屠翔宇，嚴(yán)　莉，朱志勇，楊文華

（1.上海交通大學(xué) 振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；2.亞普汽車部件股份有限公司，江蘇 揚州 225000）

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汽車燃油箱模態(tài)仿真分析及試驗驗證

屠翔宇1，嚴(yán)莉1，朱志勇2，楊文華2

（1.上海交通大學(xué) 振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；2.亞普汽車部件股份有限公司，江蘇 揚州 225000）

汽車剎車時燃油箱內(nèi)油液晃動產(chǎn)生的噪聲會通過空氣以及車身結(jié)構(gòu)傳遞到車廂內(nèi)，使駕駛員和乘客感到不適。了解油箱的振動特性有助于研究油箱的噪聲傳遞特性。利用Hyper Mesh有限元軟件對某型號油箱進(jìn)行模態(tài)仿真分析，計算油箱的自由模態(tài)，得到油箱前5階模態(tài)的固有頻率和振型。對油箱進(jìn)行模態(tài)試驗分析，將所得結(jié)果與仿真分析的結(jié)果對比，固有頻率和振型的吻合驗證了油箱有限元模型的正確性。根據(jù)模態(tài)振型，挑選出油箱表面的典型振動測點，為后續(xù)油箱振動測試實驗提供依據(jù)。

振動與波；燃油箱；模態(tài)分析；固有頻率；模態(tài)振型

汽車剎車時燃油箱內(nèi)油液晃動產(chǎn)生的噪聲會通過空氣以及車身結(jié)構(gòu)傳遞到車廂內(nèi)，使駕駛員和乘客感到不適［1］。燃油晃動噪聲主要包括油箱內(nèi)油液拍打油箱壁面產(chǎn)生的噪聲和油箱內(nèi)油液晃動產(chǎn)生的噪聲兩種類型，兩類噪聲的本質(zhì)都是油液晃動激勵油箱殼體使之以振動的形式向外輻射噪聲［2］。為了研究燃油晃動噪聲的傳遞特性，需要了解油箱本身的振動特性。工程上通常采用有限元模型來研究振動問題，油箱的有限元模型較為復(fù)雜，且考慮到實際加工誤差，有限元模型的正確性有待驗證。

模態(tài)分析是以振動理論為基礎(chǔ)的分析方法，是機械與結(jié)構(gòu)動力學(xué)中重要的分析方法，在工程振動領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。文中對某款型號的油箱進(jìn)行了有限元模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗分析［3-5］，驗證了油箱有限元模型的正確性，確定了油箱前5階模態(tài)的固有頻率和振型，這為燃油晃動噪聲傳遞特性的分析提供了基礎(chǔ)。分析模態(tài)振型，確定油箱的主要振動位置，為后續(xù)與油箱相關(guān)的振動聲學(xué)實驗研究中振動測點的選擇提供了依據(jù)，并通過油箱敲擊實驗驗證了油箱輻射聲與所選擇測點振動的關(guān)系。

1　模態(tài)分析基礎(chǔ)

模態(tài)分析是將線性時不變系統(tǒng)的振動微分方程組中的物理坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)，使原有的微分方程組解耦，并用模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述變換后的獨立方程組。模態(tài)分析的目標(biāo)是確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動分析、故障診斷、動力特性的優(yōu)化提供依據(jù)［6-7］。

根據(jù)研究模態(tài)分析的方法和手段不同，可以將模態(tài)分析分為模態(tài)仿真分析和模態(tài)實驗分析。模態(tài)仿真分析方法主要是通過有限元軟件分析，從幾何特性和材料特性的參數(shù)出發(fā)，用有限元法離散結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)，通過求解系統(tǒng)特征值確定模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼、模態(tài)向量等模態(tài)參數(shù)。通常設(shè)計中，計算模型和物體的實際結(jié)構(gòu)有誤差，模型材料參數(shù)與實際也有誤差，通過有限元軟件仿真計算出的結(jié)果不一定完全準(zhǔn)確。因此，一般要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)實驗分析，可以正確確定結(jié)構(gòu)的振動特性。通過模態(tài)實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比分析可以確定結(jié)構(gòu)有限元模型是否正確，并根據(jù)實驗結(jié)果對仿真分析模型進(jìn)行修改完善。

2　油箱模態(tài)仿真分析

使用的有限元分析軟件是Hyper Mesh，利用該軟件完成油箱的有限元網(wǎng)格劃分以及結(jié)構(gòu)模態(tài)計算的工作。

2.1有限元模型的建立

將在CATIA軟件中建立的油箱三維模型導(dǎo)入到Hyper Mesh有限元軟件中。由于油箱的形狀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了便于有限元網(wǎng)格的劃分，對油箱的有限元模型進(jìn)行了如下簡化處理：

（1）油箱上面的油泵安裝孔、注油通氣管道、注油管孔等對計算精度影響不大，予以忽略；

（2）將油箱視為一個整體，并忽略其板間焊縫、圓角等特征；

（3）將油箱視為厚度均勻的封閉箱體，忽略其壁厚變化。油箱屬于薄壁結(jié)構(gòu)件，整體上厚度較為均勻，故對油箱模型進(jìn)行2D單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四邊形與三角形的混合類型。整個油箱有限元模型由67 816個殼單元、65 837個節(jié)點組成，見圖1。

將油箱的尺寸特征和材料屬性賦予劃分好的網(wǎng)格單元。油箱的平均厚度5 mm。油箱材料為復(fù)合多層板材料，設(shè)置材料屬性，密度取為945 kg/m3，彈性模量取為1 237 Mpa，泊松比取為0.4。

圖1　油箱有限元模型

運用Opti Struct求解器計算油箱的自由模態(tài)。用Hyper View觀察模態(tài)分析結(jié)果。前6階為油箱的剛體模態(tài)，油箱的模態(tài)從分析結(jié)果的第7階開始。由于載荷的頻率一般較低，對油箱運動起主導(dǎo)作用的是前幾階模態(tài)，文中關(guān)注油箱的前5階模態(tài)。

2.2有限元分析結(jié)果

根據(jù)有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)的計算，得到油箱模態(tài)的固有頻率和振型。前5階模態(tài)的固有頻率見表1，模態(tài)振型圖見圖2。

表1　油箱前5階模態(tài)固有頻率

圖2　油箱前5階模態(tài)仿真振型圖

油箱前5階模態(tài)固有頻率范圍為37.5 Hz～85.1 Hz。由油箱的前5階模態(tài)振型圖可以看到，油箱的主要振動區(qū)域在上下兩個面上。

3　油箱模態(tài)試驗分析

在進(jìn)行油箱模態(tài)仿真分析時，由于油箱的結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，為了方便網(wǎng)格的劃分，對它的有限元模型作了一些簡化處理。同時考慮油箱的材料為高分子復(fù)合材料，實際生產(chǎn)過程中其力學(xué)參數(shù)未必與理論值完全一致，這些因素可能導(dǎo)致模態(tài)仿真分析的結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，需要對油箱進(jìn)行模態(tài)試驗分析，并和仿真分析的結(jié)果進(jìn)行對比驗證。油箱模態(tài)試驗分析是對油箱殼體進(jìn)行激勵，測量激振力和油箱表面的振動響應(yīng)，由激振力和響應(yīng)求得頻響函數(shù)矩陣，再進(jìn)行模態(tài)識別確定其模態(tài)參數(shù)。

3.1試驗設(shè)計

考慮到油箱的體積較大，需要布置的振動測點較多，采用單點激勵多點拾取的方法進(jìn)行模態(tài)測試試驗，即對油箱某一固定點進(jìn)行激勵，采集多個振動測點的響應(yīng)信號。

對油箱的自由模態(tài)進(jìn)行測試，將油箱用四根橡皮繩懸掛在剛性支架上。油箱隨橡皮繩振動的頻率為1 Hz～2 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于油箱第1階模態(tài)的固有頻率，所以可以認(rèn)為用橡皮繩固定的油箱處于自由狀態(tài)。由于油箱本身質(zhì)量較大，用橡皮繩懸掛并不算穩(wěn)定，故不往油箱內(nèi)添加油液，直接對空油箱進(jìn)行模態(tài)測試，結(jié)果與空油箱的有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

試驗的信號采集儀器為LMS 32通道數(shù)據(jù)采集前端，與之配對的軟件為LMS Test.Lab。采用激振器作為激勵源，配備功率放大器。激振器頂桿前端為力傳感器。油箱表面振動測點布置三向振動加速度傳感器。試驗儀器的連接示意圖見圖3。

圖3　油箱模態(tài)試驗儀器連接示意圖

實驗之前要選好振動測點和激勵點的位置。振動測點的選擇要求能夠反映油箱幾何構(gòu)型，且避開油箱的振動節(jié)點。在油箱上挑選好點的位置并貼標(biāo)簽紙做好記號。一共在油箱殼體表面選取了119個測試點。

圖4　油箱模態(tài)試驗現(xiàn)場圖

3.2試驗結(jié)果分析

由模態(tài)試驗得到油箱的前5階模態(tài)的固有頻率，并與仿真結(jié)果比較，見表2?？梢钥吹角?階模態(tài)固有頻率的誤差百分比都在10%以內(nèi)，第5階誤差為12.9%，總體上模態(tài)仿真分析與測試的結(jié)果比較吻合，兩者相互驗證說明了模態(tài)分析結(jié)果的正確性。

油箱測試模態(tài)振型圖見圖6。可以看到油箱振動較大的區(qū)域主要在上下兩個表面，這與仿真的結(jié)果一致，且前5階模態(tài)測試振型與仿真振型的主要振動區(qū)域大致一致。模態(tài)實驗的結(jié)果與仿真結(jié)果的一致也說明了油箱有限元模型的正確性，為后續(xù)對油箱進(jìn)行聲學(xué)振動相關(guān)的仿真分析提供了基礎(chǔ)。

表2　油箱前5階模態(tài)固有頻率的仿真值與實測值

圖6　油箱前5階測試模態(tài)

4　油箱典型振動測點選擇與驗證

根據(jù)油箱模態(tài)振型的仿真和試驗的結(jié)果對比，挑選振動響應(yīng)較大的位置作為典型振動測點，為后續(xù)油箱振動聲學(xué)實驗的測點選擇提供依據(jù)。挑選的5個振動測點見圖7。

圖7　油箱振動測點選擇示意圖

根據(jù)模態(tài)實驗挑選出的振動測點，設(shè)計力錘敲擊實驗驗證油箱輻射聲與這些測點振動的相關(guān)性，以此判定振動測點選擇的正確性。

實驗地點在半消聲室內(nèi)。將油箱放置在剛性臺架上，與臺架用減振墊隔開。油箱表面5處振動測點位置布置三向加速度傳感器，并在油箱的前、右、后、左以及上方布置傳聲器，傳聲器位置距離油箱50 cm。用力錘敲擊油箱表面使之發(fā)聲，傳聲器和加速度傳感器分別記錄聲壓和油箱振動信息。實驗現(xiàn)場見圖8。

圖8　油箱力錘敲擊實驗

計算油箱表面各測點振動加速度和受聲點聲壓的相干系數(shù)，見圖9。可以看到在200 Hz以下的頻段，油箱噪聲聲壓和振動測點加速度相干系數(shù)大都在0.8以上，說明油箱向外輻射的噪聲與這些油箱測點位置的振動完全相關(guān)，因此可以用這些測點可以代表油箱的振動情況研究油箱聲學(xué)問題。

5　結(jié)語

圖9　油箱振動測點加速度與受聲點聲壓相干系數(shù)

為了研究汽車燃油箱的振動特性，對油箱作了模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗分析。將油箱的三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到Hyper Mesh有限元處理軟件，計算自由模態(tài)，得到油箱前5階模態(tài)的固有頻率和振型。然后對油箱進(jìn)行模態(tài)試驗，得到油箱的試驗?zāi)B(tài)，并與仿真分析的結(jié)果對比。油箱模態(tài)分析可以得到以下結(jié)論：

（1）油箱模態(tài)仿真分析與實驗分析一致的結(jié)果驗證了油箱有限元模型的正確性，為油箱振動問題的有限元分析提供了依據(jù)。

（2）根據(jù)模態(tài)振型，從油箱上下兩個表面挑選振動響應(yīng)較大的位置作為典型振動測點，為后續(xù)油箱振動聲學(xué)實驗的測點選擇提供依據(jù)，并通過油箱敲擊實驗驗證了測點選擇的正確性。

［1］林逸，馬天飛.汽車HVH特性研究綜述［J］.汽車工程，2002，24（3）：177-181.

［2］董彧.汽車燃油箱降噪的穩(wěn)健設(shè)計優(yōu)化［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［3］張峰，楊鴻，楊巖.發(fā)動機機油盤自由模態(tài)分析及試驗驗證［J］.噪聲與振動控制，2015，35（1）：15-17

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［5］梁君，趙登峰.模態(tài)分析方法綜述［J］.現(xiàn)代制造工程，2006，08：139-141.

［6］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.

［7］HELEN WARD.模態(tài)分析理論與試驗［M］.白化同，郭繼忠譯.北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

Modal SimulationAnalysis and Experimental Verification of Automotive Fuel Tanks

TU Xiang-yu1，YANLi1，ZHU Zhi-yong2，YANG Wen-hua2

（1.Institute of Vibration，Shock and Noise Research，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.YAPPAutomotive Parts Co.Ltd.，Yangzhou 225000，Jiangsu China）

The sloshing noise in the fuel tank after braking can transfer into the car through the air and structure，making drivers and passengers uncomfortable.Learning the vibration performance of the tank is helpful for study of the transmission characteristics of the fuel tank sloshing noise.In this paper，the Hyper Mesh code is applied to the modal simulation analysis of the tank.The first five-order natural frequencies and modals are obtained.Test results obtained through the experimental modal analysis are compared with the simulation results，and the accuracy of the modal simulation analysis is verified.According to the modal shapes，typical vibration measurement points are picked out for the follow-up tank vibration measurement tests.

vibration and wave；fuel tank；modal analysis；natural frequency；modal shape

TB532；TK417+.127；O241.82

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.019

1006-1355（2016）04-0088-04

2015-12-08

屠翔宇（1991-），男，江蘇省揚州市人，碩士生，主要研究方向為汽車NVH。

嚴(yán)莉，女，博士。E-mail:yanli@sjtu.edu.cn