塑料燃油箱振動(dòng)測(cè)試與模態(tài)分析

塑料燃油箱振動(dòng)測(cè)試與模態(tài)分析

隨著輕量化汽車材料的應(yīng)用，塑料燃油箱廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，占中國(guó)商用車市的約70%。在車輛運(yùn)行過程中,箱內(nèi)燃油直接影響燃油箱的動(dòng)力學(xué)特性。因此,研究不同充液量燃油箱在實(shí)車條件下的動(dòng)力學(xué)特性,對(duì)于理解燃油箱振動(dòng)、進(jìn)而更合理地設(shè)計(jì)燃油箱系統(tǒng)具有重要意義。程相克等人綜合應(yīng)用有限元法和邊界元法,分析了自由狀態(tài)下金屬燃油箱在空載和滿載時(shí)的固有特性在臺(tái)架安裝狀態(tài)下,燃油箱受到車身和底盤的復(fù)雜約束作用。朱代義等考慮流固耦合效應(yīng),通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試分析了一種金屬燃油箱在安裝狀態(tài)下的固有頻率和振型,并基于模態(tài)置信準(zhǔn)則對(duì)仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行了對(duì)比上述研究側(cè)重于分別對(duì)燃油箱在自由或安裝狀態(tài)下的模態(tài)分析,而未討論邊界條件與含水量二者綜合作用下燃油箱的振動(dòng)特性。本文擬通過振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn),認(rèn)識(shí)自由懸掛和安裝狀態(tài)下某款塑料燃油箱的振動(dòng)特性,并分析充液量的影響。設(shè)計(jì)臺(tái)架以模擬燃油箱在臺(tái)架安裝時(shí)的約束條件,并基于試驗(yàn)結(jié)果分析安裝條件和充液量的影響。以頻響函數(shù)、模態(tài)頻率和振型、模態(tài)相位共線性(modalphasecollinearity,MPC)和平均相位偏差(modalphasedeviation,MPD)為指標(biāo),分析邊界條件對(duì)燃油箱振動(dòng)特性的影響和充液量對(duì)安裝狀態(tài)下燃油箱的模態(tài)頻率和振型等的影響,為建立動(dòng)力學(xué)模型提供試驗(yàn)依據(jù)。1自由懸掛試驗(yàn)和安裝為理解燃油箱的振動(dòng)特性,分別進(jìn)行了自由懸掛與安裝狀態(tài)下的燃油箱模態(tài)試驗(yàn)。研究充液量影響時(shí),參照國(guó)標(biāo)GB18296-2001規(guī)定1.1自由懸掛狀態(tài)采用彈性阻尼繩懸掛燃油箱,以實(shí)現(xiàn)自由-自由邊界條件。由于燃油箱形狀不規(guī)則,部分充水時(shí)晃動(dòng)較為嚴(yán)重而難以在懸掛時(shí)保持平衡。故只進(jìn)行無水和滿水兩種充液量下的燃油箱自由模態(tài)試驗(yàn),相應(yīng)懸掛狀態(tài)如圖1所示。經(jīng)測(cè)試,懸掛后箱體上下晃動(dòng)頻率為1.0～2.0Hz,遠(yuǎn)小于燃油箱第一階彈性模態(tài)頻率,滿足自由邊界要求。1.2模態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架燃油箱系統(tǒng)包含燃油箱箱體和各種附件。所研究的燃油箱箱體是由多層高密度聚乙烯(highdensitypolyethylene,HDPE)材料制成的薄壁件,而附件主要包括燃油泵和安裝鋼帶。實(shí)車安裝狀態(tài)下,燃油箱下部通過鋼帶連接孔與汽車底盤連接,上表面則通過橡膠墊片與車身相連。其中,鋼帶與車身之間預(yù)緊力使燃油箱墊片產(chǎn)生壓縮,額定的墊片壓縮量為5mm。為模擬燃油箱在實(shí)車安裝狀態(tài)下的約束條件,設(shè)計(jì)并制造一個(gè)臺(tái)架用于模態(tài)試驗(yàn)。燃油箱安裝狀態(tài)下的關(guān)注頻段為0～100Hz,因此需要保證燃油箱臺(tái)架在考慮燃油箱重量和邊界條件約束的情況下其第一階固有頻率大于100Hz。根據(jù)燃油箱的實(shí)際尺寸、安裝要求,考慮最低頻率限制和輕量化要求,對(duì)臺(tái)架進(jìn)行材料選擇與拓?fù)鋬?yōu)化。最終采用鋁合金制備的試驗(yàn)臺(tái)架如圖2a所示,其重量為35kg。將內(nèi)部充滿水的燃油箱安裝到臺(tái)架上時(shí),系統(tǒng)的基頻為141Hz,滿足大于100Hz的預(yù)定目標(biāo),實(shí)驗(yàn)臺(tái)架能夠提供足夠的剛度來模擬燃油箱在實(shí)車中的剛性約束。再現(xiàn)安裝條件并進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)的燃油箱—臺(tái)架系統(tǒng)如圖2b所示。試驗(yàn)臺(tái)架安裝在鑄鐵地板上,燃油箱通過實(shí)車用安裝鋼帶與螺栓連接到試驗(yàn)臺(tái)架四角,并通過橡膠墊由安裝在剛性支架上的三塊鋁板施加位移約束?？赏ㄟ^螺栓調(diào)節(jié)橡膠墊的壓縮量。經(jīng)驗(yàn)證,燃油箱鋼帶約束緊固,橡膠墊片在約束狀態(tài)下達(dá)到5mm壓縮量,箱體與臺(tái)架之間無多余干涉,實(shí)驗(yàn)臺(tái)架能夠模擬燃油箱的實(shí)車約束狀態(tài)。1.3表面檢測(cè)點(diǎn)布置測(cè)試系統(tǒng)包括:燃油箱、懸掛或臺(tái)架系統(tǒng)、PCB公司的沖擊力錘與三向壓電式加速度傳感器、LMS公司的Scandas數(shù)據(jù)采集儀和Test.Lab分析軟件。自由狀態(tài)下,根據(jù)燃油箱的實(shí)際輪廓,在燃油箱表面布置測(cè)點(diǎn)。臺(tái)架安裝狀態(tài)下,燃油箱側(cè)面與鋼帶部位難以企及,因此僅在上下表面布置測(cè)點(diǎn)。兩種安裝條件下的測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。其中,為清晰起見,安裝狀態(tài)下只顯示了位于箱體上表面各測(cè)點(diǎn)之間,以及下表面上各測(cè)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。為降低加速度傳感器質(zhì)量的影響,采用多點(diǎn)激勵(lì)、單點(diǎn)拾振的方法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),即移動(dòng)力錘對(duì)燃油箱表面進(jìn)行敲擊。同一激振點(diǎn)敲擊5次,進(jìn)行平均。2自由與限制的振動(dòng)特性的比較依據(jù)無水燃油箱振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),下面通過考察綜合頻響函數(shù)、固有頻率與振型,對(duì)自由懸掛和安裝狀態(tài)下的燃油箱振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。2.1振動(dòng)特性分析分別在自由懸掛和安裝狀態(tài)下進(jìn)行燃油箱模態(tài)測(cè)試,得到各測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)。由于兩種狀態(tài)下拾振點(diǎn)位置相同,激振點(diǎn)位置在燃油箱的上下表面相同,故通過對(duì)比不同狀態(tài)下的平均頻響函數(shù)分析燃油箱的振動(dòng)特性變化。無水燃油箱系統(tǒng)在0～100Hz的平均頻響函數(shù)幅值曲線A如圖4所示。圖4表明:在所關(guān)注的0～100Hz頻段,自由狀態(tài)下無水燃油箱內(nèi)頻響曲線幅值存在5個(gè)峰值,且在96Hz處其共振峰值最大。在安裝狀態(tài)下有7個(gè)峰值,且80Hz處的系統(tǒng)平均頻響函數(shù)峰值最大。在50～100Hz,安裝狀態(tài)下系統(tǒng)平均頻響函數(shù)共振峰更為集中,且幅值明顯大于自由狀態(tài)下的幅值,前者與后者的比值最大可達(dá)7.0,這表明安裝狀態(tài)下燃油箱表明對(duì)輸入的加速度響應(yīng)更大,振動(dòng)更為劇烈。2.2民間模態(tài)振動(dòng)區(qū)域根據(jù)圖4,兩種邊界條件下無水油箱第一階共振峰峰值均較小。圖5給出了不同狀態(tài)下無水燃油箱的第1階振型的變形Φ。由圖5可知:自由狀態(tài)下第1階模態(tài)是安裝鋼帶變形占優(yōu)的模態(tài),油箱下表面右側(cè)鋼帶附近有局部變形。安裝狀態(tài)下油箱第1階模態(tài)振型的變形則以箱體振動(dòng)為主,其主振動(dòng)區(qū)域主要存在于左側(cè)鋼帶附近以及箱體的右側(cè),模態(tài)振型的振動(dòng)幅度最大位置位于箱體的右側(cè)。兩種狀態(tài)下無水燃油箱系統(tǒng)的前6階模態(tài)頻率(f)與對(duì)應(yīng)阻尼比(d)如表1所示。表1說明:無水燃油箱在臺(tái)架安裝狀態(tài)下的前2～6階固有頻率均小于自由狀態(tài)下的固有頻率。對(duì)于第1階模態(tài)頻率,主要是由于自由狀態(tài)下的振型為鋼帶占優(yōu)模態(tài)導(dǎo)致的。對(duì)應(yīng)模態(tài)振型的變形Φ如圖6和圖7所示。需要指出的是,兩種狀態(tài)下相同階次的主振動(dòng),其形態(tài)可能存在較大區(qū)別。兩種邊界條件下,無水燃油箱的振動(dòng)主要表現(xiàn)為箱體上下表面的縱向振動(dòng),前六階模態(tài)中橫向振動(dòng)均不明顯。但在臺(tái)架安裝條件下,燃油箱的大部分振型及主要振動(dòng)區(qū)域與自由狀態(tài)不同。自由狀態(tài)下的第4階與安裝狀態(tài)的第5階振型相似,自由狀態(tài)下的第5階與安裝狀態(tài)的第6階振型相似,這主要是由于燃油箱總體的質(zhì)量分布規(guī)律不變導(dǎo)致的。2.3自由與安裝工況下的mpc、mpd對(duì)于復(fù)合材料油箱,結(jié)合油液的影響,需要考察系統(tǒng)模態(tài)特性的變化。對(duì)于無阻尼或比例阻尼結(jié)構(gòu),任一階振型向量中各元素彼此同相位或者反相位,在復(fù)平面中分布在同一條直線上。在實(shí)際工程中,系統(tǒng)阻尼通常并非比例阻尼,系統(tǒng)的頻率,留數(shù)和振型因此均為復(fù)數(shù),系統(tǒng)模態(tài)通常為復(fù)模態(tài)分別計(jì)算自由與安裝兩種狀態(tài)下無水(0L)和滿水(63L)狀態(tài)時(shí)燃油箱前6階模態(tài)的模態(tài)相位共線性(MPC)和平均相位偏差(MPD)值,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,當(dāng)內(nèi)部充液量變化時(shí),自由狀態(tài)下,燃油箱前6階模態(tài)的MPC和MPD的平均值幾乎未發(fā)生改變;而安裝狀態(tài)下,相對(duì)無水情況,滿水油箱前6階模態(tài)的MPC均值下降了29%,而MPD均值上升了29%。這表明,自由狀態(tài)燃油箱相位的共線性對(duì)于液位的變化不敏感,而安裝狀態(tài)下液位的增加能夠減小燃油箱模態(tài)相位的共線性。3模態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)安裝狀態(tài)下的燃油箱,分別充入21、25、42、50和63L水,逐一進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)。結(jié)合無水試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別從固有頻率、模態(tài)振型、以及模態(tài)相位共線性(MPC)和平均相位偏差(MPD)等方面考察充水量對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。3.1安裝狀態(tài)下充水量對(duì)固有頻率的影響燃油箱在0～30.0Hz的頻響函數(shù)幅值曲線A如圖8所示。顯然,隨著充水量(V)的增加,頻段內(nèi)系統(tǒng)平均頻響函數(shù)共振峰數(shù)量增加,幅值增大。充水量為63L時(shí)第一階共振峰的峰值最大且峰值頻率最低。圖9示了安裝狀態(tài)下燃油箱前6階固有頻率隨充水量的變化?？傮w來看,前6階固有頻率隨著充水量的增加而下降。這種變化應(yīng)歸因于充液量的增加增大了燃油箱系統(tǒng)的總質(zhì)量。當(dāng)充水量從0L變?yōu)?1L時(shí),各階固有頻率下降明顯,第6階降幅最大。當(dāng)充水量從0L變?yōu)?0L時(shí),前6階固有頻率中,后5階頻率降幅較大。另一方面,各階固有頻率在充液量為21～50L時(shí),降低幅度比較平緩。其中充液量從50L增加到63L時(shí),第6階固有頻率變化幅度略有增大,這主要是由于63L時(shí)燃油箱內(nèi)部充滿水,此時(shí)內(nèi)部流體與燃油箱耦合界面變化較大導(dǎo)致的。依據(jù)文3.2振動(dòng)的區(qū)域和頻率為比較不同液位下振型的變化,圖10-11給出了燃油箱系統(tǒng)的前2階固有振型的變形Φ隨充水量的變化。第1階模態(tài)振型,在21?63L充水量時(shí),變形變化不大,其主要表現(xiàn)為燃油箱左半箱體的振動(dòng),其振幅最大的位置位于左半箱體的中心。由于0L的結(jié)果是結(jié)構(gòu)模態(tài),其系統(tǒng)特征與考慮流固耦合情況時(shí)存在一定差異,此時(shí)其第1階模態(tài)振型的主要振動(dòng)區(qū)域主要為箱體的右側(cè),箱體的左半部分同樣存在振動(dòng)。第2階模態(tài)振型在21～50L充水量時(shí),變形變化不大,其主要表現(xiàn)為燃油箱箱體中部的振動(dòng)。0L和63L的第2階振型與其他液位的略有差別,這主要是由于耦合界面不同導(dǎo)致的。在0～50L時(shí),第2階振型振動(dòng)幅度最大的測(cè)點(diǎn)位置不變,在63L時(shí)略有上移。3.3mpc與mpd為考察充水后燃油箱振動(dòng)模態(tài)的特性,計(jì)算安裝條件下不同充液量對(duì)應(yīng)的各階模態(tài)的MPC、MPD參數(shù)均值及其標(biāo)準(zhǔn)差,如表3所示。表3顯示,在臺(tái)架安裝條件下,總體來看隨著充液量的增加,MPC呈下降趨勢(shì)而MPD呈上升趨勢(shì)。在滿水狀態(tài)下MPC均值最小而MPD均值最大,分別為0.67和0.39。無水狀態(tài)時(shí)MPC和MPD值的波動(dòng)最小,充水后兩種參數(shù)的波動(dòng)均明顯變大。這表明燃油箱內(nèi)部充水后,系統(tǒng)的模態(tài)正則性變差而相位離散程度加強(qiáng)并且滿水狀態(tài)時(shí)最為嚴(yán)重,滿水狀態(tài)時(shí)的振型為復(fù)模態(tài)。對(duì)于臺(tái)架安裝條件下的燃油箱,其復(fù)模態(tài)特性受到內(nèi)部液體的明顯影響,在模型的建立和驗(yàn)證的過程中需要考慮此部分的影響。4油箱振動(dòng)特性本文設(shè)計(jì)和搭建了模擬塑料燃油箱實(shí)車狀態(tài)的試驗(yàn)臺(tái)架,并分別采用自由懸掛與實(shí)際安裝兩種約束條件,對(duì)不同充液量下的燃油箱分別進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn),對(duì)比分析了邊界條件和充液量對(duì)燃油箱振動(dòng)特性的影響。主要結(jié)論如下:1)相對(duì)于自由懸掛