某轎車白車身模態(tài)試驗方法分析研究

汪 坤 潘紹飛

成都理工大學工程技術(shù)學院，四川樂山 614000

目前，世界各國汽車公司競爭日趨激烈，人們對汽車品質(zhì)要求也越來越高。因此，提高汽車性能，對汽車研發(fā)周期的縮短也顯得更為重要。通過經(jīng)驗和實踐的指導，我們知道，對于標桿車型可以選擇市面上已有的相似車型作為參考車型，利用有限元分析法和試驗分析法對其進行靜態(tài)性能分析和動態(tài)性能分析，將會對所研發(fā)的新車型起到一定的參考作用。新車型的研發(fā)很大程度上取決于白車身的設(shè)計，而白車身的特性對汽車的性能有直接的影響。白車身的動態(tài)特性可以利用模態(tài)試驗進行分析，它對車輛的舒適性和結(jié)構(gòu)可靠性方面起著重要的作用[1]。本文以市面上某款轎車的白車身作為模態(tài)試驗與分析對象，確定了白車身低階固有頻率、阻尼比和模態(tài)矩陣的模態(tài)參數(shù)，并分析了前后有無擋風玻璃對白車身動態(tài)性能的影響。

1 白車身模態(tài)試驗系統(tǒng)

模態(tài)試驗系統(tǒng)的組成分為四部分，其分別為激勵系統(tǒng)、響應系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模態(tài)分析處理系統(tǒng)[2][4]。本試驗的激勵系統(tǒng)主要包括：信號源、功率放大器和激振器；響應系統(tǒng)包括：標智3向加速度傳感器、信號放大器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：LMS SC316多通道數(shù)據(jù)采集器；模態(tài)分析處理系統(tǒng)包括：LMS Test.Lab 11B和計算機。對激振和響應信號的實時采集可以通過LMS數(shù)據(jù)采集器和LMS Test.Lab 11B軟件實現(xiàn)，然后把采集到的時域信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換盒和離散傅氏變換的快速算法變換后變成頻域信號，并經(jīng)過運算后可以得到頻率響應函數(shù)FRF[2]。模態(tài)試驗方案原理如圖1所示。其中，加速度傳感器的技術(shù)參數(shù)見表 1。

圖1 模態(tài)實驗方案原理

表1 傳感器的主要技術(shù)參數(shù)

2 白車身模態(tài)試驗方法及試驗步驟

2.1 白車身幾何模型的建立

在模態(tài)試驗開始之前，首先需要建立白車身的幾何模型，其目的是確定測試點位置以便于模態(tài)試驗及模態(tài)參數(shù)的建立。白車身幾何模形的建立方法分為兩步：（1）選擇測試的點，點的選擇需要遵循：①測試點應該能夠完全描繪整個白車身的形狀，反映出振動模式。在一般情況下，可以選擇剛度好和結(jié)構(gòu)清晰的位置來保證測試點的響應信號質(zhì)量。②測點應均勻?qū)ΨQ分布在白車身上，且測點數(shù)目不宜過少，否則很難反映測試白車身的形狀和振動特性；也不易過多，否則會增大試驗的工作量和處理數(shù)據(jù)的繁雜；③測點不應在各階振型的振動節(jié)點上，否則會導致無法識別模態(tài)陣型；④如果白車身某一部位有角度，在其上布置測點時，需要利用歐拉角對其進行坐標變換，否則白車身的形狀無法真實的被反映出來，這樣會對模態(tài)振型和識別結(jié)果造成影響。（2）根據(jù)白車身不同部位與共線或不同測量點幾何特征之間的界面關(guān)系，將點與線或面連接，建立整個白車身的幾何模型。本試驗根據(jù)該款白車身的結(jié)構(gòu)布置了169個測點并建立了幾何模型，如圖2所示。

圖2 白車身測點及幾何模型

表2 傳感器布置位置及測試點數(shù)

2.2 白車身固定方式和激振點的布置

2.2.1 固定方式的確定

模態(tài)試驗一般有兩種固定方式，分別為：固定支撐和自由—自由支撐；其中自由—自由支撐也分為兩種：（1）空氣彈簧支撐；（2）彈性繩懸掛白車身。本實驗采用空氣彈簧支撐，剛體模態(tài)頻率為3.97Hz遠小于一階彈性模態(tài)頻率 38.1Hz 的15%，滿足白車身自由—自由支撐的試驗要求。

2.2.2 激振點的布置

本文結(jié)合大量的試驗表明，白車身模態(tài)試驗的激振點的選取需要遵循：（1）選在剛度較大且有利于安放激振器的位置；（2）應避開某階模態(tài)的節(jié)點和支撐點附近的位置，否則無法識別模態(tài)參數(shù)，影響模態(tài)陣型；（3）激振點應布置在對角線上，這樣有利于結(jié)構(gòu)上的激勵能量更充分，獲取的響應信號有較好的質(zhì)量。

由試驗經(jīng)驗可知：白車身模態(tài)試驗的激振點一般最多布置兩到三個，如果激振點選擇過多，那樣會導致頻率響應函數(shù)曲線的質(zhì)量變差。本次試驗布置兩個激振器，激振點的位置分別位于車身左后縱梁圖3（a）和右前縱梁圖3（b）。

圖3 激振器布置位置

2.3 試驗內(nèi)容

對于試驗中使用白車身，它的兩種狀態(tài)分別是：

（1）第一種狀態(tài)：副車架和前后擋風玻璃都保留以及地板有阻尼；

（2）第二種狀態(tài)：有副車架和沒有前后擋風玻璃以及地板有阻尼。

根據(jù)試驗經(jīng)驗我們可得知：對白車身模態(tài)試驗頻率的要求為：0～100Hz；因此，考慮到汽車實際行駛工況和道路激勵等的因素，本次試驗的白車身模態(tài)試驗的試驗頻段取為 0～100Hz。測試時分析頻率為256Hz；Spectral lines為256；頻率分辨率為1.0Hz；采集時間為1.0s。

為了降低測試中噪聲的影響和隨機誤差的影響，試驗應該進行多次平均，因此本次試驗采用平均技術(shù)來降低隨機誤差，試驗平均次數(shù)為30次。由于加速度傳感器數(shù)量不足，不能一次布置所有測點，需要移動傳感器對白車身進行測量；為保證測量的頻響函數(shù)質(zhì)量可靠，應實時檢測響應信號和激勵信號之間的相干函數(shù)，只有相干函數(shù)在0.8以上的信號才認為有效[4]。最后，綜合分析了各測試點加速度響應的頻率響應函數(shù)，得到模態(tài)頻率和相應的模態(tài)振型。

3 模態(tài)試驗的結(jié)果與分析

對于白車身的第一種狀態(tài)（有副車架、有安裝玻璃、地板有阻尼），通過測試可得各響應點的頻響函數(shù)，基于響應點頻響函數(shù)進行模態(tài)識別，可得穩(wěn)態(tài)圖，如圖4所示。

圖4 白車身第一種狀態(tài)穩(wěn)態(tài)圖

根據(jù)上述穩(wěn)態(tài)圖，可得到白車身各階固有頻率和振型。表3為白車身第一種狀態(tài)的前6階模態(tài)結(jié)果，第一種狀態(tài)各階模態(tài)振型見圖5。

表3 白車身前 6 階模態(tài)分析結(jié)果

圖5 白車身第一種狀態(tài)各階模態(tài)振型

在白車身上拆除前后風擋玻璃，對白車身進行第二種狀態(tài)的模態(tài)試驗（有副車架、無安裝玻璃、地板有阻尼），通過測試可得各響應點的頻響函數(shù)，基于響應點頻響函數(shù)進行模態(tài)識別，可得穩(wěn)態(tài)圖，如圖6所示。

圖6 白車身第二種狀態(tài)穩(wěn)態(tài)圖

根據(jù)上述穩(wěn)態(tài)圖，可得到白車身各階固有頻率和振型。表4為白車身第二種狀態(tài)的前5階模態(tài)結(jié)果，第二種狀態(tài)各階模態(tài)振型見圖7。

表4 白車身前5階模態(tài)分析結(jié)果

圖7 白車身第二種狀態(tài)各階模態(tài)振型

根據(jù)上述白車身兩種模態(tài)分析結(jié)果可知：由于前后風擋玻璃的影響，在拆下風擋玻璃的白車身模態(tài)試驗的固有頻率、阻尼和振型都有一定的影響：（1）在固有頻率上，前三階都下降，后兩階都增大，其中第5階固有頻率增幅最大為26.32%；（2）對于系統(tǒng)的阻尼比，除了第3階提高36.37%外，其于階數(shù)阻尼比均減小，且第2階減小幅度最大的為66.92%；（3）在振型方面，帶玻璃的第3階為頂棚局部Y向二彎，不帶玻璃的為整體一階彎曲；帶玻璃的第4階為整體一階彎曲，不帶玻璃的為頂棚、地板局部、前縱梁反向擺動；帶玻璃的第5階為頂棚、地板局部、前縱梁反向擺動，不帶玻璃的為整體二階扭轉(zhuǎn)，表明玻璃對白車身的振動特征影響比較大。

4 結(jié)論

本文結(jié)合大量的白車身模態(tài)分析經(jīng)驗，對市場上某款車型的白車身進行了兩種狀態(tài)的分析，得到了白車身的固有頻率、阻尼比和振型。通過實驗結(jié)果的分析對比得知，風擋玻璃對固有頻率、阻尼比和振型都有較大的影響，對于該款白車身的模態(tài)參數(shù)等的識別和結(jié)果分析，為今后的汽車研發(fā)和車身設(shè)計及優(yōu)化都提供了試驗依據(jù)。

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