【摘 要】试验模态分析法是研究物体在激励下动态响应特性的一类基本方法。本试验通过该方法，以大阳牌摩托车发动机总成作为研究对象，求得发动机结构的传递函数并提取模态参数，得到发动机总成的固有频率和振型，为更深层次的动力学研究打好基础，同时研究锤击法的适用条件。为确保试验结果的真实性和有效性，利用有限元模态分析法对结果进行验证，对比两类方法结果，最终确定发动机总成的固有频率和振型。
【关键词】试验模态，锤击法，有限元法
一、前言
模态分析技术在汽车结构的振动特性分析、振动控制、故障诊断和预报以及噪声控制等方面有着十分广泛的应用。随着电子技术与计算机技术的迅速发展，模态分析已成为解决复杂结构故障诊断问题的主要工具。该方法分为试验法和计算法，分别对应于模态试验和有限元法，产生了试验建模和数学建模。
摩托车发动机作为摩托车的动力源和结构核心，其动态特性决定了摩托车整体性能的好坏。随着技术的不断进步，更高的强度、更轻的质量以及更小的空间占有率都推动着整个发动机行业的发展，而模态分析作为发动机动力学的基础，起到了至关重要的作用。
二、锤击法结构模态分析
（一）锤击法结构模态分析基本理论
试验模态以线性振动理论为基础，综合运用动态测试和数字信号处理等技术对结构模态参数加以辨识。其一般流程是采用实际实验的方法，对结构施加一定的激励使结构产生一定的振动响应，利用相关的仪器设备测量得到结构的响应，进行相关模态参数识别，从而进一步分析和解决实际振动问题。
（二）试验模态系统组成及试验方案介绍
1、试验模态系统组成
试验模态系统一般由激励设备、传感器、信号采集设备以及模态分析系统组成。本试验研究对象为大阳牌摩托车单缸发动机总成，包括缸体和缸盖两部分，其间垫有金属垫片，并由单个螺栓连接，表面分布有大量散热片，整体结构较复杂。
2、试验方案介绍
（1）测量方案
测量方案采用锤击模态分析法，通过对发动机整体、缸体、缸盖以及局部单个散热片的四组模态实验全面探究发动机结构的动态特性，其结果理论上能够反映整个发动机总成的动态特性。而锤击法的适用条件中关键的一点是保证结构的线性规律，固还需进行验证性试验。
（2）验证方案
验证材料属性对结构模态分析的影响：选取不同材料属性的敲击点作为唯一变量，分别选定位于缸体和缸盖的各一处敲击点，保证敲击方向不变对固定测点测量。若两组测量结果得到相同的固有频率则无影响，反之，则证明材料的非线性特质。
验证接触连接对结构模态分析的影响：将缸体和缸盖的接触紧密程度作为唯一变量，控制其间螺栓预紧力的大小表示接触程度大小，分别对同样的敲击点进行数据采集，若两组实验结果相同或相似则无影响，反之，则认为采用锤击法无法准确测得模态参数。
（三）试验数据分析与结论
在测量过程中，将各测点的频响函数合成为一组，确定前四阶固有频率如下：
表2.1 四组试验固有频率值
为确定测量结果的准确性，我们对发动机整体进行验证性试验：
（1）分析敲击点在不同材料中的两组数据，通过频响函数组求出两组差异较大的固有频率。由于试验采用控制变量法，可认为敲击点处材料不同而导致测得的固有频率不同。
（2）分析发动机螺栓的预紧调节，按照同样的方法发现预紧力的变化也会导致固有频率的变化。
三、有限元结构法模态分析
（一） 有限元结构模态分析基本理论
具有有限自由度的弹性系统运动方程，可应用动载荷虚功原理推导其矩阵形式：，其中为结构总质量矩阵；为结构总阻尼矩阵；为结构总刚度矩阵；为节点位移列阵；为结构的载荷列阵。当矩阵和的阶数为 时 ，系统自由振动特性（固有频率和振型）的求解就是求矩阵特征值和特征向量的问题。
（二）有限元分析法方案介绍
通过ANSYS求解发动机缸体和缸盖的模态参数，CATIA绘制模型图，尺寸及形状特征均采用实测求得。由于缸体和缸盖结构复杂，表面存在大量很薄且易局部变形的散热片，ANSYS可能将局部变形采集分析而得到固有频率。
显然，由于局部模态的影响导致得到的固有频率和振型并不能反映整个结构的动态特性。因此我们先对缸体缸盖原始实测模型做有限元分析，若无局部模态，则分析结构理论上可信，否则，需将模型简化，去掉容易导致局部模态的散热片再做有限元分析，由于此种方法并不能完全反映物体实际结构，固只能看作近似结果。
（三）试验数据分析与结论
利用ANSYS软件得出各阶固有频率与整体变形图，以试验模态数据为真值，与有限元结果对比如下：
分析两组结果的相对误差，发现缸体的结构变形基本符合整体变形且相对误差较小，可验证两种方法的可行性和正确性。而缸盖只有局部散热片发生了明显变形，整体几乎无变形且相对误差也较大。我们得出“由于缸盖局部模态影响导致其分析数据不准确”的结论。
为求得缸盖的固有频率和振型，我们忽略局部散热片作为简化模型来避免局部模态，所得变形图可认为是整体变形，但两种方法比较结果显示：前三阶的误差几乎都超过20%。我们认为忽略的散热片结构改变了缸盖原本的结构特性，加之缸盖内部结构的复杂性，在建模过程中也存在着部分简化，所以缸盖简化方案仅能大概估计其固有频率的范围，无法对试验组数据进行准确验证。
四、结论
在对发动机结构试验过程中，我们逐渐探索出锤击法的适用范围以及结构动力学特点即：
（1）对于两种不同材料组成的整体结构使用锤击法测量是不适用的；（2）对于两部分装配成整体的结构模态分析也不适用。
在此基础上，我们通过有限元模态仿真对模态试验结构进行验证，得出缸体试验数据的准确性，而缸盖的分析由于无法克服局部模态的影响，有限元法求得的固有频率仅能作为试验数据的参考范围。
参考文献：
[1]刘志勇.摩托车车架有限元模型及其动态特性分析[C].重庆大学，2003.
[2]黄礼彬.赵波.试验模态分析中的锤击法[J].洛阳工学院学报，1990，11（2）.