的模态分析。
通过模态分析不仅可以全面了解结构的动刚度性能，找到薄弱点或者产生刚度偏低的原因，并且可以通过与类似发动机托架的横向对比，找出结构上优缺点的共性，便于从根源上进行弱点分析并得出最优化设计方案。
作为Altair公司力作之HyperMesh，HyperView和OptiStruct，不仅具有强大的实体建模、曲面造型和虚拟装配等设计功能，进行有限元分析；更突出的是，有限元分析后续的优化分析简便快捷，可以在满足以上设计分析要求的情况下，尽量减轻质量，降低材料消耗和大幅缩短分析周期，实现设计分析的合理性和高效性。
2 有限元模型的建立
由于发动机托架的零部件与连接件比较多，现选择其主体部分（前、后、左、右托架）进行有限元分析。
基础车发动机托架类同，见图1、2所示。
图1 基础车发动机托架有限元模型图2 发动机托架有限元模型
2.1 网格划分
采用二维单元进行网格划分。
结点数和单元数见表1、2。
表1 发动机托架的结点数和单元数
表2 基础车发动机托架的结点数和单元数
2.2 材料与属性
为计算对比方便，所使用的材料参数统一如下：
弹性模量：210GPa
材料密度：7.85e3kg/m3
泊松比：0.3
长度单位为：mm
3 边界条件
发动机托架计算工况为0~70Hz的自由模态，基础车发动机托架与之保持一致。
4 计算结果
分析中自由模态频率开始于0Hz，必然出现6个刚体模态，但是刚体模态不是分析目标所在，因此在结果中舍去。
从下表可知，频率截止到70Hz是为了保证截止频率误差对分析结果的影响最小化，兼之分析目标需要，取前4阶模态进行分析。
详细结果见表3所示。
表3 发动机托架与基础车发动机托架前4阶自由模态结果
与基础车发动机托架相比，发动机托架不仅出现两次一阶扭转变形，并且在最关键的第一阶扭转频率（15.0Hz）之上低于基础车（16.9Hz），更加接近发动机本身的激振频率带上限，有发生共振的隐患；此外发动机托架全局模态27.0Hz比基础车相应一阶弯曲模态23.5Hz更加接近发动机怠速频率带，其NVH性能显然低于基础车，综上，发动机托架必须进行优化。
5 优化设计
5.1 结构对比分析
发动机托架之所以与基础车存在性能差距，与两者间结构的差异密切相关。
从结构对比分析入手，不仅有助于找出弱点位置，而且可以通过归纳总结出类似结构共同属性，有利于工程经验的积累。
后托架形状与曲率的变化必然影响结构动态刚度，因为后托架是一个比较大的件，相对于其他组件对刚度起更大的作用；前托架与基础车相比减弱明显，通过下图对比分析可以看出，基础车发动机托架的前悬位置是在受力方向（-Z向）以闭环形式与支撑件搭接，而研究的发动机托架是在于载荷方向垂直的方向上进行连接，并且属于敞口结构；左右托架的纵向延长也必然导致刚度下降，原因是左、右托架较之前、后托架无论是在结构上还是本身厚度上都偏弱，是刚度的一个明显弱点；此外，前覆盖件的形状改变对刚度也会产生影响，但具体是正面影响还是负面影响必须通过后续分析才能得出。
5.2 优化方向
总体上优化方向基于厚度、形状与连接方式三方面综合考虑，所涉及到的材料由于弹性模量与密度相差很小，因此不予考虑。
此外，轻量化始终是当代汽车设计的一个核心发展方向，本分析中减重将是高度关注的内容。
5.3 优化方案
基于上述优化方向，本分析一共设计了30种方案，由于篇幅所限，这里只选取有代表性的三种方案，见表5与图3、4所示，其中△m表示改进方案与原方案的质量差。
表4 三种代表性方案汇总
图3 方案1右托架与前、后托架连接处增加翻边与焊点示意图
图4 方案2左、右托架与前托架连接处延长并增加两个螺栓连接示意图
5.4 优化结果
优化结果：增强前、后托架与左、右托架的搭接对发动机托架动刚度影响明显，因为前述结构差异决定了刚度的大小，而单纯的加强前托架与左、右的连接对动刚度影响甚微。
具体见表6所示，其中△m表示改进方案与原方案的质量差。
表5 优化结果汇总
方案一对模态的影响很大，一阶扭转频率提高到27.2Hz，已经位于发动机怠速频率带之内；一阶弯曲达到34.5Hz，与车身等部件的自由模态频率存在耦合可能性，说明刚度的增加必须有一定限度，方案一不可取。
方案二与原方案的结果相近，同样不可取，原因是单纯增强前托架与左、右托架的连接并不能改善整体结构的刚度，或者说原结构的弱点不在这里。
方案三是在方案一的基础上减重，根据是方案一对左、右托架与原托架连接处加强过度，减小了其厚度，结果较之原方案有明显提高，同时一阶扭转频率23.9Hz避开怠速频率带，一阶弯曲频率32.9Hz相对于方案一要好，但是也存在耦合可能。
综上，方案三优于方案一和方案二。
6 结论
通过实例可以看出，模态分析在设计分析中具有重要意义，可以在保持原设计状态的前提下，找出薄弱点或对结构动刚度产生影响的原因，并且可以在满足设计要求的基础上持续改进，以达到轻量化的目的。
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