基于汽车振动的模态试验方法探究与应用

高 伟，柴光远

(西安科技大学机械工程学院，西安 710054)

基于汽车振动的模态试验方法探究与应用

高 伟，柴光远

(西安科技大学机械工程学院，西安 710054)

文章介绍了进行基于汽车振动的模态试验时应遵循的模态试验理论、模态试验方法及确保测试精度的相关措施，并对某重型卡车驾驶室的模态试验过程进行了简要陈述，通过该试验所得MAC图可知试验获取的模态参数非常可信，并且通过分析、研究模态振型图发现了该重卡驾驶室结构的薄弱环节，从而为该结构的改进及优化提供了重要的参考依据。

模态试验理论;模态试验方法;重卡驾驶室;模态参数;MAC图

0 引言

模态试验是以振动理论知识、信号处理技术和振动测试方法为基础，通过测试系统获取的输入、输出信息去辨识得到试件的模态固有频率、阻尼比及模态振型等动态特性参数的一种非常有效的方法。目前，它已成为对各种工程结构进行振动分析的理想选择。在过去，当由于某些结构设计不合理而导致整体结构发生严重弯曲、扭转变形时，人们对其进行改进和维修主要是靠经验，哪个地方出现问题就加固哪个地方［1］。这种做法带有严重的盲目性，不仅不能从根本上解决问题，还有可能影响整体结构的其他性能，而导致这些问题的根本原因在于我们对整体结构内部零件的动态性能缺乏了解。通过对结构进行模态试验，我们可以找出结构振动突出的部位，并通过对相关数据进行详细分析从而了解造成这些点振动的原因所在，同时也可为结构的进一步改进和优化设计提供参考依据。

1 模态试验的理论基础

在物理坐标系下，N自由度离散振动系统的运动微分方程为:

对于一般的结构，我们可认为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵都为对称阵，由此可知:频响函数矩阵［H(ω)］也为对称阵，即有:

式(3)说明频响函数具有互易性，因此它可作为检测频响函数测试精度的一种重要手段［2］。

假设系统为比例阻尼系统，则可知振型矩阵具有正交性，即有如下关系:

由于位移一般不易测量，试验中多使用加速度信号作为系统响应，由位移频响函数与加速度频响函数的关系可方便地得出相应的加速度频响函数为［3］:

由式(8)可知:频响函数与模态参数之间的关系。

2 模态试验方法

2.1 试件的悬置

进行模态试验时，首先要将试件悬置使其达到一种近乎于自由的边界状态。目前模态试验多使用弹性绳悬挂和空气弹簧支承［4］。一般悬置系统应满足以下两点要求:

(1)悬置试件的连接点应选择处于或是接近于尽可能多的振型节点上。

(2)悬置系统的刚体运动频率应低于试件弹性基频的20% ～ 30%［5］。

2.2 激励方法及激振点的选择

目前常用的激励方法主要有两种:一种是激振器激振，另一种是锤击激励。对于大型结构件一般使用激振器激振。在选择激振点时应注意以下几点［6］:

(1)激振点的位置选择应尽量避开任一振型节点。

(2)激振点应选择在便于激励能量传递的位置，即应尽量选择在刚度大的位置。

2.3 测点的选择

测点的选择应遵循以下几点:

(1)外力作用点、重要响应点、部件或结构的交联点都应选为测点。

(2)测点的选择应尽量避开各阶振型节点。

(3)测点的选择能够基本反映试件结构轮廓。(4)对于模态可能较多的局部区域应多布测点［6］。

3 确保测试精度的措施

为确保测试数据的准确性，在测试过程中应尽量满足以下几点要求:

(1)在随机激励下，自功率谱在所选频带内应保持大致相同的量级［7］。

(2)如果来自输入点的测量数据可用，那么根据互易性条件应有:Hpq(jω)=Hqp(jω)。

(3)相干函数值至少应在0.8以上，这样表明测出的频响函数才是可信的。

(4)为了减少谱泄漏，在采集时应加数据窗。

(5)为了减少随机误差，对数据应进行多次平均。

4 模态试验实例

本试验采用两个激振器对某重型卡车驾驶室进行了激振，激振器布置在驾驶室左右纵梁的前后端对角线位置。数据采集分析系统采用的是“LMS SCADASⅢ系列SC310-UTP”，测量响应使用的是ICP型三向加速度传感器。

试验时，在驾驶室上共布置了134个测点。测点具体位置如下图1所示。

图1 驾驶室测点的线架模型

通过该试验测得驾驶室的前两阶振动模态参数见表1，其对应的模态振型见图2。

表1 试验模态参数

图2 驾驶室1、2阶模态振型图

为了验证获取的模态参数的准确性和精度，经常会使用到模态置信判据(MAC)。图3为该试验结果的MAC图。

由图3可知，通过该试验获取的模态参数可信度及精度很高。并且通过以上的模态参数信息可知:该驾驶室结构的车顶A处振动最为严重，它为整个驾驶室结构的薄弱环节，该驾驶室结构的固有频率28.036 Hz与六缸发动机怠速下的激振频率(30 Hz)十分接近易产生共振。为避免共振发生，应采取某些恰当措施改变该驾驶室结构的固有频率使其避开六缸发动机怠速下的激振频率，从而使结构的整体振动性能得到改善。

图3 MAC图

5 结语

通过模态试验，我们可以更加清楚、直观地了解结构的振动问题，获取结构的振动模态参数(如模态固有频率、阻尼比、模态振型等)，并通过这些参数来指导我们对相关结构件设计不合理的部分进行修改，最终使得结构能够很好地与其它构件相互协同工作，使整体的性能达到最佳。

［1］陈晓，于琼蔚.机车车体钢结构动态性能的模态试验方法与应用［J］.电力机车与城轨车辆，2006，29(1):30－31.

［2］张学荣.轿车白车身模态分析［D］.镇江:江苏大学，2002.

［3］徐有刚，冯加权，杜强，等.大型结构件模态试验方法［J］.科学技术与工程，2007，7(13):31 －32.

［4］于海昌.大型运载器模态试验的支承方法与应用［J］.宇航学报，1993(1):69.

［5］刘焕广.轿车白车身结构有限元及其试验分析［D］.合肥:合肥工业大学，2007.

［6］汪成明.轿车白车身模态分析及其优化［D］.合肥:合肥工业大学，2007.

［7］沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔萨斯，著，白化同，郭继中，译.模态分析理论与试验［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

(编辑 赵蓉)

Research and Application of Modal Test Method Based on Vibration of Vehicle

GAOWei，CHAIGuang-yuan
(Mechanical Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Article introduces theories ofmodal testing，methods ofmodal testing and correlativemeasures for guaranteeing test precision which should be followed in doing modal test based on vibration of vehicle，and states concisely themodal test of one heavy truck cab.By observing MACmap of the test，we think thatmodal parameterswhich the test obtains are very believable，and by analyzing and researching ofmodal types，we discoverweak connection of the heavy truck cab，which provides referenced basis for improving and optimizing of the heavy truck cab.

theory of modal testing;method of modal testing;heavy truck cab;modal parameters;MAC map

TH16;TG65

A

1001－2265(2012)08－0036－03

2011－12－06

高伟(1985—)，女，陕西华县人，西安科技大学车辆工程专业硕士研究生，从事车辆NVH方面的研究，(E－mail)973706038@qq.com。