任帥，燕穎

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

汽車車架OMA實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

任帥，燕穎

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

模態(tài)參數(shù)辨識(shí)是系統(tǒng)辨識(shí)的一部分,通過(guò)模態(tài)參數(shù)的辨識(shí)，可以了解系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，這些動(dòng)力特性可作為結(jié)構(gòu)有限元模型修正、故障診斷、結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)。本文以212車架為研究對(duì)象，綜合考慮懸掛條件，激勵(lì)方式及布點(diǎn)位置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。通過(guò)使用ICATS軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的工作模態(tài)分析，然后得到模態(tài)參數(shù)。

車架；模態(tài)實(shí)驗(yàn)；模態(tài)參數(shù)；ICATS

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-43-03

前言

模態(tài)分析是從60 年代中、后期開始應(yīng)用，至今已有近五十年的歷史。其首先在航空、航天及汽車工業(yè)中開始發(fā)展。由于電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展，到80年代末這項(xiàng)技術(shù)已成為工程中解決結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析、振動(dòng)與噪聲控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、故障診斷等問(wèn)題的重要工具，并逐漸成為機(jī)械與結(jié)構(gòu)振動(dòng)排故和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要手段，在機(jī)械、航空、汽車、動(dòng)力、土木等工程領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

模態(tài)分析是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理來(lái)識(shí)別實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。早期的模態(tài)實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)手動(dòng)計(jì)算分析。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理算法的出現(xiàn)，早期的測(cè)試方法被數(shù)字模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)所取代。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法與計(jì)算模態(tài)分析方法相輔相成，成為解決現(xiàn)代復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的重要手段。應(yīng)用模態(tài)分析方法將復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為模態(tài)模型，來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的相應(yīng)計(jì)算，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

實(shí)驗(yàn)儀器連接圖：

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作模態(tài)參數(shù)的辨識(shí)，通過(guò)使用ICATS工作模態(tài)識(shí)別軟件來(lái)識(shí)別212車架的模態(tài)參數(shù)。車輛在路面上行駛時(shí)，路面對(duì)輪胎垂直方向上的激勵(lì)最終都通過(guò)懸架系統(tǒng)傳給車架，而車架的振動(dòng)直接影響了乘客的乘坐舒

適性和人身健康。這些激勵(lì)信號(hào)的頻率較低，因此本文我們著重研究200Hz以內(nèi)的激振頻率下的車架的模態(tài)。

實(shí)驗(yàn)儀器列表

1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及模態(tài)分析

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

（1）認(rèn)識(shí)儀器，調(diào)試儀器，熟練的操作各個(gè)儀器，并將儀器按照要求連接起來(lái)以便能夠完成特定的功能。

（2）對(duì)傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定。隨著使用次數(shù)和時(shí)間的增加，傳感器的靈敏度或多或少會(huì)有漂移，需要重新對(duì)傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，便于準(zhǔn)確測(cè)量。

（3）設(shè)置采樣率。根據(jù)采樣定理設(shè)置采樣率為500S/s,這樣就可以記錄到250Hz以內(nèi)所有的信號(hào)。

1.2 數(shù)據(jù)采集階段和轉(zhuǎn)化

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

在準(zhǔn)備工作完成之后，必須檢查各儀器是否正常工作，傳感器是否正常。我們可以用一個(gè)鐵錘輕輕的敲擊車架，觀察各通道是否能正常記錄數(shù)據(jù)。若正常，便可開始實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)我們采用隨機(jī)白噪聲（20Hz-2kHz）作為激勵(lì)源，以此來(lái)模擬車輛正常行駛時(shí)路面的輸入譜。激勵(lì)位置為車架左前輪位置，以此來(lái)模擬正常駕駛時(shí)路面的激勵(lì)譜，實(shí)驗(yàn)開始后，采集各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，用SYNERGY 軟件記錄，如下圖所示：

由于誤差是難免的，故采集時(shí)要采集5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集時(shí)間是30秒以上。

1.2.2 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化

由數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)不能直接被應(yīng)用到ICATS軟件，這里我們有一個(gè)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，具體操作如下：

①將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Synergy軟件當(dāng)中，由于采用的是500S/s的采樣率，意味著每秒可以采集到500個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要1500到2000個(gè)點(diǎn)的信息，所以從上圖中選擇大概1800個(gè)點(diǎn)，另存為matlab的數(shù)據(jù)格式。

②將步驟1中另存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到matlab中，經(jīng)過(guò)matlab的計(jì)算，將各通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一個(gè)數(shù)據(jù)按照n×6排序的文件，并保存。

③ICATS只能處理特定的文件格式，故只能將步驟二中轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)逐一的復(fù)制到特定的文件中。

1.3 數(shù)據(jù)的后處理階段

1.3.1 濾波處理

經(jīng)過(guò)上述的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)化階段，所得到的數(shù)據(jù)就可以直接導(dǎo)入到modent模塊里處理，但是在模態(tài)參數(shù)提取之前還要用Modent中的filter命令對(duì)實(shí)驗(yàn)取得的振動(dòng)響應(yīng)曲線做濾波和平滑處理。濾掉實(shí)驗(yàn)時(shí)由于外界環(huán)境和儀器造成的噪聲，使曲線平滑，真實(shí)，便于分析。

1.3.2 建模

這里用到的是ICATS軟件當(dāng)中的MESHGEN模塊，在該模塊中手動(dòng)輸入傳感器的布置位置，這樣可以生成一個(gè)類似車架的模型，用來(lái)模擬車架的振動(dòng)。

1.3.3 模態(tài)參數(shù)提取

首先利用第二步中新建的模型結(jié)合之前的數(shù)據(jù)新建一個(gè)包含各通道響應(yīng)數(shù)據(jù)和測(cè)點(diǎn)位置信息的文件。然后導(dǎo)入到modent中分析，利用TIME DOMAIN OMA功能按鈕進(jìn)行分析。

隨機(jī)子空間算法中最重要的是系統(tǒng)階次的確定，它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需要事先確定，但目前還沒(méi)有統(tǒng)一通用的方法，這里我們借助穩(wěn)定圖來(lái)確定系統(tǒng)的階次，經(jīng)過(guò)濾波處理的曲線，然后用SVD(奇異值分解)和QR分解處理上述數(shù)據(jù)，得到穩(wěn)定圖。

由穩(wěn)定圖可以知道前六階的模態(tài)頻率及損耗因子：

模態(tài)階數(shù) 1 2 3 4 5 6模態(tài)頻率 21.8 29.9 49.9 70.9 94.3 119.8損耗因子 14.6 17 4.2 2.6 3.4 2.1

得到各階模態(tài)的模態(tài)頻率和損耗因子之后，還必須要將各點(diǎn)的歸一化幅值和相位角記錄下來(lái)，記錄結(jié)果表明有些點(diǎn)的相位修正前后發(fā)生了明顯的變化，這是繪制模態(tài)振型的關(guān)鍵。

2、模態(tài)振型

2.1 相位修正

由于本實(shí)驗(yàn)采用了兩種傳感器，而傳感器不同型號(hào)之間本身是存在相位差的。相位的不同，雖然不會(huì)影響測(cè)點(diǎn)的幅值，但是會(huì)影響到測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的方向，這就可能造成原本是扭轉(zhuǎn)的振型結(jié)果變成彎曲的，使結(jié)果偏離實(shí)際。故必須要進(jìn)行相位修正。下表為實(shí)測(cè)的兩種傳感器的相位差信息。

通過(guò)對(duì)比相位修正前后的模態(tài)振型圖，可知相位差是否影響了模態(tài)振型。振型圖的繪制是由MESHGEN模塊輔助完

成的，未修正的振型圖是根據(jù)數(shù)據(jù)在模塊中自動(dòng)生成的，而修正后的振型圖是要手動(dòng)將所測(cè)點(diǎn)的歸一化幅值和相位信息輸入到MESHGEN模塊中，然后生成振型圖。

通道 相位值（°） 與Ch5的相位差（°）CH5（8704B25M1） -135.3 0 CH3（4731+2626） -136.4 -1.1 CH1（4731+2635） 45.7 181

原則上傳感器越多，車架上的布點(diǎn)越多，用傳感器布點(diǎn)繪制的模型就更接近車架的真實(shí)情況，更能準(zhǔn)確的繪制車架的模態(tài)振型圖。但是由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，在此我們只采用了8個(gè)傳感器，這就導(dǎo)致模態(tài)振型圖不精確，存在誤差，但可以手動(dòng)修正一些錯(cuò)誤。

各階模態(tài)相位修正前后的模態(tài)振型對(duì)比圖如下：

對(duì)比第一階模態(tài)我們可以看出，未修正之前紅色點(diǎn)的位移是負(fù)的，修正之后變成了正的，使原本扭的狀態(tài)變成彎曲的了。

對(duì)比第二階模態(tài)可以看出相位修正前后紅色點(diǎn)的位置發(fā)生了明顯的變化，但是相位差對(duì)該階模態(tài)振型影響不是很明顯，修正前后都能看出這是扭轉(zhuǎn)。

其他各階模態(tài)振型圖類似。經(jīng)過(guò)分析，相位差影響了振型圖的準(zhǔn)確性，因此如果沒(méi)有采用同一型號(hào)傳感器，必須要進(jìn)行相位修正以便能夠準(zhǔn)確的繪制結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型圖。

2.2 各階模態(tài)的模態(tài)參數(shù)

由模態(tài)理論知，損失因子和阻尼比之間存在如下的換算關(guān)系：

其中ξ為阻尼比，σ為損失因子，ω為圓頻率，f為固有頻率

車架結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)參數(shù)

由上面的圖和表知道：

①各階模態(tài)阻尼比(耗損的振動(dòng)能量與總機(jī)械振動(dòng)能量的比值)較小，表明模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果較接近實(shí)際情況;

②車架前六階模態(tài)的固有頻率均在200Hz以內(nèi)，表明車架的低頻響應(yīng)是該車架動(dòng)力響應(yīng)的主導(dǎo)分量;

③車架前后保險(xiǎn)杠處位移較大，中部位移相對(duì)較小，說(shuō)明該車架結(jié)構(gòu)主要受力區(qū)具有較充裕的剛度儲(chǔ)備。

3、結(jié)束語(yǔ)

本章詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)所需儀器，用到的相關(guān)軟件，論述了車架的支撐方式，激勵(lì)方式及傳感器的布點(diǎn)，并且詳細(xì)的描述了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能夠較為準(zhǔn)確的得到車架的前六階模態(tài)參數(shù)，為以后對(duì)車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

[1] 基于現(xiàn)代時(shí)頻分析的環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法研究.

[2] 李德葆, 陸秋海. 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

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Automobile frame OMA experimental modal analysis

Ren Shuai, Yan Ying
（Chang'an University，Shaanxi Xi’an 710064）

Modal parameters identification is part of the identification of the system, through the modal parameters identification, we can learn the dynamic characteristics of the system or structure, which can be used as the standard and the foundation of the structure finite element model correction, failure diagnosis, structure real-time monitoring or evaluation. We take 212 frame as the research object. With comprehensive consideration of the influence due to the suspension conditions, stimulation and points and we carry on the frame. Through using the ICATS software to analysis the work modal of the collected data in time domain and get the modal parameters.

Frame, modal experiment, modal parameters, ICATS

U467.3

A

1671-7988(2014)09-43-03

任帥，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)車輛工程系。