某商用車(chē)白車(chē)身模態(tài)分析及試驗(yàn)邊界優(yōu)化

秦嚴(yán)彬，吳思遠(yuǎn)，洪森

1.徐州徐工汽車(chē)制造有限公司，江蘇徐州 221004；2.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221004

0 引言

隨著商用車(chē)行業(yè)的發(fā)展，車(chē)輛的NVH(noise、vibration、harshness)越來(lái)越受到主機(jī)廠家的重視。商用車(chē)駕駛室的模態(tài)特性對(duì)整車(chē)的動(dòng)態(tài)特性和NVH性能有重要影響。白車(chē)身的第一階彈性體模態(tài)是衡量其設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)[1]，該模態(tài)頻率越高表明白車(chē)身剛度越大，越能抵抗外界振動(dòng)的傳遞和車(chē)身疲勞破壞，提高駕乘人員舒適性和車(chē)輛可靠性[2]。

作為動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)，模態(tài)分析可以識(shí)別出白車(chē)身的振型、阻尼和固有頻率，為駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力特性?xún)?yōu)化提供指導(dǎo)[3]。本文利用仿真和試驗(yàn)兩種方法分別對(duì)某商用車(chē)白車(chē)身進(jìn)行模態(tài)分析，并基于自主設(shè)計(jì)的氣囊工裝改進(jìn)了模態(tài)試驗(yàn)的邊界條件，提升試驗(yàn)準(zhǔn)確度，為模態(tài)試驗(yàn)邊界設(shè)定提供一定的參考。

1 白車(chē)身計(jì)算模態(tài)分析

1.1 理論基礎(chǔ)

有限元分析思想是利用數(shù)值近似的方法模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)，將分析對(duì)象的實(shí)體結(jié)構(gòu)劃分成若干足夠小的連續(xù)單元體[4]。

根據(jù)D.Alembert原理，在白車(chē)身所受外力中加入慣性力，建立其運(yùn)動(dòng)微分方程：

(1)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)與自身質(zhì)量和剛度有關(guān)，是其固有屬性，與外部載荷無(wú)關(guān)。取F(t)=0，可得自由振動(dòng)方程：

(2)

忽略阻尼的影響，可得無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程：

(3)

自由振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，節(jié)點(diǎn)位移可表達(dá)為：

u=φsin(ωt)

(4)

式中:φ為位移u的振幅向量；ω為固有頻率。

將式(4)代入式(3)可得：

(K-ω2M)φ=0

(5)

求解方程(5)的特征值ω2和特征向量φ，進(jìn)而可求得白車(chē)身的各階頻率和振型。

1.2 白車(chē)身有限元模型建立

圖1為白車(chē)身有限元模型，主要由各種鈑金件搭接焊裝組成。本文將劃分白車(chē)身的單元基本尺寸設(shè)置為10 mm，劃分完畢后白車(chē)身有限元模型由648 211個(gè)節(jié)點(diǎn)和 932 274個(gè)單元組成。

圖1 白車(chē)身有限元模型

1.3 定義材料屬性

白車(chē)身主要材料參數(shù)[5]見(jiàn)表1。

表1 白車(chē)身主要材料參數(shù)

1.4 模態(tài)計(jì)算

為方便與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)，本文模態(tài)仿真采取自由邊界進(jìn)行分析[6]。

由于低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響比高階振型大,可以認(rèn)為低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。由于自由模態(tài)分析的前6階為剛體模態(tài)，本文只提取7～12階模態(tài)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。

2 白車(chē)身試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是基于激勵(lì)和系統(tǒng)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試：激勵(lì)被測(cè)對(duì)象，使用傳感器測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)，然后計(jì)算結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，最后通過(guò)參數(shù)識(shí)別得到所需的模態(tài)參數(shù)[7]，即頻率、振型和阻尼比。

2.1 幾何模型建立

本文基于白車(chē)身的結(jié)構(gòu)特性共布置了166個(gè)測(cè)點(diǎn)，在模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中建立其幾何模型[8]，如圖2所示。

圖2 白車(chē)身模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)和幾何模型

2.2 模態(tài)測(cè)試

用工裝懸掛待測(cè)白車(chē)身，模擬自由邊界狀態(tài)。試驗(yàn)前對(duì)白車(chē)身進(jìn)行互異性檢查，如圖3所示。檢查結(jié)果可以看出兩組數(shù)據(jù)頻響函數(shù)吻合，滿(mǎn)足模態(tài)互易性檢驗(yàn)的要求。

圖3 白車(chē)身模態(tài)測(cè)試互異性檢查

白車(chē)身模態(tài)測(cè)試如圖4所示。

圖4 白車(chē)身模態(tài)測(cè)試

為了能激勵(lì)出所需的模態(tài)，本文模態(tài)測(cè)試的激勵(lì)點(diǎn)選在白車(chē)身的左前和右后地板縱梁處。同時(shí)，布置加速度傳感器時(shí)避開(kāi)振型節(jié)點(diǎn)處，否則容易丟失模態(tài)。

3 計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)白車(chē)身有限元計(jì)算提取的7～12階固有頻率、振型和模態(tài)試驗(yàn)得到的7～12階固有頻率和振型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)7～12階固有頻率及振型對(duì)比結(jié)果

由表2可以看出，白車(chē)身計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)偏差較大，根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)準(zhǔn)則：模擬自由邊界條件，彈性懸掛或者支撐系統(tǒng)固有頻率最大不超過(guò)被測(cè)試件一階頻率1/10。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，白車(chē)身模態(tài)試驗(yàn)懸掛系統(tǒng)固有頻率超過(guò)2 Hz，不符合試驗(yàn)準(zhǔn)則要求。

4 模態(tài)試驗(yàn)邊界優(yōu)化

本文自主設(shè)計(jì)了一種適用于商用車(chē)白車(chē)身及車(chē)架等系統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)氣囊工裝，經(jīng)測(cè)試工裝系統(tǒng)固有頻率不超過(guò)2 Hz，符合模態(tài)測(cè)試要求。使用新設(shè)計(jì)氣囊工裝對(duì)樣車(chē)白車(chē)身模態(tài)進(jìn)行復(fù)測(cè)，如圖5所示。

圖5 使用新設(shè)計(jì)氣囊工裝復(fù)測(cè)白車(chē)身模態(tài)

使用新設(shè)計(jì)氣囊工裝模擬白車(chē)身自由邊界可排除吊掛工裝對(duì)白車(chē)身模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)剛度和質(zhì)量的影響，有效提升試驗(yàn)邊界準(zhǔn)確性。復(fù)測(cè)后計(jì)算模態(tài)與氣囊工裝試驗(yàn)?zāi)B(tài)固有頻率及振型對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 復(fù)測(cè)后計(jì)算模態(tài)與氣囊工裝試驗(yàn)?zāi)B(tài)固有頻率及振型對(duì)比結(jié)果

圖6和圖7分別給出了白車(chē)身計(jì)算模態(tài)和氣囊工裝試驗(yàn)?zāi)B(tài)7～12的固有頻率及振型。

圖6 白車(chē)身計(jì)算模態(tài)的固有頻率及振型

圖7 白車(chē)身氣囊工裝試驗(yàn)?zāi)B(tài)的固有頻率及振型

對(duì)比兩次模態(tài)試驗(yàn)與計(jì)算模態(tài)結(jié)果可以看出：

(1)模態(tài)試驗(yàn)邊界對(duì)結(jié)果影響很大，本文設(shè)計(jì)的氣囊工裝有效提升了模態(tài)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度；

(2)氣囊工裝試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果與仿真結(jié)果偏差很小，說(shuō)明白車(chē)身有限元模型網(wǎng)格劃分合理，模型精度高，能滿(mǎn)足實(shí)際工程需求；

(3)路面激勵(lì)頻率一般低于20 Hz，該白車(chē)身的一階模態(tài)頻率為19.79 Hz，基本避免了路面不平導(dǎo)致白車(chē)身共振的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某商用車(chē)白車(chē)身進(jìn)行了模態(tài)仿真和試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)，并針對(duì)結(jié)果偏差自主設(shè)計(jì)了一種氣囊工裝，有效提升了白車(chē)身模態(tài)試驗(yàn)邊界準(zhǔn)確度。試驗(yàn)邊界改進(jìn)后的結(jié)果與仿真結(jié)果偏差很小，說(shuō)明所使用的有限元建模方法準(zhǔn)確，模型精度可滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。同時(shí)，可以看出該白車(chē)身模態(tài)特性參數(shù)過(guò)渡平緩，滿(mǎn)足白車(chē)身動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性頻率分布要求[9-10]。