6.1.1 基本概念
模态分析是振动工程理论的一个重要分支，是研究结构动力特性的一种近代方法。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定机械系统的自然频率、振型和振型参与系数，即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动。这些模态参数可由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
模态分析的主要目的是用于确定系统振动特性，即系统结构的固有频率及与此相对应的振型。由于车辆在行驶过程中受到各方面的动态载荷，如路面不平、发动机相关的振动冲击等，使得车辆发生振动。为避免因系统结构的固有频率与其他动态载荷的频率相同和相近而引发的共振，一般需要对车架结构进行模态分析。模态分析也是其他更为深入分析的起点，如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等。
模态分析为汽车的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具。特别是计算机技术和有限元方法的发展，为模态分析在汽车设计中的应用提供了有力工具。在汽车设计中，通过模态分析可以预先掌握所设计产品的动态特性，从动态角度对产品进行设计，使所设计的产品满足动态要求。车辆结构的固有振动频率和振型可以从两个方面获得，一是通过对实际样车进行试验，识别出结构的各阶模态频率和振型；二是通过理论分析计算得出结构的各阶模态和振型。前者的局限性在于必须在设计样车制造出来后，才能进行试验分析，得出产品的基本动态特性，再返回去修改设计，通过几轮样车制造和大量的试验分析，最终得到较为满意的产品，其周期长、费用高。后者可以在没有实际样车而只有设计图纸的情况下，得出所设计产品的各阶模态，预测出产品的动态特性，从而能减少样车的制造次数与试验次数，节省开发费用和缩短开发周期。
需要明确的是模态分析中只有线性行为是有效的，如果指定了非线性单元，它们将被当成是线性的。如果分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值，并且不再改变此刚度值。在模态分析中必须指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。材料性质可以是线性的或非线性的、各向同性或正交各向异性的、恒定的或与温度有关的，非线性特性将被忽略。
对于复杂的汽车结构，可以直接利用CAD的设计数据，并根据有限元计算需求进行必要的简化后，可得到汽车结构的几何模型。几何上需要考虑点焊的地方，加上硬点，使其几何上完全协调；需要消除焊点焊缝的地方，使两个零件相同位置硬点处的两个节点同节点化，使之连为一体。例如，对于车身，部分零件的3D数据间存在用于让位的料缝缝隙，需进行几何上的协调。也可以部分利用CAD的几何模型数据，同时利用梁单元和板壳单元模拟焊缝焊点。例如，对于汽车车身，主要是由钣金冲压件和等半径、等厚度的钢管横梁经过点焊和CO2保护焊焊接后组成，可用壳体单元和部分梁单元来模拟车身零件的薄板钣金结构和横梁的钢管结构。
建模时可以考虑忽略车身上用于装配其他部件的螺钉、螺母、零件中面与面之间较小的倒圆和倒棱，以及对力学结构影响较小的一些冲压筋、孔和其他工艺结构，并忽略车身中非重要结构的小零件。对重要零件进行简化时，尽量保持与原始CAD设计的结构一致，在结构上较少简化，以便真实反映零件的结构特征。由于汽车在结构上是由多个零件组成的，在建立几何模型时，应根据零件名称建立零件组，每一个组中放一个零件。
图6-1是悍马汽车车架有限元模型，由于悍马车在雨林地区使用过程中出现锈蚀问题，因而打算在箱形的车架上打排水孔，为了确定这样做会不会影响车架整体结构的强度，从而进行了有限元分析。这些操作可以在ANSYS Workbench中较为方便地实现。
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图6-1 悍马汽车车架有限元模型
把汽车结构简化成为质量、弹簧系统，如图6-2所示，在总体设计中较为常用，用于快速分析汽车振动系统的关键模态参数。这类建模分析可以在ANSYS Calssic中较为方便地实现。
由于与其他CAD软件有较好的接口，ANSYS Workbench对车辆上复杂结构的模态分析是非常方便的，而对于车辆系统振动离散模型的模态分析，在ANSYS Apdl操作平台下更为方便。
模态分析过程一般由4个主要步骤组成：建模、加载和求解、扩展模态、观察结果和后处理，下面结合如图6-3所示的平面悬臂梁的模态分析，分别介绍在ANSYS Workbench和ANSYS Calssic两个平台下如何进行模态分析。
图6-2 汽车四自由度振动模型
图6-3 悬臂梁模型及参数