安全氣囊ECU固定支架模態分析

聶孝輝

摘 要：本文主要介紹了模態分析原理、分析方法、激勵方法，通過對ECU固定支架的模態試驗分析來驗證ECU固定支架是否滿足設計要求。

關鍵詞：ECU固定支架;模態測試;模態分析

1 引言

當車輛發生碰撞時，安全氣囊ECU控制器快速對信號做出處理，確認發生碰撞的嚴重程度已超出安全帶的保護能力，便迅速釋放氣囊，使乘員的頭、胸部直接與較為柔軟且彈性的氣囊接觸，從而通過氣囊的緩沖作用減輕乘員的傷害。但是如果安全氣囊發生誤爆時，安全氣囊不但不能對乘員起到防護作用，還會對乘員有嚴重的殺傷力。安全氣囊的爆發力是驚人的，足以擊斷駕駛者的頸椎！為保證安全氣囊不發生誤爆，ECU安裝支架必須滿足一定的設計要求，因此安全氣囊ECU安裝支架的模態試驗分析就顯得至關重要了。本論文系統闡述安全氣囊ECU固定支架模態試驗分析。

2 模態分析工作原理

模態分析便是通過試驗采集系統的輸入輸出信號，經過參數識別獲得模態參數。具體做法是：首先將結構物在靜止狀態下進行人為激振（或者環境激勵），通過測量激振力與振動響應，找出激勵點與各測點之間的“傳遞函數”，建立傳遞函數矩陣，用模態分析理論通過對試驗導納函數的曲線擬合，識別出結構的模態參數，從而建立起結構物的模態模型。模態試驗分析原理框圖見圖1。

（1）測試結構的聯結與安裝。為了得到一組滿意的頻響函數測量數據，被測試結構的支承應引起足夠的重視。同一結構在不同的邊界條件下，將有不同的模態參數。目前常用的支承方式有下列幾種：1）地面支承。把被測試結構上所選擇的點與地面聯結，認為聯結點的速度導納為零，在模態分析時，刪去適當的坐標，即可完成理論分析。2）自由支承。這種支承方式意味著試驗結構的任一坐標點都與地面不相連。這種支承方式較前一種容易實現。雖然不可能提供絕對的自由支承條件，但將包括邊界條件在內的整個系統懸掛起來，或安置于泡沫塑料墊上，以隔絕環境的影響。

3 安全氣囊系統ECU固定支架模態分析試驗

根據ECU支架的結構特點和試驗條件，試驗采用一點測量，逐點激振試驗方法，固定點測量加速度響應，捶擊ECU支架各振型測點（力錘的激勵信號不允許出現雙峰），通過模態信號分析處理系統，確定頻響函數，然后通過曲線擬合識別模態參數。結合試驗原理和試驗條件，該試驗采用單點激勵法。

（1）安全氣囊系統ECU固定支架模態分析試驗。ECU支架模態分析試驗設備及功能，模態試驗設備，帶有力傳感器的力錘敲擊試件17個測試點，給試件一脈沖激勵信號，用裝在試件上的加速度傳感器測量響應，電荷放大器對激勵信號和加速度響應進行放大，通過數據采集儀和模態分析系統對采集的信號作FFT分標求出頻響函數，進而進行模態參數識別。試驗分析頻率設置為3000Hz，采樣頻率為12.8kHz。試驗的采樣通道數為兩通道，1通道為激勵通道，2通道為加速度響應通道，1通道加力窗，2通道加指數窗。模態試驗測試數據見表1，ECU固定支架模自由模態頻率（未安裝ECU）見圖2，ECU支架安裝在車架上的自振頻率（未安裝ECU），ECU支架安裝在車架上的自振頻率（安裝ECU）。

安全氣囊系統ECU固定支架是通過螺釘固定在汽車車身上，要求共振頻率高于500Hz。從上面試驗的數據可以看出，ECU固定支架的三種狀態的一階自振頻率都大于500Hz，滿足設計指標要求。一般來說，固定支座的剛度、阻尼和質量的改變會影響到固定支座的共振頻率的變化。剛度的增加，會導致共振頻率的提高，降低低頻段的幅值。阻尼的增加，會使共振頻率略有減小，但主要是減小共振點的幅值，同時使相位的改變較為平緩。質量的增加，會降低共振頻率，同時也降低高頻段的幅值。故我們可以從結構的剛度、阻尼和質量，來對固定支架進行改善，從而滿足使用要求。

4 模態試驗分析

（1）如何確定模態試驗最佳激勵。當錘頭材料和沖擊速度一定時，錘頭重量愈大，則沖擊力的寬度和峰值均增大，即激振能量增加。當接頭材料及重量一定時，沖擊速度愈大，沖擊力寬度不變而峰值增大。因此，當測量系統噪聲大時，為了增加信噪比，可采用增大沖擊速度的辦法。對每一種特定的試件，所用力錘重量有一限定值，超過該限定值，會產生連擊波形。這是因為不能將錘頭及時與結構脫開所致。這種連擊波形，由于它的周期性，使力譜出現毛刺和零點，則使頻響函數中混入噪聲和虛假信息。當試驗中出現連擊波形時，可采用更換錘頭材料、減輕錘體重量和改變敲擊位置的方法解決。

（2）測試點的選取。測試點所測得的信息要求有盡可能高的信噪比。因此，測試點不應該靠近節點。注意到實際上使用的一般都是加速度傳感器，實際測得的都是加速度信號，因此在最佳測試點的位置，其測試點的值應該較大。

5 結束語

模態試驗技術主要用于獲取系統的固有頻率和動態顯示相應的振型，則現在人們已經將研究重心放在模態試驗模型的應用上面。這些應用包括：運用模態試驗模型驗證和修正理論模型或數值模型;對被試驗模型進行結構優化;對各個子結構的模態模型，或對各個子結構的模態模型和理論模型混合模型進行模態綜合;對一些無法用直接方法測得的激勵力進行載荷識別等等。