模态分析在结构设计中的运用体会及讨论
本帖最后由 zhoukai1981 于 2009-4-5 17:00 编辑为了获得更多的回应，我又发到这里，希望更多的人参与讨论。
1．在结构设计中，我们通常要运用模态分析的方法来辅助设计，提高结构设计的合理性和科学性。模态参数获取有两种方法：一种是有限元法，一般的FEA软件都可以计算，WB当然也没有问题拉；另一种是测试的方法，目前我们公司是用LMS Test.lab来测试。这两种方法对于测试简单的结构是没有问题的，我曾经用WB算过一个小结构的模态，同时用LMS Test.lab测试，尽管分析的时候网格质量不好，但是分析结果和试验结果很吻合。但是对于复杂的装配体结构，FEA软件就显得无能为力了，因为装配体有令人讨厌的结合面，对于结合面的分析，据我所知目前还没有比较好的办法（就算是最高最高的CAE高手恐怕也算不准），关于结合面的研究我们这里先略过不谈（我们主要讨论模态分析在结构设计中的运用）。所以复杂装配体的模态一般用测试的方法解决。当然CAE工程师可以用实验数据得到的结合面刚度阻尼值来修正自己的有限元模型。
2．在我们公司，说实话无论是有限元或者是测试的运用还很初步。一般模态分析的结果中，我最关注的是固有频率值及其振型。固有频率主要用以对照结构外的激振频率，看是否出现共振，共振出现的后果很严重，它会使设备的加工精度降低很多，另外固有频率值是衡量结构动静刚度的标杆，如果我想提高结构的动静刚度，不断改变自己设计的结构一般就能实现，当然设计水平也很重要；而通过观察振型我可以判断这个振型是否影响我设备的加工精度，如果影响的话，我会考虑将改变这个振型的频率，避免实际生产中出现加工精度降低的情况。
3．疑问。模态分析在CAE中应该很简单，算出固有频率和振型也很轻松。但是如何在设计中运用好这个工具其实有很多学问，我也还是个菜鸟。有蛮多不懂的问题。
好了，抛砖先到这里，如果有回应，我再继续。 研究自振频率对保证构件在交变载荷下安全工作很有意义。
zhoukai不妨讲讲静频率和动频率的几种测试方法吧？ jifulei 老大，固有频率还分静频率和动频率？？有这种说法吗？ 我这个帖子在ansys workbench版块也讨论过，讨论比较热烈，我把些精华的东西转过来。
jyq110回复：
模态分析是动力学分析中基础但十分重要的一项内容. 但用好的前提是:对结构的激励力需要有足够的认识,这样有时候是可以直接通过振型等判断来指导设计的. 装配体的模态分析未必就算不准,主要取决于你对实际结构的认识有多深,我们有很多的工程问题显示在充分认识结构的基础上是能够获得很好的计算结果并用于指导设计的. 如果你同时涉及测试和分析，相信你离算准只是时间问题, 那时间花在哪呢? 对结构的认识上, 好好花点时间去了解实际的或者类似的产品.Correlate your FE model by test step by step.
zhoukai1981反驳：
说的有一定的的道理，但是有些我感觉还不够准确。
我的工作主要是以设计为主，对于我所做分析的结构可以算是滚瓜烂熟于胸，因为这个结构就是我设计的，还有谁比设计师更熟悉这个结构呢？装配体模态计算的正确性绝不仅仅在熟悉产品这么简单，尤其是类似于螺栓结合面、导轨结合面的地方，关于结合面的研究老早就到了一个瓶颈了，由于结合部特性参数的影响因素众多，如结合面材料、加工方法和表面质量，结合面介质及其性质，结合面几何形状及法面压力大小等，特别是在结合部作用机理尚未被真正揭示之前，要在理论上精确获得结合部的特性参数及其分析计算表达式非常困难，故用有限元法识别精度还有待验证。
精度不够不代表不能指导设计，但你说你们能够对装配体的结合部计算正确，我不太相信。因为对于机械结合部的研究处于什么阶段我还是很清楚的，有日本和前苏联的学者曾经对于一些典型的机械结合部做过研究，并得出了相关的结合部参数，一般有限元计算者通常采用这些经验结合部参数（例如结合面刚度、阻尼）来计算，但是结果肯定是有偏差的。
希望经jyq110继续来讨论，你可以谈谈你们是如何运用模态来解决共振问题或者改善设计的呢？ 继续，
hjli6发表看法：
振动应该是一个世界性难题, 特别是大型部件. 楼主关心的是机床的精度,而我们还要关注部件的寿命.不能因为振动出现裂纹.
1.现在大部分软件都可以算固有频率,对网格没什么要求,算起来不难.可这个频率是在空气中的.那么在水中的哪, 有很多的工件是工作在水中的.水中的固有频率与空气中的是明显不同的.
2.有些时候各阶固有频率比较接近,即使把激振频率避让到两阶中间,仍然存在动态应力, 用哪个应力来算动态应力,是主应力,还是Von Mises,计算时阻尼选多少为合适？
有些时候计算结果出来了，还要跟已经安全运行的产品进行对比．
jg_meng 的看法：
我的看法是，振型模态分析要和结构强度刚度分析结合在一起，强度分析结果的高应力区如果和某一阶模态振型位移较大区域重合，就可认为结构是偏危险的，这些高应力区域有可能就是疲劳裂纹的萌生位置，而实际中的连续结构体振型应该是无穷多的，经典理论认为实际工程中能够对结构安全产生影响的往往只是低阶的频率振型，所以只要结构避开低阶共振区就能安全运行，然而随着结构形式运行条件等因素的不断变化，现代机械的振动形式也越来越复杂，除了静态强度刚度，动态强度刚度也越来越重要，就像楼上hjli6 所说的，在水中的湿模态分析，目前似乎还没有完美简洁的解决办法，计算分析所采用的模型和计算条件与实际运行中结构之间的差异会直接影响计算结果的精度，所以如何减小这个差异，或者说如何使分析过程更加接近实际是一直以来我们的目标 jyq110 继续：
讨论的确很激烈哈。关于机床的动力学特性问题，我不敢说很了解，但在硕士阶段也做了近两年。结合部动力学参数识别问题的确是个技术性难题。目前解决好这一问题的手段是：测试＋仿真，建立混合模型。另外对于产品的认知度问题是个值得讨论的问题，比如加强劲板形状的设计就是个问题。你是否已经能够罗列出各种简单振动模式下最好的结构形式？首先列一张表，然后你会心里有数些。但产品并非那么简单，所以需要设计复杂结构。那么，仅仅凭借模态测试是不够的，需要做结构形式的优化，那我们现有的优化技术中，拓扑优化是解决这一问题的好帮手。
知识结构的表象是宽度问题，但深度才是实质性问题。如果感觉到模态分析对于指导设计方面有困难，那么说明你对模态的理解还不够。 一个简单的问题: 你如何评价模态分析在动力学分析中的地位？看起来很简单，但回答起来却需要很深的功底。各位请将自己对模态分析的理解在本帖之后回复，谢谢！
zhoukai1981:
看来这个话题越来越有意思了，上面好几位高手的经验之谈让我收获颇丰，真的很感谢你们！
回复hjli6
对于水中结构的固有频率我到真还没有遇到过，不太了解。关于你的第二点，激振频率避让到两阶中间仍然存在动态应力的问题，我觉得难道不能稍微改变下产品的结构避开激振频率吗？
回复g_meng
你说得很对，动态刚度非常重要，动刚度是抗振能力的指标，但是到底多大的动刚度是才能满足设计的指标呢？恐怕这个很难有个标准吧，可能产品设计师都不清楚
回复jyq110
感觉你是个高手，搞机床动力学的，国内不多，你是昆理工or天大毕业？
和我想的一样，模态计算只是第一步，关键在于结构的优化，通过CAD和CAE的协同设计可以解决，我觉得WB就能很好地解决问题，虽然它的优化功能不是很强。对于加强筋板的形状与分布，老的设计师心里一般都有底，比如哪种形状的筋板抗扭，哪种形状的筋板抗弯。 jyq110继续高论：
"对于加强筋板的形状与分布，老的设计师心里一般都有底，比如哪种形状的筋板抗扭，哪种形状的筋板抗弯". 老设计师心里可能都是按照以往的设计思路进行的，这种技术进步非常缓慢，原因很简单，几乎没有时间去研究一个并非存在的产品，都是在已有产品设计基础上进行结构的更改。另外，我们看到国内高精度机床的技术水平一直没有得到突破原因也正是在此。我曾经利用优化软件在30分钟内生成了一个结构形式，但你知道这种结构却是10几年经验的总结。所以我们需要做的是在消化和吸收老技术工程师的技术基础上完成技术的革新，我们曾拿到德国一家公司的产品，测试和计算发现他们的产品第一阶模态就到了300Hz以上,而同形式的产品，国内仅能到70几Hz.这个差距是何等的大？想办法把我们的产品也做到这样，那你就牛了。
zhoukai1981提出问题：
有个问题想和兄台探讨一下，整机动态特性应该取决于单个零件的动态特性以及它们之间连接的刚度和阻尼特性。在整机模态分析中，由于存在了太多的结构件之间的刚度和阻尼特性的不确定性，计算是无能为力的，只有通过试验来解决。那么处于整机装配中的某一个零件应该可以看作附加了边界条件的，其固有频率理论上当然可以计算的。打个比方，整机固有频率为50HZ,处于整机装配中的某一个零件的约束模态的固有频率为120HZ,外界的激振频率为120HZ,会否发生共振？如果共振，难道只有那个零件在共振？理论上说得通，实际情况真会如此吗？
jyq110回答:
"打个比方，整机固有频率为50HZ,处于整机装配中的某一个零件的约束模态的固有频率为120HZ,外界的激振频率为120HZ,会否发生共振？如果共振，难道只有那个零件在共振？理论上说得通，实际情况真会如此吗？" 这个问题是个十分典型的问题，在动力学中激励力的作用范围往往是明显的，但并不一定就能说固有频率一定被激励起来，问题在于：能量是否能够传递到子结构中引起响应的放大？能量在传递途中是会发生衰减的，因此，正确考虑激励力和响应之间的关系可以为模态试验更好的服务。例如激励力就选择在结构激励源附近，就可以同时考虑到模态和激励的影响。这一点是十分重要的，传递路径分析就是基于此思想。
“如果共振，难道只有那个零件在共振？理论上说得通，实际情况真会如此吗？”这个问题也是十分典型的动力学问题，在这一点上，需要说明的是波动范围大小是由频率和媒体介质共同决定的。例如板类结构其最典型的振动形式是弯曲波，弯曲波速是可以通过计算获得的，也可以通过查资料获得。在获得频率和波速的基础上，波动范围是可以获得的。因此，类似于声学问题，低频波动总是大面积传递，而高频总是局部问题。利用功率流法可以了解结构振动能量的传递问题，更加容易判别振动对周边结构介质的影响。 hjli6高级会员针对“有些结构，比如循环周期解构，是必然存在频率分布密集区的，看过一篇文章，定义为通频带和禁频带，提出一种谐波判别的方法，目前我也在做这方面的东西，还希望有同行一起来探讨啊”问题：
对于循环周期结构,确实存在这种情况.有些激振频率是固定的,我们可以躲,可由于工况是变化的.有些激振频率是躲不开的. 这是谁也解决不了的,用户只好接受, 来个有条件接受.提出将来解决.
实际是解决不了的,只好来个折衷的禁频带. 告诉你,这是雷区,不要停留, 要快速通过.
现在能做的也就是:
1.缩小禁频带.
2.高负荷工作区避开禁频带.
3,转移和降低高应力点,即使真的振了几下,也不会开裂. jyq110针对“上周我刚用Testlab做了悬架杆件的模态试验，然后与之前有限元计算进行了对比，发现相对应振型的模态频率有一定的误差。我想请教各位，一般误差控制在多少范围内，才认为FE模型是有效的？”这个问题的见解：
没有绝对的，我想知道你如何评价振型是否具有良好的一致性？MAC多少？在对振动响应进行模拟计算时，更重要的是振型而不是固有频率，虽然固有频率值也很重要，但固有频率的差距是很好处理的。因此，你的问题没有准确的说法，我们有些结构FEA和Test的固有频率差别很小：5%以内，但振型有时候并不好。在利用振型不准确但固有频率很接近的模型进行动力学计算时问题会非常多如动应力差别会非常大，原因在于不同的振型对应于不同的动应力分布，振动响应那也同样如此。所以Correlation主要是目的是对振型的判断。目前固有频率值通过调整参数容易改进，但振型是较难处理的。振型优化技术十分缺乏。
页:
[1]