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基于Virtual.lab的车身模态有限元分析及试验验证 |
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作者：王永利 赵永宏 周文超 |
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摘要：车身模态分析就是研究车身振动特性的主要方法，其具体研究方式可分为试验模态分析和有限元模态分析两种方法。基于有限元方法的模态分析，由于在建模过程中引进了一系列人为假设，因而导致了计算结果存在误差。而试验模态分析是建立在试验基础上，所得到的动态特征参数则比较真实地反映了物理模型的的动力学特性。本文分别用两种方法对乘用车白车身的模态进行分析计算，并对两种方法计算的结果进行对比验证。进而为模态灵敏度分析、模态修正以及FEM 校正等工作奠定了基础。
关键词： 白车身模态分析 试验模态 有限元模态 模态验证
1.前言
车辆在行驶过程中，车身结构在各种振动源的激励下会产生振动，如发动机运转、路面不平以及高速行驶时风力引起的振动等。如果这些振源的激励接近车身整体或局部的固有频率，便会发生共振现象，产生剧烈振动和噪声，甚至造成结构破坏，为提高汽车的安全性、舒适性和可靠性，就必须对车身的振动特性进行分析，通过结构设计避免开各种振源的激励频率。
车身的模态分析技术就是解决车身振动问题最有效、最经济的方法。车身的模态分析技术分为有限元模态分析和试验模态分析。这两个方面的运用和发展相辅相成，能有效车身结构的振动问题。特别是计算机技术的高速发展，有限元分析技术成熟的应用，在车身概念设计间段就可以对车身的振动特性进行详细的分析预测，对结构的设计更改提供可靠的数据，这样大大缩短了汽车的开发周期，降低开发成本。
有限元模型的建立，在边界条件的处理及力学模型的简化上，往往与实际结构相差较大，这样便会导致有限元模型的计算结果不可靠，失去实用价值。用试验模态分析的模态参数对有限元模态分析的结果进行验证并修正有限元模型，使其更能符合实际从而提高有限元分析的精度。
本文对乘用车白车身的模态首先进行有限元分析，然后对对白车身样车进行试验模态分析，用试验模态参数对有限元模型计算结果进行对比分析验证。
2.有限元法计算车身模态
乘用车白车身有限元模型（见图1），白车身不包括前后风挡玻璃，共有130 个零部件，共划分205124个壳单元单元，213213 个节点，各个部件间焊点用刚性单元模拟，有限元模型质量为327.7Kg。用有限元分析软件NASTRAN 计算白车身的前5 阶自由模态(见表1)。
图 1 白车身有限元模型
3.白车身模态试验
3.1 白车身模态试验模型
白车身模态试验采用比利时 LMS 模态测试分析软件及数据采集系统，响应点测量采用KISTLER 单向加速度传感器，输入采用MB 电磁激振器。
白车身模态试验响应点布置(见图3)，共布置有108 个响应点，响应点布置在车身振动幅值较大的地方，并且能体现车身的整体轮廓。车身用橡皮筋悬挂，使车身处于自由－自由状态（见图4）。白车身的总质量为330.6Kg.
白车身布置两个激励点，激励点分别位于车身的前后悬置处（见图5－1、2）；激励信号采用猝发随机信号，激振频率带宽为1～200Hz。猝发随机信号是一个暂态随机信号，起始时是纯随机信号的一个子样，过一段时间后即降为零，以便使响应在观察时间窗终了之前衰减为零。其频谱具有随机的幅值和相位，能量在感兴趣的整个频带上都有分布，图4 表示典型的猝发随机信号及其频谱。猝发随机信号具有周期随机信号的一切优点，它可以最大限度减小泄漏误差，能给出非线性系统的最佳线性近似，粹发随机信号的信噪比和峰值有效值比都比较好，频带容易控制。
图 6 猝发随机激励信号及频谱
3.2 白车身模态试验结果
白车身模态试验结果见表 2，白车身一阶模态频率为25.18Hz，振型为左右摆动；二阶模态频率29.26Hz,振型为扭转;白车身的一阶弯曲频率为45.43Hz。
4.用模态试验参数对有限元模型进行验证
4.1 车身模态固有频率验证
有限元计算的模态参数与试验模态参数进行对比主要有两个方面，及模态固有频率和模态振型的对比。固有频率的对比，文献[1]采用作图的方式很方便的对比两组数据的相关程度，且能观察出存在偏差的性质。白车身模态固有频率有限元计算值和试验值对比（见图8），理想的情况下，图中各点应分布在一条斜率为1 的直线上，否则说明模型中材料性质参数的取值有误差，图中直线的斜率为0.931，说明模型的材料参数有一定误差。但是各点都分布在45 度斜线的附近，说明白车身模态有限元计算值与试验值相符合，有限元模型能代替试验模型进行分析预测。
图 8 试验测试点在FEM 模型分布图
图8 白车身模态固有频率有限元计算值与试验值对比图
模态有限元计算值与试验值振型的验证最常用的方法是计算其模态置信准则 MAC 值，
式中{ϕei} 为试验模态向量，{ϕ ai } 为有限元模态向量。MAC 值介于0 和1 之间，MAC 值等于1 表示两者线性相关，MAC 值等于0 表示两者线性无关。表 3 白车身有限元计算模态值与试验模态值MAC 值
 
图 9 白车身有限元计算模态值与试验模态值MAC 值图
5.CAE 与试验对比分析（误差分析）
通过试验与 CAE 对分分析，在某种程度上CAE 分析结果与试验结果还存在一定偏差。在经过大量Benchmark 分析基础上，导致误差的主要因素在于以下几个方面：
构件连接方式（即CAE 的connector 构建方式）
材料参数
试验的工况
1. 试件状态
2. 加工工艺
6．结论
通过对车身模态 FEM 分析以及相应的试验验证分析，在很大程度上促进了CAE 分析，提高了CAE分析结果的精度。与此同时也精细了模态试验。
7．未来工作
模态相关性分析最终目标是找出 FEM 模型与物理模型的差别，为此需要对标题5 所列各项进行系统的灵敏度分析，从而构建一个完美的FEM 模型。
参考文献
【1】LMS Test.Lab help manual
【2】MSC.Nastran Advanced Dynamic Analysis User’s Guide
【3】管迪华。模态分析技术，北京清华大学出版社，1995(end)
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(12/26/2011) |
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