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CAE/模拟仿真 |
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基于LMS Test.Lab的质心及惯性参数测量 |
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作者：一汽技术中心 周文超 王永利 赵永宏 |
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摘要：质心和惯性参数是汽车设计中必须掌握的原始数据。本文通过对悬吊法、有限元分析法和模态分析法三种质心及惯性参数测量方法的对比，得出基于LMS Test.Lab 的模态分析法在测量范围和测量精度上要优于前两种方法。
关键词：LMS Test.Lab 质心惯性参数
1 概述
质量中心简称质心，指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点。刚体惯性参数(重心位置、转动惯量和惯量积等)是进行机械系统动力学分析、优化控制、评价和确定产品结构性能的重要参数。汽车各关键部件的惯性参数是设计汽车时必须掌握的原始数据，对于求解运动方程、控制汽车运动的规律，设计出高质量的汽车是第一道门槛。通常，简单物体可以通过计算获得，但复杂的动态物体必须通过实测获得。
1.1 质心测量
质心测量通常采用悬吊法：利用二力平衡公理，将物体用绳悬挂两次，重心必定在两次绳延长线的交点上。悬吊法确定物体的重心方法见图1。
1.2 惯性参数测量
传统测量或识别刚体惯性参数的方法有落体测试法、振摆测试法、利用三维实体数字模型等。
2 质心及惯性参数测量
在本文中，对某车型（代号C1）的行李箱盖的质心及惯性参数分别采用悬吊法、有限元分析法和模态分析法进行测量和分析，最后将三者的结果进行对比。
2.1 悬吊法测量 C1 行李箱盖质心
C1 行李箱盖的质量实测为12.5 ㎏。在行李箱盖上选择四点（如图2 所示，图中A、B 两点为悬吊点），用三坐标测量机精确测出这四点的坐标。用一条柔软的细绳将行李箱盖的A 端吊起，当行李箱盖静止不动时在绳子上测得两点a1、a2；用同样的方法在B 端的绳子上测得两点b1、b2。沿a1、a2 做一条直线a1a2，沿b1、b2 做一条直线b1b2，两直线相交于点C，C 点即为行李箱盖质心。求得C1 行李箱盖质心在整车坐标系中的坐标为（4429.9，12.2，1138.8）。悬吊法只能测量行李箱盖的质心，不能测量其惯性参数。
图2 悬吊法测量C1 行李箱盖质心
2.2 有限元分析法计算 C1 行李箱盖质心
建立如图3 所示有限元模型，计算出C1 行李箱盖的质量为11.68 ㎏，质心坐标为（4432.8，-0.098，1142.8）。
图 3 C1 行李箱盖有限元模型
2.3 模态分析法测量 C1 行李箱盖质心及惯性参数
LMS Test.Lab 软件系统能根据试验测得的频响函数计算出结构的刚体模态，由刚体模态参数可计算出结构的质心及其惯性参数。C1 行李箱盖传感器布置见图4，用三坐标测量机精确测出图中十个点在车身坐标系中的坐标。在测点上布置三向传感器。
图4 模态分析法传感器布置图
模态分析法测得的C1 行李箱盖质心及惯性参数见表1。表1 模态分析法测得C1 行李箱盖质心及惯性参数表
 
图5 模态分析法质心测量结果图
2.4 悬吊法、有限元分析法和模态分析法结果对比
悬吊法、有限元分析法和模态分析法结果对比见表2。表2 悬吊法、有限元分析法和模态分析法结果
 3 结论
通过表 2 的结果对比，可得出以下结论：
1.悬吊法测量结构的质心是原始的物理测量方法，它只能测量小部件的质心，而且要求悬吊的细绳长度在2 米以上，而且对绳子上的点测量误差较大，所以质心的测量精度不高。
2.有限元分析法是对结构的数值分析法，是在CAD 数据上利用有限元法近似计算结构的质心，由于结构的简化，所以其质量和质心和实际结构往往有差别。
3.C1 行李箱盖的质心坐标Y 值的理论值为0。模态分析法测量的质心坐标Y 值和有限元法计算的Y 值均接近0 值，所以模态分析法和有限元分析法测量结构质心的精度较高。
4.模态分析法利用测量的刚体模态来计算结构的质心和惯性参数，此方法测量精度高，而且可以测量较大的结构。
参考文献
[1] 沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯.白化同，郭继忠译.模态分析理论与试验.北京：北京理工大学出版社，2000
[2] LMS Test.Lab 帮助文档。
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(12/26/2011) |
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