5.4 分析實例

5.4.1 實例：白車身的模態分析

白車身是指焊接車身的本體部分，一般指不包括通過螺栓裝配在車身本體上的部分（如車門、發動機罩板、行李箱蓋以及需要螺栓連接的翼子板等）。白車身模態是車身局部剛度和動態性能的重要指標，在車型開發的過程中，白車身剛度的優劣直接影響到車輛的NVH性能、可靠性、安全性、動力響應特性等關鍵性能指標。

本例使用OptiStruct求解白車身模態，導入的模型中已包含白車身網格及材料參數，這里僅需要設置邊界條件以及特征值求解方法。在HyperMesh啟用Opti Struct類型的User Profile，導入BIW.fem文件，可看到圖5-6所示的分析模型。

模型設置

Step 01 在HyperMesh的constraints面板設置結構的固定節點。該面板中load types為SPC，全選dof1～dof6。單擊nodes按鈕，選擇車身的固定連接點，本例中選擇下車體的4個安裝點：190533、180431、190524、182493，單擊create按鈕，如圖5-7所示。

Step 02 在HyperMesh的模型瀏覽器中右擊并創建Load Collector。在Name中輸入EIGRL，Card Image選擇EIGRL，設定ND=20，如圖5-8所示。該卡片表示提取最低的20階結構模態，NORM默認為MASS，即采用廣義質量歸一化的模態振型。

Step 03 在HyperMesh的模型瀏覽器中右擊并創建Load Step（分析/載荷步），如圖5-9所示。

- Analysis type選擇Normal modes。

- SPC選擇Step 01創建的SPC類型Load Collector。

- METHOD（STRUCTURE）選擇Step 02創建的EIGRL類型Load Collector。

Step 04 提交OptiStruct求解。在Analysis面板單擊OptiStruct按鈕提交求解。也可以使用“導出”按鈕生成新的.fem文件，使用HyperWorks Solver Run Manager對話框提交求解，如圖5-10所示。

結果查看

在HyperView中打開.h3d文件，可以查看白車身的模態振型結果。如圖5-11所示，在Contour面板中，選擇Eigen Mode（v）類型結果，單擊Apply按鈕即可顯示模態振型云圖。在HyperView的左上角可以選擇需要查看的模態階次。

5.4.2 實例：制動系統的復模態分析

汽車在制動過程中可能會產生較大的制動噪聲，一般認為是制動器系統的結構因素引起了自激振動從而產生了制動噪聲。

典型剎車嘯叫分析流程Ⅰ：首先需設置一個非線性準靜態分析（小位移）工況，并在復模態中通過STATSUB（BRAKE）引用前一步非線性準靜態工況得到的模型狀態（應力、集合剛度、摩擦等），然后執行復模態分析計算剎車不穩定模態。

典型剎車嘯叫分析流程Ⅱ：通過DMIG卡片定義摩擦導致的剛度變化矩陣，然后通過工況定義的K2PP進行加載，并使用PARAM, FRIC定義矩陣系數。

本例使用流程Ⅱ進行復模態分析。導入brake.fem文件后，可以看到圖5-12所示的制動系統，由制動盤和接觸板組成。在制動盤和接觸板之間用彈簧單元（CELAS1）建立接觸點的法向力，摩擦力導致的附加剛度矩陣保存在DMIG.pch文件中。

模型設置

Step 01 進入Load Collector，單擊card image按鈕，選擇EIGRL，單擊create/edit按鈕編輯EIGRL卡片。ND設為20，表示使用20階實模態向量構造復特征值分析所需的子空間。

Step 02 單擊card image按鈕，選擇EIGC，單擊create/edit按鈕編輯EIGC卡片。NORM選擇MAX，MAX選項用于歸一化特征向量。在ND0＿OPTIONS中，選擇User Defined，然后設置ND0為12。

Step 03 單擊Analysis->control cards，選擇INCLUDE＿BULK并輸入include的文件名DMIG.pch。

Step 04 單擊K2PP，設置number＿of＿k2pps=1。在K2PP文本框中輸入DMIG數據項的名稱KF，然后單擊return按鈕返回。

Step 05 單擊PARAM，選中G復選框。在G＿V1中輸入0.2作為結構阻尼系數。

Step 06 選中FRIC復選框，在VALUE中輸入0.05，作為縮放DMIG項的摩擦因數。

Step 07 在HyperMesh的模型瀏覽器中右擊并創建Load Step。

- Analysis type選擇Complex eigen （modal）。

- SPC選擇創建的SPC類型load collector。

- METHOD（STRUCTURE）選擇Step 01創建的EIGRL類型load collector。

- CMETHOD選擇Step 02創建的EIGC類型load collector。

Step 08 提交OptiStruct求解。在Analysis面板單擊OptiStruct按鈕提交求解。也可以使用“導出”按鈕生成新的.fem文件，使用HyperWorks Solver Run Manager對話框提交求解，如圖5-13所示。

結果查看

在HyperView中打開.h3d文件查看復模態振型結果，如圖5-13所示。在Contour面板中，選擇Eigen Mode（v）（c）類型結果，單擊Apply按鈕即可顯示模態振型的云圖。在HyperView的左上角或在輸出的.out文件中，可以看到第7階以及第11階模態的阻尼為負值，這說明制動盤存在導致剎車嘯叫的不穩定模態。

5.4.3 實例：車輛聲振耦合復模態分析

車輛在行駛過程中會由于路面激勵導致其結構振動，而結構振動將帶動車內空氣的振動引發噪聲。車內噪聲問題是典型的聲振耦合問題，可以使用復模態分析來處理這類問題。OptiStruct求解該問題的過程主要分為三步：結構模態計算、聲腔模態計算以及聲振耦合復模態計算，求解以后可以分別得到單獨結構模態、單獨聲腔模態以及聲振耦合復模態的計算結果。

本例分析車輛和車內空腔耦合振動的復模態。在HyperMesh中導入Acoustic＿Car.fem文件，模型如圖5-14所示，這是一個簡化的模型。模型中已包含基本的網格以及材料信息，在此基礎上，需要進一步設置固體與流體域的實特征值分析卡片、固體與流體域的阻尼特性、復模態特征值分析卡片。

模型設置

Step 01 進入Load Collector。在loadcol name中輸入eig＿struct，單擊card image按鈕，選擇EIGRL，單擊create/edit按鈕編輯EIGRL卡片，V1為1.0，V2為200.0，表示提取車輛結構1～200Hz的振動模態。

Step 02 在loadcol name中輸入eig＿fluid，單擊card image按鈕，選擇EIGRL，單擊create/edit按鈕編輯EIGRL卡片，V1為1.0，V2為200.0，表示提取車內空腔1～200Hz的聲腔模態。

Step 03 在loadcol name中輸入eigc，單擊card image按鈕，選擇EIGC，單擊create/edit按鈕進行編輯。在ND0＿OPTIONS中選擇User Defined，然后設置ND0為100，表示提取聲振耦合的前100階模態。單擊return按鈕。

Step 04 單擊Analysis->control cards，單擊ACMODL按鈕后返回。ACMODL啟用了結構和聲腔節點耦合的自動算法，不需要額外的輸入參數。

Step 05 在control cards中，單擊GLOBAL＿OUTPUT＿REQUEST按鈕，并啟用DISPLACEMENT，同時輸出復模態計算時的結構位移解和聲壓壓強。

Step 06 在control cards中，單擊PARAM按鈕，并啟用結構阻尼系數G及流體阻尼系數GFL。如圖5-15所示，結構阻尼系數為0.06，流體阻尼系數為0.16。

Step 07 在HyperMesh的模型瀏覽器中右擊并創建Load Step，如圖5-16所示。

- Name中輸入couple＿eigc。Analysis type選擇Generic。注意這里選擇Complex eigen （ modal）可能會導致找不到METHOD （ FLUID）選項。

- METHOD （ STRUCT）選項： 選擇名為eig＿struct的EIGRL卡片。

- METHOD （ FLUID）選項： 選擇名為eig＿fluid的EIGRL卡片。

- CMETHOD選項：選擇名為eigc的EIGC卡片。

Step 08 提交OptiStruct求解。在Analysis面板單擊OptiStruct按鈕提交求解。也可以導出生成新的.fem文件，使用HyperWorks Solver Run Manager對話框提交求解。

結果查看

在HyperView中打開.h3d文件查看耦合模態振型結果。在Contour面板中，選擇Eigen Modes（v）（c）類型結果，單擊Apply按鈕即可顯示結構模態振型的云圖。

需要注意的是，聲壓壓強保留在位移分量X中，聲壓的數量級一般遠小于結構振動位移的數量級。在查看聲壓壓強時，需要在HyperView中將聲腔單獨顯示出來。圖5-17所示為單獨顯示acous-tic＿cavity組件，并在Contour面板選擇X分量的結果。

在OptiStruct輸出的.out文件中，可以查看結構振動實模態、聲腔實模態以及結構聲學耦合復模態分析的各階頻率和阻尼g_s，如圖5-18所示。