一種白車身車頂模態和動剛度測試分析方法的研究

李旭偉 楊東績 田程

中國汽車技術研究中心 天津市 300300

隨著社會的不斷進步和生活水平的提高，人們對汽車的需求不僅僅局限在代步和運輸功能，在安全和舒適性方面有了更大的要求。國家和行業也在汽車的安全性方面出臺了很多法規與標準，目前世界范圍內主要是形成了以美國、歐洲和日本為主導的三大汽車法規體系，其他國家和地區的法規主要是參照這些法規，再結合自身具體情況制訂相關的。汽車的NVH性能直接關系到整車的舒適性，是提升汽車品質的關鍵因素，也是近些年汽車行業研究和探索的主要方向之一。

汽車NVH性能的開發需要從整車設計初期就開始介入，定制整車開發目標，其中各系統和部件模態頻率目標的制定尤為重要，需要與整車進行匹配，是一個系統性的工程。模態頻率主要是考慮系統的共振問題，避開發動機、變速器等旋轉振動部件的自身頻率，避免與其耦合產生共振造成對整車的影響甚至破壞。模態頻率的匹配的理想狀態是各系統自身模態彼此解耦，同時相鄰的系統模態彼此解耦[1]。需要考慮白車身、座椅、方向盤、儀表板等很多零部件

1 模態與動剛度的測試需求

整車開發之初會制定系統的模態頻率指標，在各系統有了初步的三維模型后，就可以利用有限元軟件計算分析對應模態頻率以及振型，對系統的模態參數有了初步的計算結果。但軟件的計算分析有自身的局限性，各個系統的特征不能完全體現在模型中，特別是非線性的材料以及特征很難通過仿真模擬，因此在系統部件生產完成后，需要對其進行試驗測試，進一步驗證計算結果。模態測試過程中，系統部件的設置一般分為自由狀態和約束狀態兩種形式，兩種形式在計算分析中都容易實現，在試驗過程中自由狀態較為實現，約束狀態需要通過工裝夾具模擬部件的實車安裝形式，對工裝夾具的要求較高，需要經過設計和計算校核，以免影響測試結果。車身作為一個多自由度的彈性系統，其模態頻率相應表現為無限多的模態頻率，低階模態振型多為整體振型，高階模態多為局部振型[2]。本文通過試驗方法研究車身及車頂鈑件的模態參數關系。

傳遞函數和動剛度是與模態相關的兩個動態參數，對考核系統的動態性能同樣重要，也是NVH分析常用的參數。汽車在行駛過程中來自于路面、發動機的激勵通過車身傳遞到車內，影響乘員的乘坐舒適性，傳遞函數可以用來評估分析激勵與響應之間的傳遞關系，找出振動噪聲的傳遞路徑，從傳播路徑入手切斷或者降低對車內振動噪聲的影響。在NVH領域，動剛度指結構在動態載荷作用下抵抗變形的能力，因為汽車在行駛過程中大部分載荷均為動態載荷，白車身上各種接附點是動剛度研究的主要對象，動剛度低，在有動載荷激勵情況下，接附點的響應越大，傳遞至車內的振動噪聲越大，直接影響車內的舒適性。白車身作為乘用車的承載結構，幾乎所有零部件都直接或者間接與其相關聯，因此白車身的模態參數尤為重要，一般動剛度的測試與模態測試同時進行，因為動剛度大部分關心區域都在白車身上，這樣就可以利用一個白車身完成模態和動剛度的測試，縮短了試驗周期。

2 車頂模態測試

為測點建模是白車身模態測試準備階段的必要工作，其目的是為后期輸出模態振型做準備。在建模過程中，一般將整個白車身分成幾個部分，如前端、地板、防火墻、車頂、備胎池、左右側圍等，每個部分包含數量不等的測點，這些測點組成的連線或者面形成整個白車身的輪廓，數量一般在150至200個之間。以往經驗表明，在中頻范圍內，車身鈑件對車內噪聲的貢獻度相當大，其中車頂尤為突出[3]。

白車身模態一般使用激振器法測試，本文研究車頂的模態參數，測試了某款三廂車型的車頂模態，車頂采用了激振器法和力錘法兩種方法進行測試，車身使用空氣彈簧支撐，模擬自由邊界條件。車頂測點的間距一般在200至300mm之間，數量根據車頂的大小各不相同，激振器按照白車身模態測試方法進行布置，車頂模態測試在車身模態測試過程中進行，作為車身模態的一部分，也可以將車頂部分單獨提取分析。力錘法需要在車頂的模態測點進行激勵，激勵點和響應點均為車頂上的測點，同樣以白車身為載體進行測量，但只對車頂的測點進行激勵和響應采集。

使用力錘法對車頂測點動剛度進行測試，因為動剛度的測試設置比較簡單，因此可以與車頂模態測試同時進行。測試過程中設置采集頻率帶寬為0至512Hz，頻率分辨率為0.5Hz。車頂測點布置如圖1所示，共布置了32個測點，采用分批測量的方法。

圖1 車頂測點分布圖

3 車頂模態參數和動剛度

本文將激振器法和力錘法測試的車頂模態參數進行對比分析，圖2藍線為力錘法測試的分析穩態曲線，紅線為激振器法但只有車頂測點參與計算的穩態曲線，綠線為激振器法車身所有測點參與計算的穩態曲線，可以看出大部分的固有頻率都是都是相對應重合的，說明不止反映了車頂鈑件的模態頻率，整個白車身的特征也在其中。表1列出了兩種方法得出的前十階模態頻率，大部分頻率都非常接近，其中力錘法有兩階模態頻率在激振器法中并未出現，為車頂的局部模態，在白車身穩態圖中沒有體現。同時還存在白車身穩態圖中模態頻率較為突出，力錘法穩態圖中也能夠識別出來但波峰不明顯的頻率，如圖3和4，通過對比振型圖發現，白車身在此頻率下車身前端框架和備胎槽的振型更為明顯，車頂部分振型不明顯，在力錘法中才能將車頂的振型顯示清晰。

圖2 模態頻率分析穩態圖

表1 各階模態頻率分布表

圖3 車頂第五階模態振型

車身的動剛度對于整車的振動噪聲有關鍵性的作用，本文主要研究車頂鈑件動剛度，使用力錘法測量測點的原點和跨點間動剛度。每個整車設計時根據具體的載荷形式對動剛度值都有不同的要求，本文共測試了車頂10個測點的動剛度，由于車頂的特殊性，激勵方向均為垂向。動剛度是考察測點的動態特性，是以頻率為基礎的曲線參數，通過觀察測點的原點動剛度曲線，動剛度曲線的波谷對應頻率均為車頂模態頻率，主要是因為動剛度可以由頻響函數計算得出，動剛度的波谷是頻響函數的波峰位置，而頻響函數是用來計算模態參數的基礎數據。以激勵測點5和30得出動剛度曲線為例，可以看出跨點動剛度的互易性，特別是在200Hz的低頻范圍內，重合度非常高，見圖5。

圖4 白車身第五階模態振型

圖5 跨點動剛度對應曲線

4 結論

本文通過對白車身及其車頂進行模態試驗，分析了模態和動剛度的參數特點，并總結出如下結論：

（1）對于白車身鈑件的模態測試，激振器和力錘法均能實現，但力錘法因為是針對鈑件本體的激勵，識別的模態參數會更加全面，激振器法主要是對白車身整體結構模態參數的識別；

（2）對于兩種方法都識別出的同一個模態頻率，如果力錘法對應的幅值不太明顯的情況下，一般是由于白車身上其他鈑件或結構在此頻率同樣存在固有頻率，而且振型更為明顯。因此要查看車頂鈑件的振型，使用力錘法效果更好；

（3）動剛度和頻響函數一樣，都具有互易性，針對此特點可以減少測點數量，或者變換不利于激勵的測點。

白車身模態頻率是整車設計的重要參數指標，每個局部結構或者鈑件的動態參數也關系到與其連接的其他零部件振動性能。在白車身模態測試得到的參數不足以滿足研發需求的時候，針對所關心區域的力錘法試驗更能體現局部區域的動態特性。

車身上有很多接附點、懸置安裝點，以及車頂行李架安裝點等，這些點的動剛度直接決定了與其連接部件的NVH性能，如果設計不好直接影響整車舒適性，后續工作還需與仿真分析相結合，更早的檢驗設計機構的動態性能，在車身樣品生產后再用試驗手段驗證分析結果或者改進的效果。