一種白車身車頂模態(tài)和動剛度測試分析方法的研究

李旭偉　楊東績　田程

摘 要：本文研究白車身車頂模態(tài)的測試分析方法，合理選擇傳感器的數(shù)量和位置分布，對比激振器和力錘法測試的車頂模態(tài)頻率和振型，找出相關(guān)與不同之處。對模態(tài)測點進行動剛度測試，得到各點的原點動剛度和跨點傳遞函數(shù)，為車頂?shù)膭討B(tài)特性設(shè)計提供新的思路，為評價白車身大鈑件的動態(tài)特性提供新的試驗思路。

關(guān)鍵詞：白車身;模態(tài)測試;動剛度

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(yè)也在汽車的安全性方面出臺了很多法規(guī)與標準，目前世界范圍內(nèi)主要是形成了以美國、歐洲和日本為主導(dǎo)的三大汽車法規(guī)體系，其他國家和地區(qū)的法規(guī)主要是參照這些法規(guī)，再結(jié)合自身具體情況制訂相關(guān)的。汽車的NVH性能直接關(guān)系到整車的舒適性，是提升汽車品質(zhì)的關(guān)鍵因素，也是近些年汽車行業(yè)研究和探索的主要方向之一。

汽車NVH性能的開發(fā)需要從整車設(shè)計初期就開始介入，定制整車開發(fā)目標，其中各系統(tǒng)和部件模態(tài)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(tǒng)性的工程。模態(tài)頻率主要是考慮系統(tǒng)的共振問題，避開發(fā)動機、變速器等旋轉(zhuǎn)振動部件的自身頻率，避免與其耦合產(chǎn)生共振造成對整車的影響甚至破壞。模態(tài)頻率的匹配的理想狀態(tài)是各系統(tǒng)自身模態(tài)彼此解耦，同時相鄰的系統(tǒng)模態(tài)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(tài)與動剛度的測試需求

整車開發(fā)之初會制定系統(tǒng)的模態(tài)頻率指標，在各系統(tǒng)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(yīng)模態(tài)頻率以及振型，對系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)有了初步的計算結(jié)果。但軟件的計算分析有自身的局限性，各個系統(tǒng)的特征不能完全體現(xiàn)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(tǒng)部件生產(chǎn)完成后，需要對其進行試驗測試，進一步驗證計算結(jié)果。模態(tài)測試過程中，系統(tǒng)部件的設(shè)置一般分為自由狀態(tài)和約束狀態(tài)兩種形式，兩種形式在計算分析中都容易實現(xiàn)，在試驗過程中自由狀態(tài)較為實現(xiàn)，約束狀態(tài)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(jīng)過設(shè)計和計算校核，以免影響測試結(jié)果。車身作為一個多自由度的彈性系統(tǒng)，其模態(tài)頻率相應(yīng)表現(xiàn)為無限多的模態(tài)頻率，低階模態(tài)振型多為整體振型，高階模態(tài)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(tài)參數(shù)關(guān)系。

傳遞函數(shù)和動剛度是與模態(tài)相關(guān)的兩個動態(tài)參數(shù)，對考核系統(tǒng)的動態(tài)性能同樣重要，也是NVH分析常用的參數(shù)。汽車在行駛過程中來自于路面、發(fā)動機的激勵通過車身傳遞到車內(nèi)，影響乘員的乘坐舒適性，傳遞函數(shù)可以用來評估分析激勵與響應(yīng)之間的傳遞關(guān)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(nèi)振動噪聲的影響。在NVH領(lǐng)域，動剛度指結(jié)構(gòu)在動態(tài)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(tài)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(yīng)越大，傳遞至車內(nèi)的振動噪聲越大，直接影響車內(nèi)的舒適性。白車身作為乘用車的承載結(jié)構(gòu)，幾乎所有零部件都直接或者間接與其相關(guān)聯(lián)，因此白車身的模態(tài)參數(shù)尤為重要，一般動剛度的測試與模態(tài)測試同時進行，因為動剛度大部分關(guān)心區(qū)域都在白車身上，這樣就可以利用一個白車身完成模態(tài)和動剛度的測試，縮短了試驗周期。

2 車頂模態(tài)測試

為測點建模是白車身模態(tài)測試準備階段的必要工作，其目的是為后期輸出模態(tài)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(cè)圍等，每個部分包含數(shù)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(shù)量一般在150至200個之間。以往經(jīng)驗表明，在中頻范圍內(nèi)，車身鈑件對車內(nèi)噪聲的貢獻度相當大，其中車頂尤為突出[3]。

白車身模態(tài)一般使用激振器法測試，本文研究車頂?shù)哪B(tài)參數(shù)，測試了某款三廂車型的車頂模態(tài)，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(shù)量根據(jù)車頂?shù)拇笮「鞑幌嗤?，激振器按照白車身模態(tài)測試方法進行布置，車頂模態(tài)測試在車身模態(tài)測試過程中進行，作為車身模態(tài)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?shù)哪B(tài)測點進行激勵，激勵點和響應(yīng)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?shù)臏y點進行激勵和響應(yīng)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(shè)置比較簡單，因此可以與車頂模態(tài)測試同時進行。測試過程中設(shè)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。

3 車頂模態(tài)參數(shù)和動剛度

本文將激振器法和力錘法測試的車頂模態(tài)參數(shù)進行對比分析，圖2藍線為力錘法測試的分析穩(wěn)態(tài)曲線，紅線為激振器法但只有車頂測點參與計算的穩(wěn)態(tài)曲線，綠線為激振器法車身所有測點參與計算的穩(wěn)態(tài)曲線，可以看出大部分的固有頻率都是都是相對應(yīng)重合的，說明不止反映了車頂鈑件的模態(tài)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(tài)頻率，大部分頻率都非常接近，其中力錘法有兩階模態(tài)頻率在激振器法中并未出現(xiàn)，為車頂?shù)木植磕B(tài)，在白車身穩(wěn)態(tài)圖中沒有體現(xiàn)。同時還存在白車身穩(wěn)態(tài)圖中模態(tài)頻率較為突出，力錘法穩(wěn)態(tài)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(fā)現(xiàn)，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?shù)恼裥惋@示清晰。

車身的動剛度對于整車的振動噪聲有關(guān)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(shè)計時根據(jù)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?shù)奶厥庑?，激勵方向均為垂向。動剛度是考察測點的動態(tài)特性，是以頻率為基礎(chǔ)的曲線參數(shù)，通過觀察測點的原點動剛度曲線，動剛度曲線的波谷對應(yīng)頻率均為車頂模態(tài)頻率，主要是因為動剛度可以由頻響函數(shù)計算得出，動剛度的波谷是頻響函數(shù)的波峰位置，而頻響函數(shù)是用來計算模態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。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(nèi)，重合度非常高，見圖5。

4 結(jié)論

本文通過對白車身及其車頂進行模態(tài)試驗，分析了模態(tài)和動剛度的參數(shù)特點，并總結(jié)出如下結(jié)論：

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

（2）對于兩種方法都識別出的同一個模態(tài)頻率，如果力錘法對應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)一樣，都具有互易性，針對此特點可以減少測點數(shù)量，或者變換不利于激勵的測點。

白車身模態(tài)頻率是整車設(shè)計的重要參數(shù)指標，每個局部結(jié)構(gòu)或者鈑件的動態(tài)參數(shù)也關(guān)系到與其連接的其他零部件振動性能。在白車身模態(tài)測試得到的參數(shù)不足以滿足研發(fā)需求的時候，針對所關(guān)心區(qū)域的力錘法試驗更能體現(xiàn)局部區(qū)域的動態(tài)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(shè)計不好直接影響整車舒適性，后續(xù)工作還需與仿真分析相結(jié)合，更早的檢驗設(shè)計機構(gòu)的動態(tài)性能，在車身樣品生產(chǎn)后再用試驗手段驗證分析結(jié)果或者改進的效果。

參考文獻：

[1]龐劍.汽車噪聲與振動-理論與應(yīng)用[M]，北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]陳劍.汽車NVH正向設(shè)計中的系統(tǒng)模態(tài)匹配策略研究[J]，汽車工程，2010年12月，第32卷第5期，369-370.

[3]周鋐.汽車頂棚約束模態(tài)與工作模態(tài)分析與比較[J]，噪聲與振動控制，2016年4月，第36卷第2期，1-2.