【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片

為提供訪客更多、更清楚的資訊,我們建立【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片,只要10分鐘的時間,快速為您介紹聯盟網頁架構、網頁內涵及如何應用,讓您多了解【振動噪音產學技術聯盟】網頁!

振動噪音產學技術聯盟

Facebook粉絲專頁

《振動噪音科普專欄》¼車輛行駛模型(Quarter Car Model) – (1)模態分析(Modal Analysis)

這個單元要來探討的主題是:【¼車輛行駛模型 (Quarter Car Model) (1) 模態分析(Modal Analysis)

 

在先前單元:#318如何建構「離散系統」的「數學模型」?- 車輛行駛模型(Vehicle Riding Model)】,介紹了¼車體模型】的「數學建模(mathematical modeling),以取得對應於「實際結構」的等效「數學模型(mathematical model)

 

首先回顧一下,先前單元:#314車輛動力學(Vehicle Dynamic):如何定義車體的自由度(DOF)】,參閱圖示左上方示意圖,是「車輛動力學」對汽車慣用的DOF定義與變數符號,就是:𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍,分別是3個方向位移/平移自由度(displacement DOF),以及3個方向旋轉自由度(rotational DOF)

 

𝒙 縱向位移(longitudinal displacement)

𝒚 側向位移(lateral displacement)

𝒛 垂直位移(vertical displacement)

𝝓 翻滾角度(roll angle)

𝜽 前傾角度(pitch angle)

𝝍 旋轉角度(yaw angle)

 

參閱圖片左下方,以一個很簡化的【¼車體行駛動態分析模型】為例做說明。初步的假設呢,一部汽車會有4個輪子,此模型假設汽車的左右、前後對稱,所以只取了一個輪子,因此稱為【¼車體模型(quarter car model)

 

針對「離散系統(discrete system)的「數學建模」,有7個步驟,包括:

 

1. 定義系統之質塊元件

2. 定義系統之連接元件

3. 定義系統之自由度

4. 定義系統之邊界條件

5. 定義系統之輸入條件

6. 定義系統之初始條件

7. 定義有興趣之系統輸出參數

 

可以得到圖片中間下方的【¼車體行駛動態分析模型】。

 

要分析這個【¼車體模型(quarter car model),會有4種分析:

 

(1)   系統之模態參數(modal parameters)自然頻率(natural frequency )𝒇𝒓模態振型(mode shape)𝝓𝒓模態阻尼比(modal damping ratio)𝝃𝒓。必須進行「模態分析」(modal analysis)

(2)   系統之頻率響應函數FRF (frequency response function):在此會有興趣的是,位移傳輸比(displacement transmissibility)=𝑻𝒓=𝑿𝒓 (𝒇)/𝒀(𝒇)𝒓=𝟏,𝟐,𝟑。必須進行「簡諧響應分析」(harmonic response analysis)

(3)   系統的位移/速度/加速度之時間域響應:探討行駛於不同路面狀態的響應 𝒙(𝒕) , 𝒗(𝒕), 𝒂(𝒕)。必須進行「暫態響應分析」(transient response analysis)

(4)   系統的位移/速度/加速度之頻率域響應:探討行駛於隨機路面狀態的響應 𝑿(𝒇) , 𝑽(𝒇), 𝑨(𝒇)。必須進行「頻譜響應分析」(spectrum response analysis)

 

本單元的重點,主要在討論「模態分析」(modal analysis)

 

要對這個系統,進行後續的分析,就需要推導系統的運動方程式(equation of motion, EOM),參閱圖示中間上方,可以得到「基座激振多自由度系統」的通式如下:

 

[𝑀]{𝑥 ̈}+[𝐶]{𝑥 ̇}+[𝐾]{𝑥}=[𝐶’]{𝑦 ̇}+[𝐾’]{𝑦}

 

由系統運動方程式」的[𝑀][𝐶][𝐾]矩陣,就可以進行模態分析」,以求得系統的模態參數(modal parameters)由於此系統有3個自由度,所以,會有3振動模態(vibration mode),每個「振動模態」會有:

 

1.      自然頻率(natural frequency)𝒇𝒓𝒇1=1.2125 Hz𝒇2=4.6601 Hz𝒇3=10.7113 Hz

2.      模態阻尼比(modal damping ratio)𝝃𝒓𝝃1=0.0381𝝃2=0.1461𝝃3=0.3365

3.      模態振型(mode shape)𝝓𝒓{𝝓1}{𝝓2}{𝝓3},分別是3x1位移模態振型向量 (displacement mode shape vector)

 

另外,也可以採用有限元素分析(finite element analysis, FEA),就需要建構對應數學模型」的有限元素模型(finite element model)。參閱圖示右下方的「有限元素模型」,是由質量元素(mass element)和彈簧阻尼元素(combination element)所組成。進行模態分析」。也可以求得系統的模態參數(modal parameters)

 

參閱圖示右下方的3模態振型(mode shape)特徵,簡要說明其振動特性如下:

 

1.      {𝝓1}𝒙𝟏振動的小,而𝒙𝟐𝒙3是同相(in-phase)的振動。

2.      {𝝓2}𝒙𝟏振動的比較大,而𝒙𝟐𝒙3振動的比較小。

3.      {𝝓3}𝒙𝟏振動的小,而𝒙𝟐𝒙3是反相(out-of-phase)的振動。

 

模態振型」的物理意義,可以瞭解各個系統自由度的振動關係。

 

綜合一下這個單元的討論,是針對【¼車體行駛動態分析模型】,也就是【¼車體模型(quarter car model)。著重於「模態分析」(modal analysis)的理念說明,可以求得系統的模態參數(modal parameters)。分析步驟,包括:

 

1.      推導系統的運動方程式(equation of motion, EOM):得到「基座激振多自由度系統」的通式,[𝑀]{𝑥 ̈}+[𝐶]{𝑥 ̇}+[𝐾]{𝑥}=[𝐶’]{𝑦 ̇}+[𝐾’]{𝑦}

2.      進行「模態分析」(modal analysis):可以得到模態參數(modal parameters),包括:自然頻率(natural frequency )𝒇𝒓模態振型(mode shape)𝝓𝒓模態阻尼比(modal damping ratio)𝝃𝒓

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2023.05.16