模态试验分析方法在轿车车身开发中的应用
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[ 4 ] 罗 冠炜, 谢 建华. 冲 击振 动 落砂 机 的周 期运 动 稳定 性 与分 叉 [ J] . 机械工程学报, 2003, 39 ( 1) : 74- 78.
[ 5 ] 李 万祥, 牛 卫中. 一 类含 间 隙系 统 的分 岔与 混 沌的 形 成过 程 [ J] . 振动与冲击, 2005, 24( 3 ): 47- 50.
一般, 车身整体模态设计基本遵循几个指标: 车身整体模态频率高于路面不平度引起的激振频率 至少 3倍以上; 在低频段 1~ 80H z范围内, 车身模
态要分布合理, 并且模态密度分布均匀; ! 车身的模 态要与前后悬架系 统模态, 动力总成 刚体模态分离 开, 分离频率至少大于 5H z; ∀车身模态频率要与发 动机怠速和常用工况激振频率分离; # 车身弯曲模态 要与车身声腔模态分离。当然, 对于车身而言这些指 标是不够的。需要控制的环节还涉及车身结构板, 开 闭件等安装状态下的共振频率。举例而言, 地板, 防 火墙等较大面积结构板模态必需在设计阶段进行考 虑, 这些板件局部振动模态容易与激励源模态或声腔 模态的耦合, 放大车内振动和噪声的水平。
( 3) 杈式分岔后系统运动轨道不完全对称, 而具 有反对称性。
( 4) 由数值仿真可知, 系统参数的选择对机械振 动效果和稳定性有很大影响, 当参数变化时, 系统可 能产生复杂的分岔及混沌现象。一般要求振动机械 处于稳定的周期运动状态。但混沌对于振动效果的 影响有待进一步研究。
参考文献:
[ 1 ] Ivanov A P. S tab il ization of an impact oscillator n ear grazing inci hen ce ow ing to resonance[ J] . Journal of sound and vib ration, 1993, 162( 3 ): 562- 565.
3. 3 解决措施 针对以上分析, 要解决这个问题必须增强前端骨
架的局部刚度, 从而提高该区域的模态, 避免共振发 生。对这个区域, 改进措施有: 更改水箱左右侧横 梁的结构, 增加局部连接刚度; 对水箱下横梁进行 加筋处理, 增加自身刚度; ! 改变水箱上下横梁的连
(下转第 45页 )
∃ 37∃
∃ 机械研究与应用 ∃
图 4 水箱下横梁局部模态 图 5 一阶扭转模态
图 6 一阶横摆模态
图 7 一阶弯曲模态
图 3 车身模态试验现场图 片
测试时, 监测频响函数和相干函数, 相干函数在 关心频率范围内必须达到 0. 95以上, 以期得到可靠 的加速度频响函数。由于测点较多, 加速度传感器数 量不可能无限增加, 且避免附加质量影响试验结果。 利用时不变性假设, 分批次进行测试。但结构的动态
表 1 车身试验模态分析结果汇总表
模态
阶号 1 2 3 4 5 6 7 8
频率
( H z) 27. 2 40. 0 41. 5 43. 2 48. 2 54. 3 56. 4 59. 9
振型描述
水箱下横梁前后摆动 (局部 ) 备胎槽 + 水箱上下横梁上下摆动 (局部 ) 车顶扭转 + 备胎槽 + 水箱上下横梁上下摆动 ( 局部 ) 一阶扭转 (整体 ) 横摆 (整体 ) 一阶弯曲 (整体 ) 空腔压缩模态 (整体 ) 二阶弯曲 (整体 )
安装支架断裂
接螺栓处开裂
试验的失效集中在水箱安装位置, 发生失效道路 路面涉及比利时路面, 沥青路面, 综合路面等多种路
* 收稿日期: 2010- 10- 17 作者简介: 李俊鹏 ( 1979- ) , 男, 河南郑州人, 工程师, 研究方向: 汽车振动噪声。
∃ 36∃
பைடு நூலகம்
∃ 机械研究与应用 ∃
研究与分析
车身结构属于多自由度的弹性系统, 其模态特点 是低阶模态振型多为整体振型, 如整体扭转, 弯曲, 横 摆等, 对整车动态性能影响很大, 而高阶模态振型多 为局部振型, 如结构板振型 ( 包括地板, 防火墙, 顶棚 等 ) 。当然, 现代车身设计逐渐采 用新型材料 ( 如超 强度钢板, 铝合金, 镁合金 ) , 采用 新工艺 ( 如激 光焊 接, 热冲压, 压铸等 ), 采用新结构, 车身模态分 布特 点会发生不同的变化。
K ey word s: car body; moda l test; dynam ic perform ance
1前 言
随着人民生活水平的提高和汽车工业的发展, 车 辆动态特性的研究越来越引起人们的重视。现代轿 车多采用承载式车身, 白车身是轿车的关键总成, 它 的振动特性对整车的动态特性具有重要的意义 [ 1] 。
试验测试分析设备包括试验激振部分、响应拾振 部分、模态参数分析三部分内容。其中, 试验激振部 分包括激励信号发生器、功率放大器和激振器; 响应 拾振部分包括加速度传感器、力传感器、数据采集系 统; 模态参数分析部分主要是指模态参数估计软件。
试验采用自由 - 自由约束条件, 用四个气囊分别 放置在车身地板前后左右四个位置。如图 3所示, 悬 浮整个车身, 确保整个悬浮系统固有频率低于 8H z, 目的在于防止车身刚体模态与最低弹性模态相混合。
5结 论
( 1) 本文研究了两自由度含间隙双边刚性约束 机械振动系统的全局分岔。用数值仿真方法获得了 系统在一定参数条件下的周期倍化分岔、杈式分岔以 及混沌。
( 2) 分析了当分岔参数变化时该类机械振动系 统周期运动经周期倍化分岔和杈式分岔向混沌的演 化路径, 为机械动力学优化设计提供了一定的理论基 础。
3 试验模态在车身开发中的应用案例
3. 1 实际问题描述 某车型在进行整车道路疲劳试验时, 不同车辆在
前端骨架部分存在一系列断裂现象。水箱上下横梁 与水箱连接螺栓处开裂, 水箱上横梁焊点脱落, 水箱 上横梁拉杆断裂, 散热器损坏漏液, 水箱上横梁旁喇 叭安装支架断裂。如图 1, 2所示。
图 1 水箱上横梁旁喇叭 图 2 水箱下横梁与水箱连
激励方式采用多点多方向激励, 设备采用电磁激 振 器, 激励信号采用触发随机信号, 该信号兼有瞬间和 随机信号的优点, 可以使谱分析中的功率谱泄漏问题 得到良好的解决, 具有随机信号信噪高等优点。遵循 避开振动节点、结构薄弱点、悬浮点等原则, 选用车身 前纵梁合适点位置, 以空间角度进行激励。
测点布置, 按照两个原则进行: 能够明确显示 所有模态变形的结构点 [ 3] ; 尽量减少不必要的 测 点, 缩短测试周期, 提高测试准确性和避免试验资源 浪费。该车型的测点共 108个。
[ 2 ] 马 莉. 一类双自由度含间隙振动系 统的混沌碰 撞运动及 控制 [ J] . 兰州交通大学学报 ( 自然科学版 ) 2007, 26( 6 ) : 136- 139.
[ 3 ] 罗冠炜, 谢建华. 一类含间隙振动系 统的周期运 动稳定性、分岔 与混沌形成过 程研 究 [ J ]. 固体 力学 学 报, 2003, 24 ( 3 ) : 284 292.
( SA IC mo tor passenger vehicle techno logy center, Shanghai 201804, China)
Abstrac t: In th is paper, aim ing at the car body, using the m oda l test ana lysism ethod, the reason for the fatigue destroy prob
面。虽然失效模式略有不同, 均分布在前端模块, 而 且这种情况在各个车辆均有发生。所以, 初步怀疑是 局部共振问题, 为此进行了空调冷凝器自由约束条件 下的模态试验, 但试验结果表明, 空调冷凝器刚体模 态并无问题。接下来, 焦点回到了白车身上, 进行了 白车身模态试验, 用于考察其模态情况。 3. 2 车身模态试验过程
模态 阶号
1 2 3 4 5 6 7 8 9
频率
( H z) 43. 7 45. 2 46. 0 48. 6 53. 5 55. 6 58. 1 63. 5 67. 1
振型描述
研究与分析
增大, 稳定的周期运动运动参数域 减小; 当 R 减小 时, 振子 M 1 的冲击速度减小, 混沌运动的参数域 将会减小。如图 7所示。
( 3) 当 增加时, 系统阻尼会增大, 振子 M 1 的冲 击速度降低, 稳定的周期运动参数域 域增大; 当 减小时, 系统的阻尼减小, 振子 M 1 的冲击速度增加, 周期运动的参数域 减小, 混沌运动的参数域 增 大。如图 8所示。
采集系统参数设置。由于目的在于测试整车模
态试验, 采样频率设置尽量降低, 可以设置在 0 ~ 80H z之间, 保证一定的频率分辨率, 信号平均次数进 行 25次以上的平均。由于车身 为复杂空间结构 零 件, 需要表现三维空间变形。所以必须使用三向加速 度传感器进行, 在测点同时测量三方向的响应。
性能是不可能不随时间而变化, 要控制试验时间, 尽 快完成数据采集。
研究与分析
∃ 机械研究与应用 ∃
模态试验分析方法在轿车车身开发中的应用*
李俊鹏, 梁映珍, 高丽萍
(上海汽车集团股份有限公司 技术中心, 上海 201804)
摘 要: 以某轿车车身为研究对象, 利用模 态试验 分析方 法对该 车身的 疲劳破 坏问题进 行了解 答。通过 模态试 验方 法找到了前端模块振动破坏产生的根本原因, 并根据数据, 提出了改进措施。
[ 6 ] 马永靖, 丁旺才. 碰撞振动系 统四阶共 振下的 H op f分岔和 次谐 分岔 [ J] . 工程力学, 2007, 24 ( 7) : 33- 38.
( 上接第 37页 )
接拉杆形式, 增加零件刚度。更改后重新进行模态试 验, 试验结果如表 2所示。
表 2 改进后车身试验模 态分析结果汇总表
使用模态参数估计软件, 利用 LM S公司 P loyM ax 软件进行模态参数估计, 该方法是基于加权最小二乘 法和 M IMO 传递函数的模态参数频域识别方法。车 身模态识别结果如表 1所示, 其部分关键振型见图 4 ~ 7。
分析该试验结果发现, 最低整体模态频率大于 40H z, 频率分布基本均匀合理。但在 27. 2H z频率处 存在过低频率, 该振型如图 4所示显示水箱下横梁存 在前后摆动的局部模态。对于直列四冲程发动机怠 速转速为 750r /m in, 其主要激振阶次为 2阶, 这样怠 速激振频率为 25H z。也就是说, 怠速工况容易激起 车身前端骨架局部模态。那么发生疲劳破环的根本 原因很有可能是, 前端骨架局部模态过低, 接近怠速 激振频率, 导致共振现象发生。
lem o f body is reso lved. T hrough the m oda l test, the root cause fo r the front modu le breakage is founded. A ccord ing to the test
data ana lysis, the im proved m easure is g iven fina lly.
白车身模态参数反映了车身结构的固有振动特 性, 它不仅影响车辆的 NVH 性能, 还影响到汽车的可 靠性和安全性 [ 1] 。运用 模态试验分析 技术, 可以 有 效识别车身结构的模态参数, 为 车身结构的动态 设 计、故障诊断、有限元模型验证等提供重要的依据。
2 车身模态设计目标
汽车由多个系统组成, 为了防止系统间产生共振 现象, 在汽车开发过程中往往需要对汽车各系统进行 模态频率范围规划, 模态频率规划表是整车及零部件 结构动态特性设计的最重要指南 [ 2] 。
关键词: 车身; 模态试验; 动态性能
中图分类号: TH 164
文献标 识码: A
文章编号: 1006- 4414( 2010) 06- 0036- 02
App lication of m odal test analysis in the deve lopm en t of car body
L i Jun- peng, L iang Y ing- zhen, Gao li- ping
[ 5 ] 李 万祥, 牛 卫中. 一 类含 间 隙系 统 的分 岔与 混 沌的 形 成过 程 [ J] . 振动与冲击, 2005, 24( 3 ): 47- 50.
一般, 车身整体模态设计基本遵循几个指标: 车身整体模态频率高于路面不平度引起的激振频率 至少 3倍以上; 在低频段 1~ 80H z范围内, 车身模
态要分布合理, 并且模态密度分布均匀; ! 车身的模 态要与前后悬架系 统模态, 动力总成 刚体模态分离 开, 分离频率至少大于 5H z; ∀车身模态频率要与发 动机怠速和常用工况激振频率分离; # 车身弯曲模态 要与车身声腔模态分离。当然, 对于车身而言这些指 标是不够的。需要控制的环节还涉及车身结构板, 开 闭件等安装状态下的共振频率。举例而言, 地板, 防 火墙等较大面积结构板模态必需在设计阶段进行考 虑, 这些板件局部振动模态容易与激励源模态或声腔 模态的耦合, 放大车内振动和噪声的水平。
( 3) 杈式分岔后系统运动轨道不完全对称, 而具 有反对称性。
( 4) 由数值仿真可知, 系统参数的选择对机械振 动效果和稳定性有很大影响, 当参数变化时, 系统可 能产生复杂的分岔及混沌现象。一般要求振动机械 处于稳定的周期运动状态。但混沌对于振动效果的 影响有待进一步研究。
参考文献:
[ 1 ] Ivanov A P. S tab il ization of an impact oscillator n ear grazing inci hen ce ow ing to resonance[ J] . Journal of sound and vib ration, 1993, 162( 3 ): 562- 565.
3. 3 解决措施 针对以上分析, 要解决这个问题必须增强前端骨
架的局部刚度, 从而提高该区域的模态, 避免共振发 生。对这个区域, 改进措施有: 更改水箱左右侧横 梁的结构, 增加局部连接刚度; 对水箱下横梁进行 加筋处理, 增加自身刚度; ! 改变水箱上下横梁的连
(下转第 45页 )
∃ 37∃
∃ 机械研究与应用 ∃
图 4 水箱下横梁局部模态 图 5 一阶扭转模态
图 6 一阶横摆模态
图 7 一阶弯曲模态
图 3 车身模态试验现场图 片
测试时, 监测频响函数和相干函数, 相干函数在 关心频率范围内必须达到 0. 95以上, 以期得到可靠 的加速度频响函数。由于测点较多, 加速度传感器数 量不可能无限增加, 且避免附加质量影响试验结果。 利用时不变性假设, 分批次进行测试。但结构的动态
表 1 车身试验模态分析结果汇总表
模态
阶号 1 2 3 4 5 6 7 8
频率
( H z) 27. 2 40. 0 41. 5 43. 2 48. 2 54. 3 56. 4 59. 9
振型描述
水箱下横梁前后摆动 (局部 ) 备胎槽 + 水箱上下横梁上下摆动 (局部 ) 车顶扭转 + 备胎槽 + 水箱上下横梁上下摆动 ( 局部 ) 一阶扭转 (整体 ) 横摆 (整体 ) 一阶弯曲 (整体 ) 空腔压缩模态 (整体 ) 二阶弯曲 (整体 )
安装支架断裂
接螺栓处开裂
试验的失效集中在水箱安装位置, 发生失效道路 路面涉及比利时路面, 沥青路面, 综合路面等多种路
* 收稿日期: 2010- 10- 17 作者简介: 李俊鹏 ( 1979- ) , 男, 河南郑州人, 工程师, 研究方向: 汽车振动噪声。
∃ 36∃
பைடு நூலகம்
∃ 机械研究与应用 ∃
研究与分析
车身结构属于多自由度的弹性系统, 其模态特点 是低阶模态振型多为整体振型, 如整体扭转, 弯曲, 横 摆等, 对整车动态性能影响很大, 而高阶模态振型多 为局部振型, 如结构板振型 ( 包括地板, 防火墙, 顶棚 等 ) 。当然, 现代车身设计逐渐采 用新型材料 ( 如超 强度钢板, 铝合金, 镁合金 ) , 采用 新工艺 ( 如激 光焊 接, 热冲压, 压铸等 ), 采用新结构, 车身模态分 布特 点会发生不同的变化。
K ey word s: car body; moda l test; dynam ic perform ance
1前 言
随着人民生活水平的提高和汽车工业的发展, 车 辆动态特性的研究越来越引起人们的重视。现代轿 车多采用承载式车身, 白车身是轿车的关键总成, 它 的振动特性对整车的动态特性具有重要的意义 [ 1] 。
试验测试分析设备包括试验激振部分、响应拾振 部分、模态参数分析三部分内容。其中, 试验激振部 分包括激励信号发生器、功率放大器和激振器; 响应 拾振部分包括加速度传感器、力传感器、数据采集系 统; 模态参数分析部分主要是指模态参数估计软件。
试验采用自由 - 自由约束条件, 用四个气囊分别 放置在车身地板前后左右四个位置。如图 3所示, 悬 浮整个车身, 确保整个悬浮系统固有频率低于 8H z, 目的在于防止车身刚体模态与最低弹性模态相混合。
5结 论
( 1) 本文研究了两自由度含间隙双边刚性约束 机械振动系统的全局分岔。用数值仿真方法获得了 系统在一定参数条件下的周期倍化分岔、杈式分岔以 及混沌。
( 2) 分析了当分岔参数变化时该类机械振动系 统周期运动经周期倍化分岔和杈式分岔向混沌的演 化路径, 为机械动力学优化设计提供了一定的理论基 础。
3 试验模态在车身开发中的应用案例
3. 1 实际问题描述 某车型在进行整车道路疲劳试验时, 不同车辆在
前端骨架部分存在一系列断裂现象。水箱上下横梁 与水箱连接螺栓处开裂, 水箱上横梁焊点脱落, 水箱 上横梁拉杆断裂, 散热器损坏漏液, 水箱上横梁旁喇 叭安装支架断裂。如图 1, 2所示。
图 1 水箱上横梁旁喇叭 图 2 水箱下横梁与水箱连
激励方式采用多点多方向激励, 设备采用电磁激 振 器, 激励信号采用触发随机信号, 该信号兼有瞬间和 随机信号的优点, 可以使谱分析中的功率谱泄漏问题 得到良好的解决, 具有随机信号信噪高等优点。遵循 避开振动节点、结构薄弱点、悬浮点等原则, 选用车身 前纵梁合适点位置, 以空间角度进行激励。
测点布置, 按照两个原则进行: 能够明确显示 所有模态变形的结构点 [ 3] ; 尽量减少不必要的 测 点, 缩短测试周期, 提高测试准确性和避免试验资源 浪费。该车型的测点共 108个。
[ 2 ] 马 莉. 一类双自由度含间隙振动系 统的混沌碰 撞运动及 控制 [ J] . 兰州交通大学学报 ( 自然科学版 ) 2007, 26( 6 ) : 136- 139.
[ 3 ] 罗冠炜, 谢建华. 一类含间隙振动系 统的周期运 动稳定性、分岔 与混沌形成过 程研 究 [ J ]. 固体 力学 学 报, 2003, 24 ( 3 ) : 284 292.
( SA IC mo tor passenger vehicle techno logy center, Shanghai 201804, China)
Abstrac t: In th is paper, aim ing at the car body, using the m oda l test ana lysism ethod, the reason for the fatigue destroy prob
面。虽然失效模式略有不同, 均分布在前端模块, 而 且这种情况在各个车辆均有发生。所以, 初步怀疑是 局部共振问题, 为此进行了空调冷凝器自由约束条件 下的模态试验, 但试验结果表明, 空调冷凝器刚体模 态并无问题。接下来, 焦点回到了白车身上, 进行了 白车身模态试验, 用于考察其模态情况。 3. 2 车身模态试验过程
模态 阶号
1 2 3 4 5 6 7 8 9
频率
( H z) 43. 7 45. 2 46. 0 48. 6 53. 5 55. 6 58. 1 63. 5 67. 1
振型描述
研究与分析
增大, 稳定的周期运动运动参数域 减小; 当 R 减小 时, 振子 M 1 的冲击速度减小, 混沌运动的参数域 将会减小。如图 7所示。
( 3) 当 增加时, 系统阻尼会增大, 振子 M 1 的冲 击速度降低, 稳定的周期运动参数域 域增大; 当 减小时, 系统的阻尼减小, 振子 M 1 的冲击速度增加, 周期运动的参数域 减小, 混沌运动的参数域 增 大。如图 8所示。
采集系统参数设置。由于目的在于测试整车模
态试验, 采样频率设置尽量降低, 可以设置在 0 ~ 80H z之间, 保证一定的频率分辨率, 信号平均次数进 行 25次以上的平均。由于车身 为复杂空间结构 零 件, 需要表现三维空间变形。所以必须使用三向加速 度传感器进行, 在测点同时测量三方向的响应。
性能是不可能不随时间而变化, 要控制试验时间, 尽 快完成数据采集。
研究与分析
∃ 机械研究与应用 ∃
模态试验分析方法在轿车车身开发中的应用*
李俊鹏, 梁映珍, 高丽萍
(上海汽车集团股份有限公司 技术中心, 上海 201804)
摘 要: 以某轿车车身为研究对象, 利用模 态试验 分析方 法对该 车身的 疲劳破 坏问题进 行了解 答。通过 模态试 验方 法找到了前端模块振动破坏产生的根本原因, 并根据数据, 提出了改进措施。
[ 6 ] 马永靖, 丁旺才. 碰撞振动系 统四阶共 振下的 H op f分岔和 次谐 分岔 [ J] . 工程力学, 2007, 24 ( 7) : 33- 38.
( 上接第 37页 )
接拉杆形式, 增加零件刚度。更改后重新进行模态试 验, 试验结果如表 2所示。
表 2 改进后车身试验模 态分析结果汇总表
使用模态参数估计软件, 利用 LM S公司 P loyM ax 软件进行模态参数估计, 该方法是基于加权最小二乘 法和 M IMO 传递函数的模态参数频域识别方法。车 身模态识别结果如表 1所示, 其部分关键振型见图 4 ~ 7。
分析该试验结果发现, 最低整体模态频率大于 40H z, 频率分布基本均匀合理。但在 27. 2H z频率处 存在过低频率, 该振型如图 4所示显示水箱下横梁存 在前后摆动的局部模态。对于直列四冲程发动机怠 速转速为 750r /m in, 其主要激振阶次为 2阶, 这样怠 速激振频率为 25H z。也就是说, 怠速工况容易激起 车身前端骨架局部模态。那么发生疲劳破环的根本 原因很有可能是, 前端骨架局部模态过低, 接近怠速 激振频率, 导致共振现象发生。
lem o f body is reso lved. T hrough the m oda l test, the root cause fo r the front modu le breakage is founded. A ccord ing to the test
data ana lysis, the im proved m easure is g iven fina lly.
白车身模态参数反映了车身结构的固有振动特 性, 它不仅影响车辆的 NVH 性能, 还影响到汽车的可 靠性和安全性 [ 1] 。运用 模态试验分析 技术, 可以 有 效识别车身结构的模态参数, 为 车身结构的动态 设 计、故障诊断、有限元模型验证等提供重要的依据。
2 车身模态设计目标
汽车由多个系统组成, 为了防止系统间产生共振 现象, 在汽车开发过程中往往需要对汽车各系统进行 模态频率范围规划, 模态频率规划表是整车及零部件 结构动态特性设计的最重要指南 [ 2] 。
关键词: 车身; 模态试验; 动态性能
中图分类号: TH 164
文献标 识码: A
文章编号: 1006- 4414( 2010) 06- 0036- 02
App lication of m odal test analysis in the deve lopm en t of car body
L i Jun- peng, L iang Y ing- zhen, Gao li- ping