基于三維激光測(cè)振的電動(dòng)汽車車身模態(tài)測(cè)試方法

【摘要】為分析電動(dòng)汽車車身的動(dòng)態(tài)特性，利用三維掃描式激光測(cè)振儀開展模態(tài)測(cè)試，識(shí)別某電動(dòng)汽車白車身主要模態(tài)參數(shù)，并將測(cè)試結(jié)果與采用加速度傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，三維激光測(cè)振方法獲得的白車身固有頻率最大誤差不超過1.3%，且與傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)獲得的振型一致性較高，驗(yàn)證了該方法的可行性及準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：三維激光測(cè)振 電動(dòng)汽車 白車身 模態(tài)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG156" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230325

Modal Test Method for Body-in-White Based on 3D Laser Vibrometry

Kong Jian， Xu Yucheng， Lu Shangjie， Wang He

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Ningbo 315336）

【Abstract】In order to analyze the dynamic characteristics of electric vehicle body， a modal test is used to identify the modal parameters of an electric vehicle Body-In-White （BIW）， and the test results are compared with traditional modal test results through the acceleration sensor. The results show that the maximum error of natural frequency of BIW obtained through 3D laser vibrometry is less than 1.3% and have a high consistency with the vibration mode obtained from the traditional modal test， which verifies the feasibility and accuracy of this test method.

Key words： 3D laser vibrometry， EV， Body in white， Modal test

【引用格式】 孔劍， 許玉成， 陸尚杰， 等. 基于三維激光測(cè)振的電動(dòng)汽車車身模態(tài)測(cè)試方法[J]. 汽車工程師， 2024（7）： 34-37.

KONG J， XU Y C， LU S J， et al. Modal Test Method for Body-in-White Based on 3D Laser Vibrometry[J]. Automotive Engineer， 2024（7）： 34-37.

1 前言

電動(dòng)汽車振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源及傳遞路徑與內(nèi)燃機(jī)汽車差異較大，電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)特性研究對(duì)整車NVH控制具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性開展了大量研究。弓劍等[1]利用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)并基于應(yīng)變能分析對(duì)車身模態(tài)和質(zhì)量同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化；黃祖嚴(yán)[2]通過搭建白車身模態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架開展了某電動(dòng)汽車的模態(tài)試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性評(píng)價(jià)；雷正保等[3]考慮某電動(dòng)汽車車身碰撞時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了混合元拓?fù)鋬?yōu)化；徐陳運(yùn)等[4]對(duì)基于鋁合金前端結(jié)構(gòu)的白車身開展了模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗(yàn)研究；Adl等[5]利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)白車身進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前，電動(dòng)汽車白車身動(dòng)態(tài)特性的研究手段主要為計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真技術(shù)和傳統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)。隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)鋼、鋼鋁復(fù)合材料、碳纖維等在車身中的應(yīng)用逐漸增加，鉚接等新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用使模態(tài)試驗(yàn)的驗(yàn)證作用顯得更為重要。

傳統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)通過在待測(cè)結(jié)構(gòu)表面布置加速度振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)模態(tài)識(shí)別，測(cè)點(diǎn)數(shù)量受傳感器數(shù)量及數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備通道配置數(shù)量限制，測(cè)試效率有限；另外，傳感器的附加質(zhì)量容易對(duì)輕薄或弱剛度結(jié)構(gòu)樣件的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響[6]。激光測(cè)振是新興的非接觸式振動(dòng)測(cè)試技術(shù)，在微小、精密、輕薄、高溫物體的振動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以高效掃描多個(gè)測(cè)點(diǎn)，且不存在傳感器附加質(zhì)量對(duì)樣件的影響，能夠測(cè)量表面瞬態(tài)響應(yīng)、頻率及振型和應(yīng)力分布等，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)特性測(cè)試等領(lǐng)域[7]。但在汽車領(lǐng)域，三維激光測(cè)振技術(shù)在車身等大型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中的應(yīng)用研究較少。

本文采用三維掃描式激光測(cè)振儀測(cè)量某電動(dòng)汽車車身的固有頻率和振型，并將測(cè)試結(jié)果與采用加速度傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)獲得的振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比。

2 測(cè)振原理與應(yīng)用分析

激光測(cè)振技術(shù)以激光多普勒效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，被測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，激光測(cè)頭接收到的光波頻率發(fā)生變化，測(cè)量光波頻率的變化情況即可探測(cè)被測(cè)物體的振動(dòng)速度[8]。激光波頻移fD的表達(dá)式為：

fD=2v/λ （1）

式中：v為物體振動(dòng)的速度，λ為激光的波長(zhǎng)。

激光測(cè)振儀利用激光多普勒干涉儀計(jì)算頻移，激光多普勒干涉儀基于光的干涉原理，使光強(qiáng)分別為I1和I2的兩束相干光重合，相干后光的強(qiáng)度為：

[Itot=I1+I2+2I1I2cos2π（r1-r2）λ] （2）

式中：r1、r2分別為兩束干涉光的光程。

激光測(cè)振儀能測(cè)量位移和速度，其中位移解調(diào)結(jié)果適用于低頻運(yùn)動(dòng)測(cè)試，速度解調(diào)結(jié)果適用于高頻運(yùn)動(dòng)測(cè)試。

三維掃描式激光測(cè)振儀的核心結(jié)構(gòu)包括3臺(tái)獨(dú)立的高精度精密激光干涉儀。掃描時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出猝發(fā)掃頻（Burst Chirp）或猝發(fā)隨機(jī)（Burst Random）信號(hào)驅(qū)動(dòng)激振器工作，在掃描過程中，計(jì)算機(jī)控制3束不同方向的激光始終聚焦在一點(diǎn)，由激光測(cè)振儀收集經(jīng)目標(biāo)散射返回的激光，干涉產(chǎn)生正比于目標(biāo)振動(dòng)速度的多普勒頻移信號(hào)，經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理后，將3個(gè)激光多普勒測(cè)振儀在激光束方向上測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)直角變換并分解到3個(gè)坐標(biāo)方向，同時(shí)完成測(cè)量數(shù)據(jù)處理及多區(qū)域掃描數(shù)據(jù)的拼接，進(jìn)而擬合并輸出三維振型。測(cè)振系統(tǒng)可以在掃描過程中完成幾何建模、信號(hào)激勵(lì)、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和模態(tài)結(jié)果識(shí)別。

三維掃描式激光測(cè)振儀可以直接測(cè)量振動(dòng)速度，是獲取結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)和工作變形分析的有效手段。通過三維激光掃描儀自帶的三維測(cè)距功能和幾何建模功能，在掃描測(cè)振的同時(shí)測(cè)量所有測(cè)點(diǎn)的三維相對(duì)坐標(biāo)，構(gòu)建三維幾何模型。所有的振動(dòng)數(shù)據(jù)和幾何坐標(biāo)都可以體現(xiàn)在被測(cè)物體的正交坐標(biāo)系中。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的測(cè)試需要先進(jìn)行各單面的振動(dòng)測(cè)試，再根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將所有測(cè)試點(diǎn)拼接縫合，從而實(shí)現(xiàn)完整三維結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性測(cè)試。

3 測(cè)試系統(tǒng)搭建

本文的白車身模態(tài)測(cè)試激光測(cè)振系統(tǒng)原理如圖1所示。激光測(cè)振系統(tǒng)由激光數(shù)據(jù)采集及控制裝置、信號(hào)發(fā)生器、3臺(tái)獨(dú)立的激光測(cè)振儀、功率放大器、激振器和力傳感器組成。

為滿足白車身自由支撐狀態(tài)下的試驗(yàn)要求，采用4個(gè)空氣彈簧分別支撐車身縱梁底部前、后方4個(gè)支撐點(diǎn)，通過改變空氣彈簧的氣壓調(diào)整白車身的狀態(tài)，使系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率遠(yuǎn)小于第1階彈性體模態(tài)頻率。在車身縱梁左前和右后部位局部剛度大的位置布置2個(gè)激振器作為激勵(lì)裝置，通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2路猝發(fā)隨機(jī)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后分別控制2個(gè)激振器激勵(lì)白車身。

本文采用的Polytec PSV-500激光測(cè)振儀的最大振動(dòng)速度為30 m/s，頻率測(cè)量范圍為0～100 kHz，工作距離范圍為0.125～100 m，掃描角度范圍為50°×40°，角度分辨率為0.2°。試驗(yàn)過程中，3臺(tái)獨(dú)立高精度激光干涉儀同時(shí)工作，由計(jì)算機(jī)控制保證在掃描過程中3束激光始終聚焦在目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的同一位置。

針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大的測(cè)試樣件，受激光測(cè)振儀掃描角度及測(cè)試空間的限制，需分批實(shí)現(xiàn)多區(qū)域掃描，每批次掃描區(qū)域間設(shè)置公共點(diǎn)用于空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化并統(tǒng)一坐標(biāo)系，對(duì)多區(qū)域幾何和振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，完成幾何建模和數(shù)據(jù)采集，每個(gè)側(cè)面進(jìn)行一次測(cè)量。掃描完成后，后處理軟件自動(dòng)完成多區(qū)域掃描數(shù)據(jù)的拼接轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別

白車身模態(tài)測(cè)試時(shí)，設(shè)置分析頻率帶寬為256 Hz，頻率分辨率為0.125 Hz，數(shù)據(jù)平均采樣次數(shù)為30次，為了與傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在車身骨架部位共布置75個(gè)測(cè)點(diǎn)，激光頭依次對(duì)所有測(cè)點(diǎn)完成掃描測(cè)振。

為便于結(jié)果對(duì)比，避免模態(tài)分析算法導(dǎo)致的誤差，同時(shí)驗(yàn)證激光測(cè)振儀測(cè)試數(shù)據(jù)的兼容性，統(tǒng)一在LMS Test.Lab軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。

利用LMS Test.Lab軟件對(duì)激光測(cè)振儀獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，利用PloyMAX模態(tài)分析方法對(duì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析，生成模態(tài)穩(wěn)定圖，如圖2所示。結(jié)合指示函數(shù)指標(biāo)，從模態(tài)穩(wěn)定圖中識(shí)別出200 Hz頻帶內(nèi)白車身的前8階主要模態(tài)，傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法和三維激光測(cè)振方法獲得的前8階模態(tài)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，2種方法測(cè)得的白車身前8階模態(tài)的固有頻率相對(duì)誤差不超過1.3%。以第4階模態(tài)振型為例，如圖3所示，兩者同一固有頻率下的模態(tài)振型基本一致。

5 結(jié)束語

本文采用三維激光測(cè)振方法進(jìn)行了電動(dòng)汽車白車身前8階固有頻率和振型的測(cè)試，并與采用加速度振動(dòng)傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，2種方法測(cè)得的白車身前8階模態(tài)的固有頻率相對(duì)誤差不超過1.3%。

相較于傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法，三維激光測(cè)振方法測(cè)試效率更高，成本優(yōu)勢(shì)明顯，整體和局部模態(tài)可以在無附加質(zhì)量影響的條件下進(jìn)行，針對(duì)電動(dòng)汽車白車身模態(tài)頻率主要集中在100 Hz以下的情況，可以通過增加測(cè)點(diǎn)密度的方式提高振型的清晰度。同時(shí)，三維激光測(cè)振技術(shù)存在受光學(xué)特性限制、只能測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)外表面的振動(dòng)、對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及被遮擋區(qū)域的振動(dòng)測(cè)試效果不理想等問題，且激光掃描頭視角范圍有限，對(duì)于大尺寸樣品需通過分批多次測(cè)量實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體場(chǎng)景選擇合適的模態(tài)測(cè)試方法。

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（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2023年9月28日。