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        一種白車身車頂模態(tài)和動剛度測試分析方法的研究

        2019-08-19 07:30:44李旭偉楊東績田程
        時代汽車 2019年10期
        關(guān)鍵詞:激振器車頂振型

        李旭偉 楊東績 田程

        中國汽車技術(shù)研究中心 天津市 300300

        隨著社會的不斷進(jìn)步和生活水平的提高,人們對汽車的需求不僅僅局限在代步和運(yùn)輸功能,在安全和舒適性方面有了更大的要求。國家和行業(yè)也在汽車的安全性方面出臺了很多法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn),目前世界范圍內(nèi)主要是形成了以美國、歐洲和日本為主導(dǎo)的三大汽車法規(guī)體系,其他國家和地區(qū)的法規(guī)主要是參照這些法規(guī),再結(jié)合自身具體情況制訂相關(guān)的。汽車的NVH性能直接關(guān)系到整車的舒適性,是提升汽車品質(zhì)的關(guān)鍵因素,也是近些年汽車行業(yè)研究和探索的主要方向之一。

        汽車NVH性能的開發(fā)需要從整車設(shè)計(jì)初期就開始介入,定制整車開發(fā)目標(biāo),其中各系統(tǒng)和部件模態(tài)頻率目標(biāo)的制定尤為重要,需要與整車進(jìn)行匹配,是一個系統(tǒng)性的工程。模態(tài)頻率主要是考慮系統(tǒng)的共振問題,避開發(fā)動機(jī)、變速器等旋轉(zhuǎn)振動部件的自身頻率,避免與其耦合產(chǎn)生共振造成對整車的影響甚至破壞。模態(tài)頻率的匹配的理想狀態(tài)是各系統(tǒng)自身模態(tài)彼此解耦,同時相鄰的系統(tǒng)模態(tài)彼此解耦[1]。需要考慮白車身、座椅、方向盤、儀表板等很多零部件

        1 模態(tài)與動剛度的測試需求

        整車開發(fā)之初會制定系統(tǒng)的模態(tài)頻率指標(biāo),在各系統(tǒng)有了初步的三維模型后,就可以利用有限元軟件計(jì)算分析對應(yīng)模態(tài)頻率以及振型,對系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)有了初步的計(jì)算結(jié)果。但軟件的計(jì)算分析有自身的局限性,各個系統(tǒng)的特征不能完全體現(xiàn)在模型中,特別是非線性的材料以及特征很難通過仿真模擬,因此在系統(tǒng)部件生產(chǎn)完成后,需要對其進(jìn)行試驗(yàn)測試,進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。模態(tài)測試過程中,系統(tǒng)部件的設(shè)置一般分為自由狀態(tài)和約束狀態(tài)兩種形式,兩種形式在計(jì)算分析中都容易實(shí)現(xiàn),在試驗(yàn)過程中自由狀態(tài)較為實(shí)現(xiàn),約束狀態(tài)需要通過工裝夾具模擬部件的實(shí)車安裝形式,對工裝夾具的要求較高,需要經(jīng)過設(shè)計(jì)和計(jì)算校核,以免影響測試結(jié)果。車身作為一個多自由度的彈性系統(tǒng),其模態(tài)頻率相應(yīng)表現(xiàn)為無限多的模態(tài)頻率,低階模態(tài)振型多為整體振型,高階模態(tài)多為局部振型[2]。本文通過試驗(yàn)方法研究車身及車頂鈑件的模態(tài)參數(shù)關(guān)系。

        傳遞函數(shù)和動剛度是與模態(tài)相關(guān)的兩個動態(tài)參數(shù),對考核系統(tǒng)的動態(tài)性能同樣重要,也是NVH分析常用的參數(shù)。汽車在行駛過程中來自于路面、發(fā)動機(jī)的激勵通過車身傳遞到車內(nèi),影響乘員的乘坐舒適性,傳遞函數(shù)可以用來評估分析激勵與響應(yīng)之間的傳遞關(guān)系,找出振動噪聲的傳遞路徑,從傳播路徑入手切斷或者降低對車內(nèi)振動噪聲的影響。在NVH領(lǐng)域,動剛度指結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷作用下抵抗變形的能力,因?yàn)槠囋谛旭傔^程中大部分載荷均為動態(tài)載荷,白車身上各種接附點(diǎn)是動剛度研究的主要對象,動剛度低,在有動載荷激勵情況下,接附點(diǎn)的響應(yīng)越大,傳遞至車內(nèi)的振動噪聲越大,直接影響車內(nèi)的舒適性。白車身作為乘用車的承載結(jié)構(gòu),幾乎所有零部件都直接或者間接與其相關(guān)聯(lián),因此白車身的模態(tài)參數(shù)尤為重要,一般動剛度的測試與模態(tài)測試同時進(jìn)行,因?yàn)閯觿偠却蟛糠株P(guān)心區(qū)域都在白車身上,這樣就可以利用一個白車身完成模態(tài)和動剛度的測試,縮短了試驗(yàn)周期。

        2 車頂模態(tài)測試

        為測點(diǎn)建模是白車身模態(tài)測試準(zhǔn)備階段的必要工作,其目的是為后期輸出模態(tài)振型做準(zhǔn)備。在建模過程中,一般將整個白車身分成幾個部分,如前端、地板、防火墻、車頂、備胎池、左右側(cè)圍等,每個部分包含數(shù)量不等的測點(diǎn),這些測點(diǎn)組成的連線或者面形成整個白車身的輪廓,數(shù)量一般在150至200個之間。以往經(jīng)驗(yàn)表明,在中頻范圍內(nèi),車身鈑件對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)度相當(dāng)大,其中車頂尤為突出[3]。

        白車身模態(tài)一般使用激振器法測試,本文研究車頂?shù)哪B(tài)參數(shù),測試了某款三廂車型的車頂模態(tài),車頂采用了激振器法和力錘法兩種方法進(jìn)行測試,車身使用空氣彈簧支撐,模擬自由邊界條件。車頂測點(diǎn)的間距一般在200至300mm之間,數(shù)量根據(jù)車頂?shù)拇笮「鞑幌嗤ふ衿靼凑瞻总嚿砟B(tài)測試方法進(jìn)行布置,車頂模態(tài)測試在車身模態(tài)測試過程中進(jìn)行,作為車身模態(tài)的一部分,也可以將車頂部分單獨(dú)提取分析。力錘法需要在車頂?shù)哪B(tài)測點(diǎn)進(jìn)行激勵,激勵點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)均為車頂上的測點(diǎn),同樣以白車身為載體進(jìn)行測量,但只對車頂?shù)臏y點(diǎn)進(jìn)行激勵和響應(yīng)采集。

        使用力錘法對車頂測點(diǎn)動剛度進(jìn)行測試,因?yàn)閯觿偠鹊臏y試設(shè)置比較簡單,因此可以與車頂模態(tài)測試同時進(jìn)行。測試過程中設(shè)置采集頻率帶寬為0至512Hz,頻率分辨率為0.5Hz。車頂測點(diǎn)布置如圖1所示,共布置了32個測點(diǎn),采用分批測量的方法。

        圖1 車頂測點(diǎn)分布圖

        3 車頂模態(tài)參數(shù)和動剛度

        本文將激振器法和力錘法測試的車頂模態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比分析,圖2藍(lán)線為力錘法測試的分析穩(wěn)態(tài)曲線,紅線為激振器法但只有車頂測點(diǎn)參與計(jì)算的穩(wěn)態(tài)曲線,綠線為激振器法車身所有測點(diǎn)參與計(jì)算的穩(wěn)態(tài)曲線,可以看出大部分的固有頻率都是都是相對應(yīng)重合的,說明不止反映了車頂鈑件的模態(tài)頻率,整個白車身的特征也在其中。表1列出了兩種方法得出的前十階模態(tài)頻率,大部分頻率都非常接近,其中力錘法有兩階模態(tài)頻率在激振器法中并未出現(xiàn),為車頂?shù)木植磕B(tài),在白車身穩(wěn)態(tài)圖中沒有體現(xiàn)。同時還存在白車身穩(wěn)態(tài)圖中模態(tài)頻率較為突出,力錘法穩(wěn)態(tài)圖中也能夠識別出來但波峰不明顯的頻率,如圖3和4,通過對比振型圖發(fā)現(xiàn),白車身在此頻率下車身前端框架和備胎槽的振型更為明顯,車頂部分振型不明顯,在力錘法中才能將車頂?shù)恼裥惋@示清晰。

        圖2 模態(tài)頻率分析穩(wěn)態(tài)圖

        表1 各階模態(tài)頻率分布表

        圖3 車頂?shù)谖咫A模態(tài)振型

        車身的動剛度對于整車的振動噪聲有關(guān)鍵性的作用,本文主要研究車頂鈑件動剛度,使用力錘法測量測點(diǎn)的原點(diǎn)和跨點(diǎn)間動剛度。每個整車設(shè)計(jì)時根據(jù)具體的載荷形式對動剛度值都有不同的要求,本文共測試了車頂10個測點(diǎn)的動剛度,由于車頂?shù)奶厥庑?,激勵方向均為垂向。動剛度是考察測點(diǎn)的動態(tài)特性,是以頻率為基礎(chǔ)的曲線參數(shù),通過觀察測點(diǎn)的原點(diǎn)動剛度曲線,動剛度曲線的波谷對應(yīng)頻率均為車頂模態(tài)頻率,主要是因?yàn)閯觿偠瓤梢杂深l響函數(shù)計(jì)算得出,動剛度的波谷是頻響函數(shù)的波峰位置,而頻響函數(shù)是用來計(jì)算模態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以激勵測點(diǎn)5和30得出動剛度曲線為例,可以看出跨點(diǎn)動剛度的互易性,特別是在200Hz的低頻范圍內(nèi),重合度非常高,見圖5。

        圖4 白車身第五階模態(tài)振型

        圖5 跨點(diǎn)動剛度對應(yīng)曲線

        4 結(jié)論

        本文通過對白車身及其車頂進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),分析了模態(tài)和動剛度的參數(shù)特點(diǎn),并總結(jié)出如下結(jié)論:

        (1)對于白車身鈑件的模態(tài)測試,激振器和力錘法均能實(shí)現(xiàn),但力錘法因?yàn)槭轻槍︹k件本體的激勵,識別的模態(tài)參數(shù)會更加全面,激振器法主要是對白車身整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識別;

        (2)對于兩種方法都識別出的同一個模態(tài)頻率,如果力錘法對應(yīng)的幅值不太明顯的情況下,一般是由于白車身上其他鈑件或結(jié)構(gòu)在此頻率同樣存在固有頻率,而且振型更為明顯。因此要查看車頂鈑件的振型,使用力錘法效果更好;

        (3)動剛度和頻響函數(shù)一樣,都具有互易性,針對此特點(diǎn)可以減少測點(diǎn)數(shù)量,或者變換不利于激勵的測點(diǎn)。

        白車身模態(tài)頻率是整車設(shè)計(jì)的重要參數(shù)指標(biāo),每個局部結(jié)構(gòu)或者鈑件的動態(tài)參數(shù)也關(guān)系到與其連接的其他零部件振動性能。在白車身模態(tài)測試得到的參數(shù)不足以滿足研發(fā)需求的時候,針對所關(guān)心區(qū)域的力錘法試驗(yàn)更能體現(xiàn)局部區(qū)域的動態(tài)特性。

        車身上有很多接附點(diǎn)、懸置安裝點(diǎn),以及車頂行李架安裝點(diǎn)等,這些點(diǎn)的動剛度直接決定了與其連接部件的NVH性能,如果設(shè)計(jì)不好直接影響整車舒適性,后續(xù)工作還需與仿真分析相結(jié)合,更早的檢驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能,在車身樣品生產(chǎn)后再用試驗(yàn)手段驗(yàn)證分析結(jié)果或者改進(jìn)的效果。

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