受约束结构约束模态分析必要性探讨

在实际工程应用中，像飞行中的飞机、太空中的卫星这种完全自由状态的结构是很少见的，大部分情况下结构都是受到各种约束。有人考虑到约束模态跟自由模态无论是在振型上还是固有频率上都存在非常大的差别，所以他们应按实际情况施加约束条件，进行约束模态分析。

但实际操作时，施加符合实际的约束极其困难。有些约束非常复杂，且包含有非线性因素，很难简化为可用于线性有限元分析的边界条件。而且大部分约束不是完全刚性的，用简单的0位移边界条件来模拟实际上是夸大了约束刚度，很可能得到不符合实际的结果，对于这类约束需要使用弹性支撑来模拟，建模复杂，且弹性支撑的刚度值不易获得。

汽车上的各种结构件通常都不是自由状态，或多或少受到约束，但是在汽车结构分析中，自由模态分析的应用范围远比约束模态分析广泛。适用于自由模态分析的结构件可分为以下三类：

第一类是受到柔性约束的结构。例如车身，在与底盘接附点处受到约束，但是接附点处是衬套等柔性件，因此约束刚度并不高，所以通常可忽略掉接附点处的约束，对车身做自由模态分析。

第二类是受到复杂约束的结构。例如副车架，在多个位置受到车身和悬架件的约束，这些约束有刚硬的，也有柔软的，而且涉及到接触、摩擦、螺栓预紧、橡胶大变形等多种非线性。对这些约束进行比较准确的模拟非常困难，所以我们通常将所有约束忽略掉，只做自由模态分析，并将计算结果与标杆副车架进行对比研究。

第三类是我们刻意忽略约束影响的结构。例如白车门，它在铰链和锁扣处都受到刚性很大的约束，进行有限元分析时，在这些位置施加适当位移约束是比较符合车门实际工作情况的。但是我们希望避开铰链和锁扣布置位置和局部结构特征的影响，考察车门整体结构设计方案。这种情况下我们仍然会选择自由模态分析，自由模态结果能够体现白车门本体的固有特性，可以根据它们来优化车门结构。