基于三維激光測振的電動汽車車身模態(tài)測試方法

【摘要】為分析電動汽車車身的動態(tài)特性，利用三維掃描式激光測振儀開展模態(tài)測試，識別某電動汽車白車身主要模態(tài)參數(shù)，并將測試結(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)行對比，結(jié)果表明，三維激光測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：三維激光測振 電動汽車 白車身 模態(tài)試驗(yàn)

中圖分類號：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. 基于三維激光測振的電動汽車車身模態(tài)測試方法[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

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

國內(nèi)外研究人員針對電動汽車車身結(jié)構(gòu)動態(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)臺架開展了某電動汽車的模態(tài)試驗(yàn)，并對其進(jìn)行了動態(tài)特性評價(jià)；雷正保等[3]考慮某電動汽車車身碰撞時(shí)的動態(tài)特性進(jìn)行了混合元拓?fù)鋬?yōu)化；徐陳運(yùn)等[4]對基于鋁合金前端結(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)化方法對白車身進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前，電動汽車白車身動態(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)通過在待測結(jié)構(gòu)表面布置加速度振動傳感器實(shí)現(xiàn)模態(tài)識別，測點(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，測試效率有限；另外，傳感器的附加質(zhì)量容易對輕薄或弱剛度結(jié)構(gòu)樣件的測試結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響[6]。激光測振是新興的非接觸式振動測試技術(shù)，在微小、精密、輕薄、高溫物體的振動探測領(lǐng)域有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢，可以高效掃描多個(gè)測點(diǎn)，且不存在傳感器附加質(zhì)量對樣件的影響，能夠測量表面瞬態(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)動機(jī)葉片振動特性測試等領(lǐng)域[7]。但在汽車領(lǐng)域，三維激光測振技術(shù)在車身等大型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性測試中的應(yīng)用研究較少。

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

2 測振原理與應(yīng)用分析

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

fD=2v/λ （1）

式中：v為物體振動的速度，λ為激光的波長。

激光測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。

激光測振儀能測量位移和速度，其中位移解調(diào)結(jié)果適用于低頻運(yùn)動測試，速度解調(diào)結(jié)果適用于高頻運(yùn)動測試。

三維掃描式激光測振儀的核心結(jié)構(gòu)包括3臺獨(dú)立的高精度精密激光干涉儀。掃描時(shí)，信號發(fā)生器發(fā)出猝發(fā)掃頻（Burst Chirp）或猝發(fā)隨機(jī)（Burst Random）信號驅(qū)動激振器工作，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)振動速度的多普勒頻移信號，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)激光多普勒測振儀在激光束方向上測得的振動數(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。測振系統(tǒng)可以在掃描過程中完成幾何建模、信號激勵(lì)、振動數(shù)據(jù)采集和模態(tài)結(jié)果識別。

三維掃描式激光測振儀可以直接測量振動速度，是獲取結(jié)構(gòu)振動模態(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距功能和幾何建模功能，在掃描測振的同時(shí)測量所有測點(diǎn)的三維相對坐標(biāo)，構(gòu)建三維幾何模型。所有的振動數(shù)據(jù)和幾何坐標(biāo)都可以體現(xiàn)在被測物體的正交坐標(biāo)系中。

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

3 測試系統(tǒng)搭建

本文的白車身模態(tài)測試激光測振系統(tǒng)原理如圖1所示。激光測振系統(tǒng)由激光數(shù)據(jù)采集及控制裝置、信號發(fā)生器、3臺獨(dú)立的激光測振儀、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，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生2路猝發(fā)隨機(jī)信號，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激光測振儀的最大振動速度為30 m/s，頻率測量范圍為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)測點(diǎn)的同一位置。

針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大的測試樣件，受激光測振儀掃描角度及測試空間的限制，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，對多區(qū)域幾何和振動數(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)行一次測量。掃描完成后，后處理軟件自動完成多區(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)識別

白車身模態(tài)測試時(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)行對比，在車身骨架部位共布置75個(gè)測點(diǎn)，激光頭依次對所有測點(diǎn)完成掃描測振。

為便于結(jié)果對比，避免模態(tài)分析算法導(dǎo)致的誤差，同時(shí)驗(yàn)證激光測振儀測試數(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軟件對激光測振儀獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識別，利用PloyMAX模態(tài)分析方法對振動響應(yīng)信號進(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種方法測得的白車身前8階模態(tài)的固有頻率相對誤差不超過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振方法進(jìn)行了電動汽車白車身前8階固有頻率和振型的測試，并與采用加速度振動傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，2種方法測得的白車身前8階模態(tài)的固有頻率相對誤差不超過1.3%。

相較于傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法，三維激光測振方法測試效率更高，成本優(yōu)勢明顯，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，針對電動汽車白車身模態(tài)頻率主要集中在100 Hz以下的情況，可以通過增加測點(diǎn)密度的方式提高振型的清晰度。同時(shí)，三維激光測振技術(shù)存在受光學(xué)特性限制、只能測量被測結(jié)構(gòu)外表面的振動、對內(nèi)部結(jié)構(gòu)及被遮擋區(qū)域的振動測試效果不理想等問題，且激光掃描頭視角范圍有限，對于大尺寸樣品需通過分批多次測量實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體場景選擇合適的模態(tài)測試方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 弓劍， 徐元利， 夏洪兵， 等. 基于應(yīng)變能分析的雙目標(biāo)白車身模態(tài)優(yōu)化[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 41（4）： 312-316.

GONG J， XU Y L， XIA H B， et al. Bi-Objective Optimization of Body-In-White Model Based on Strain Energy Analysis[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology， 2018， 41（4）： 312-316.

[2] 黃祖嚴(yán). 某電動汽車白車身模態(tài)實(shí)驗(yàn)及其動態(tài)特性評價(jià)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2018（7）： 11-12.

HUANG Z Y. Modal Experiment and Dynamic Characteristics Evaluation of an Electric Vehicle’s Body-In-White[J]. Automobile Applied Technology， 2018（7）： 11-12.

[3] 雷正保， 李鐵俠， 王瑞， 等. 純電動汽車車身多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 55（5）： 484-491.

LEI Z B， LI T X， WANG R， et al. Multi-Objective Topology Optimization Design of Pure Electric Vehicle Body[J]. Journal of Dalian University of Technology， 2015， 55（5）： 484-491.

[4] 徐陳運(yùn)， 張代勝， 汪永嘉， 等. 基于鋁合金前端結(jié)構(gòu)的白車身模態(tài)仿真分析及試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2023， 61（7）： 56-58+75.

XU C Y， ZHANG D S， WANG Y J， et al. Modal Simulation Analysis and Experimental Study of Body-In-White Based on Aluminum Alloy Front End Structure[J]. Agricultural Equipment amp; Vehicle Engineering， 2023， 61（7）： 56-58+75.

[5] ADL A H， PANAHI M S. Multi-Objective Optimal Design of Passenger Car’s Body[C]// ASME 10th Binenial Conference on Engeering Systems Design and Analysis. Istanbul， Turkey： AMSE， 2010.

[6] 閆松， 李斌， 李斌潮， 等. 三維掃描測振技術(shù)在液體火箭發(fā)動機(jī)模態(tài)試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 宇航學(xué)報(bào)， 2017， 38（1）： 97-103.

YAN S， LI B， LI B C， et al. Application of 3-D Scanning Vibrometery Technique in Liquid Rocket Engine Model Test[J]. Joural of Astronautics， 2017， 38（1）： 97-103.

[7] 張琦， 王洪斌， 姜睿， 等. 基于激光多普勒測振的葉片振動特性試驗(yàn)[J]. 航空發(fā)動機(jī)， 2022， 48（1）： 76-82.

ZHANG Q， WANG H B， JIANG R， et al. Experiment on Blade Vibration Characteristics Based on Laser Doppler Vibration Measurement[J]. Aeroengine， 2022， 48（1）： 76-82.

[8] VUYE C， VANLANDUIT S， PRESEZNIAK F， et al. Optical Measurement of the Dynamic Strain Field of a Fan Blade Using a 3D Scanning Vibrometer[J]. Optics and Lasers in Engineering， 2011， 49（7）： 988-997.

（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2023年9月28日。