陳峙王鐵谷豐收，2張瑞亮劉亞瓊褚玉峰

（1.太原理工大學(xué)；2.哈德斯菲爾德大學(xué)工程與效能中心）

典型路面激勵(lì)下的工程專用自卸車車架動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究*

陳峙1王鐵1谷豐收1，2張瑞亮1劉亞瓊1褚玉峰1

（1.太原理工大學(xué)；2.哈德斯菲爾德大學(xué)工程與效能中心）

采用固有模態(tài)分析與具有自適應(yīng)特征的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD算法相結(jié)合的方法，對(duì)采集到的車架關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。應(yīng)用信號(hào)處理方法從重構(gòu)后的信號(hào)中有效提取車架的動(dòng)態(tài)特征，分析結(jié)果表明，該自卸車車架在工地路面激勵(lì)下易產(chǎn)生低頻共振，嚴(yán)重影響整車性能和使用壽命，需要對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

工程專用自卸車在典型路面激勵(lì)下產(chǎn)生非平穩(wěn)的隨機(jī)振動(dòng)，且振動(dòng)信號(hào)中含有大量的噪聲。傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法很難從這樣的原始信號(hào)中提取特征。本文采用固有模態(tài)分析結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD（Empiracal Mode Deperation）方法對(duì)車架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和重構(gòu)，EMD方法的自適應(yīng)性能很好的保留了信號(hào)的原始特征。

1 車架固有振動(dòng)特性分析

1.1 結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性分析原理

結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的主要研究內(nèi)容為固有振動(dòng)特性的分析，結(jié)構(gòu)固有特性僅由其自身的質(zhì)量和剛度分布確定，其決定了結(jié)構(gòu)在動(dòng)力載荷作用下的響應(yīng)。模態(tài)分析是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析、避免和減少共振發(fā)生的一種普遍方法。模態(tài)分析的經(jīng)典定義是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[8]。

由模態(tài)分析理論，求解廣義特征值問題[9]:

可以得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的N階固有頻率ωi和固有振型Фi，i=1，…，N。N為結(jié)構(gòu)有限元離散后的自由度數(shù)，式中K和M分別為結(jié)構(gòu)有限元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣。

1.2 車架模態(tài)分析

在外界激勵(lì)和車輛自身動(dòng)力系統(tǒng)激勵(lì)下引起的車輛振動(dòng)，主要是由作為承載部件的車架低階固有模態(tài)頻率與激勵(lì)源頻率耦合共振引起的，因此對(duì)車架的固有模態(tài)分析是車架動(dòng)態(tài)特性研究的基礎(chǔ)[10]。

為了準(zhǔn)確的獲得車架的模態(tài)參數(shù)，分別采用了有限元計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。本文研究的對(duì)象是國內(nèi)某整車廠的TY01車型工程專用自卸車車架，其結(jié)構(gòu)為邊梁式結(jié)構(gòu)，縱梁與橫梁采用鉚釘鉚接的方式進(jìn)行連接，車架主要由兩根縱梁、兩根襯梁、6根橫梁及相關(guān)連接板組成，在HyperWork中完成有限元建模，并用相關(guān)算法計(jì)算其自由模態(tài)。

由于自卸車車架模態(tài)參數(shù)僅與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，受外部約束、載荷的影響較小因此本文對(duì)車架進(jìn)行了自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，為了準(zhǔn)確模擬車架的自由狀態(tài)，本文采用柔性尼龍高強(qiáng)度繩加橡膠帶的懸掛方法來模擬其自由狀態(tài)。

模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，有限元技術(shù)模態(tài)結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，其結(jié)果可靠，精度滿足動(dòng)態(tài)分析要求。模態(tài)分析前八階振型如表2所示，計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型一致，因此模態(tài)分析結(jié)果可信。

表1 模態(tài)分析頻率、誤差

表2 模態(tài)振型

2 典型工地路面振動(dòng)試驗(yàn)

結(jié)合靜態(tài)分析和模態(tài)分析振型，在車架上選擇了八個(gè)測點(diǎn)位置，在各測點(diǎn)位置安裝加速度傳感器采集其響應(yīng)。因車輛在路面行駛時(shí)，車架各點(diǎn)主要受力方向?yàn)榇怪甭访娣较?，故測點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)主要采集垂直路面方向，其具體位置如圖1所示。圖2為測點(diǎn)7處的加速度傳感器安裝示意，加速度傳感器詳細(xì)位置描述見表3。

表3 加速度傳感器安裝位置

根據(jù)工程專用自卸車實(shí)際作業(yè)狀況，試驗(yàn)工況為滿載30噸土石方，車速為20 km/h，采樣時(shí)間為200秒，重復(fù)采樣3次。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，對(duì)比三次數(shù)據(jù)處理結(jié)果，因路面的時(shí)變性，各次數(shù)據(jù)有差異，但總體趨勢一致，因此選擇第二次數(shù)據(jù)為分析樣本。圖3為測點(diǎn)2、4、6、8位置處車架的時(shí)域響應(yīng)。

3 基于EMD的車架典型路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

3.1 EMD算法信號(hào)去噪應(yīng)用

工程專用自卸車在典型工地路面作業(yè)時(shí)，車架發(fā)生的振動(dòng)是典型的非平穩(wěn)、非線性振動(dòng)響應(yīng)，并且所采集的信號(hào)成份復(fù)雜，噪聲污染嚴(yán)重。EMD算法是近年來發(fā)展起來的依據(jù)數(shù)據(jù)本身的特征尺度進(jìn)行自適應(yīng)信號(hào)時(shí)頻方法，該方法能自主地抽取信號(hào)內(nèi)在的固有模態(tài)函數(shù)，具有后驗(yàn)、完備、基本正交的優(yōu)越特性，比傅里葉變換、小波分析等依賴于先驗(yàn)函數(shù)基的分解方法更適用于處理非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)[11]。

EMD方法能將一個(gè)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)分解成有限個(gè)IMF（本征模函數(shù)）分量和一個(gè)趨勢項(xiàng)。

x（t）為原始信號(hào)，用三次樣條曲線包絡(luò)x（t）極大值和極小值，m1為上下包絡(luò)線的均值，則取[4～6]：

判斷h1是否滿足IMF條件，若符合h1是x（t）的第一個(gè)分量；否則重復(fù)以上步驟，直到h1k=h1（k-1）－m1k符合IMF條件。分離第一個(gè)IMF后，重復(fù)分離步驟直到所有的IMF和殘留項(xiàng)rn不滿足判斷條件為止，則有：

信號(hào)的EMD分解使原信號(hào)被分成若干階頻率從高至低的本征模函數(shù)，整個(gè)過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)多尺度自適應(yīng)的濾波過程。根據(jù)這一特性，可以將信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，將關(guān)注頻率范圍內(nèi)的IMF組合在一起以備特征分析。文獻(xiàn)[3]基于EMD分解的濾波特性提出了構(gòu)造濾波器組的方法。根據(jù)分解獲得的IMF可按如下方法組建濾波器[7]：

a.高通濾波器可應(yīng)用IMF分量重構(gòu)信號(hào)時(shí)，只保留前幾個(gè)IMF分量，濾去較低頻率的分量；

b.低通濾波器則正好相反，保留低頻部分IMF分量，濾掉高頻部分分量重構(gòu)信號(hào)；

c.若同時(shí)過濾一部分高頻部分信號(hào)IMF分量和低頻部分分量，則是帶通濾波器；

d.若去掉中間部分IMF分量重構(gòu)信號(hào)，則是帶阻濾波器。

根據(jù)EMD分解的IMF分量構(gòu)建的濾波器組最大的特點(diǎn)是其截止頻率根據(jù)輸入信號(hào)的變化而變化，是具備自適應(yīng)性而有別于傳統(tǒng)的固定頻率的濾波器。若將信號(hào)分解殘留項(xiàng)rn作為第N個(gè)IMF分量，則帶通濾波器可按下式表示：

其中，cj(t)表示IMF分量，因?yàn)镋MD算法是基于信號(hào)局部特征進(jìn)行分解分析的，其基函數(shù)的選擇來自于信號(hào)本身，無需定義濾波參數(shù)，具備自適應(yīng)特征能夠很好的保留信號(hào)的非線性和非穩(wěn)定性的特征。針對(duì)工程專用自卸車的作業(yè)特征，如何從高噪聲的響應(yīng)信號(hào)中提取車架的動(dòng)態(tài)特征是研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)，結(jié)合車架模態(tài)試驗(yàn)和EMD信號(hào)處理方法對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，經(jīng)過處理后的信號(hào)能夠達(dá)到分析要求。

3.2 基于EMD的車架動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

車架上采集的信號(hào)包含了各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)。本文所討論的是如何從如此混雜的信號(hào)中提取出車架自身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所采取的方法是結(jié)合模態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，將車架的自由模態(tài)作為EMD算法濾波的帶通頻率，對(duì)所采集到的動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行提取，然后用這些IMF分量進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，對(duì)獲得的重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行分析，即可獲得車架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

將測點(diǎn)1所獲得的信號(hào)xb1（t）作為原始信號(hào)，進(jìn)行EMD分解，分解結(jié)果如圖4所示,圖中x（t）為原信號(hào)，其余為IMF分量。

考慮整車狀態(tài)下車架上連接懸架、車身等部件且都為剛性連接，其質(zhì)量附加于車架后，根據(jù)模態(tài)計(jì)算理論可知,實(shí)際車架固有頻率值較自由狀態(tài)下的各階固有模態(tài)頻率偏小，而各部件附加質(zhì)量相對(duì)車架質(zhì)量要小很多，因此路面激勵(lì)下的車架共振點(diǎn)頻率應(yīng)稍比自由模態(tài)頻率小，故參照計(jì)算分析頻率范圍為[5 Hz,100 Hz]。對(duì)獲得的本征模態(tài)函數(shù)IMF分量進(jìn)行頻譜計(jì)算后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選重構(gòu)，其表達(dá)式如下：

圖5為測點(diǎn)1位置的原始振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖和EMD濾波重構(gòu)后的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域響應(yīng)圖。

如圖5所示，信號(hào)濾除了噪聲和非關(guān)注頻段信號(hào)，信號(hào)曲線明顯平滑，信號(hào)保留了原信號(hào)關(guān)注頻段的所有特征，通過分析該信號(hào)能獲取車架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。

用同樣的方法對(duì)測點(diǎn)1～測點(diǎn)8所獲得的時(shí)域振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行處理，獲得如圖6～圖13所示的各測點(diǎn)頻譜圖。

根據(jù)頻譜中的實(shí)際響應(yīng)與模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比，可得如下結(jié)論：

a.當(dāng)激勵(lì)頻率為11Hz、25Hz與30Hz左右時(shí)，前板簧支座連接處與后板簧支座連接處（1、2、3、4、7、8測點(diǎn)處）振幅較大，這與模態(tài)試驗(yàn)測得車架2～4階模態(tài)頻率與振型基本吻合，此時(shí)車架的變形主要集中在車架第二橫梁之前與背靠背橫梁處（第四橫梁）。

b.當(dāng)激勵(lì)頻率為60Hz時(shí)，測點(diǎn)3～8均有較大振幅出現(xiàn)，而模態(tài)試驗(yàn)并未測得60Hz的共振頻率。另外上裝安裝位置正是從前板簧后支座之后開始，參考車廂有關(guān)參數(shù)知當(dāng)外部激勵(lì)為60Hz時(shí)車廂將發(fā)生共振，因此認(rèn)為此時(shí)車架出現(xiàn)較大振幅是由于車廂沖擊所造成。

c.測點(diǎn)5、6處振動(dòng)幅值較平穩(wěn)，突變較少。5、6測點(diǎn)布置在第二橫梁處，參考車架振型可知此處靠前為車架位移顯著區(qū)域，因此第二橫梁處可能產(chǎn)生高周疲勞破壞，應(yīng)予以關(guān)注。

綜上所述，該工程專用自卸車在典型工地路面作業(yè)時(shí)存在多階共振現(xiàn)象，根據(jù)構(gòu)件振動(dòng)特性可知共振頻率越低振幅越大從而會(huì)對(duì)車架造成疲勞破壞，因此在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能的提高其低階頻率，改善其動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)束語

固有模態(tài)分析與EMD分解的有效結(jié)合，很好的解決了典型工地路面作業(yè)的工程專用自卸車車架動(dòng)態(tài)特征難以提取的難題。EMD算法所具備自適應(yīng)特征不僅有效的對(duì)車架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分解和重構(gòu)，而且很好的保留了信號(hào)的非線性和非穩(wěn)定性的特征。分析結(jié)果表明該自卸車車架在工地路面激勵(lì)下，易產(chǎn)生低頻共振，嚴(yán)重影響整車的性能和使用壽命，迫切需要對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化，從而使該自卸車適應(yīng)典型工地路面作業(yè)，改善其專用性，提高市場競爭力。工程專用自卸車車架典型路面激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)特性的有效提取，對(duì)車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

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

2 申晉憲，王鐵.載貨汽車總體設(shè)計(jì)分析.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

3 王婷.EMD算法研究及其在信號(hào)去噪中的應(yīng)用.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué).2010.

4 N.E.Huang,Shen Z,S.R.long.The empirical mode decomposi?tion and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-station?ary time series analysis.Proc RsocLond,1998,454:56～78.

5 N.E.Huang.R.L.Stever.A new view of nonlinear water waves: the Hilbert Spectrum.Annual Review of Fluid Mechanics, 1999,（31）:417～457.

6 N.E.Huang.A new method for nonlinear and nostationary time series analysis:Empirical mode decomposition and Hil?bert spectrue analysis.Proc.of SPIE 2000,（4056）:197～209.

7 P.Flandrin,P.Goncalves,G.Rilling.Detrending and denoising with empirical mode decomposition.In Proceeding of XII EUSIP CO2004,Vienna,Austria,2004:1022-1026.

8 趙震.重型自卸車車架的有限元分析及優(yōu)化.太原：太原理工大學(xué).2012.

9 劉林華，辛勇.基于靈敏度分析的汽車車架輕量化研究.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011年10月，10（30）.1724～1727.

10 石琴，汪成明，劉釗.基于靈敏度分析的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009年7月，7（29）：955～958.

11 Cj Mi,Zq,Gu..Frame fatigue life assessment of a mining dump truck based on finite element method and multibody dynamic analysis.Engineering Failure Analysis,2012,23: 18～26.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年7月1日。

Research on Dynamic Response of Special Engineering Dump Truck Frame under Typical Road Surface Excitation

Chen Zhi1,Wang Tie1,Gu Fengshou1,2,Zhang Ruiliang1,Liu Yaqiong1,Chu Yufeng1
（1.Taiyuan University of Technology;2.Centre for Efficiency and Performance Engineering,University of Huddersfield）

We combine the inherent modal analysis with experience modal decomposition EMD algorithm with self-adaptation characteristic to reconstruct the key point vibration signal of frame.We use the signal processing method to effectively extract frame dynamic characteristics from the reconstructed signals.The analysis results show that the dump truck frame easily produces low frequency resonance under the site road excitation,which will seriously affect the performance and service life of the vehicle,therefore optimization of this vehicle frame is needed.

Dump truck,Frame,Modal analysis,Vibration test,Signal processing

自卸車 車架 模態(tài)分析 振動(dòng)試驗(yàn) 信號(hào)處理

U463.32

A

1000-3703（2015）03-0016-05

山西省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：工程專用自卸車開發(fā)，項(xiàng)目編號(hào)：2011-2368；山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：低重心變截面工程專用自卸車車架技術(shù)研究，項(xiàng)目編號(hào)：2012-302。