白車身模態(tài)試驗

1、wHw.COin東方振動和噪聲技術(shù)研究所 China Orientof Notce & Vihratian測控技術(shù)盤te儀乙寺業(yè) 斫發(fā)gm適嗇汽車白車身模態(tài)試驗與結(jié)果分析李磊1應(yīng)懷樵2董書偉2張占一 ？(1東北大學(xué)機(jī)械與白動化學(xué)院 沈陽110004 2北京東方振動與噪聲技術(shù)研究所 北京100085)摘要 試驗?zāi)B(tài)分析C經(jīng)成為'勺今結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的一個丄耍技術(shù)。為了得到不同結(jié)構(gòu)形式汽車白車 身的模態(tài)動態(tài)響應(yīng)參數(shù).對乞種結(jié)構(gòu)形式的門車少做了一系列的模念試驗.文儀介紹了廣I車身模態(tài)試驗的 試驗方案以及過程，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析.關(guān)鍵詞：車身，模態(tài)試驗，錘擊法，參數(shù)識別Modal Te

2、st and Result Analysis for Body in WhiteLi Lei1 Ying Huaiqiao2 Dong Shirw ei2 Zhang Zhanyi11. School of Mechanical Engineering & Automation. Northeastern Umx ersity Shenyang 1100042. Beijing Orient Institute of Noise & wibration Beijing 10008Abstract Experimental Modal Analysis (EMA) is cuiT

3、ently one of the key technologies in structural dynamics analysis. A senes of modal tests was perfonued oil several car bodies in white, with as objective the detailed identification of the modes responsible for the dynamic charactenstics. This paper descnbes the test plans, procedures and analyzes

4、results of the vehicle stnicture test for the bodies m white, which were excited by impact hammer。Key Words: body m white, mode expeninent, hammer excitation, parameters estnnationwHw.COinwHw.COin0 介紹在現(xiàn)代汽車的設(shè)計開發(fā)過程中，乍身設(shè)計的 合理性，対汽車可靠性、安全件、動力響應(yīng)特性 都仃很直接的影響。作為一個彈性系統(tǒng)，車身在 外界的時變激勵作用卜一將產(chǎn)生振動。半外界激振 頻率與系統(tǒng)固冇頻率接近時，

5、將產(chǎn)生共振。汽乍 NVH （Noise, 'ibration, Hai'sliness）性能 Ll經(jīng)越 來越受開發(fā)設(shè)計人員的重視。為了使汽車仃較好的NVH性能，在設(shè)計屮, 常采用有限元分析方法計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特 性，但是汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立令限尤模型時，邊 界條件的處理及力學(xué)模型的簡化上，往往與實際 結(jié)構(gòu)仃較人差界，這就需耍通過模態(tài)試驗得到模 態(tài)參數(shù)，并對有限尤模型進(jìn)行修正，使實更符合 實際，從而優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu),達(dá)到預(yù)定的要求。試驗?zāi)B(tài)分析（EMA）已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu) 動態(tài)分析的一個主耍技術(shù)，并且已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用。1相關(guān)理論1.1模態(tài)分析原理一般結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可離散為一種H有N個自由度的

6、 線彈性系統(tǒng)，英運動微分方程為：皿翳+心計+風(fēng)計=/（）（1）方程（1）經(jīng)拉氏變換，町得：（p2 +pM+k 1Xx（p）=f（p）傳遞浙數(shù)可表示為：h（p）=（p2m+pc+k）_1（3）M質(zhì)最矩陣,實對稱矩陣,正定:C陽尼矩陣，實對稱矩陣，半正定:K剛度矩陣, 實對稱矩陣，正定或半正定。wHw.COinqSyj東方振動和噪聲技術(shù)研究所China Or/ent Institufe ci Notce & Vibration測竝技術(shù)金1C儀為專業(yè)磯左mtlifi巒nv.COI d東方振動和噪聲技術(shù)研究所China Orient Inst/tute of Notce & Vihra

7、lionqSyj東方振動和噪聲技術(shù)研究所China Or/ent Institufe ci Notce & Vibration測竝技術(shù)金1C儀為專業(yè)磯左mtlifi巒nv.COI dqSyj東方振動和噪聲技術(shù)研究所China Or/ent Institufe ci Notce & Vibration測竝技術(shù)金1C儀為專業(yè)磯左mtlifi巒nv.COI d令p = je振動系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為：丹（血）=（-”m+同c+k）“（4）對線性系統(tǒng)，多口由度系統(tǒng)的頻響函數(shù)是多個單n由度系統(tǒng)頻響函數(shù)的線性組介。要確定 全部模態(tài)參數(shù)5、g、5,實際上只要測量頻 率響應(yīng)函數(shù)矩陣的-行或列就夠

8、了。対系統(tǒng)，點進(jìn)行激勵并在丿點測響應(yīng)，可得 傳遞函數(shù)矩陣中第i行j列尤索為：如S）=f;ur=i - a）-Mr + jcoCr + Kr12 ERA& PolyLSCF模態(tài)分析方法簡介測試數(shù)據(jù)分別釆用EAR和國際上II：常流行 的PolyLSCF （即：PolyMAX）模態(tài)分析算法計 算，兩種算法所得到的模態(tài)頻率吻合的很好，模 態(tài)阻尼也有較好的一致性。特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法（ERA）是-種在fl接模 型識別后，根據(jù)多輸入數(shù)據(jù)對系統(tǒng)極點、模態(tài)參 預(yù)因子和復(fù)模態(tài)振型進(jìn)行整體佔計的女口由度 時域法。自由度為n的線性系統(tǒng)，其離散狀態(tài) 空間方程表示如下：xk+1=Axk+wkYk+i=Cxk.l式中

9、,xk是n維狀態(tài)向量,N為響應(yīng)點數(shù), Wl是均值為零的輸入白噪聲,A和C分別 表示n帕階狀態(tài)矩陣和N九階輸出矩陣，系統(tǒng) 的特性完全由特征矩陣A的特征值和特征向 量衷示。當(dāng)模態(tài)頻率較密集，頻域法識別冇難度時, 將傳遞函數(shù)逆變換得到脈沖響應(yīng)函數(shù)，用ERA 方法進(jìn)行識別，可得到更為令人滿意的結(jié)果。最小二乘復(fù)頻域法（PolyLSCF）,是基丁如 小二乘方法的一種算法，它采用多輸入多輸出 頻響函數(shù)作為主要數(shù)據(jù)。實現(xiàn)起來與繪小二乘 復(fù)指數(shù)（時域法）法很接近，第一步都是構(gòu)造 包介頻率、阻尼信息的穩(wěn)態(tài)圖，然后再根據(jù)試 驗人員的選擇建立模態(tài)振型。PolyLSCF具冇很強(qiáng)的抗噪聲干擾能力，更 改系統(tǒng)的誤差容限，町

10、以很方便的識別出系統(tǒng) 的虛假模態(tài)，對人阻尼、密集模態(tài)典有很強(qiáng)的 識別能力，運算速度也較ERA更快。2測試方案與試驗過程2.1測試方案由模態(tài)分析原理町知，只要測彊頻率響應(yīng)函 數(shù)的行或列就可以識別出模態(tài)矢*:和極點 位置并進(jìn)而得到所冇模態(tài)參數(shù)。試驗中采用了單 點激勵，多點響應(yīng)（相半尸測駅頻響?zhàn)?shù)的一行） 的測試方法：1）采用北京東方所彈性聚能力錘進(jìn)行激勵, 力傳感器6T,鋪頭采用橡膠頭，經(jīng)測定，力信 號的能呈主要集屮在中低頻段內(nèi)，能夠滿足試驗 需要；2）受試驗條件限制，響應(yīng)傳感器采用單向 加速度傳感器，乍身卜.某吐測點采用2個或3個傳 感器分別測最不同方向上的響應(yīng)信號；3）車身采用柔性繩索用裝，近

11、似丁自宙 門由條件，經(jīng)測定剛體共振頻率約為3Hz,遠(yuǎn)低乍身的第一階周冇頻率，對測試影響很小，可 忽略不計；4）測試分析系統(tǒng)采用北京東方所INV306U 動態(tài)測試分析系統(tǒng)。2.2試驗過程為了保證激勵信巧能対乍身齊個方向都能 產(chǎn)牛足夠的激勵，激勵點選擇在車身后一斜面 上；同時,為了降低信號中混入的隨機(jī)噪聲分最 的影響，激勵信號采用多次平均，平均次數(shù)為20 次：每紐測試，采用8個傳感器拾振，并逐批移 動傳感器：為減少漏掉模態(tài)的機(jī)會，全車身測點 均勻分布，共設(shè)置536個測點，分67組測最。關(guān)心的測就頻率范陽為0200Hz,采用掾 膠頭的力錘進(jìn)行激勵，能夠滿足關(guān)心頻段內(nèi)激勵 能最的要求。測試過程中，同時

12、觀察信號的時域波形和頻 譜的一致性確保信號的可靠性。3測試結(jié)果與分析4 試驗總結(jié)3.1測試數(shù)據(jù)驗證信號在關(guān)心頻率段內(nèi)的相十性作常好，表明 測靈中混入的噪聲很小，測最過程是在系統(tǒng)的線 性范圍內(nèi)進(jìn)行的。圖1頻響函數(shù)對應(yīng)的相干系數(shù)圖2是対振里相關(guān)性的曲陣校驗，采用的是 模態(tài)置信準(zhǔn)則(MAC)來佔計。模態(tài)置信準(zhǔn)則 是兩個向乗間對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，同-物理模態(tài)的 兩個向杲的MAC值一般應(yīng)半接近n,而不同模 態(tài)的兩個向龜間的MAC值一般應(yīng)比較小。通過信號檢驗，測試信號數(shù)據(jù)的相干性非常 好，可靠性很高。圖2折空郴關(guān)矩陣校驗3.2試驗?zāi)B(tài)分析通過測試，得出白乍身在關(guān)心頻段0 200Hz內(nèi)的各階模態(tài)，圖3屮反映了其

13、中的16階 模態(tài)振型。貝體數(shù)據(jù)不便公開。白車身本身結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，各階模態(tài)十分密 集。與所得到的樣車噪聲測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā) 現(xiàn)兩者某階共振頻率比較接近，這對汽車的開發(fā) 設(shè)計是十分不利的。噪聲主要是由發(fā)動機(jī)、車輪 旋轉(zhuǎn)、道路狀況等因素引起。進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后(改 變車身剛度、增添阻尼材料等方法),再進(jìn)行模 態(tài)測試，其動態(tài)性能已有明顯改善，避幵了主要 的'激勵頻率。試驗結(jié)果顯示，白車身試驗對汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計 仃很人的驗證作用。結(jié)構(gòu)連接形式的變化、材料 性質(zhì)的改變對車身結(jié)構(gòu)的特性也仃較人影響，主 要表現(xiàn)在共振頻率的位置、陰尼的大小上。應(yīng)注*由于材料預(yù)應(yīng)力、懸掛系統(tǒng)的非線 性等因索的影響，浪車在終駛時

14、的模態(tài)振動、噪測控技術(shù)金總儀為專業(yè)研左與“適嗇mh.COI HV東方振動和噪聲技術(shù)研究所China Orient Inct/tufe of Notce & Vihralion圖3汽車外階模態(tài)振型參考文獻(xiàn)1 沃徳海倫，斯蒂芬拉門茲，波爾薩斯著.白化同， 郭繼忠譯.模態(tài)分析理論與試驗.北京理匸人學(xué)出版社, 20012 B Peeters. P Guillaume. Auiomonve and aerospace applications of the PolyMAX modal parameter estimation method. Pioceedings of IMAC 22, USA, January