汪 坤 潘紹飛

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂(lè)山 614000

目前，世界各國(guó)汽車公司競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，人們對(duì)汽車品質(zhì)要求也越來(lái)越高。因此，提高汽車性能，對(duì)汽車研發(fā)周期的縮短也顯得更為重要。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的指導(dǎo)，我們知道，對(duì)于標(biāo)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(yàn)分析法對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析，將會(huì)對(duì)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(jì)，而白車身的特性對(duì)汽車的性能有直接的影響。白車身的動(dòng)態(tài)特性可以利用模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行分析，它對(duì)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(yàn)與分析對(duì)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(wú)擋風(fēng)玻璃對(duì)白車身動(dòng)態(tài)性能的影響。

1 白車身模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的組成分為四部分，其分別為激勵(lì)系統(tǒng)、響應(yīng)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(yàn)的激勵(lì)系統(tǒng)主要包括：信號(hào)源、功率放大器和激振器；響應(yīng)系統(tǒng)包括：標(biāo)智3向加速度傳感器、信號(hào)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(jì)算機(jī)。對(duì)激振和響應(yīng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集可以通過(guò)LMS數(shù)據(jù)采集器和LMS Test.Lab 11B軟件實(shí)現(xiàn)，然后把采集到的時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，并經(jīng)過(guò)運(yùn)算后可以得到頻率響應(yīng)函數(shù)FRF[2]。模態(tài)試驗(yàn)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(jiàn)表 1。

圖1 模態(tài)實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法及試驗(yàn)步驟

2.1 白車身幾何模型的建立

在模態(tài)試驗(yàn)開(kāi)始之前，首先需要建立白車身的幾何模型，其目的是確定測(cè)試點(diǎn)位置以便于模態(tài)試驗(yàn)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(cè)試的點(diǎn)，點(diǎn)的選擇需要遵循：①測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該能夠完全描繪整個(gè)白車身的形狀，反映出振動(dòng)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(lái)保證測(cè)試點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)質(zhì)量。②測(cè)點(diǎn)應(yīng)均勻?qū)ΨQ分布在白車身上，且測(cè)點(diǎn)數(shù)目不宜過(guò)少，否則很難反映測(cè)試白車身的形狀和振動(dòng)特性；也不易過(guò)多，否則會(huì)增大試驗(yàn)的工作量和處理數(shù)據(jù)的繁雜；③測(cè)點(diǎn)不應(yīng)在各階振型的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，否則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法識(shí)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(cè)點(diǎn)時(shí)，需要利用歐拉角對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)變換，否則白車身的形狀無(wú)法真實(shí)的被反映出來(lái)，這樣會(huì)對(duì)模態(tài)振型和識(shí)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(cè)量點(diǎn)幾何特征之間的界面關(guān)系，將點(diǎn)與線或面連接，建立整個(gè)白車身的幾何模型。本試驗(yàn)根據(jù)該款白車身的結(jié)構(gòu)布置了169個(gè)測(cè)點(diǎn)并建立了幾何模型，如圖2所示。

圖2 白車身測(cè)點(diǎn)及幾何模型

表2 傳感器布置位置及測(cè)試點(diǎn)數(shù)

2.2 白車身固定方式和激振點(diǎn)的布置

2.2.1 固定方式的確定

模態(tài)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用空氣彈簧支撐，剛體模態(tài)頻率為3.97Hz遠(yuǎn)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(yàn)要求。

2.2.2 激振點(diǎn)的布置

本文結(jié)合大量的試驗(yàn)表明，白車身模態(tài)試驗(yàn)的激振點(diǎn)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(yīng)避開(kāi)某階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)和支撐點(diǎn)附近的位置，否則無(wú)法識(shí)別模態(tài)參數(shù)，影響模態(tài)陣型；（3）激振點(diǎn)應(yīng)布置在對(duì)角線上，這樣有利于結(jié)構(gòu)上的激勵(lì)能量更充分，獲取的響應(yīng)信號(hào)有較好的質(zhì)量。

由試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知：白車身模態(tài)試驗(yàn)的激振點(diǎn)一般最多布置兩到三個(gè)，如果激振點(diǎn)選擇過(guò)多，那樣會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)函數(shù)曲線的質(zhì)量變差。本次試驗(yàn)布置兩個(gè)激振器，激振點(diǎn)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(yàn)內(nèi)容

對(duì)于試驗(yàn)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(fēng)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(méi)有前后擋風(fēng)玻璃以及地板有阻尼。

根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)我們可得知：對(duì)白車身模態(tài)試驗(yàn)頻率的要求為：0～100Hz；因此，考慮到汽車實(shí)際行駛工況和道路激勵(lì)等的因素，本次試驗(yàn)的白車身模態(tài)試驗(yàn)的試驗(yàn)頻段取為 0～100Hz。測(cè)試時(shí)分析頻率為256Hz；Spectral lines為256；頻率分辨率為1.0Hz；采集時(shí)間為1.0s。

為了降低測(cè)試中噪聲的影響和隨機(jī)誤差的影響，試驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)行多次平均，因此本次試驗(yàn)采用平均技術(shù)來(lái)降低隨機(jī)誤差，試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)，需要移動(dòng)傳感器對(duì)白車身進(jìn)行測(cè)量；為保證測(cè)量的頻響函數(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)，只有相干函數(shù)在0.8以上的信號(hào)才認(rèn)為有效[4]。最后，綜合分析了各測(cè)試點(diǎn)加速度響應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，得到模態(tài)頻率和相應(yīng)的模態(tài)振型。

3 模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果與分析

對(duì)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(guò)測(cè)試可得各響應(yīng)點(diǎn)的頻響函數(shù)，基于響應(yīng)點(diǎn)頻響函數(shù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)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(jiàn)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(fēng)擋玻璃，對(duì)白車身進(jìn)行第二種狀態(tài)的模態(tài)試驗(yàn)（有副車架、無(wú)安裝玻璃、地板有阻尼），通過(guò)測(cè)試可得各響應(yīng)點(diǎn)的頻響函數(shù)，基于響應(yīng)點(diǎn)頻響函數(shù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)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(jiàn)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(fēng)擋玻璃的影響，在拆下風(fēng)擋玻璃的白車身模態(tài)試驗(yàn)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(duì)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(dòng)；帶玻璃的第5階為頂棚、地板局部、前縱梁反向擺動(dòng)，不帶玻璃的為整體二階扭轉(zhuǎn)，表明玻璃對(duì)白車身的振動(dòng)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(yàn)，對(duì)市場(chǎng)上某款車型的白車身進(jìn)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(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比得知，風(fēng)擋玻璃對(duì)固有頻率、阻尼比和振型都有較大的影響，對(duì)于該款白車身的模態(tài)參數(shù)等的識(shí)別和結(jié)果分析，為今后的汽車研發(fā)和車身設(shè)計(jì)及優(yōu)化都提供了試驗(yàn)依據(jù)。

[1] 李英平.汽車車身模態(tài)分析實(shí)例研究[J].汽車技術(shù)，2007（11）.

[2] 戴云，鄔耀明，熊毅. 某汽車白車身模態(tài)試驗(yàn)研究[J].輕型汽車技術(shù)，2009，10： 4-7.

[3] 張建，唐文獻(xiàn)，馬寶，等. 某轎車白車身試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，2012，2：146-149.

[4] 楊英，趙廣耀，孟凡亮.某轎車白車身模態(tài)分析與試驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，2008，7： 1045-1048.

[5] Lan F，Chen J，Lin J. Comparative analysis for bus structures and lightweight optimization [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part D，Journal of Automobile Engineering，2004，218（10）：1067-1075.

[6] Kim K C，Kim C M. Astudy on the body attachment stiffness for the road noise[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2005，19（6）：1304-1312.

[7] LEE D C，WOO Y H，SANGHO LEE S H，et al.Design Consideration of the Nonlinear Specifications in the Automotive Body [J].Finite Elements in Analysis and Design，2008，44 （14）：851-8611.

[8] 夏兆義，馮蘭芳，王宏曉，等.某轎車白車身模態(tài)分析與優(yōu)化[J]，機(jī)械研究與應(yīng)用，2011，3.

[9] 胡小舟，林建平，陳羹，等. 基于模態(tài)應(yīng)變能及靈敏度分析白車身模態(tài)優(yōu)化[J]，機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015，9.

[10] 張國(guó)勝，周 煒，孟凡亮，等.轎車白車身模態(tài)分析和局部剛度優(yōu)化方法研究[J].公路交通科技，2010，4.

[11] 李文，李猛，金永磊，等.轎車白車身試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)相關(guān)性分析[J].汽車技術(shù)，2011，6.

[12] 楊年炯，錢立軍，關(guān)長(zhǎng)明.某轎車白車身模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，2.