轿车带内饰车身模态试验分析

谭继锦，戚东元

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009）

轿车带内饰车身模态试验分析

谭继锦，戚东元

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009）

针对带内饰车身模态参数难以识别的问题，在结构线性度检验的基础上，分别采用频域识别和时域识别两种方法对某轿车带内饰车身进行模态试验。介绍了试验方案与信号采集技术，重点对识别方法进行比较研究，其中时域随机子空间法的较好应用效果为车身模态试验提供新思路。最后通过有限元分析与试验结果对比，验证了内饰车身建模分析的准确性，所确定的内饰车身模态参数为车身NVH性能分析奠定基础。

振动与波；带内饰车身；模态试验；频域识别；时域识别；有限元分析

内饰车身（Trimmed Body）与白车身（Body In White）一样，在车身性能开发中都有具体的模态频率目标，其中白车身模态分析应用较为成熟，不论是试验还是仿真均可识别出较为准确的模态参数。相对于白车身，内饰车身的结构性能更接近于整车，也是整车模态频率的基础，因而研究内饰车身的动态性能十分必要。

闭合件、座椅、转向系统和内饰通过铰链、密封胶、结构胶和卡扣等与白车身连接，使得车身非线性因素增加，模态参数密集，阻尼增大，局部与整体振型耦合较多，大大增加了识别难度。为解决此问题，文献[1]提出取车身左右两侧若干对称点，经过VTF分析，通过合成加速度和差值加速度均值曲线来识别内饰车身模态参数。文献[2]分别采用最小二乘复指数法(LSCE)和最小二乘复频域法(LSFD)对内饰车身模态试验进行参数识别，并比较了两种方法的优劣。文献[3]提出一种新的整体平顺算法（GST），用于分析多输入多输出系统所得的频响函数曲线，使得对于大阻尼高耦合的结构模态参数得以识别。

文中将从频域和时域两种识别方法对带内饰车身模态试验进行研究和对比，提出内饰车身的试验方案，阐述解决模态参数识别困难的办法，并将有限元分析与试验进行对比。

1 基于频域辨识方法的模态试验

1.1 结构线性度检验

模态识别以系统线性为前提，任何结构都必须在满足一定线性度的前提下才可以进行模态分析。内饰车身非线性度加大，试验之前必须对其进行结构线性度检验，以确保此结构模态测试的可靠性。设置不同等级的激振力，以同一测点频响函数的重合度进行检验。图1为车身某测点在4 V、8 V和10V激励下的频响曲线，可以看出100 Hz内，整体重合度良好，车身保持一定的线性度。仅在80 Hz之后出现微量偏差，后续研究表明此频段由于内外饰件振动复杂密集，使得车身非线性增大，但其仍在可识别范围内。

图1 带内饰车身线性度检验

1.2 试验方案确定

试验方案的确定要结合内饰车身的实际，具体包括以下几个方面：

（1）测点选择。测点布置应能反映车身整体轮廓，同时要注意避开局部刚度较弱的区域。内饰车身由于有门盖系统和内饰附件等，测点布置较为困难。采用两种测点方案，对于频域法采用密集型布置，车身共布置249个测点，密集测点布置可以在识别车身整体振型的同时，识别出局部振型。为使测点布置均匀，先对车身表面进行100 mm×100 mm网格划分，再选取测点，测点方案如图2所示。

图2 频域法测点方案

（2）支撑方式。模态试验结构安置需尽量接近自由状态，白车身多采用橡皮绳悬吊方式，内饰车身质量较大，采用空气弹簧支撑方式，便于安置车身与安放传感器。

（3）激励方式。模态试验激励有单点激励和多点激励两种，采用何种方法取决于试件相对于整体的激振难度，内饰车身单点激励即可获得任意点的响应，且响应幅度足够大，故采用单点激励多点识振的方式，激振点设于前保险杠右侧（如图2所示）。

对于激励信号的选择，内饰车身力锤敲击能量不足，正弦激励效果较差，经比较猝发随机为最佳激励方式。激励力大小应具有足够的能量激发内饰车身结构，但是不能超出结构可接受的线性区域内，经调试定为8 V。

（4）试验频段。相对于白车身，内饰的添加会使车身整体一弯一扭频率有所下降，综合考虑，试验频段选取0～100 Hz。试验前对加速度传感器在频段内进行标定。

1.3 测试系统的组建与数据的采集

试验测试系统采用DHDAS动态信号采集分析系统，系统框图见图3。

图3 试验测试系统框图

试验系统建立后，调试测试参数，选择最优参数设置。然后需对其进行可靠性验证，常用的验证方法为频响函数的互异性、重复性和相干性检验等。互异性选择前保险杠左右两侧对称处激励，检查频响函数重合度。每组测点逐一检查相干性，图4为某组4号通道的相干函数曲线，从图中可以看出尽管在15 Hz之前有部分泄露，但在全频段内基本保持为1，表明频响函数具有较高性噪比，系统相干性在合理范围内。

图4 某组4号通道相干函数

249个测点分批进行测量，每组10个测点。测试分析点数为2 048，线性平均次数为30，重叠率为30%，输入通道加力窗，输出通道加指数窗。测试时实时观察记录频响函数曲线和相干函数曲线质量，确保数据可行性，如果出现某一个通道或是某组通道异常，需停止试验进行通道调试检查。每组试验均需要检查传感器接线状况是否良好，在放置传感器时，为减小压电传感器的接地回路噪声，做好系统接地与绝缘工作[4]。所有通道测试前清零平衡。

1.4 车身模态参数识别

基于频域的模态识别方法最大的优点在于使用平均技术，很大程度抑制了噪声，使得定阶问题易于解决。现有方法主要有最小二乘复频域法(LSCF)、峰值拾取法、多项式拟合法、频域分解法等，其中最小二乘复频域法在应对密集型模态时，即便频响函数受到部分噪声干扰，依然可以建立清晰的稳态图，识别效果较优。经比较采用LSCF方法作为内饰车身频域模态参数识别方法，多项式拟合法作为参考，图5为LSCF法稳态图。

图5 基于LSCF法的稳态图极点识别

以稳态图为依据，选择模态阶数，稳态图中S表示假定极点增加时在给定精度内频响函数在频率、阻尼和模态参与因子处（V是在频率和模态参与因子处）保持稳定状态[5]。以S纵向较为一致为定阶条件。表1给出了提取出的19阶模态，图5-图6为车身垂向1阶弯曲和1阶扭转振型。

图6 车身整体1阶扭转

表1 LSCF法模态参数识别结果

对于门盖系统等组件局部振型难以辨识的情况，为避免漏阶，可将组件的测试数据进行单独处理，同时将组件模型单独创建。图7为发动机舱盖的1阶扭转和1阶弯曲振型，单独处理后振型清晰。

图7 车身垂向1阶弯曲

图8 发动机舱盖1阶扭转与1阶弯曲

为确保识别结果的可信度，进行振型相关性验证，图8为MAC值验证结果，可以看出提取的19阶模态具有较好的正交性。

从频域法振型识别结果来看，车身整体振型与局部振型相互耦合，并会出现局部异常测点，对振型识别产生很大干扰，甚至造成误判。针对此问题，以下对内饰车身进一步展开时域法识别模态试验研究。

2 基于时域辨识方法的模态试验

基于频域的模态识别方法是机械类结构模态分析中的主流方法，对于材料单一的简单结构，频域法具有较大优势。而内饰车身具有一定非线性度，耦合振型较多，振型的识别较为困难，为此借用基于环境激励的工作模态[6]的试验方法对内饰车身进行时域法参数识别，并将试验结果与频域法结果进行对比。

2.1 试验方案

基于时域法的模态试验测试系统与前述相同，鉴于篇幅，仅叙述试验方案的差异性。区别于环境激励，车身位于试验台架上，对其进行激励使得车身振动，激励信号采用随机白噪声。需注意的是，采集系统不对输入信号进行采集，关闭力采集通道。试验重新布置测点方案，共37个测点，如图9所示。

仅在车身骨架上布置测点，目的在于减少局部振型的干扰，着重识别车身整体模态参数。测试以1号测点为参考点，采用移动测试法，保持1号测点不动，分4组完成。

图9 LSCF法振型有效性验证

图10 时域法测点方案

2.2 基于随机子空间法的车身模态参数识别

时域识别方法也有多种，目前主要有随机子空间法（SSI）、最小二乘复指数法（LSCE）、特征系统实现法（ERA）、Ibrahim时域法（ITD）等。在工程应用中随机子空间法效果较优，其基本思路如下：首先，在白噪声激励的前提下，建立线性振动系统离散状态下的空间模型[7]。

式中xk∈Rn为离散时间状态向量，yk∈Rl×1为输出向量，A∈Rn×n为离散状态矩阵，C∈Rl×n为输出矩阵，E为数学期望符号，δpq为kronecker矩阵，wk∈Rn为过程噪声，vk∈Rl为测量矩阵，两种噪声均假定为白噪声，故

将测量数据构造为Hankel矩阵H，按矩阵行数的不同将H分为“过去”与“将来”两个子矩阵，即QR分解：

然后对加权投影矩阵做奇异值分解，通过系统矩阵识别模态参数[8]。应用此方法识别结果如表2所示，对应振型见图10-图15。

表2 基于随机子空间法的模态参数识别结果

图11 车身1阶扭转

图12 车身底板局部扭转

图13 车身垂向1阶弯曲

图14 顶盖前部局部振型

图15 顶盖后部局部振型

2.3 结果对比与分析

从表2可以看出，随机子空间法识别与频域法识别频率误差在5%以内，振型一致，表明基于时域辨识方法可行有效。比较而言，试验方案更为简单，无需采集激励信号，响应信号也无需进行傅里叶变换，直接作用于加速度信号，避免了变换误差。并且由于测点布置于车身骨架，车身整体振型更加清晰。

3 内饰车身有限元分析

利用Hypermesh搭建带内饰车身有限元模型，见图16。其中车身骨架主要由板单元与焊点组成，网格大小选择8 mm，忽略尺寸较小的工艺孔，重要区域适当加密，采用钢质材料，焊点采用ACM焊接模拟，螺栓采用梁单元，焊缝采用刚性连接。

图16 带内饰车身有限元模型

门盖系统主要有板件、玻璃和胶粘连接组成。采用实体单元模拟胶体，再采用CWELD单元连接胶体与板件。转向系、座椅主要抽取其钢质材料进行建模，其余内外饰组件多采取附加质量方式模拟。

模型搭建完成后共有1 729 565个单元、1 864 775个节点、5 703个焊点，三角形单元有75 498个，占总数的4.3%。模型总重725 kg，试验车身实际重741 kg，考虑底漆与小件质量的存在，误差在合理范围内。

将内饰车身计算结果与频域法识别结果进行对比，表3列出了主要阶次的模态对比。

表3 计算结果与试验结果对比

从表3可知，有限元仿真结果中大部分模态频率与试验结果对应，且误差在许可范围之内，表明内饰车身整体模型达到要求。需要注意的是车身某些局部振型，如顶盖在115 Hz之后才出现较大振动，与试验结果相差较大，需分析原因调整模型。

4 结语

带内饰车身属于模态密集的复杂振动系统，内饰的添加、材料的丰富、以及连接方式的多样使得车身的非线性度增加。为避开相互干扰，可将车身整体与各部件分开识别，仅以车身骨架布置测点可较容易识别车身整体模态。最小二乘复频域法在内饰车身模态识别时稳态图较为清晰，但是振型较难甄别。工作模态试验方法用于内饰车身模态参数识别，提供了新思路与相互验证手段。有限元计算结果与试验结果对比，验证了内饰车身建模分析的准确性。内饰车身模态数据为其动力学评价与整车NVH性能控制奠定了基础。

鉴于内饰车身模态测试难度较大,识别振型较难,且仍然与实际整车状态有所差别,建议可以从整车工作模态角度识别车身振型与模态参数，通过路试，直接面对车身NVH问题，也不失为一种解决办法。研究整车-内饰车身-白车身模态关联技术，这方面的对比研究正在进行。

[1]蓝浩伦，李飞，乔鑫，等.汽车Trimmed Body有限元模态分析中弯曲和扭转模态的识别[J].汽车技术，2015(4)：26-29.

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[3]RUOTOLO R,STORER D M,GATTI S.Experimental modal analysis to represent structural components in vehicle models[J].StrategicManagementJournal, 2001,31(13):1498-1526.

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[5]谢小平，韩旭.基于PolyMAX方法的某轿车白车身实验模态分析[J].汽车工程，2009，31(5)：440-447.

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Analysis and Research of Modal Test for a Trimmed Car Body

TAN Ji-jin,QI Dong-yuan
（Collage of Mechanical andAutomotive Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009,China）

In order to solve the problem that modals of the trimmed car body are difficult to identify,both frequencydomain and time-domain identifications are used for the modal test of the trimmed body of a car on the basis of the structure’s linearity inspection.The test scheme and signal acquisition technique are introduced and the identification methods are comparatively studied.Of these methods,the successful application of the stochastic subspace identification provides a new way for the body modal test.Finally,the comparison of results from the test and FEA verifies the accuracy of the trimmed body modeling analysis.The determined modals of the trimmed body lay a foundation for the analysis of NVH performance.

vibration and wave;trimmed body;modal test;frequency domain identification;time domain identification;FEA

U467；O241.82

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.039

1006-1355(2016)06-0197-05+205

2016-07-18

戚东元（1991-），男，江苏省连云港市人，硕士研究生，研究方向为振动噪声控制与整车性能分析。

谭继锦，男，硕士生导师。E-mail:jsdh_qdy@126.com