白车身模态分析试验方法研究 毕业设计

目录中文摘要 (1)英文摘要 (2)1 绪论 (3)2 试验模态分析 (5)2.1模态试验理论 (5)2.2试验测试系统组成 (6)3 模态参数识别方法 (7)3.1模态参数识别主要方法 (7)3.2最小二乘复频域法 (9)3.2.1最小二乘复频域法简介 (9)3.2.2系统模型的确定 (9)4 白车身模态试验 (10)4.1白车身参数 (10)4.2试验结构的支撑方式 (10)4.3传感器的选择及布置原则 (12)4.4激励系统 (13)4.4.1激励方式 (13)4.4.2振动激励源的选择和比较 (14)4.4.3设备传感器 (15)4.5试验测试系统检验 (16)5 试验测试结果及分析 (21)5.1稳态图 (21)5.2模态频率与阻尼比 (23)5.3模态振型 (24)5.4模态试验的有效性 (26)6 有限元分析结果与试验结果对比 (30)结论 (33)谢辞 (34)参考文献 (35)白车身模态试验方法研究摘要：本文的目的在于研究模态分析参数识别不同方法之间的优缺点，重点是PolyMAX法和时域分析法之间的对比，以研究通过何种方法才能获得精确地实验数据。

为此本文分别采用多参考最小二乘复频域（PolyMAX）法和时域分析法对结构模态参数进行识别，得到白车身各阶的模态图、模态频率和振型并采用模态置信判据法(MAC)验证试验结果，比较二者之间的优缺点，从而发现PolyMAX能提供比时域法法更多的稳定极点并且有一个清晰地图标，确保一个用户独立和简洁明了的解释，大量简化了鉴别过程。

为进一步验证PolyMAX法的准确性，将PolyMAX分析结果与有限元分析相对比，发现两者具有相当高的一致性。

因此，本文认为在白车身模态试验中PolyMAX法是最佳的试验模态分析方法。

关键词：白车身模态试验分析方法MIMO PolyMAXAbstract：In this paper ,by comparing the advantages and disadvantages of the main modal analysis methods as frequency domain method ,time domainmethod ,SISO and MIMO law ,choose the MIMO method to measurethe modal of Body-in-white. A 3D geometrical Model is built for testingand based on this the MIMO method (multi-input and multi-output) isapplied to measure the modal of Body-in-White in “free-free” boun daryconditions. And the modal parameters are estimated with the LeastSquare Complex Frequency (PolyMAX) method and the domainmethod. Every modal have been obtained by experiment and the testingresult is verified by using Modal Assurance Criteria. The frequency andmode of every modal have been obtained by experiment and the testingresult is verified by using Modal Assurance Criteria. Contrasting theexperimental results and the finite element analysis results of thebody-in-white indicate that at 60Hz or less, the result of modal testingand analysis are generally consistent. It exposed that both in thelow-frequency stage exposed the problem that somewhere in back-upcavity have a bigger vibration amplitude, it need to strengthen thelocal stiffness.Keywords: Body-in-white ,Modal analysis ,Analysis，MIMO, PolyMAX1 绪论随着社会经济水平的不断发展，汽车已经不仅仅是一种代步工具，消费者对汽车的各种性能要求越来越高，特别是轿车的乘坐舒适性。

为了满足消费者的要求，汽车厂家加强了对汽车乘坐舒适性的重视，而与乘坐舒适性密切相关的就是汽车NVH性能，而这又与白车身紧密相关。

因此，研究白车身的模态分析便愈加重要了。

模态分析与参数识别是振动工程中一个活跃的分支，是结构动态设计、减振消振、振动控制以及利用振动信号的状态监测和故障诊断的基础。

模态分析与参数辨识和古典的振动学相比，它的特点是以解决工程实际问题为总目标，理论、计算技术和试验技术机密结合，各尽其能，互相补充、互相验证。

模态分析和参数辨识是结构动力学中的一种“逆问题”分析方法，它与传统的“正问题”分析方法不同，是建立在试验的基础上，采用试验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。

这一技术从60年代后期兴起至今，已在各工程领域中广泛应用，并以发展成为解决工程中振动问题的重要手段。

模态分析的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。

坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。

模态分析可以在时域中进行，也可在频域中进行。

其最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析，振动故障诊断及预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

试验模态分析( experimental modal analysis)是振动与噪声学科在工程中求结构动力特性的一种非常重要的手段,它通过实验的方法得到被测结构的输入输出信号,求解传递函数方程得到结构特征参数。

白车身作为汽车的主要框架结构,业界一般认为它对整车NVH性能的贡献率约达60%左右(承载式车身) ,其结构参数是改进与提高整车NVH性能的基础参数。

对其进行实验模态分析逐渐成为新车开发中结构分析的一项主要内容]1[。

模态参数识别的主要任务是根据时域或频域的传递函数方程在模态坐标下对质量、刚度、阻尼等模态参数进行拟合，得出模态振型。

试验模态分析经历了几十年的发展历程,从单自由度发展为多自由度,由单输入单输出发展为多输入多输出,由局部估计发展为整体估计,新的方法层出不穷。

目前广泛使用的最小二乘复指数法( PolyLSCE,简称LSCE) 和最小二乘频域法(LS-FD)。

已经可以处理大部分的模态参数识别问题,但抗干扰能力较差,对于信噪比差的数据,稳态图比较紊乱。

为解决以上问题,比利时卢温大学AUW-ERAER和GU ILLAUME等教授提出最小二乘复频域法( least squares complex frequency domain method,简称LSCF,商业名称为PolyMAX) ,采用离散时间频域模型,使用了快速递推的运算技巧,相比以前的方法有许多优点。

由于具有较好的抗干扰能力、稳态图清晰且干净,是目前公认的最佳实验模态分析方法之一]2[。

2 试验模态分析模态是机械振动的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程成为模态分析。

通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

2.1 模态试验理论通过试验手段首先测得输入激励和输出响应的时域信号，对时域信号进行傅立叶变化求得频响函数(传递函数)，得到系统的非参数模型；其次运用参数识别方法，求得系统的模态参数；最后进一步确定系统的物理参数。

通过试验模态分析，得到白车身的各阶模态的频率、振型、阻尼等模态参数[2]。

汽车车身结构是一个无限多自由度的振动系统，对于多自由度系统而言，其振动的微分方程为：[]{}[]{}[]{}(){}m x c x k x f t ++=振动系统的传递函数为：[][][]()(){}(){}2s m s c k X s F s ++= 振动系统的第r 阶模态参数如下：(1)极点或复频率: dr r ωω=dr r r j p ωσ--=* r = 1, 2, N(2)模态频率: dr ω 或 r ω；(3)模态阻尼比 : r r r ωσς/= ；(4)模态振型（复模态或实模态）： {}r φ；(5)模态质量： {}[]{}r T r r m M φφ*=；(6)模态刚度： {}[]{}r T r r k K φφ*=； ()r r r M K /2=ω (7)模态阻尼： {}[]{}*Tr r r C c φφ=； ()22r r r r r r C M M σςω==；2.2 试验测试系统组成试验系统是由激振部分、拾振部分和分析、显示、记录部分组成。

其中激振部分包括信号源、功率放大器、激振装置；拾振部分包括力传感器、响应传感器、加速度传感器、信号放大和智能采集系统；分析、显示、记录部分包括各种分析仪及其外围设备（显示、记录仪器等）。

为了做好车身模态试验，试验前做了大量的准备工作，包括选择悬挂点，制作连接挂件，车身悬挂调整，激振点选择，测点定位等，正式试验前还进行了预备性试验，以确保整套测试系统（包括测量方法和试验条件）的可靠有效。

试验模态分析( experimental modal analysis)是振动与噪声学科在工程中求结构动力特性的一种非常重要的手段,它通过实验的方法得到被测结构的输入输出信号,求解传递函数方程得到结构特征参数。

白车身作为汽车的主要框架结构,业界一般认为它对整车NVH性能的贡献率约达60%左右(承载式车身) ,其结构参数是改进与提高整车NVH性能的基础参数。

对其进行实验模态分析逐渐成为新车开发中结构分析的一项主要内容。

试验模态分析过程由试验准备过程、数字信号采集与处理和参数识别3个部分组成。

实验准备过程包括实验平台的安装、实验品的吊装、实验品几何尺寸的绘制、传感器布点的选取、传感器的安装与调试等工作。