基于预试验分析的复杂箱体结构试验模态研究

　　模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。其中普遍采用的方法是数值模态分析和试验模态分析相结合来 解决工程结构振动问题，试验模态分析可以获得结构的模态参数，可以利用其结果检验、补充和修正原始有限元动力模型。目前，国内外学者在模态参数识别[1] [2]和试验模态分析[3，4]方面已经进行了很多研究，但在试验测点和激励点的优化方面[5]研究较少。在进行模态试验时，在已有的测试系统和参数识别 方法条件下，为充分激起结构给定频率范围内尽可能多的模态频率，获得高质量的试验测量数据，结构响应测点和激励点数目、位置和方向的优化变得尤为重要，其 准确与否直接影响后续工作的准确性。

　　本文以某型复杂变速箱箱体为研究对象，首先建立箱体的有限元模型，进行数值模态求解，并在此基础上对箱体进行预试验分析，优化响应测点数目及位 置、激励点位置及方向; 然后进行锤击模态试验，识别出表征箱体动力学特性的各阶模态参数，并将试验所得频响函数和模态置信判据准则( MAC) 与预试验分析结果进行比较。

　　1 箱体预试验分析

　　在对箱体进行模态试验之前，需对箱体模型、材料参数等做一系列的简化，使得有限元模型与实际结构间存在一定程度的差别，因此箱体有限元模型的准 确性对模态分析及预试验分析有一定的影响。但对于变速箱箱体这类复杂的结构，通过预试验分析可以对预先选取的响应点进行评价，在能够清楚地辨识各阶模态的 前提下将试验模态测试点数目降到最低，大大减少试验模态测试的工作量，同时得出较为理想的激励点的位置和方向，为模态试验提供参考，指导模态试验得到较理 想的模态数据，提高信噪比，保证测试精度。

　　1. 1 箱体有限元模态分析

　　该变速箱箱体由上箱体、下箱体、左端盖、右端盖、前盖五部分组成，结构复杂，解析法根本无法求得其模态，因此用有限元法进行求解。对箱体各部分 进行分析简化，建立其有限元模型，总计108403 个实体单元，主要由六面体和楔形体单元构成，箱体有限元模型如图1，并利用Lanczos 方法来求解系统的模态参数。图2 为0 Hz ～2 000 Hz 频率范围内结构的各阶模态频率分布，由图可知，箱体模态比较密集，共130 阶模态。

　　1. 2 响应测点的选择准则

　　在求得箱体有限元模态结果的基础上，选定一组响应测点，易于传感器安装、对结构局部质量和刚度影响不大并能准确地区分所感兴趣的各阶模态，对所选测点对应的有限元模态振型进行模态置信判据准则( MAC) 分析，检查各阶振型的相似程度，并以此判断所选测点是否合适。