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利用白车身振动模态试验对车辆动态设计的评价与分析 |
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作者：麻海舰 周鋐 |
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1.概述
随着汽车工业的发展，车辆动态特性的研究越来越引起人们的重视。汽车车身的动态特性，直接影响到车辆的稳定性和乘员的乘坐舒适性。但由于汽车车身结构复杂，对它的动态的理论研究显得非常困难。而运用试验模态分析技术，可以有效并快速地识别出系统的动态参数，进而为产品的优化设计提供实用的信息。
2.车身振动模态测试
模态试验是指以测取被测试系统的模态参数为目的所进行的试验。一般情况下是对被测试系统进行专门设置的激振试验。通过同时测量系统的输入和输出信号，运用数字信号处理技术，估计出被测系统的频响函数或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型。然后运用不同的参数识别方法，求得系统模态参数。
2.1 试验测试系统及准备
试验测量分析系统由试验激振系统、响应拾振系统以及模态分析和处理系统等三大部分组成。其中(1)试验激振系统包括：激振信号发生器、功率放大器和激振器；(2)响应拾振系统包括压电晶体加速度传感器、力传感器和信号放大和智能采集系统；(3)模态分析和处理系统主要是模态分析软件Test.lab。具体的测试系统如图1所示。 
图1 试验测量分析系统联接关系图
从上图可以看出，该分析测试系统配置是一台工作站连接一部多通道数据采集前端，数据采集前端以模块化特征为前端，这样可以大大提高测试和分析的能力。为保证识别出的频响函数具有较好的一致性，并且不遗漏模态。频响函数测试采用多点全相干激振的方法，即多点同时激振且各激励信号完全相干并具有固定的比例关系。这样可以保证较高的信噪比，改善输入能量在结构上的分布。
多点全相干激励要求激励信号必须为确定性信号，因此激励信号采用随机触发（burst random）信号，它具有了周期随机信号的所有优点，而且测试速度更快。
为模拟车身的“自由-自由”状态，被测轿车白车身采用悬吊安装方式，要求悬挂绳要足够软，以便保证刚体共振频率远低于第一阶弹性体共振频率（一般要求小于10%），试验中悬挂用的橡皮绳固有频率为2Hz左右，因此可以认为是自由支承。
2.2试验测点布置
为了对白车身模态进行测试，首先对白车身进行了几何尺寸测绘，并建立了三维几何试验模型，安排布置了192个测试点，并对每一个测点进行X、Y和Z三个方向的加速度信号拾振。根据测点的位置坐标建立模态测试试验模型，如图2所示。测点布置的原则是尽可能清楚全面地反映车身的整体振动模态，因此应均匀分布，在感兴趣的区域可以多布置响应点。
激振点位置的选择应避开结构模态节点或者支撑点，因此不宜选在对称的平面上，可以通过预试验的方法反复调试信号以获取理想的激振位置。最终确定三个方向的激振位置：Z方向布置在左侧纵梁前部，Y方向布置在轮罩位置，X方向布置在中央通道刚度较大位置，具体位置如图2所示。
图2 测点模型图
2.3 测试系统调试以及验证
根据采样定理：采样频率应大于分析信号中最高频率成分的两倍。我们所关心的白车身频率大约在200Hz以下，因此确定信号采集时的采样频率为640Hz。为了降低测试中噪声的影响，因此采用平均技术来降低随机误差，平均段数为100段。整个试验系统连接安装完毕之后，在正式试验测试之前要对试验系统进行如下调试和验证，以保证试验所得数据真实可靠。 
图3 激振力的自功率谱（Z方向）
首先考察输入力的自功率谱，原则上自功率谱不能在某些频率降为零。如图3所示，自功率谱有一定量的下降是可以容忍的。其次可以考查原点频响函数，在共振频率点，相位应该是从0°经-90°降至-180°，而在反共振点，相位则从-180°变到0°。
在测试过程中，为保证测得的频响函数质量可靠，应实时监测响应信号和激励信号之间的相干函数。只有相干系数（除去节点或反节点外）在0.9以上的信号才认为响应与激励信号之间的相干性较好。
测试结束以后，实际测得的FRF（频率响应函数）曲线与系统根据模态参数拟合出的FRF曲线的近似程度，也可以很好的验证试验结果的可靠性。
3.试验测试结果及分析
用Test.lab软件对白车身各测点传递函数先进行集总平均，然后进行模态拟合，计算模态参数。通过观测识别出的模态振型动画，可看出：车身振动模态可分为车身刚体模态、车身扭转、车身弯曲和车身局部振动模态。振动模态参数如下表1。从表中可看出，第一阶弹性模态是刚体模态的14.59倍，故保证了隔离环境振动对车身模态试验的干扰，提高了频响函数的信噪比。表1 振动模态参数
 根据模态参数和振型分析结果，对该汽车车身动态设计水平进行如下评价：
(1)在0-90Hz频带内，车身具有11阶模态（包括一个刚体模态），说明车身模态比较分散，车身设计比较合理。
(2)由振动理论可知：当激振频率与车身固有频率接近时，就会引起车身的共振。由路面不平引起的激励频率多在20Hz以下，该汽车车身的一阶弹性模态频率31.81Hz避开了这个范围。说明该汽车车身设计基本是合理的。
(3)该车前、后悬架系统频率为1-2Hz,而该汽车车身的一阶弹性模态频率为31.81Hz，表明车身设计避开了该车悬架系统的固有频率，从这点来讲，该汽车车身设计也是合理的。
(4)发动机怠速时转速在820-850r/min,怠速频率在27-30Hz之间，因此可判断，怠速时车身与发动机不会发生共振。
(5)正常行驶时发动机爆发频率在70-120Hz范围内，而发动机振动主要由车身底架承受，从振型动画图看出，在这个频带范围内整个车身底架所有振型连续圆滑且振动幅度小，所以底架设计是很合理的。从振型动画图上还可看出，车头振动幅度较大，但振型基本连续圆滑，因此可以认为符合要求，不过最好应增加其刚度。
4.结束语
本文对汽车白车身进行了模态试验分析，并获得了主要的模态参数。由此可以直观地获得该白车身的动态特性，为设计人员改进结构设计提供了非常直观的依据。(end)
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(4/27/2010) |
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