張華鑫，童敏勇

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222)

0 引言

如今在世界各汽車公司競(jìng)爭(zhēng)日漸白熱化的趨勢(shì)下，有效的縮短新車型的研發(fā)，不斷變更新車型研發(fā)的方式。由經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐得知，選定市場(chǎng)上同類型車作為標(biāo)桿車型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法和有限元方法得到其各項(xiàng)靜、動(dòng)態(tài)性能，將會(huì)對(duì)新車型的開(kāi)發(fā)起到了指導(dǎo)性的作用［1］。而車身的動(dòng)態(tài)特性作為新車型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中首要考慮的問(wèn)題，進(jìn)行相關(guān)的白車身試驗(yàn)就會(huì)顯得尤為重要。進(jìn)行白車身模態(tài)試驗(yàn)分析，可以直接對(duì)白車身進(jìn)行全面的測(cè)試與分析，從而獲得產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性。特別需要指出的是，白車身的低階彈性模態(tài)是控制振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵基礎(chǔ)性指標(biāo)之一［2］。因此，辨識(shí)出白車身的模態(tài)參數(shù)對(duì)改善汽車品質(zhì)就顯得尤為重要。

筆者借助于市面上某一款轎車白車身所進(jìn)行的模態(tài)試驗(yàn)與分析，詳細(xì)說(shuō)明了模態(tài)試驗(yàn)所關(guān)心的基本概念、試驗(yàn)方法，分析阻尼、風(fēng)擋玻璃對(duì)該白車身動(dòng)態(tài)特性的影響。識(shí)別了白車身低階模態(tài)固有頻率、阻尼比和模態(tài)陣型等模態(tài)參數(shù)。并分析前后安裝玻璃和地板阻尼對(duì)白車身模態(tài)參數(shù)的影響。

1 白車身模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

模態(tài)試驗(yàn)?zāi)B(tài)實(shí)驗(yàn)分析是基于激振力和系統(tǒng)之間的相應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，模態(tài)試驗(yàn)需要有激勵(lì)源，響應(yīng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)等幾部分組成［3］。試驗(yàn)時(shí)白車身由四個(gè)空氣彈簧作為支撐，使白車身處于自由狀態(tài)。試驗(yàn)的激勵(lì)源主要包括:信號(hào)源、功率放大器、激振器;響應(yīng)系統(tǒng)主要由北智三向加速度傳感器、信號(hào)放大器;LMS數(shù)據(jù)采集器作為數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，LMS Test.lab 11 b為模態(tài)信號(hào)分析和處理系統(tǒng)。LMS數(shù)據(jù)采集器和LMS Test.lab 11 b軟件可以實(shí)時(shí)將采集的激振力和響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和FFT變換，變換后成為頻域信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算就可以得到頻響函數(shù)FRF。本試驗(yàn)流程分析如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程分析

在試驗(yàn)的過(guò)程中需要對(duì)整車坐標(biāo)X、Y、Z加以定義，規(guī)定如下:①?gòu)钠嚨能囶^到車尾的方向?yàn)閄;②從汽車主駕駛座椅到副駕駛座椅的方向?yàn)閅;③從汽車地板到頂棚的方向?yàn)閆。

當(dāng)在粘貼傳感器時(shí)應(yīng)注意傳感器坐標(biāo)方向一定要和整車坐標(biāo)方向垂直，否則就會(huì)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生偏差，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。某一加速度傳感器精度見(jiàn)表1所列。

表1 加速度傳感器精度

2 白車身模態(tài)試驗(yàn)方法

2.1 建立幾何模型及激振器的布置

2.1.1 建立幾何模型

在試驗(yàn)時(shí)，白車身是由空氣彈簧支撐，可以近似的模擬其自由狀態(tài)。在車身總共布置178個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的選取應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)。

(1)測(cè)點(diǎn)要整體描繪出試件的形狀，一般懸在剛度較大、最能反映結(jié)構(gòu)模態(tài)的位置。

(2)測(cè)點(diǎn)要盡可能清楚全面地反映車身0到100 Hz的整體振動(dòng)模態(tài)，同時(shí)要包括所有結(jié)構(gòu)橫梁連接點(diǎn)。

(3)測(cè)點(diǎn)應(yīng)均勻?qū)ΨQ分布在試件兩側(cè)，且數(shù)目不宜過(guò)少，如若數(shù)目偏少導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。

(4)若測(cè)點(diǎn)布置于斜面上，需要對(duì)測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z方向進(jìn)行歐拉變換，否則會(huì)影響模態(tài)陣型的識(shí)別結(jié)果。

(5)為了避免無(wú)法識(shí)別某一階的模態(tài)參數(shù)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)避免選擇的各階陣型的節(jié)點(diǎn)上［4］。

傳感器布置位置及測(cè)試點(diǎn)數(shù)如表2所列。白車身模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

表2 傳感器布置位置及測(cè)試點(diǎn)數(shù)

圖2 白車身模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.1.2 激振器的布置

因?yàn)樵囼?yàn)的測(cè)試點(diǎn)比較多而傳感器的數(shù)量有限，所以采用激振器位置不變而改變加速度傳感器的位置進(jìn)行測(cè)量的方法。將激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸入LMS數(shù)據(jù)采集器。此時(shí)，激振器激勵(lì)點(diǎn)的選擇就顯得尤為重要。激振器的激勵(lì)點(diǎn)的選擇應(yīng)遵循以下兩點(diǎn):①選在剛度較大且便于激振的地方;②應(yīng)避開(kāi)結(jié)構(gòu)模態(tài)節(jié)點(diǎn)或者支撐點(diǎn)，因此不宜選在對(duì)稱的平面上。

由試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可以知道，激振器至少2個(gè)，且相距盡量遠(yuǎn)，激振器方向盡量保證車身機(jī)構(gòu)各方向都有足夠激勵(lì)，可以通過(guò)測(cè)試激勵(lì)位置的互易性來(lái)調(diào)試信號(hào)以獲取理想的激振位置。一般選擇前后懸架安裝位置［5］。該試驗(yàn)選取的位置為前懸架右側(cè)安裝點(diǎn)和后懸架左側(cè)安裝點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)時(shí)要確定白車身的兩種狀態(tài)，分別是:①有副車架、有安裝玻璃、地板有阻尼;②有副車架、無(wú)安裝玻璃、地板有阻尼。

研究白車身所關(guān)注的頻率大約在0～100 Hz之間。試驗(yàn)時(shí) Bandwidth為 256 Hz;Spectral lines為256;Resolution為1.0 Hz;Acquisition time為1.0 s。

為了降低測(cè)試中噪聲的影響，采用平均技術(shù)來(lái)降低隨機(jī)誤差，平均次數(shù)30次。試驗(yàn)期間各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與頻響函數(shù)的數(shù)據(jù)處理可以同步進(jìn)行。為保證測(cè)的的頻響函數(shù)質(zhì)量可靠，應(yīng)實(shí)時(shí)檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)之間的相干函數(shù)［6］。只有相干函數(shù)(除去節(jié)點(diǎn)或反節(jié)點(diǎn)外)在0.9以上的信號(hào)才認(rèn)為響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)之間的相干性較好。1組測(cè)試完成后更換測(cè)點(diǎn)，重覆測(cè)試直到試驗(yàn)完成。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

白車身設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注的頻率范圍為0～100 Hz，所以需要在此范圍內(nèi)計(jì)算出相應(yīng)的傳遞函數(shù)，獲取各階固有頻率和陣型［7］。表3為白車身第一種狀態(tài)前7階模態(tài)結(jié)果。白車身第一種狀態(tài)穩(wěn)態(tài)圖如圖3所示。

表3 第一種狀態(tài)前7階模態(tài)結(jié)果

白車身第一種狀態(tài)各階陣型圖如圖4所示。在白車身上拆下安裝玻璃后，用同樣的方法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。白車身第二種狀態(tài)前7階模態(tài)結(jié)果如表4所列。白車身第二種狀態(tài)穩(wěn)態(tài)圖如圖5所示。白車身第二種狀態(tài)各階陣型圖如圖6所示。

圖3 第一種穩(wěn)態(tài)圖

圖4 第一種狀態(tài)各階陣型圖

表4 白車身第二種狀態(tài)前7階模態(tài)結(jié)果

圖5 第二種狀態(tài)穩(wěn)態(tài)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于拆下安裝玻璃，在白車身的頻率、阻尼、陣型三個(gè)方面都有一系列的影響。

(1)在頻率變化方面，白車身前兩階的固有頻率基本保持不變，后五階分別提高了 6.6%、2.46%、1.82%、2.4%、1.17%。

(2)在阻尼變化方面，白車身前三階分別提高了34.4%、34.3%、8%;后四階分別下降了 21.4%、16.6%、17.2%。

圖6 第二種狀態(tài)各階陣型圖

(3)在陣型變化方面，帶車窗白車身第三階表現(xiàn)為頂棚局部Y向二彎，不帶車窗白車身表現(xiàn)為頂棚局部X向二彎;帶車窗白車身第四階表現(xiàn)為頂棚局部X向二彎+前縱梁橫擺，不帶車窗白車身表現(xiàn)為頂棚局部二扭+前縱梁橫擺;帶車窗白車身第七階表現(xiàn)為B柱同向+頂棚一扭，不帶車窗白車身第七階表現(xiàn)為B柱同向+頂棚二扭。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合筆者在一款白車身模態(tài)試驗(yàn)中總結(jié)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述了白車身模態(tài)試驗(yàn)方法，并對(duì)該款白車身的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別和結(jié)果分析，為今后進(jìn)一步研究整車的噪聲振動(dòng)、結(jié)構(gòu)疲勞耐久以及車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

［1］ 傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2000.

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