白车身模态试验

关心的测量频率范围为0～200Hz，采用橡 胶头的力锤进行激励，能够满足关心频段内激励 能量的要求。
测试过程中，同时观察信号的时域波形和频 谱的一致性确保信号的可靠性。
3 测试结果与分析
3.1 测试数据验证 信号在关心频率段内的相干性非常好，表明
测量中混入的噪声很小，测量过程是在系统的线 性范围内进行的。
图2 振型相关矩阵校验
3.2 试验模态分析 通过测试，得出白车身在关心频段0～
200Hz内的各阶模态，图3中反映了其中的16阶 模态振型。具体数据不便公开。
白车身本身结构十分复杂，各阶模态十分密 集。与所得到的样车噪声测试数据进行对比，发 现两者某阶共振频率比较接近，这对汽车的开发 设计是十分不利的。噪声主要是由发动机、车轮 旋转、道路状况等因素引起。进行结构改进后（改 变车身刚度、增添阻尼材料等方法），再进行模 态测试，其动态性能已有明显改善，避开了主要 的激励频率。
2 测试方案与试验过程
全部模态参数 ωr、ξ、{Фr}，实际上只要测量频 率响应函数矩阵的一行或一列就够了。
对系统 i 点进行激励并在 j 点测响应，可得
传递函数矩阵中第 i 行 j 列元素为：
( ) H ij ω
=
n
∑
r =1
−
ω
2
M
r
φ φri rj + jωC
r
+
Kr
（4）
1.2 ERA & PolyLSCF模态分析方法简介
2.1测试方案
由模态分析原理可知，只要测量频率响应函 数的一行或一列就可以识别出模态矢量和极点 位置并进而得到所有模态参数。试验中采用了单 点激励，多点响应（相当于测量频响函数的一行） 的测试方法：
1）采用北京东方所弹性聚能力锤进行激励， 力传感器6T，锤头采用橡胶头，经测定，力信 号的能量主要集中在中低频段内，能够满足试验 需要；
关键词：白车身，模态试验，锤击法，参数识别
Modal Test and Result Analysis for Body in White
Li Lei1 Ying Huaiqiao2 Dong Shuwei2 Zhang Zhanyi1
1. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University Shenyang 2. Beijing Orient Institute of Noise & Vibration Beijing 10008
2.2试验过程
为了保证激励信号能对车身各个方向都能 产生足够的激励，激励点选择在车身后一斜面 上；同时，为了降低信号中混入的随机噪声分量 的影响，激励信号采用多次平均，平均次数为20 次；每组测试，采用8个传感器拾振，并逐批移 动传感器；为减少漏掉模态的机会，全车身测点 均匀分布，共设置536个测点，分67组测量。
测试数据分别采用EAR和国际上非常流行 的PolyLSCF（即：PolyMAX）模态分析算法计 算，两种算法所得到的模态频率吻合的很好，模 态阻尼也有较好的一致性。
特征系统实现算法(ERA)是一种在直接模 型识别后，根据多输入数据对系统极点、模态参 预因子和复模态振型进行整体估计的多自由度 时域法。自由度为 n 的线性系统，其离散状态 空间方程表示如下：
4 试验总结
试验结果显示，白车身试验对汽车结构设计 有很大的验证作用。结构连接形式的变化、材料 性质的改变对车身结构的特性也有较大影响，主 要表现在共振频率的位置、阻尼的大小上。
应注意，由于材料预应力、悬挂系统的非线 性等因素的影响，汽车在驾驶时的模态振动、噪 声情况会与试验测试情况有相当大的差异，所以 要优化设计还要进行驾驶状态下的汽车道路模 态测试。
试验模态分析（EMA）已经成为当今结构 动态分析的一个主要技术，并且已经被广泛地应
1 相关理论
1.1 模态分析原理 一般结构系统可离散为一种具有 N 个自由度的
线弹性系统，其运动微分方程为[1]：
[M ]{&x&}+ [C]{x&}+ [K ]{x} = {f (t)} （1）
方程（1）经拉氏变换，可得：
令 p = jω ，振动系统的频响函数矩阵为：
[H (ω)] = (− ω 2 [M ]+ ) jω[C]+ [K ] −1 （4）
对于线性系统，多自由度系统的频响函数是 多个单自由度系统频响函数的线性组合。要确定
PolyLSCF 具有很强的抗噪声干扰能力，更 改系统的误差容限，可以很方便的识别出系统 的虚假模态，对大阻尼、密集模态具有很强的 识别能力，运算速度也较 ERA 更快。
110004
Abstract Experimental Modal Analysis (EMA) is currently one of the key technologies in structural dynamics analysis. A series of modal tests was performed on several car bodies in white, with as objective the detailed identification of the modes responsible for the dynamic characteristics. This paper describes the test plans, procedures and analyzes results of the vehicle structure test for the bodies in white, which were excited by impact hammer。 Key Words: body in white, mode experiment, hammer excitation, parameters estimation
汽车白车身模态试验与结果分析
李磊 1 应怀樵 2 董书伟 2 张占一 2
（1 东北大学机械与自动化学院 沈阳 110004 2 北京东方振动与噪声技术研究所 北京 100085）
摘 要 试验模态分析已经成为当今结构动态分析的一个主要技术。为了得到不同结构形式汽车白车
身的模态动态响应参数，对各种结构形式的白车身做了一系列的模态试验。文章介绍了白车身模态试验的 试验方案以及过程，并对测试结果进行了分析。
图1 频响函数对应的相干系数
图2是对振型相关性的矩阵校验，采用的是 模态置信准则（MAC）来估计。模态置信准则 是两个向量间对应的相关系数，同一物理模态的 两个向量的MAC值一般应当接近于1，而不同模 态的两个向量间的MAC值一般应比较小[1]。
通过信号检验，测试信号数据的相干性非常 好，可靠性很高。
0 介绍
ຫໍສະໝຸດ Baidu用。
在现代汽车的设计开发过程中，车身设计的 合理性，对汽车可靠性、安全性、动力响应特性 都有很直接的影响。作为一个弹性系统，车身在 外界的时变激励作用下将产生振动。当外界激振 频率与系统固有频率接近时，将产生共振。汽车 NVH（Noise, Vibration, Harshness）性能已经越 来越受开发设计人员的重视。
图3 汽车各阶模态振型
参考文献
[1]沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯著，白化同，
郭继忠译．模态分析理论与试验．北京理工大学出版社， 2001 [2] B. Peeters, P. Guillaume．Automotive and aerospace applications of the PolyMAX modal parameter estimation method, Proceedings of IMAC 22, USA, January 2004 [3] H. Van der Auweraer, P. Guillaume, P. Verboven, S. Vanlanduit．Applications of a Fast-Stabilizing Frequency Domain Parameter Estimation Method, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 123 December 2001
(p2 [M ]+ p[C]+ [K ]){x(p)} = {f (p)} （2）
传递函数可表示为：
H(p) = (p2 [M]+ p[C]+ [K )] −1
（3）
[ M ]—质量矩阵，实对称矩阵，正定；[ C ]—阻 尼矩阵，实对称矩阵，半正定；[ K ]—刚度矩阵， 实对称矩阵，正定或半正定。
2）受试验条件限制，响应传感器采用单向 加速度传感器，车身上某些测点采用2个或3个传 感器分别测量不同方向上的响应信号；
3）车身采用柔性绳索吊装，近似于自由自由条件，经测定刚体共振频率约为3Hz，远低 于车身的第一阶固有频率，对测试影响很小，可 忽略不计；
4）测试分析系统采用北京东方所INV306U 动态测试分析系统。
{xk+1}=[A]{xk}+{wk} {yk+1}=[C]{xk+1} 式中，{xk}是 n 维状态向量，N 为响应点数， {wk}是均值为零的输入白噪声，[A]和[C]分别 表示 n*n 阶状态矩阵和 N*n 阶输出矩阵，系统 的特性完全由特征矩阵[A]的特征值和特征向 量表示。 当模态频率较密集，频域法识别有难度时， 将传递函数逆变换得到脉冲响应函数，用 ERA 方法进行识别，可得到更为令人满意的结果。 最小二乘复频域法(PolyLSCF)，是基于最 小二乘方法的一种算法，它采用多输入多输出 频响函数作为主要数据。实现起来与最小二乘 复指数（时域法）法很接近，第一步都是构造 包含频率、阻尼信息的稳态图，然后再根据试 验人员的选择建立模态振型[2]。
为了使汽车有较好的NVH性能，在设计中， 常采用有限元分析方法计算结构系统的动态特 性，但是汽车结构复杂，建立有限元模型时，边 界条件的处理及力学模型的简化上，往往与实际 结构有较大差异，这就需要通过模态试验得到模 态参数，并对有限元模型进行修正，使其更符合 实际，从而优化设计结构，达到预定的要求。