某轿车白车身模态试验分析研究*

张华鑫，童敏勇

(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222)

0 引言

如今在世界各汽车公司竞争日渐白热化的趋势下，有效的缩短新车型的研发，不断变更新车型研发的方式。由经验和实践得知，选定市场上同类型车作为标杆车型，通过实验方法和有限元方法得到其各项静、动态性能，将会对新车型的开发起到了指导性的作用［1］。而车身的动态特性作为新车型设计开发过程中首要考虑的问题，进行相关的白车身试验就会显得尤为重要。进行白车身模态试验分析，可以直接对白车身进行全面的测试与分析，从而获得产品的动态特性。特别需要指出的是，白车身的低阶弹性模态是控制振动噪声的关键基础性指标之一［2］。因此，辨识出白车身的模态参数对改善汽车品质就显得尤为重要。

笔者借助于市面上某一款轿车白车身所进行的模态试验与分析，详细说明了模态试验所关心的基本概念、试验方法，分析阻尼、风挡玻璃对该白车身动态特性的影响。识别了白车身低阶模态固有频率、阻尼比和模态阵型等模态参数。并分析前后安装玻璃和地板阻尼对白车身模态参数的影响。

1 白车身模态试验系统

模态试验模态实验分析是基于激振力和系统之间的相应的动态测试，模态试验需要有激励源，响应系统，数据采集器和计算机等几部分组成［3］。试验时白车身由四个空气弹簧作为支撑，使白车身处于自由状态。试验的激励源主要包括:信号源、功率放大器、激振器;响应系统主要由北智三向加速度传感器、信号放大器;LMS数据采集器作为数据的采集系统，LMS Test.lab 11 b为模态信号分析和处理系统。LMS数据采集器和LMS Test.lab 11 b软件可以实时将采集的激振力和响应信号的时域信号进行A/D转换和FFT变换，变换后成为频域信号，经过运算就可以得到频响函数FRF。本试验流程分析如图1所示。

图1 试验流程分析

在试验的过程中需要对整车坐标X、Y、Z加以定义，规定如下:①从汽车的车头到车尾的方向为X;②从汽车主驾驶座椅到副驾驶座椅的方向为Y;③从汽车地板到顶棚的方向为Z。

当在粘贴传感器时应注意传感器坐标方向一定要和整车坐标方向垂直，否则就会对试验的结果产生偏差，影响试验结果的准确性。某一加速度传感器精度见表1所列。

表1 加速度传感器精度

2 白车身模态试验方法

2.1 建立几何模型及激振器的布置

2.1.1 建立几何模型

在试验时，白车身是由空气弹簧支撑，可以近似的模拟其自由状态。在车身总共布置178个试验测点。测点的选取应遵循以下几点。

(1)测点要整体描绘出试件的形状，一般悬在刚度较大、最能反映结构模态的位置。

(2)测点要尽可能清楚全面地反映车身0到100 Hz的整体振动模态，同时要包括所有结构横梁连接点。

(3)测点应均匀对称分布在试件两侧，且数目不宜过少，如若数目偏少导致试验结果偏差较大。

(4)若测点布置于斜面上，需要对测点的X、Y、Z方向进行欧拉变换，否则会影响模态阵型的识别结果。

(5)为了避免无法识别某一阶的模态参数，测点应避免选择的各阶阵型的节点上［4］。

传感器布置位置及测试点数如表2所列。白车身模态试验模型如图2所示。

表2 传感器布置位置及测试点数

图2 白车身模态试验模型

2.1.2 激振器的布置

因为试验的测试点比较多而传感器的数量有限，所以采用激振器位置不变而改变加速度传感器的位置进行测量的方法。将激励和响应信号经放大器放大后输入LMS数据采集器。此时，激振器激励点的选择就显得尤为重要。激振器的激励点的选择应遵循以下两点:①选在刚度较大且便于激振的地方;②应避开结构模态节点或者支撑点，因此不宜选在对称的平面上。

由试验经验总结可以知道，激振器至少2个，且相距尽量远，激振器方向尽量保证车身机构各方向都有足够激励，可以通过测试激励位置的互易性来调试信号以获取理想的激振位置。一般选择前后悬架安装位置［5］。该试验选取的位置为前悬架右侧安装点和后悬架左侧安装点进行激励。

2.2 试验内容

试验时要确定白车身的两种状态，分别是:①有副车架、有安装玻璃、地板有阻尼;②有副车架、无安装玻璃、地板有阻尼。

研究白车身所关注的频率大约在0～100 Hz之间。试验时 Bandwidth为 256 Hz;Spectral lines为256;Resolution为1.0 Hz;Acquisition time为1.0 s。

为了降低测试中噪声的影响，采用平均技术来降低随机误差，平均次数30次。试验期间各测点试验数据的采集与频响函数的数据处理可以同步进行。为保证测的的频响函数质量可靠，应实时检测响应信号和激励信号之间的相干函数［6］。只有相干函数(除去节点或反节点外)在0.9以上的信号才认为响应信号和激励信号之间的相干性较好。1组测试完成后更换测点，重覆测试直到试验完成。

2.3 试验结果

白车身设计时关注的频率范围为0～100 Hz，所以需要在此范围内计算出相应的传递函数，获取各阶固有频率和阵型［7］。表3为白车身第一种状态前7阶模态结果。白车身第一种状态稳态图如图3所示。

表3 第一种状态前7阶模态结果

白车身第一种状态各阶阵型图如图4所示。在白车身上拆下安装玻璃后，用同样的方法进行模态测试。白车身第二种状态前7阶模态结果如表4所列。白车身第二种状态稳态图如图5所示。白车身第二种状态各阶阵型图如图6所示。

图3 第一种稳态图

图4 第一种状态各阶阵型图

表4 白车身第二种状态前7阶模态结果

图5 第二种状态稳态图

3 试验结果分析

由于拆下安装玻璃，在白车身的频率、阻尼、阵型三个方面都有一系列的影响。

(1)在频率变化方面，白车身前两阶的固有频率基本保持不变，后五阶分别提高了 6.6%、2.46%、1.82%、2.4%、1.17%。

(2)在阻尼变化方面，白车身前三阶分别提高了34.4%、34.3%、8%;后四阶分别下降了 21.4%、16.6%、17.2%。

图6 第二种状态各阶阵型图

(3)在阵型变化方面，带车窗白车身第三阶表现为顶棚局部Y向二弯，不带车窗白车身表现为顶棚局部X向二弯;带车窗白车身第四阶表现为顶棚局部X向二弯+前纵梁横摆，不带车窗白车身表现为顶棚局部二扭+前纵梁横摆;带车窗白车身第七阶表现为B柱同向+顶棚一扭，不带车窗白车身第七阶表现为B柱同向+顶棚二扭。

4 结语

结合笔者在一款白车身模态试验中总结的试验经验，详细阐述了白车身模态试验方法，并对该款白车身的模态参数进行了识别和结果分析，为今后进一步研究整车的噪声振动、结构疲劳耐久以及车身结构的优化设计提供了试验依据。

［1］ 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用［M］.上海:上海交通大学出版社，2000.

［2］ 李英平.汽车车身模态分析实例研究［J］.汽车技术，2007，11 (2):21－22.

［3］ 张学荣.NJ6400白车身结构动力学分析及优化设计［J］.机械研究与应用，2002，15(3):38－40.

［4］ 王艳辉，孙庆鸿，朱壮瑞，等.汽车车身蒙皮对汽车车身动态性能的影响［J］.东南大学学报:自然科学版，2002，11(4):9－10.

［5］ 于国飞.Hyper Works在汽车白车身模态分析中的应用［J］.厦门理工学院学报，2012，7(9):11－15.

［6］ 高云凯，杨 欣.轿车车身刚度优化方法研究［J］.同济大学学报，2005，6(2):6－7.

［7］ 张 平.雷雨成，高 翔，等.轿车车身模态分析及结构优化设计［J］.汽车技术，2006，9(5):33－35.