5.4 分析实例

5.4.1 实例：白车身的模态分析

白车身是指焊接车身的本体部分，一般指不包括通过螺栓装配在车身本体上的部分（如车门、发动机罩板、行李箱盖以及需要螺栓连接的翼子板等）。白车身模态是车身局部刚度和动态性能的重要指标，在车型开发的过程中，白车身刚度的优劣直接影响到车辆的NVH性能、可靠性、安全性、动力响应特性等关键性能指标。

本例使用OptiStruct求解白车身模态，导入的模型中已包含白车身网格及材料参数，这里仅需要设置边界条件以及特征值求解方法。在HyperMesh启用Opti Struct类型的User Profile，导入BIW.fem文件，可看到图5-6所示的分析模型。

模型设置

Step 01 在HyperMesh的constraints面板设置结构的固定节点。该面板中load types为SPC，全选dof1～dof6。单击nodes按钮，选择车身的固定连接点，本例中选择下车体的4个安装点：190533、180431、190524、182493，单击create按钮，如图5-7所示。

Step 02 在HyperMesh的模型浏览器中右击并创建Load Collector。在Name中输入EIGRL，Card Image选择EIGRL，设定ND=20，如图5-8所示。该卡片表示提取最低的20阶结构模态，NORM默认为MASS，即采用广义质量归一化的模态振型。

Step 03 在HyperMesh的模型浏览器中右击并创建Load Step（分析/载荷步），如图5-9所示。

- Analysis type选择Normal modes。

- SPC选择Step 01创建的SPC类型Load Collector。

- METHOD（STRUCTURE）选择Step 02创建的EIGRL类型Load Collector。

Step 04 提交OptiStruct求解。在Analysis面板单击OptiStruct按钮提交求解。也可以使用“导出”按钮生成新的.fem文件，使用HyperWorks Solver Run Manager对话框提交求解，如图5-10所示。

结果查看

在HyperView中打开.h3d文件，可以查看白车身的模态振型结果。如图5-11所示，在Contour面板中，选择Eigen Mode（v）类型结果，单击Apply按钮即可显示模态振型云图。在HyperView的左上角可以选择需要查看的模态阶次。

5.4.2 实例：制动系统的复模态分析

汽车在制动过程中可能会产生较大的制动噪声，一般认为是制动器系统的结构因素引起了自激振动从而产生了制动噪声。

典型刹车啸叫分析流程Ⅰ：首先需设置一个非线性准静态分析（小位移）工况，并在复模态中通过STATSUB（BRAKE）引用前一步非线性准静态工况得到的模型状态（应力、集合刚度、摩擦等），然后执行复模态分析计算刹车不稳定模态。

典型刹车啸叫分析流程Ⅱ：通过DMIG卡片定义摩擦导致的刚度变化矩阵，然后通过工况定义的K2PP进行加载，并使用PARAM, FRIC定义矩阵系数。

本例使用流程Ⅱ进行复模态分析。导入brake.fem文件后，可以看到图5-12所示的制动系统，由制动盘和接触板组成。在制动盘和接触板之间用弹簧单元（CELAS1）建立接触点的法向力，摩擦力导致的附加刚度矩阵保存在DMIG.pch文件中。

模型设置

Step 01 进入Load Collector，单击card image按钮，选择EIGRL，单击create/edit按钮编辑EIGRL卡片。ND设为20，表示使用20阶实模态向量构造复特征值分析所需的子空间。

Step 02 单击card image按钮，选择EIGC，单击create/edit按钮编辑EIGC卡片。NORM选择MAX，MAX选项用于归一化特征向量。在ND0＿OPTIONS中，选择User Defined，然后设置ND0为12。

Step 03 单击Analysis->control cards，选择INCLUDE＿BULK并输入include的文件名DMIG.pch。

Step 04 单击K2PP，设置number＿of＿k2pps=1。在K2PP文本框中输入DMIG数据项的名称KF，然后单击return按钮返回。

Step 05 单击PARAM，选中G复选框。在G＿V1中输入0.2作为结构阻尼系数。

Step 06 选中FRIC复选框，在VALUE中输入0.05，作为缩放DMIG项的摩擦因数。

Step 07 在HyperMesh的模型浏览器中右击并创建Load Step。

- Analysis type选择Complex eigen （modal）。

- SPC选择创建的SPC类型load collector。

- METHOD（STRUCTURE）选择Step 01创建的EIGRL类型load collector。

- CMETHOD选择Step 02创建的EIGC类型load collector。

Step 08 提交OptiStruct求解。在Analysis面板单击OptiStruct按钮提交求解。也可以使用“导出”按钮生成新的.fem文件，使用HyperWorks Solver Run Manager对话框提交求解，如图5-13所示。

结果查看

在HyperView中打开.h3d文件查看复模态振型结果，如图5-13所示。在Contour面板中，选择Eigen Mode（v）（c）类型结果，单击Apply按钮即可显示模态振型的云图。在HyperView的左上角或在输出的.out文件中，可以看到第7阶以及第11阶模态的阻尼为负值，这说明制动盘存在导致刹车啸叫的不稳定模态。

5.4.3 实例：车辆声振耦合复模态分析

车辆在行驶过程中会由于路面激励导致其结构振动，而结构振动将带动车内空气的振动引发噪声。车内噪声问题是典型的声振耦合问题，可以使用复模态分析来处理这类问题。OptiStruct求解该问题的过程主要分为三步：结构模态计算、声腔模态计算以及声振耦合复模态计算，求解以后可以分别得到单独结构模态、单独声腔模态以及声振耦合复模态的计算结果。

本例分析车辆和车内空腔耦合振动的复模态。在HyperMesh中导入Acoustic＿Car.fem文件，模型如图5-14所示，这是一个简化的模型。模型中已包含基本的网格以及材料信息，在此基础上，需要进一步设置固体与流体域的实特征值分析卡片、固体与流体域的阻尼特性、复模态特征值分析卡片。

模型设置

Step 01 进入Load Collector。在loadcol name中输入eig＿struct，单击card image按钮，选择EIGRL，单击create/edit按钮编辑EIGRL卡片，V1为1.0，V2为200.0，表示提取车辆结构1～200Hz的振动模态。

Step 02 在loadcol name中输入eig＿fluid，单击card image按钮，选择EIGRL，单击create/edit按钮编辑EIGRL卡片，V1为1.0，V2为200.0，表示提取车内空腔1～200Hz的声腔模态。

Step 03 在loadcol name中输入eigc，单击card image按钮，选择EIGC，单击create/edit按钮进行编辑。在ND0＿OPTIONS中选择User Defined，然后设置ND0为100，表示提取声振耦合的前100阶模态。单击return按钮。

Step 04 单击Analysis->control cards，单击ACMODL按钮后返回。ACMODL启用了结构和声腔节点耦合的自动算法，不需要额外的输入参数。

Step 05 在control cards中，单击GLOBAL＿OUTPUT＿REQUEST按钮，并启用DISPLACEMENT，同时输出复模态计算时的结构位移解和声压压强。

Step 06 在control cards中，单击PARAM按钮，并启用结构阻尼系数G及流体阻尼系数GFL。如图5-15所示，结构阻尼系数为0.06，流体阻尼系数为0.16。

Step 07 在HyperMesh的模型浏览器中右击并创建Load Step，如图5-16所示。

- Name中输入couple＿eigc。Analysis type选择Generic。注意这里选择Complex eigen （ modal）可能会导致找不到METHOD （ FLUID）选项。

- METHOD （ STRUCT）选项： 选择名为eig＿struct的EIGRL卡片。

- METHOD （ FLUID）选项： 选择名为eig＿fluid的EIGRL卡片。

- CMETHOD选项：选择名为eigc的EIGC卡片。

Step 08 提交OptiStruct求解。在Analysis面板单击OptiStruct按钮提交求解。也可以导出生成新的.fem文件，使用HyperWorks Solver Run Manager对话框提交求解。

结果查看

在HyperView中打开.h3d文件查看耦合模态振型结果。在Contour面板中，选择Eigen Modes（v）（c）类型结果，单击Apply按钮即可显示结构模态振型的云图。

需要注意的是，声压压强保留在位移分量X中，声压的数量级一般远小于结构振动位移的数量级。在查看声压压强时，需要在HyperView中将声腔单独显示出来。图5-17所示为单独显示acous-tic＿cavity组件，并在Contour面板选择X分量的结果。

在OptiStruct输出的.out文件中，可以查看结构振动实模态、声腔实模态以及结构声学耦合复模态分析的各阶频率和阻尼g_s，如图5-18所示。