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基于LMS Test.Lab的顶棚模态试验分析 |
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作者：同济大学汽车学院 邵德刚 周鋐 |
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摘要：本文介绍了顶棚在实车状况下的试验模态分析方法,采用了悬挂激振器而车辆接地的单向激振方式，利用比利时LMS 公司模态测试系统和分析软件求得其前十阶模态频率及振型,并与优化其结构刚度后的模态试验结果进行比较，实现了模态频率的移频以及振动幅度的削弱，为顶棚结构改进，避开发动机振动频率及声学模态频率以减少振动噪声提供了直观依据。
关键词：车辆顶棚 模态试验 结构优化 振动噪声控制
1 前言
随着经济水平的提高和交通路况的改善，家用车越来越普及起来，车市上的新车型也层出不穷，如何提高乘车舒适性以提高市场竞争力已成为商家必须要面对的一大问题。对车身和各主要板件进行模态分析即可得出车身各结构的固有频率，从而找出薄弱位置或与其它激振源的激励频率相耦合的频段，利用改进结构、增强局部刚度等方法以提高汽车的乘坐舒适性以及安全性和可靠性。
车辆的顶棚由于刚度较低容易产生低频振动与发动机的二阶振动相耦合，同时由于顶棚有着较大的声辐射面积，是车内噪声的主要贡献源之一，故有必要对顶棚进行模态试验以确定其各模态参数，为避免因共振造成车内恼人噪声提供参考依据。
本文将通过采用 LMS 公司的模态测试系统对国产某SUV 车的顶棚进行模态试验分析，确定其模态频率和振型；然后对顶棚采取增加刚度措施后进行模态对比试验，以考量增强顶棚刚度对模态参数的影响，为优化顶棚提供参考和依据。
2 试验系统和仪器设备
试验的激励采用电磁激振器与功率放大器，输入信号为随机信号；用力传感器和加速度传感器采取信号；数据采集用LMS的智能信号发生与数据采集系统；模态分析和处理系统用的是LMS公司的模态分析软件Test.lab。
2.1 支承方式
一般试件模态试验为使结构出现固有频率接近为零的刚体模态大都采用的是试件自由支承（用橡皮绳、空气弹簧和泡沫塑料等将试件自由地悬挂或支承在空中）的方式。而本试验根据车辆顶棚的实际状况，采用了激振器用橡皮绳自由悬吊而车辆直接安置于地上的方法，同时使胎压充足，保证车辆与地面的近似刚性联结。试验结果表明这同样能保证刚体模态频率与结构最低弹性模态频率之比在0.1~0.2之内。顶棚模态试验系统图如下图1所示。
图1 顶棚模态试验测试系统
2.2 激振位置及测点布置
a.激振点的确定：
理想的位置是刚度较大而又能激出所有模态的地方，注意避开节点，因为激振在节点上，任何模态也激不出来。根据顶棚的情况，本试验采取单点激振多点拾振的试验方法，在顶棚中部较硬的位置加单个的Z 方向激振器。
b．测点的确定：
测点的布置主要遵循了以下几点：反映顶棚的基本外形和特征，测点关于顶棚左右对称，并尽量避开节点。定好测点后在Test.lab的Geometry模块里进行建模，具体的三维测试模型如图2所示。
图2 顶棚激振点和测点建模
为减少泄漏，激振源信号及采得信号均进行加窗处理。同时试验前检查了各测点的相干函数值。相干函数显示的是频响函数各次平均的一致性程度，为保证响应信号和激励信号之间的相干性，确定所接受信号的可信性，相干函数应基本处于大于0.8~0.9的范围中。
下图3为部分测试通道的相干性，可见基本（节点位置除外）处于0.9（横线处）以上区域，故采得的信号可信。
图3 模态相干系数
3 顶棚模态试验结果分析
试验完成后利用LMS PolyMax方法进行模态提取（图4），选取S值（模态的频率和阻尼值都稳定）较为集中的波峰为模态频率。这种参数识别技术能通过清晰的稳态图，简化极点选择来更快地进行模态分析。然后再根据获得的模态参数进行各测量点传递函数的拟合计算。从图5可以看到实际测得的频率响应函数FRF曲线与系统根据模态参数拟合出的FRF曲线的十分近似，说明所提取的模态阶数较为完整，并具有较高的准确度，验证了试验结果的可靠性。
图4 模态提取稳态图
图5 模态提取FRF函数比较图
此外，对各阶模态进行MAC（modal assurance criterion）计算，可见其各阶模态的相关度都在10％之内，且绝大多数都在5％之内，说明各阶模态具有较高的正交性，试验结果能满足工程实际应用的要求，见下表1。表1 前十阶模态的MAC
 试验测出顶棚模态的前十阶固有频率和对应的振型。
图6 顶棚前十阶模态频率及部分模态振型
图7 133Hz模态的振型
其中133Hz的这阶正好与这辆车在发动机3900~4100转产生轰鸣噪声时的发动机二阶频率（约为130~140Hz）相吻合，故有必要对其进行移频处理。同时由图7可以发现振型主要集中在顶棚中后部，即说明顶棚的中后部刚度较小，需要进行加强。
4 改变激振点位置对模态的影响
在确定上述模态试验的激振点之前进行的预试验中，为比较不同激振位置对模态试验的影响还按照如下图8的激振位置激过一次。如其同一位置（62号测点）的频响函数FRF曲线与系统拟合出的FRF曲线图（图9）与前图较理想状况相比就差了不少，提取的模态误差较大。这主要原因应是激振器处于太过边缘的位置，激振能量分布不均匀，一些测点响应信号不够大，无法激起所有模态所致。
但同时应注意的是，激振位置也不是越靠模态试验对象中心越近越好。这是因为中心部位很容易遇上节点或节线位置，做出的试验将失去意义。而对于多激振器的模态试验，布置激振位置时还要考虑各激振器之间的均匀分布和耦合关系。
图8 预试验的激振位置
图9 FRF函数比较图
5 提高刚度对模态的影响
下面就对顶棚在模态试验中暴露出的那阶与轰鸣转速二阶频率共振的模态频率进行优化处理。优化的思路是减振移频，其主要方法有改变顶棚结构和改变其刚度或质量以及增加阻尼等。综合改进的可行性、经济性以及对模态振型的分析，最终采用了增强顶棚中后部刚度的措施，以使其避开声固耦合作用的主要区域。
采用相同的试验设置（包括激振点，测点，悬挂方式，仪器及车辆状况等），测得的模态频率与原始的比较如表2。
可以看到在加强了顶棚的局部刚度后，成功避开了133Hz这一频率，实现了频移，同时在考察的低频敏感频率带范围里消减了模态数，比较模态振型也能发现各阶模态幅值都有了明显的下降，这些都有利于车辆的振动噪声优化，改进效果较为显著。
频响函数的比较也证实了这一结论，从图10可见改进后的FRF比原来的FRF下降明显。
图10 改进前后的FRF比较
6 总结
本文较详细地介绍了通过悬挂激振器进行顶棚模态的试验过程，研究了不同激振点位置对模态的影响以及改变刚度后模态特性的比较（藉由加强顶棚刚度，实现了顶棚振动固有频率移频，避开特定敏感频率，从而有效抑制顶棚的振动噪声）。
由此可见，通过模态试验可以有效地识别出顶棚的各阶频率与各阶振型，找出其薄弱环节所在，进而对车身顶棚结构参数的修改优化提供了直观的依据；而其手段除了本文介绍的改善刚度，还可综合采用改变结构、质量或添置阻尼的方法，但要注意的是某些措施会起到相互抵消的效果，如一些较重的阻尼材料虽然能起到减振的作用，但由于其质量关系会使板件偏频下降，而影响提高刚度等移频措施的效果，故在实际工程作业中，还要结合具体的情况采用最优化的措施组合。
参考文献
1 靳晓雄. 随机振动试验与模态分析技术. 同济大学汽车工程系，2002
2 靳晓雄. 汽车噪声的预测与控制. 同济大学出版社，2004
3 刘馥清 编译. LMS 测试与分析系统理论基础. 比利时LMS 公司，2000
4 麻海舰,周鋐. 利用白车身振动模态试验对车身动态设计的评价与分析. 噪声与振动控制,2007-4(end)
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(12/26/2011) |
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