某轎車白車身模態試驗方法分析研究

汪 坤 潘紹飛

成都理工大學工程技術學院，四川樂山 614000

目前，世界各國汽車公司競爭日趨激烈，人們對汽車品質要求也越來越高。因此，提高汽車性能，對汽車研發周期的縮短也顯得更為重要。通過經驗和實踐的指導，我們知道，對于標桿車型可以選擇市面上已有的相似車型作為參考車型，利用有限元分析法和試驗分析法對其進行靜態性能分析和動態性能分析，將會對所研發的新車型起到一定的參考作用。新車型的研發很大程度上取決于白車身的設計，而白車身的特性對汽車的性能有直接的影響。白車身的動態特性可以利用模態試驗進行分析，它對車輛的舒適性和結構可靠性方面起著重要的作用[1]。本文以市面上某款轎車的白車身作為模態試驗與分析對象，確定了白車身低階固有頻率、阻尼比和模態矩陣的模態參數，并分析了前后有無擋風玻璃對白車身動態性能的影響。

1 白車身模態試驗系統

模態試驗系統的組成分為四部分，其分別為激勵系統、響應系統、數據采集系統和模態分析處理系統[2][4]。本試驗的激勵系統主要包括：信號源、功率放大器和激振器；響應系統包括：標智3向加速度傳感器、信號放大器；數據采集系統：LMS SC316多通道數據采集器；模態分析處理系統包括：LMS Test.Lab 11B和計算機。對激振和響應信號的實時采集可以通過LMS數據采集器和LMS Test.Lab 11B軟件實現，然后把采集到的時域信號經過模數轉換盒和離散傅氏變換的快速算法變換后變成頻域信號，并經過運算后可以得到頻率響應函數FRF[2]。模態試驗方案原理如圖1所示。其中，加速度傳感器的技術參數見表 1。

圖1 模態實驗方案原理

表1 傳感器的主要技術參數

2 白車身模態試驗方法及試驗步驟

2.1 白車身幾何模型的建立

在模態試驗開始之前，首先需要建立白車身的幾何模型，其目的是確定測試點位置以便于模態試驗及模態參數的建立。白車身幾何模形的建立方法分為兩步：（1）選擇測試的點，點的選擇需要遵循：①測試點應該能夠完全描繪整個白車身的形狀，反映出振動模式。在一般情況下，可以選擇剛度好和結構清晰的位置來保證測試點的響應信號質量。②測點應均勻對稱分布在白車身上，且測點數目不宜過少，否則很難反映測試白車身的形狀和振動特性；也不易過多，否則會增大試驗的工作量和處理數據的繁雜；③測點不應在各階振型的振動節點上，否則會導致無法識別模態陣型；④如果白車身某一部位有角度，在其上布置測點時，需要利用歐拉角對其進行坐標變換，否則白車身的形狀無法真實的被反映出來，這樣會對模態振型和識別結果造成影響。（2）根據白車身不同部位與共線或不同測量點幾何特征之間的界面關系，將點與線或面連接，建立整個白車身的幾何模型。本試驗根據該款白車身的結構布置了169個測點并建立了幾何模型，如圖2所示。

圖2 白車身測點及幾何模型

表2 傳感器布置位置及測試點數

2.2 白車身固定方式和激振點的布置

2.2.1 固定方式的確定

模態試驗一般有兩種固定方式，分別為：固定支撐和自由—自由支撐；其中自由—自由支撐也分為兩種：（1）空氣彈簧支撐；（2）彈性繩懸掛白車身。本實驗采用空氣彈簧支撐，剛體模態頻率為3.97Hz遠小于一階彈性模態頻率 38.1Hz 的15%，滿足白車身自由—自由支撐的試驗要求。

2.2.2 激振點的布置

本文結合大量的試驗表明，白車身模態試驗的激振點的選取需要遵循：（1）選在剛度較大且有利于安放激振器的位置；（2）應避開某階模態的節點和支撐點附近的位置，否則無法識別模態參數，影響模態陣型；（3）激振點應布置在對角線上，這樣有利于結構上的激勵能量更充分，獲取的響應信號有較好的質量。

由試驗經驗可知：白車身模態試驗的激振點一般最多布置兩到三個，如果激振點選擇過多，那樣會導致頻率響應函數曲線的質量變差。本次試驗布置兩個激振器，激振點的位置分別位于車身左后縱梁圖3（a）和右前縱梁圖3（b）。

圖3 激振器布置位置

2.3 試驗內容

對于試驗中使用白車身，它的兩種狀態分別是：

（1）第一種狀態：副車架和前后擋風玻璃都保留以及地板有阻尼；

（2）第二種狀態：有副車架和沒有前后擋風玻璃以及地板有阻尼。

根據試驗經驗我們可得知：對白車身模態試驗頻率的要求為：0～100Hz；因此，考慮到汽車實際行駛工況和道路激勵等的因素，本次試驗的白車身模態試驗的試驗頻段取為 0～100Hz。測試時分析頻率為256Hz；Spectral lines為256；頻率分辨率為1.0Hz；采集時間為1.0s。

為了降低測試中噪聲的影響和隨機誤差的影響，試驗應該進行多次平均，因此本次試驗采用平均技術來降低隨機誤差，試驗平均次數為30次。由于加速度傳感器數量不足，不能一次布置所有測點，需要移動傳感器對白車身進行測量；為保證測量的頻響函數質量可靠，應實時檢測響應信號和激勵信號之間的相干函數，只有相干函數在0.8以上的信號才認為有效[4]。最后，綜合分析了各測試點加速度響應的頻率響應函數，得到模態頻率和相應的模態振型。

3 模態試驗的結果與分析

對于白車身的第一種狀態（有副車架、有安裝玻璃、地板有阻尼），通過測試可得各響應點的頻響函數，基于響應點頻響函數進行模態識別，可得穩態圖，如圖4所示。

圖4 白車身第一種狀態穩態圖

根據上述穩態圖，可得到白車身各階固有頻率和振型。表3為白車身第一種狀態的前6階模態結果，第一種狀態各階模態振型見圖5。

表3 白車身前 6 階模態分析結果

圖5 白車身第一種狀態各階模態振型

在白車身上拆除前后風擋玻璃，對白車身進行第二種狀態的模態試驗（有副車架、無安裝玻璃、地板有阻尼），通過測試可得各響應點的頻響函數，基于響應點頻響函數進行模態識別，可得穩態圖，如圖6所示。

圖6 白車身第二種狀態穩態圖

根據上述穩態圖，可得到白車身各階固有頻率和振型。表4為白車身第二種狀態的前5階模態結果，第二種狀態各階模態振型見圖7。

表4 白車身前5階模態分析結果

圖7 白車身第二種狀態各階模態振型

根據上述白車身兩種模態分析結果可知：由于前后風擋玻璃的影響，在拆下風擋玻璃的白車身模態試驗的固有頻率、阻尼和振型都有一定的影響：（1）在固有頻率上，前三階都下降，后兩階都增大，其中第5階固有頻率增幅最大為26.32%；（2）對于系統的阻尼比，除了第3階提高36.37%外，其于階數阻尼比均減小，且第2階減小幅度最大的為66.92%；（3）在振型方面，帶玻璃的第3階為頂棚局部Y向二彎，不帶玻璃的為整體一階彎曲；帶玻璃的第4階為整體一階彎曲，不帶玻璃的為頂棚、地板局部、前縱梁反向擺動；帶玻璃的第5階為頂棚、地板局部、前縱梁反向擺動，不帶玻璃的為整體二階扭轉，表明玻璃對白車身的振動特征影響比較大。

4 結論

本文結合大量的白車身模態分析經驗，對市場上某款車型的白車身進行了兩種狀態的分析，得到了白車身的固有頻率、阻尼比和振型。通過實驗結果的分析對比得知，風擋玻璃對固有頻率、阻尼比和振型都有較大的影響，對于該款白車身的模態參數等的識別和結果分析，為今后的汽車研發和車身設計及優化都提供了試驗依據。

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