白車(chē)身模態(tài)試驗(yàn)

1、wHw.COin東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所 China Orientof Notce & Vihratian測(cè)控技術(shù)盤(pán)te儀乙寺業(yè) 斫發(fā)gm適嗇汽車(chē)白車(chē)身模態(tài)試驗(yàn)與結(jié)果分析李磊1應(yīng)懷樵2董書(shū)偉2張占一 ？(1東北大學(xué)機(jī)械與白動(dòng)化學(xué)院 沈陽(yáng)110004 2北京東方振動(dòng)與噪聲技術(shù)研究所 北京100085)摘要 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析C經(jīng)成為'勺今結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的一個(gè)丄耍技術(shù)。為了得到不同結(jié)構(gòu)形式汽車(chē)白車(chē) 身的模態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù).對(duì)乞種結(jié)構(gòu)形式的門(mén)車(chē)少做了一系列的模念試驗(yàn).文儀介紹了廣I車(chē)身模態(tài)試驗(yàn)的 試驗(yàn)方案以及過(guò)程，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析.關(guān)鍵詞：車(chē)身，模態(tài)試驗(yàn)，錘擊法，參數(shù)識(shí)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(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，乍身設(shè)計(jì)的 合理性，対汽車(chē)可靠性、安全件、動(dòng)力響應(yīng)特性 都仃很直接的影響。作為一個(gè)彈性系統(tǒng)，車(chē)身在 外界的時(shí)變激勵(lì)作用卜一將產(chǎn)生振動(dòng)。半外界激振 頻率與系統(tǒng)固冇頻率接近時(shí)，

5、將產(chǎn)生共振。汽乍 NVH （Noise, 'ibration, Hai'sliness）性能 Ll經(jīng)越 來(lái)越受開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員的重視。為了使汽車(chē)仃較好的NVH性能，在設(shè)計(jì)屮, 常采用有限元分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特 性，但是汽車(chē)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立令限尤模型時(shí)，邊 界條件的處理及力學(xué)模型的簡(jiǎn)化上，往往與實(shí)際 結(jié)構(gòu)仃較人差界，這就需耍通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)得到模 態(tài)參數(shù)，并對(duì)有限尤模型進(jìn)行修正，使實(shí)更符合 實(shí)際，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),達(dá)到預(yù)定的要求。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（EMA）已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu) 動(dòng)態(tài)分析的一個(gè)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(gè)自由度的

6、 線(xiàn)彈性系統(tǒng)，英運(yùn)動(dòng)微分方程為：皿翳+心計(jì)+風(fēng)計(jì)=/（）（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(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣,正定:C陽(yáng)尼矩陣，實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣，半正定:K剛度矩陣, 實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣，正定或半正定。wHw.COinqSyj東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所China Or/ent Institufe ci Notce & Vibration測(cè)竝技術(shù)金1C儀為專(zhuān)業(yè)磯左mtlifi巒nv.COI d東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所China Orient Inst/tute of Notce & Vihra

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

8、了。対系統(tǒng)，點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)并在丿點(diǎn)測(cè)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(jiǎn)介測(cè)試數(shù)據(jù)分別釆用EAR和國(guó)際上II：常流行 的PolyLSCF （即：PolyMAX）模態(tài)分析算法計(jì) 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(shí)現(xiàn)算法（ERA）是-種在fl接模 型識(shí)別后，根據(jù)多輸入數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)極點(diǎn)、模態(tài)參 預(yù)因子和復(fù)模態(tài)振型進(jìn)行整體佔(zhàn)計(jì)的女口由度 時(shí)域法。自由度為n的線(xiàn)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(diǎn)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(shí)別冇難度時(shí), 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(shí)別，可得到更為令人滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)起來(lái)與繪小二乘 復(fù)指數(shù)（時(shí)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(yàn)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(shí)別出系統(tǒng) 的虛假模態(tài)，對(duì)人阻尼、密集模態(tài)典有很強(qiáng)的 識(shí)別能力，運(yùn)算速度也較ERA更快。2測(cè)試方案與試驗(yàn)過(guò)程2.1測(cè)試方案由模態(tài)分析原理町知，只要測(cè)彊頻率響應(yīng)函 數(shù)的行或列就可以識(shí)別出模態(tài)矢*:和極點(diǎn) 位置并進(jìn)而得到所冇模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)中采用了單 點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)響應(yīng)（相半尸測(cè)駅頻響?zhàn)?shù)的一行） 的測(cè)試方法：1）采用北京東方所彈性聚能力錘進(jìn)行激勵(lì), 力傳感器6T,鋪頭采用橡膠頭，經(jīng)測(cè)定，力信 號(hào)的能呈主要集屮在中低頻段內(nèi)，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn) 需要；2）受試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)采用2個(gè)或3個(gè)傳 感器分別測(cè)最不同方向上的響應(yīng)信號(hào)；3）車(chē)身采用柔性繩索用裝，近

11、似丁自宙 門(mén)由條件，經(jīng)測(cè)定剛體共振頻率約為3Hz,遠(yuǎn)低乍身的第一階周冇頻率，對(duì)測(cè)試影響很小，可 忽略不計(jì)；4）測(cè)試分析系統(tǒng)采用北京東方所INV306U 動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)。2.2試驗(yàn)過(guò)程為了保證激勵(lì)信巧能対乍身齊個(gè)方向都能 產(chǎn)牛足夠的激勵(lì)，激勵(lì)點(diǎn)選擇在車(chē)身后一斜面 上；同時(shí),為了降低信號(hào)中混入的隨機(jī)噪聲分最 的影響，激勵(lì)信號(hào)采用多次平均，平均次數(shù)為20 次：每紐測(cè)試，采用8個(gè)傳感器拾振，并逐批移 動(dòng)傳感器：為減少漏掉模態(tài)的機(jī)會(huì)，全車(chē)身測(cè)點(diǎn) 均勻分布，共設(shè)置536個(gè)測(cè)點(diǎn)，分67組測(cè)最。關(guān)心的測(cè)就頻率范陽(yáng)為0200Hz,采用掾 膠頭的力錘進(jìn)行激勵(lì)，能夠滿(mǎn)足關(guān)心頻段內(nèi)激勵(lì) 能最的要求。測(cè)試過(guò)程中，同時(shí)

12、觀察信號(hào)的時(shí)域波形和頻 譜的一致性確保信號(hào)的可靠性。3測(cè)試結(jié)果與分析4 試驗(yàn)總結(jié)3.1測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證信號(hào)在關(guān)心頻率段內(nèi)的相十性作常好，表明 測(cè)靈中混入的噪聲很小，測(cè)最過(guò)程是在系統(tǒng)的線(xiàn) 性范圍內(nèi)進(jìn)行的。圖1頻響函數(shù)對(duì)應(yīng)的相干系數(shù)圖2是対振里相關(guān)性的曲陣校驗(yàn)，采用的是 模態(tài)置信準(zhǔn)則(MAC)來(lái)佔(zhàn)計(jì)。模態(tài)置信準(zhǔn)則 是兩個(gè)向乗間對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，同-物理模態(tài)的 兩個(gè)向杲的MAC值一般應(yīng)半接近n,而不同模 態(tài)的兩個(gè)向龜間的MAC值一般應(yīng)比較小。通過(guò)信號(hào)檢驗(yàn)，測(cè)試信號(hào)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(yàn)3.2試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析通過(guò)測(cè)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(kāi)。白車(chē)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(chē)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā) 現(xiàn)兩者某階共振頻率比較接近，這對(duì)汽車(chē)的開(kāi)發(fā) 設(shè)計(jì)是十分不利的。噪聲主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)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(chē)身剛度、增添阻尼材料等方法),再進(jìn)行模 態(tài)測(cè)試，其動(dòng)態(tài)性能已有明顯改善，避幵了主要 的'激勵(lì)頻率。試驗(yàn)結(jié)果顯示，白車(chē)身試驗(yàn)對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 仃很人的驗(yàn)證作用。結(jié)構(gòu)連接形式的變化、材料 性質(zhì)的改變對(duì)車(chē)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(xiàn) 性等因索的影響，浪車(chē)在終駛時(shí)

14、的模態(tài)振動(dòng)、噪測(cè)控技術(shù)金總儀為專(zhuān)業(yè)研左與“適嗇mh.COI HV東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所China Orient Inct/tufe of Notce & Vihralion圖3汽車(chē)外階模態(tài)振型參考文獻(xiàn)1 沃徳海倫，斯蒂芬拉門(mén)茲，波爾薩斯著.白化同， 郭繼忠譯.模態(tài)分析理論與試驗(yàn).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