基于MxSim的車輛結(jié)構(gòu)有限元分析 課件 第五章 車輛結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

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模態(tài)分析是一種工程分析方法，用于研究結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在不同振動(dòng)條件下的響應(yīng)。它主要通過分析結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型和阻尼比等參數(shù)，來確定結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)或強(qiáng)制振動(dòng)下的響應(yīng)情況，以及結(jié)構(gòu)在振動(dòng)條件下的穩(wěn)定性和耐久性等方面的性能。模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、故障診斷、材料研究、地震工程等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。5.1?模態(tài)分析概述（1/2）

模態(tài)分析是一種工程分析方法，用于研究結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在不同振動(dòng)條件下的響應(yīng)。它主要通過分析結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型和阻尼比等參數(shù)，來確定結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)或強(qiáng)制振動(dòng)下的響應(yīng)情況，以及結(jié)構(gòu)在振動(dòng)條件下的穩(wěn)定性和耐久性等方面的性能。模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、故障診斷、材料研究、地震工程等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。簡單地說，模態(tài)分析是根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特征，包括頻率、阻尼和模態(tài)振型，這些動(dòng)力學(xué)屬性去描述結(jié)構(gòu)的過程。有關(guān)振動(dòng)的計(jì)算分析我們經(jīng)常做的是模態(tài)分析，即頻率提?。环€(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)分析，即頻率響應(yīng)；隨機(jī)振動(dòng)分析，即隨機(jī)響應(yīng)。有時(shí)也有一些瞬態(tài)分析，例如瞬時(shí)模態(tài)響應(yīng)分析。本部分主要講解模態(tài)分析。最簡單的模態(tài)分析就是對彈簧上自由振動(dòng)的質(zhì)量塊進(jìn)行的分析析。質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)5.1?模態(tài)分析概述（2/2）無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題：式中，K是剛度矩陣；M質(zhì)量矩陣；φi是第i階模態(tài)的振型向量（特征向量）；ω2是第i階模態(tài)的固有頻率（ω2是特征值）。提取模態(tài)的有限元方法特點(diǎn)BlockLanczos法該方法是默認(rèn)的特征值求解器，用于提取大模型的多階模態(tài)，速度快，但是要求的內(nèi)存多。子空間（Subspace）法計(jì)算精度較高，但是速度比縮減法的慢，可用于提取大模型的少數(shù)階模態(tài)。PowerDynamic法用于提取大模型的少數(shù)階模態(tài)，對于網(wǎng)格較粗的模型只能得到近似值，適用于提取100000以上自由度模型特征值的快速求解?？s減（Reduced/Householder）法用于提取小模型的模態(tài)（10000以下自由度）。常做的模態(tài)分析一般采用的是BlockLanczos法5.2?實(shí)例分析－托架焊接組件的模態(tài)分析

作為車輛底盤的重要部件，托架的動(dòng)剛度性能直接影響車輛的機(jī)動(dòng)性和操控穩(wěn)定性，因此對托架的設(shè)計(jì)有較高要求。進(jìn)行模態(tài)分析是評(píng)估其動(dòng)剛度性能的重要手段，能夠全面了解結(jié)構(gòu)特性，找出薄弱環(huán)節(jié)和造成剛度偏低的原因。1.導(dǎo)入幾何模型

2.網(wǎng)格剖分

3.材料定義4.截面屬性的創(chuàng)建與賦予；5.單元類型的定義與關(guān)聯(lián)6.創(chuàng)建分析工況；7.施加載荷；8.施加邊界條件9.創(chuàng)建輸出；10.創(chuàng)建計(jì)算任務(wù)；11.后處理5.2.1實(shí)例描述5.2.2分析步驟幾何模型振型圖5.3?實(shí)例分析－某汽車白車身的自由模態(tài)分析5.3.1?實(shí)例描述

對白車身進(jìn)行模態(tài)分析就是使其結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中盡量避免共振和噪聲，加強(qiáng)其穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)計(jì)算方法與結(jié)果可以為實(shí)車試驗(yàn)提供參考和依據(jù)。

對于白車身的自由模態(tài)分析，最值得關(guān)注的就是車身的一階彎曲模態(tài)頻率與一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。對于不同車型，其一階彎曲與一階扭轉(zhuǎn)的模態(tài)頻率范圍不同，根據(jù)分析結(jié)果確定模態(tài)頻率是否達(dá)標(biāo)，對不達(dá)標(biāo)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

MxSim支持多種格式的計(jì)算文件，本實(shí)例演示導(dǎo)入外部計(jì)算文件（.fem）計(jì)算某白車身的自由模態(tài)。白車身模型5.3?實(shí)例分析－某汽車白車身的自由模態(tài)分析5.3.2?分析步驟1、導(dǎo)入計(jì)算文件2、檢查模型網(wǎng)絡(luò)屬性賦予3、創(chuàng)建分析工況4、施加載荷5、施加邊界條件6、創(chuàng)建計(jì)算任務(wù)7、后處理變形前變形后一階彎曲模態(tài)5.4?實(shí)例分析－某新能源汽車電池pack包約束模態(tài)分析5.4.1?實(shí)例描述為了提高電動(dòng)汽車的能效和續(xù)航里程，新能源汽車開發(fā)者通常先將高性能電池單體組成電池模塊，再將電池模塊組裝成電池包箱體，因此電池包箱體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對于整個(gè)電池系統(tǒng)性能而言至關(guān)重要。CAE分析可以快速確定最優(yōu)的電池包箱體結(jié)構(gòu)，縮短研發(fā)時(shí)間，降低研發(fā)成本，提高汽車動(dòng)力性能和安全性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的技術(shù)需求與安全考量包括以下2個(gè)方面：提升電池系統(tǒng)性能：動(dòng)力電池PACK作為新能源汽車的“心臟”，其性能直接影響到整車的續(xù)航里程、加速性能以及使用壽命。通過模態(tài)分析，可以了解電池包在不同頻率下的振動(dòng)特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少共振現(xiàn)象，提高電池系統(tǒng)的整體性能。確保電池安全：電池PACK在復(fù)雜工況下（如高速行駛、急剎車、顛簸路面等）可能會(huì)受到各種動(dòng)態(tài)載荷，這些載荷可能導(dǎo)致電池包產(chǎn)生大變形，甚至引發(fā)短路、起火等安全問題。通過約束模態(tài)分析，可以識(shí)別潛在的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，提前采取措施進(jìn)行改進(jìn)，確保電池系統(tǒng)的安全性。0102電池pack包模型列表查看頻率值及特征值5.4?實(shí)例分析－某新能源汽車電池pack包約束模態(tài)分析5.4.2?分析步驟1234檢查模型網(wǎng)格屬性賦予施加載荷導(dǎo)入計(jì)算文