模態(tài)仿真分析技術(shù)在汽車零部件測試中的應用

許丁煜，張鵬

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.廣家院威凱（上海）檢測技術(shù)有限公司，上海 201802）

引言

在經(jīng)濟快速發(fā)展的時代，越來越多的人購入汽車，汽車普及率也越來越高。但是，不同國家、不同城市，不同道路，使用汽車的環(huán)境并不是靜態(tài)的。尤其是在鄉(xiāng)村、城郊、山地、新建城區(qū)等地，汽車行駛過程中會發(fā)生振動，這一點，任何種類的汽車均無法避免。眾所周知，汽車上的關(guān)鍵零部件的振動頻率都不相同，當遇到臨近某一具體零部件的固有頻率時的外部刺激，該零部件會跟著發(fā)生共振，從而導致振動的加劇，導致關(guān)鍵的汽車部件容易產(chǎn)生疲勞。久而久之，關(guān)鍵零部件會被外界的刺激所破壞，使用壽命大大降低，因而，整個車輛的安全性也會降低。同時，共振還將會增加車內(nèi)噪音，給駕乘人帶來不適。因此，研究過程中，對于如何減少汽車關(guān)鍵零部件的共振則成為目前研究的重點領(lǐng)域，如果引入模態(tài)分析的方式方法對其零部件結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行試驗模態(tài)仿真分析，根據(jù)獲得的各種數(shù)據(jù)，有針對性的調(diào)整、優(yōu)化、改進，可以提供汽車的整體性能。

1 模態(tài)仿真分析概述

模態(tài)仿真分析是人們在進行結(jié)構(gòu)的動力特性研究時所常用的方法。待研究的模態(tài)（頻率、阻尼比、模態(tài)振型等）參數(shù)可以通過計算或者試驗得到。目前，常用的分析方法有：計算和實驗兩種模態(tài)分析。

經(jīng)過模態(tài)仿真分析可以顯著的看到結(jié)構(gòu)在某一特定頻率范圍內(nèi)的模態(tài)特征，進而來判斷該結(jié)構(gòu)在此頻率范圍內(nèi)是否會因外界共振影響而產(chǎn)生的振動響應。作為結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計時重要的輔助方法，模態(tài)仿真分析如果將上述常用的兩種分析方法相結(jié)合，則可以實現(xiàn)二者互補，相輔相成。

1.1 模態(tài)分析基本原理

結(jié)構(gòu)模態(tài)在進行仿真分析時，是通過不斷變換結(jié)構(gòu)的振動微分方程組中的坐標，然后解方程組，求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標可變換，即可得到各種振型。

汽車上的關(guān)鍵零部件種類眾多，在自由阻尼情況下，結(jié)構(gòu)是復雜和可變的，其振動微分方程為：

式中：

[C]—阻尼矩陣是質(zhì)量矩陣；

[k]—剛度矩陣；

{X}、{X}和{X}—列向量，其中{X}是速度向量、{X}是加速度向量，而{X}是位移向量；

{f(t)}—外力向量。

在分析汽車零部件模態(tài)時，可設(shè)外界的載荷是零，因此，無阻尼自由振動微分方程式：

設(shè)無阻尼的自由振動的解為：

將方程（3）代入（2），得：

其特征方程為：

式（5）為一個n 階多項式，可以得到該方程的n 個根，這些根的算術(shù)平方根就是我們所要的無阻尼固有頻率。再將得到的無阻尼固有頻率代入方程（4），就可得到振幅向量的對應值。因此，可以得到系統(tǒng)在第i 階的模態(tài)振型。

1.2 模態(tài)試驗系統(tǒng)

圖1是振動模態(tài)仿真分析的試驗系統(tǒng)示意圖，我們知道，當激振器施加一定的激勵到待測結(jié)構(gòu)上時，通過試驗系統(tǒng)的傳感器就能檢測出對應的信號，然后將這些信號進行處理和分析，緊接著再求得頻響函數(shù)，最后可分析結(jié)構(gòu)的的動態(tài)特性[1]。

圖1 模態(tài)試驗系統(tǒng)

1.3 模態(tài)試驗分析理論

模態(tài)試驗分析理是論利用數(shù)字信號處理技術(shù)，得到頻響/脈沖函數(shù)，然后再求得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，最終根據(jù)模態(tài)參數(shù)對結(jié)構(gòu)的模態(tài)進行分析：

對上式變換可得到：

由此可得到模態(tài)特征曲線。

2 試驗模態(tài)分析動態(tài)測試基本技術(shù)

2.1 測試系統(tǒng)的組成及搭建

模態(tài)仿真分析技術(shù)在汽車領(lǐng)域中更多地是采用單點激振方式進行分析。這種方式對應的測試系統(tǒng)組成部分如下：①發(fā)生激勵的系統(tǒng)；②信號檢測系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；④信號分析系統(tǒng)；⑤頻響函數(shù)計算系統(tǒng)。

2.2 被測試結(jié)構(gòu)的支承

我們常認為，待測結(jié)構(gòu)處于束縛的狀態(tài)，因而，我們在試驗時，應該選擇能夠模擬真實狀態(tài)的支承方式來還原對應的場景。如果這一點不能夠做到，就要考慮是否可以選擇其他的支承方式來替代。例如，有研究者提出模擬自由狀態(tài)時，軟懸掛是能夠替代鉸支撐的，而軟懸掛的方式又可以通過彈性牽引部件來實現(xiàn)。

2.3 關(guān)于結(jié)構(gòu)激振

2.3.1 激振方法

常用的激勵方法有單點激勵法和多點激勵法，而單點方式和多點方式都能滿足測試要求。但是，單點方式的激振位置是固定的，這樣一來，在夾具操作時，可以方便調(diào)整。

2.3.2 激振器

為了減少其他不確定因素的影響，人們在安裝激振器的時候，需要考慮待測的結(jié)構(gòu)、激振器特性、支承方式、激勵點等來選取合適位置。激振器能夠依據(jù)激勵信號進行激振，但是，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的參數(shù)會影響試驗結(jié)果。因此，在模態(tài)分析試驗中，錘擊法比激振器法更常用。這是因為其設(shè)備簡單，花費小，方便外場測試，同時，激勵效果和激振器相差不大。

2.3.3 激勵信號

常用的激勵進行信號有隨機/偽隨機等激勵信號、正弦激勵信號、和脈沖控制信號等。試驗過程中，應合理選擇。其中，人們最常選擇隨機信號作為激勵信號，用于普通的振動測試。

2.3.4 激振位置

為了能夠方便傳遞激勵，激振點的選取也是非常重要的，一般會選擇容易將激勵傳輸至部件結(jié)構(gòu)的位置，同時，激振點還要有效避開其他振動節(jié)點、懸掛點等。

2.3.5 激振器的安裝

激振器是用來對結(jié)構(gòu)進行分析振動和強度試驗的，必須合理地安裝激振器。由于待測物的結(jié)構(gòu)不盡相同，復雜多樣，為了能夠更好的進行試驗，通?？梢詫⒓ふ衿靼惭b在固定的支架之上，也即是待測結(jié)構(gòu)的合適部件上，而非直接安裝在待測結(jié)構(gòu)上。

2.4 傳感器及其安裝

激振器發(fā)出的激勵信號則主要由傳感器來檢測，所以在安裝傳感器時，要能夠保證傳感器測試的數(shù)量真實有效，并且傳感器要緊固的固定在待測結(jié)構(gòu)上，同時還不能對待測結(jié)構(gòu)產(chǎn)生其他影響。至于傳感器的固定方式，則多種多樣，可拆卸式、一次性固定式均可，只要符合傳感器能夠發(fā)揮其作用為準即可。

2.5 測點布置

測點是進行觀測的點，因此，測點的分布要根據(jù)模態(tài)分析時的頻率范圍、激勵方式、激勵信號等方面合理分布，尤其是關(guān)鍵數(shù)據(jù)點一定要能夠涵蓋，但是要避免重復選擇對稱點[2]。

3 汽車零部件模態(tài)分析

3.1 白車身振動模態(tài)試驗

對于白車身，人們通常選擇自由模態(tài)方式?？蛇x擇電動升降裝置，將整車車身通過彈簧或者其他彈力繩懸掛在電動升降裝置上，至于升降裝置的固有頻率低于3 Hz。關(guān)于測點則要避免分布在薄弱的面板之上，車頂、車底分開布置。

整個模態(tài)仿真測試分析系統(tǒng)包括：激振系統(tǒng)、響應系統(tǒng)和分析處理系統(tǒng)[3]。其中，激振系統(tǒng)，激振器、信號發(fā)生器的選擇要匹配白車聲的整體結(jié)構(gòu)，以激勵信號穩(wěn)定連續(xù)傳輸為基礎(chǔ)；響應系統(tǒng)則要選擇多向、多通道加速傳感器，同時，數(shù)據(jù)進行采集系統(tǒng)分析可以通過直接使用LMSSCADAS 即可；最后，分析處理系統(tǒng)也可選擇Test．Lab。

如圖2 所示，激勵信號選擇正弦信號，激振方式選擇兩點式。激勵信號傳輸至車身，同時將傳感器采集得到的數(shù)字信號經(jīng)過處理，輸入至分析處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集得到的激振信號、響應信號，最后再經(jīng)分析處理系統(tǒng)處理。在此過程中，每次采集數(shù)據(jù)時，均要對其合理性、正確性進行有效的排查。通常，在測一批數(shù)據(jù)時，都要排查多個方向上的數(shù)據(jù)是否真實有效。

圖2 白車身模態(tài)試驗模型

3.2 后扭力梁模態(tài)試驗

扭力梁（懸掛）結(jié)構(gòu)更簡單，使用成本交底，多用于經(jīng)濟型車，使用扭力梁（懸掛）的車通常會放大車內(nèi)空間或者后備箱儲物空間。但是，在車輛行使過程中，多次的疲勞使用會導致其變形，進一步影響車輪位移不一致，反過來又再次影響扭力梁的剛性結(jié)構(gòu)。當扭力梁（懸架）發(fā)生多次變形之后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會逐步損傷，剛性和韌性到達一定期限時，就會破裂，發(fā)生斷軸等事故。考慮到，后扭力梁（懸掛）是承重部件，又是其他部件的連接件，因此，至關(guān)重要。

在后扭轉(zhuǎn)梁（懸架）模態(tài)仿真分析試驗中，一般選擇振幅較小的位置作為懸點[4]。

在測試過程中，傳感器應該安裝在光束上。而激勵位置如上文所述，躲避開后扭力梁的關(guān)鍵位置（薄弱位置），可選擇剛性比較大的位置進行放置（如其縱臂的位置），多次試驗直至其開裂，分析扭力梁的固有頻率。此過程中，可同時選擇扭力梁的水平位置、開口方向/角度作為研究對象進行分析。

3.3 車門模態(tài)試驗

汽車的車門同樣是汽車的重要部件，車門的質(zhì)量同車身、懸掛等部件一樣重要，也會影響到汽車的整體性能。一扇設(shè)計良好的門不僅可以保證門正常運行的可靠性，減小車門的振動，還能避免由于共振而產(chǎn)生的不好駕乘感。

圖3 圖車門模型

通過車門的模態(tài)進行分析，我們可以得知車門與其他部件如發(fā)動機、傳動系統(tǒng)及路面之間不會發(fā)生動態(tài)干擾。合理的優(yōu)化車門結(jié)構(gòu)，能夠錯開共振的頻率，最終實現(xiàn)車輛行駛過程中振動幅度的減小。

在車門機構(gòu)試驗時，車門依然要處于自由狀態(tài)，一般是利用彈性繩索將車門吊起來，自由懸掛。模態(tài)分析試驗時，可采取多點激振，這樣更能全面的測試車門在振動過程中發(fā)生的變化。

整個模態(tài)仿真測試分析系統(tǒng)包括：激振系統(tǒng)、響應系統(tǒng)和分析處理系統(tǒng)。其中，激振系統(tǒng)，激振器、信號發(fā)生器的選擇要匹配白車聲的整體結(jié)構(gòu)，以激勵信號穩(wěn)定連續(xù)傳輸為基礎(chǔ)；響應系統(tǒng)要選擇多向、多通道加速傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以選擇同上；最后，分析處理系統(tǒng)選擇同上。

4 結(jié)論

本文對模態(tài)仿真測試進行了簡單的介紹，從模態(tài)分析的基礎(chǔ)理論開始，到應用場景、分析試驗方法等方面都進行了簡單的描述。最后，本文選取了白車身、后扭力梁、車門三個關(guān)鍵零部件，并對它們在模態(tài)試驗時的注意事項進行了簡述，這有助于對于模態(tài)仿真分析有了更為直觀的了解和借鑒意義。