使用COCO80和Me’scopeVES进行支架零件的模态分析
ANSYSWorkbench梁壳结构谱分析（二）模态分析
ANSYSWorkbench梁壳结构谱分析（二）模态分析ANSYS Workbench梁壳结构谱分析（二）模态分析1 概述模态分析是动力学分析基础，如响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等都需要在模态分析基础上进行。
模态分析简而言之就是分析模型的固有特性，包括频率、振型等。
模态分析求解出来的频率为结构的固有频率，与外界的激励没有任何关系，不管有无外界激励，结构的固有频率都是客观存在的，它只与刚度和质量有关，质量增大，固有频率降低，刚度增大，固有频率增大。
一般情况，当外界的激励频率等于固有频率时，结构抵抗变形能力小，变形很大（产生共振原因）；当外界激励频率大于固有频率时，动刚度（动载荷力与位移之比）大，不容易变形；当外界激励频率小于固有频率时，动刚度主要表现为结构刚度；当外界激励频率为零时，动刚度等于静刚度。
2 模态分析该模型框架采用Beam188单元模拟，外表面采用Shell181单元模拟。
该结构的总重量为800kg，分析时将其他附件的质量均布在框架上。
边界条件为约束机柜与地面基础连接螺栓处的6个自由度（Remote Displacement）。
具体建模过程详见《ANSYS Workbench梁壳结构谱分析（一）梁壳建模》或点击下方阅读原文获取。
模态分析详细过程如下：（1）划分网格：单击【Mesh】，右键【Insert】=Sizing，设置【Scope】→【Geometry】=选取所有部件，【Definition】→【Type】→【Element Size】=20。
单击【Mesh】，右键【Generate Mesh】生成网格。
（2）边界条件：单击【Modal (B5)】，右键【Insert】→【Remote Displacement】，设置【Scope】→【Geometry】=分别选择框架4个立柱，并分别按照如下操作：【Definition】→【Define By】=Components，【X Component】=0mm，【YComponent】=0mm，【Z Component】=0mm，【X Remotion】=0°，【Y Remotion】=0°，【Z Remotion】=0°，其余默认。
基于模态分析的某产品安装支架设计优化
，
棕n 为无阻尼固有频率；阻尼比定义为
。当
系统不会发生振动，因此振动系统通常关注的是
欠阻尼情况，此时阻尼自由振动方程的解为：
时， 的
；
其中，棕d 为阻尼固有频率；通常大多数工程中的
，
此时阻尼固有频率和无阻尼固有频率近乎一致，因解结构的
无阻尼固有频率来研究振动系统的动态特性。
Abstract: Based on the relevant theory of modal analysis and the structural characteristics of the mounting bracket, a simulation model
is established by using finite element software for modal analysis;by investigating the strain energy contour,the areas that should be focused
4 结论 依据模态仿真结果中单元的应变能云图，可以快速筛
选出支架结构在不同模态振型下最易发生变形的位置；借 助于安装支架结构的单元密度云图，能够对结构在指定振 型下的传力路径进行评估，找出对结构刚度贡献较大的区 域。通过对高应变能位置以及结构刚度敏感区域进行结构 加强，可以显著提升结构模态频率，使结构性能得以有效 提升。模态分析作为安装支架结构设计的重要辅助手段， 能够帮助设计人员直观的了解结构固有特性，为结构动态 特性的优化设计提供理论依据。
通过比较不同模型相同振型下的模态频率差异，可以 近似评估结构沿振型方向的刚度变化。保持原有的边界条件 不变，对结构优化后的安装支架重新进行模态分析。从图 5 所示模态仿真结果可知，结构优化前后安装支架的振型未发 生变化；结构优化后安装支架的一阶模态频率约为 52.0Hz， 比原结构提高了 32%；第二阶模态频率约为 106.5Hz，比原 结构提高了 9.3%；安装支架在进行结构优化后，其结构刚 度有明显提升。
基于Simulink的振动模态分析
基于Simulink的振动模态分析引言振动模态分析是一种常用的工程分析方法，用于研究结构体在不同频率下的振动特性和模态。
本文将介绍如何使用Simulink软件进行振动模态分析。
Simulink简介Simulink是一种基于模型的设计和仿真工具，常用于解决动态系统建模和仿真问题。
该软件提供了丰富的工具箱，便于用户搭建模型和进行模拟实验。
振动模态分析步骤1. 结构体建模：首先，需要将待分析的结构体进行建模。
在Simulink中，可以使用各种元件来描述结构体的物理特性，例如质量、弹性等参数。
2. 模态分析设置：在建模完成后，可以设置模态分析的参数，包括分析频率范围、模态数量等。
这些参数会影响模态分析的精度和计算效率。
3. 模型求解：通过在Simulink中运行模型求解器，可以得到结构体在不同频率下的振动模态。
求解过程可以得到每一个模态对应的频率、振型和阻尼比等信息。
4. 结果分析：最后，可以对求解得到的振动模态进行进一步分析和可视化。
比如，可以绘制模态频率与振型的关系图，用于评估结构体的振动特性。
模态分析应用领域振动模态分析在工程领域有着广泛的应用。
它可以帮助工程师了解结构体的固有振动特性，从而优化设计和改进结构体的性能。
在航空航天、汽车工程、建筑设计等领域，振动模态分析被广泛应用于结构体的优化和故障诊断。
结论通过Simulink软件进行振动模态分析是一种简单而高效的方法。
它可以帮助工程师更好地理解结构体的振动特性，并在实际工程项目中起到重要作用。
在使用Simulink进行振动模态分析时，合理设置参数和精确分析结果对于获得准确的振动特性信息尤为重要。
第三讲 模态分析
对称边界条件只产生对 称的振型，所以将会丢 失一些振型。
完整模型
对称边界
反对称边界
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
开始求解
Main Menu> Solution> Solve> Current LS
使用阻尼方法， 特征值和特征 向量都是复数 解。
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
模态分析的理论基础
特征值的平方根是 i ， 它是结构的自然 圆周频率（弧度/秒），并可得出自然频率 fi = i /2p。
特征向量 {u}i 表示振型， 即假定结构以频 率 fi振动时的形状。
模态提取 是用来描述特征值和特征向量计
算的术语。
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
Change Title …
在工作区右下角显示标题 不能输入中文 Utility Menu> Plot> Replot
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
设置单元类型 1
3
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
设置单元选项
注意：不是所有的单元 都能设置单元选项！
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
扩展模态的步骤
① 进入求解器
➢ Main Menu> Solution
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
定义单元的实常数
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
定义材料属性
中国科学技术大学CAD/CAM实验室 2005年7月
某车型悬置支架模态仿真与优化设计
8610.16638/ki.1671-7988.2020.02.027某车型悬置支架模态仿真与优化设计侯宇，周鹤（华晨雷诺金杯汽车有限公司，辽宁 沈阳 110044）摘 要：悬置支架作为悬置系统中的重要部件，其模态性能的高低对于整个悬置系统很关键。
文章基于Optistruct 软件的拓扑优化算法得到一种悬置支架的优化设计，在提高模态性能的同时，实现了结构的轻量化。
对悬置支架设计开发的指导，有非常重要的意义。
关键词：悬置支架；模态；拓扑优化；轻量化中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)02-86-03Modal Simulation and Optimization Design of a Vehicle Mounting BracketHou Yu, Zhou He（Renault Brilliance Jinbei Automotive Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110044）Abstract: As an important part of mounting system, the modal performance of mounting bracket is very important for the whole mounting system. Based on the optimization algorithm of Optistruct software, an optimal design of mounting bracket is obtained, which not only improves the modal performance, but also realizes the lightweight structure. It is very important to guide the design and development of mounting bracket.Keywords: Mount bracket; Modality; Topography optimization; Lightweight CLC NO.: U463.33 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)02-86-03前言悬置支架是动力总成与车身间的连接元件。
基于AnsysWorkbench的支架静力学分析
1静力学分析概述机械设备在工业及人们生产生活中的应用日益广泛[1]，支架不作为机构运动中的关键运动件，但起到支撑和传递力的作用[2]，其性能的下降往往容易被忽视，但却对机器的整体性能产生很大的影响。
如机器人的本体支撑架，或是驱动单元支撑架，由于长期受力导致的变形或局部缺陷往往会引发一系列的设备故障，因此对于支架的仿真分析非常必要。
本次研究采用基于有限元仿真分析的Ansys软件[3，4]，对不同形式的支架受力情况进行参数化研究。
基于有限元静力学分析的思路已相对成熟，其仿真结果具有较高的参考意义。
本次研究为对机械结构的设计、设备受力分析及故障诊断提供一定的依据。
仿真它是使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。
现如今随着我国的军事以及科学技术的突飞猛进的发展，仿真也越来越有受到重视，它已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段，尤其是在航空航天领域，仿真技术也是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段，可以取得很高的经济效益。
在研制、鉴定和定型全过程都必须全面地应用先进的仿真技术。
否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。
2仿真分析方法对于支架的力学仿真分析，可以通过机械建模软件建立之间的三维模型，然后在AnsysWorkbench中基于有限元分析理论进行仿真分析和求解计算。
2.1机械建模软件Solidworks Solidworks创建了有限元分析所需的三维立体模型,其采用基于特征的建模方式，常见的特征包括拉伸，旋转，镜像，阵列及扫描放样等。
Solidwork用来机械建模有三大模块，可以绘制零件并且将零件装配，绘制相应的工程图[5]。
在零件建模中，通过特征的组合实现对特定结构尺寸的模型建立，在装配体模式中，通过不同的配合形式将零件体装配，配合的本质是限制相应零件的自由度，从而实现装配。
对非标零件进行加工生产时需要绘制工程图，Solidworks的工程图绘制模块可以直接生成各视角的视图并进行标注，对关键尺寸标注公差，并进行表面精度要求[6]和技术要求的书写，对于热处理形式，材料选择以及圆角处理等工艺要求均可在工程图中进行标注。
支架的有限元分析ABAQUS
支架的线性静力学分析实例：建模和分析计算在此实例中读者将学习ABAQUS/CAE的以下功能。
1) Sketch功能模块:导人CAD二维图形，绘制线段、圆弧和倒角，添加尺寸，修改平面图，输出平面图。
2) Part功能模块:通过拉伸来创建几何部件，通过切割和倒角未定义几何形状。
3) Property功能模块:定义材料和截面属性。
4) Mesh功能模块:布置种子，分割实体和面，选择单元形状、单元类型、网格划分技术和算法，生成网格，检验网格质量，通过分割来定义承受载荷的面。
5) Assembly功能模块:创建非独立实体。
6) Step功能模块:创建分析步，设置时间增量步和场变量输出结果。
7) Interaction功能模块:定义分布榈合约束(distributing coupling constraint)。
8) Load功能模块:定义幅值，在不同的分析步中分别施加面载荷和随时间变化的集中力，定义边界条件。
9) Job功能模块:创建分析作业，设置分析作业的参数，提交和运行分析作业，监控运行状态。
10) Visualization功能模块:后处理的各种常用功能。
结构静力学分析（static analysis）是有限元法的基本应用领域，适用于求解惯性及阻尼对结构响应不显著的问题。
主要用来分析由于稳态外载荷引起的位移，应力和应变等。
本章的静力学分析实例按照ABAQUS工程分析的流程对支架进行线性静力学分析，通过实例基本掌握了分析的流程，同时了解接触的定义。
1.问题描述所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。
材料的弹性模量E=2100000MPa,泊松比为0.3。
支架的两种工况1 杆件的一端受到沿着沿Y轴为2000N的集中力，其随着时间变化。
2 支架的自由端还在局部区域上受到均布的剪力Ps=36MPa。
时间（S）集中力（F/KN）0 1.50.2 20.4 1问题分析为简化问题，实例基于结构和载荷的对称性。
支架的静力分析及改进
支架静力分析和改进李庆辉(机械工程学院机研114班s2*******)摘要：本文通过支架问题的提出运用ABAQUS软件对支架的受力情况进行了有限元仿真分析。
通过分析支架内部所受最大的V on-Mises应力，来得到改进支架设计的建议。
关键词：有限元仿真；静力分析；ABAQUS；Mises应力如图1所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。
材料的弹性模量E = 210000MPa ，泊松比μ=0.3。
支架有以下两种工况：1)杆件的一端受到沿Y 轴负方向上的集中力F =2kN ，其大小随时间变化。
2)除了上述载荷之外，支架的自由端还在局部区域上受到均布的剪力Ps =36MPa。
要求确定这两种工况下支架挠度随时间变化的情况，以及内圆角处的最大主应力。
根据分析结果来改进设计，以减小应力集中。
图1 几何模型图2力的加载1有限元模型的建立1.1 建立零件和装配根据问题描述，考虑其对称性可以只取模型的二分之一进行计算。
图3为所建的零件。
随后建立一装配体，将该零件添加到装配体中。
图3 零件图图4 网格划分1.2 材料模型及网格划分将支架设置为弹性体，E = 210000MPa ，泊松比μ=0.3，单元类型为二次20节点缩减积分实体单元（C3D20R）。
考虑到支架的应力集中，将支架内圆角处细化。
如图4所示。
1.3 边界条件及载荷考虑到支架的受力条件和对称性，对其进行如图5的约束添加：1）载荷：圆孔通过螺纹和杆件连接，受到杆件向下的集中力2KN,随时间增量步如图2所示，在模型中建立参考点RP-1，将其和圆孔表面添加耦合约束，模拟杆件对螺纹孔的受力情况，在支架的自由端上受到局部的剪应力36MPa；2）边界条件：支架的端部固定，设定六个自由度全部为零，在对称面上设定对称边界条件Z方向的位移和X，Y方向的旋转。
图5 边界条件和载荷的添加2结果分析2.1 支架应力分析图 6 变形后的的网格模型图7 Mises应力云图图6所示为支架变形后的网格模型，从中可以看到随着载荷的添加，支架底部的网格发生了变化，轮廓产生了弯曲。
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使用COCO80和Me’scopeVES
进行支架零件的模态分析
前言
试验模态分析作为一种技术手段，主要目的是对试验结构进行动态特性分析得到其动态特性
参数，根据所得参数对试验结构进行动力学仿真，进而对其进行动力学修改。在结构安全性
方面，试验模态分析结果可以给出结构动力安全性方面的设计依据。试验模态分析还可以作
为声振耦合分析的一部分，分析固体结构振型与外辐射声场的关系，以及诊断和预报结构系
统故障和辨识系统载荷。
试验条件
试验模态分析作为一种成熟的技术手段，涵盖了多种学科的知识，其过程包括：测点编号及
方向定位、几何模型建立、激励信号和响应信号数据采集、信号加窗、FFT处理、互谱自谱
及频响函数计算、模态参数识别、振型动画显示。在试验模态分析之后，可进行MIMO动态
仿真及对试验结构进行结构动力学修改。一个成功的试验模态分析需要有良好的试验条件：
优秀的数据采集硬件、功能完善的模态分析软件、性能稳定且测量准确的传感器及经验丰富
的操作人员。
在本案例中，我们采用了美国Crystal Instrument公司的手持式动态数据分析仪COCO80和
美国Vibrant公司的Me’scopeVES模态分析软件。
图1 汽车底盘支架零件
图2 COCO80时域块信号(激励和响应)
图3 COCO80实时得到频响和相干函数
图4 激励点和响应点设置
对于声和振动分析，所采用的数据采集硬件是有一定要求的：必须具备高精度、高动态范围、
高采样率、试验规定的通道数及通道间的信号的高同步精度。COCO80作为一款性能非常优良
的动态信号分析仪，具有24位A/D转换精度，120dB动态范围，102.4KHz最高采样频率，输
入通道数可选2/4/8/16，通道间相位误差±0.02度、幅值误差±0.02dB。在对试件进行激振
器激励模态试验时，通常需要数据采集硬件具有高精度的信号输出功能。COCO80具有输出
DC-40KHz的频率范围，24位A/D转换精度，电压范围±10V、输出信号种类有正弦、方波、
三角波、白噪声、粉红噪声(Pink Noise)、chirp及扫频信号。COCO80内置多种数据采集功
能，可实时进行触发、加窗、平均、FFT计算、频响函数计算甚至还包括倍频程、声压级、
阶次分析和冲击响应谱的功能。对于试验模态分析，COCO80具有模态数据采集模块，专门用
于试验模态分析的数据采集过程，对整个数据采集过程的采样频率、触发、平均次数、窗函
数类型和信号存储方式进行选择，可对测点进行编号和测试方向的编辑，还可以自动进行测
点编号。这些特性让COCO80成为一款理想的模态数据采集前端。
图5 模态数据保存设置
图6 支架零件Pro/E 3D模型
图7 Me’scopeVES中生成激励点位置
图8 Me’scopeVES生成的激励点方向
试验设置及过程
试验零件如图1所示。此零件为泛亚汽车技术中心有限公司某型汽车底盘上的支架类零件。
结构比较复杂，有加强筋、空腔结构。汽车零件结构一般是应该放在与零件工作位置相同的
边界条件上进行模态试验，这里按照客户要求，将其按照自有边界条件进行测试。如图1所
示，将试件放置于软海绵上模拟自由边界条件。
对该试件采用锤击法来进行模态数据采集。将测点1固定为响应点，其余点为激励点，用力
锤逐一在激励点敲击，由COCO80完成模态数据采集。
这里设置COCO80的分析频率为2.56KHz(COCO80里可直接设置分析频率)，平均次数为4次，
对激励和响应信号加力-指数窗，并设置手动触发模式。值得一提的是，COCO80由于其良好
的动态范围，无需像某些传统数据采集硬件那样需要调整激励信号的量级范围，省却了麻烦
的步骤，并可以随时改变触发的量级大小。对试件进行一次敲击，采集系统由激励信号触发，
按照规定的参数进行数据采集过程，得到的时域波形数据和频响函数数据如图2和图3所示，
通过观察这两个窗口中的结果判断试验数据是否可以接受。主要的标准是时域波形中激励信
号不能存在多个极大值，响应信号具有良好地衰减，不存在泄露的情况，频响函数较为平滑，
在需要分析的频段内，相干函数没有很大的衰减。通过观察图2和图3，判定所得结果可以接
受。点击COCO80触发窗口中的“接受”按钮，进行下一次的敲击。当达到该测点的平均次
数后，选择下一测点进行试验，如图4所示。在图4所示步骤中，可以编辑测试点的号码及方
向，这为试验提供了很大的灵活性。
模态数据的存储是在试验开始之前预先设定的，如图5所示。选择需要保存的信号种类及文
件名，数据会在完成测点平均次数的锤击试验后自动保存在内置的存储卡上，测点的编码和
方向跟随当前试验的设定而变动。
图9 Me’scopeVES模态分析软件中模态数据显示窗口
对于一般模态软件，手动输入坐标点的位置的作法比较常见。但是对于本试验中如此复杂的
零件，难以获得精确的几何尺寸。Me’scopeVES模态分析软件的一个优势在于可以直接从
Pro/E等CAD软件中直接获得试件的几何尺寸(见图6)，并可以采用在面上加测试点的方式，
将测试点直接加到导入的几何模型中(见图7)，这无疑给了测试工程师一个良好的建模环境，
增加了效率和准确性。
另外对于测试方向，由于零件几何形状十分复杂，以XYZ坐标形式来描述测试轴几乎不可能。
Me’scopeVES软件提供了一个功能，手动旋转单个或一组测试点(同时)的测试轴。如图8中
看到的，所有测试点的方向均为z轴，在操作Me’scopeVES时，所有测试点的z轴被旋转
至指定的方向，即测试点所在平面的法向。
在COCO80的数据管理软件EDM中，COCO80得到的频响函数数据可以转化为uff格式，在Me’
scopeVES中读取，并将测点和方向的信息一并读取。
Me’scopeVES软件具有优良的模态分析功能和简单的分析界面。将COCO80之前模态数据采
集过程得到的频响函数数据导入Me’scopeVES工程文件的Datablock中，通过模态指示函
数的计算和拟合、共振峰值频率的计算以及留数的计算得到共振频率、阻尼和振型数据文件。
变换不同的振型文件将可以观察在不同共振频率下的结构振型，如图9所示。在显示振型的
同时，Me’scopeVES还可以通过移动数据窗口的游标显示指定频率下的结构振型，与某阶
振型进行对比，同时给出MAC值(见图10)，方便用户判断所得模态结果的正确性，所有模态
的MAC矩阵如图11所示。通过观察图11，认为所得到的模态结果比较可信。
图10 对比第二阶模态振型(左) 和指定频率下的振型(右)
图11 模态置信度（MAC）矩阵
需要指出的是，Me’scopeVES软件在模态分析的操作上是及其简便的，通过对各个传递函
数的模态指示函数的计算得到曲线拟合点的位置，然后进行曲线拟合得到频率和阻尼，进而
得到模态振型。在得到上述模态参数之后，Me’scopeVES软件还提供了多输入多输出建模
仿真功能(MIMO modeling &simulation)、结构动力学修改(Structural Dynamics
Modification)、与有限元网格结果结合进行试验有限元分析(Expeimental FEA)及有限元模
型更新(FEA Model updating)。借助于之前精准的模态试验结果，Me’scopeVES软件可以
有效地开展这些更具工程价值的分析工作。
结论
采用COCO80和Me’scopeVES结合进行模态试验的做法，既发挥COCO80灵巧轻便的特性，又
包含了Me’scopeVES在试验建模上的简便性和模态分析功能的完备性。该方案完全满足模
态分析的需要，并能在一些工程性的需求上，给出独特地解决方案，这些将为测试工作带来
很高的效率。