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模态试验及工作变形分析在汽车车内噪声诊断中的应用 |
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作者：李艳斌 张满良 姜建中 |
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1、前言
模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已趋成熟，并被广泛的用于汽车设计和汽车NVH性能的故障诊断中。汽车上的各个系统都是相互连接在一起的，相连接的系统的模态一定要分开，否则它们之间就会发生共振。通过模态分析技术就可以得到各个子系统的模态，进一步分析各个系统之间有没有模态耦合。由于国内汽车工业相对发达国家还比较落后，部分新车型会存在振动或者噪声方面的问题，我们一般可以对样车进行工作变形分析。工作变形分析是近些年才出现的新的故障诊断方法，它和运行模态一样，都是利用实际工况下的响应信号计算得到有用的信息。工作变形分析可以使工程师们更直观的了解样车在实际工况下的工作形式，为进一步的故障诊断提供依据。本文通过一个乘用车的降噪实例，来具体说明模态分析和工作变形这两种分析方法是如何在汽车降噪中应用的。
2、模态分析、工作变形的定义
2.1 模态分析的定义
将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
2.2 工作变形的定义
ODS即工作变形分析，是指实际工作状态下的试件振动的视觉体验，简而言之就是在实际工作情况下试件怎么振动的。ODS是指结构在某一特定频率、特定转速下的变形，所以也可以概括的定义为结构的受迫振动。不同的转速对ODS的结果可能会有一定的影响。
3、模态分析和工作变形的区别和联系
模态分析和工作变形之间的区别：
1）模态描述结构的共振，而一个工作变形仅仅描述了在某个特定频率或时间下的受迫响应。
2）模态是共振结构的固有属性，工作变形可以定义到任何结构，共振或非共振结构均可。
3）工作变形随着结构载荷的改变而改变，但模态不会。工作变形是任意的，取决于作用在结构上的载荷。模态只有在结构属性（质量、阻尼和刚度）和边界条件改变时才相应改变。
4）工作变形可以回答“结构是如何运动的？”这个问题，而模态振型没有单位所以无法回答上述问题。
5）模态试验需要测试结构的传递函数，工作变形需要测试的是结构在实际工况下的响应。
模态分析和工作变形之间的联系：
通过模态分析和工作变形分析可以判断出模态分析中的几阶振型对实际运动工作环境下变形产生了影响。换言之，工作变形表现出了真正的运动变形情况，但它到底是由模态分析中的哪几阶组合，需要通过模态分析加以判断，从而获得各阶贡献量，并加以判断，改进。所以模态分析是工作变形分析的基础和前提条件。
4、实例应用
4.1实例介绍
在开发一款新型客车时，发现该样车中后排乘员耳旁噪声在发动机的低转速段较大。经过简单的噪声测试及谱分析知道，后排噪声在低转速段内主要由发动机的点火频率所决定，是板件的低频振动，向车内辐射噪声，使得该车后排噪声偏大，辐射噪声较大的频带主要集中在30～60Hz。并且通过主观评价也可以验证这一观点。为了了解车身板件的结构特性和实际工况下车身板件的振动形式，先后进行了该样车的白车身模态试验和实车的工作变形分析。
4.2 试验介绍
4.2.1 白车身模态分析介绍
1）试验设置和试验设备
白车身自由悬挂，在车身的纵梁上选择前后两点进行激励。分析频段选择0～200Hz，频率分辨率为0.2Hz，激励信号选择猝发随机激励。试验设备是LMS公司的SC310多通道数据采集系统，分析系统是LMS公司的Test.Lab 7A。 
图1 白车身模态试验骨架及激振点位置
2）试验结果
利用Test.Lab 7A中的poly MAX模块进行模态分析，得到表1中的几阶主要模态，其中有2阶是车身整体模态，3阶是车身局部模态。 表1 白车身模态测试结果
 4.2.2 实车工作变形分析的介绍
1）试验条件和试验设备
试验路面为平滑沥青路面，试验工况为3档急加速，分析频段选择0～200Hz，频率分辨率为0.2Hz。试验设备是LMS公司的SC310多通道数据采集系统，分析系统是LMS公司的Test.Lab 7A。
2）试验结果
利用Test.Lab 7A中的Operational Deflection Shapes & Time Animation模块进行工作变形分析，得到表2中的几阶主要振型，其中前2阶是车身顶篷中后部的局部变形。 表2 样车工作变形测试结果
 4.3 结果分析
通过对比白车身的模态和工作变形的试验结果（见图2～5），可知：工作变形在1360rpm时的振型与白车身46.22Hz的一阶模态振型基本一致；工作变形在1025rpm时的振型与白车身48.12Hz的一阶模态振型在顶篷的局部变形上是一致的。这说明这两阶模态对该车中后排乘员耳旁噪声较大这一NVH现象是有很大贡献的。
根据上述试验结果，可以对该车车身后部进行改进，对以上两阶影响较大的模态振型变形较大的位置进行局部刚度的加强，并适度的增加阻尼材料，用以降低振动的幅值，减小辐射噪声。当然以上只是从振动响应者的角度进行考虑，并改进的，还可以通过减小激励源的振动，或者增加传递路径的衰减的方法去降低车内噪声。
图2 顶篷3阶局部模态
图3 车身垂直弯曲模态
图4 顶篷中后部2阶局部变形
图5 车身整体及顶篷中后部局部变形
5、结束语
将模态分析和工作变形分析结合起来可以有效地诊断车内NVH问题，具有一定的工程使用价值。借助LMS公司的TestLab软件可以很方便的实现模态分析及工作变形分析。另外鉴于工作变形反映的是被测物在实际工作状态下的情况，对研究人员进行故障诊断分析有很好的指导作用。(end)
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(2/24/2009) |
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