安全氣囊ECU固定支架模態(tài)分析

聶孝輝

摘 要：本文主要介紹了模態(tài)分析原理、分析方法、激勵(lì)方法，通過對(duì)ECU固定支架的模態(tài)試驗(yàn)分析來驗(yàn)證ECU固定支架是否滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：ECU固定支架;模態(tài)測試;模態(tài)分析

1 引言

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，安全氣囊ECU控制器快速對(duì)信號(hào)做出處理，確認(rèn)發(fā)生碰撞的嚴(yán)重程度已超出安全帶的保護(hù)能力，便迅速釋放氣囊，使乘員的頭、胸部直接與較為柔軟且彈性的氣囊接觸，從而通過氣囊的緩沖作用減輕乘員的傷害。但是如果安全氣囊發(fā)生誤爆時(shí)，安全氣囊不但不能對(duì)乘員起到防護(hù)作用，還會(huì)對(duì)乘員有嚴(yán)重的殺傷力。安全氣囊的爆發(fā)力是驚人的，足以擊斷駕駛者的頸椎！為保證安全氣囊不發(fā)生誤爆，ECU安裝支架必須滿足一定的設(shè)計(jì)要求，因此安全氣囊ECU安裝支架的模態(tài)試驗(yàn)分析就顯得至關(guān)重要了。本論文系統(tǒng)闡述安全氣囊ECU固定支架模態(tài)試驗(yàn)分析。

2 模態(tài)分析工作原理

模態(tài)分析便是通過試驗(yàn)采集系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)，經(jīng)過參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)。具體做法是：首先將結(jié)構(gòu)物在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行人為激振（或者環(huán)境激勵(lì)），通過測量激振力與振動(dòng)響應(yīng)，找出激勵(lì)點(diǎn)與各測點(diǎn)之間的“傳遞函數(shù)”，建立傳遞函數(shù)矩陣，用模態(tài)分析理論通過對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。模態(tài)試驗(yàn)分析原理框圖見圖1。

（1）測試結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)與安裝。為了得到一組滿意的頻響函數(shù)測量數(shù)據(jù)，被測試結(jié)構(gòu)的支承應(yīng)引起足夠的重視。同一結(jié)構(gòu)在不同的邊界條件下，將有不同的模態(tài)參數(shù)。目前常用的支承方式有下列幾種：1）地面支承。把被測試結(jié)構(gòu)上所選擇的點(diǎn)與地面聯(lián)結(jié)，認(rèn)為聯(lián)結(jié)點(diǎn)的速度導(dǎo)納為零，在模態(tài)分析時(shí)，刪去適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)，即可完成理論分析。2）自由支承。這種支承方式意味著試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的任一坐標(biāo)點(diǎn)都與地面不相連。這種支承方式較前一種容易實(shí)現(xiàn)。雖然不可能提供絕對(duì)的自由支承條件，但將包括邊界條件在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)懸掛起來，或安置于泡沫塑料墊上，以隔絕環(huán)境的影響。

3 安全氣囊系統(tǒng)ECU固定支架模態(tài)分析試驗(yàn)

根據(jù)ECU支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和試驗(yàn)條件，試驗(yàn)采用一點(diǎn)測量，逐點(diǎn)激振試驗(yàn)方法，固定點(diǎn)測量加速度響應(yīng)，捶擊ECU支架各振型測點(diǎn)（力錘的激勵(lì)信號(hào)不允許出現(xiàn)雙峰），通過模態(tài)信號(hào)分析處理系統(tǒng)，確定頻響函數(shù)，然后通過曲線擬合識(shí)別模態(tài)參數(shù)。結(jié)合試驗(yàn)原理和試驗(yàn)條件，該試驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)法。

（1）安全氣囊系統(tǒng)ECU固定支架模態(tài)分析試驗(yàn)。ECU支架模態(tài)分析試驗(yàn)設(shè)備及功能，模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備，帶有力傳感器的力錘敲擊試件17個(gè)測試點(diǎn)，給試件一脈沖激勵(lì)信號(hào)，用裝在試件上的加速度傳感器測量響應(yīng)，電荷放大器對(duì)激勵(lì)信號(hào)和加速度響應(yīng)進(jìn)行放大，通過數(shù)據(jù)采集儀和模態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)采集的信號(hào)作FFT分標(biāo)求出頻響函數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。試驗(yàn)分析頻率設(shè)置為3000Hz，采樣頻率為12.8kHz。試驗(yàn)的采樣通道數(shù)為兩通道，1通道為激勵(lì)通道，2通道為加速度響應(yīng)通道，1通道加力窗，2通道加指數(shù)窗。模態(tài)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見表1，ECU固定支架模自由模態(tài)頻率（未安裝ECU）見圖2，ECU支架安裝在車架上的自振頻率（未安裝ECU），ECU支架安裝在車架上的自振頻率（安裝ECU）。

安全氣囊系統(tǒng)ECU固定支架是通過螺釘固定在汽車車身上，要求共振頻率高于500Hz。從上面試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，ECU固定支架的三種狀態(tài)的一階自振頻率都大于500Hz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。一般來說，固定支座的剛度、阻尼和質(zhì)量的改變會(huì)影響到固定支座的共振頻率的變化。剛度的增加，會(huì)導(dǎo)致共振頻率的提高，降低低頻段的幅值。阻尼的增加，會(huì)使共振頻率略有減小，但主要是減小共振點(diǎn)的幅值，同時(shí)使相位的改變較為平緩。質(zhì)量的增加，會(huì)降低共振頻率，同時(shí)也降低高頻段的幅值。故我們可以從結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼和質(zhì)量，來對(duì)固定支架進(jìn)行改善，從而滿足使用要求。

4 模態(tài)試驗(yàn)分析

（1）如何確定模態(tài)試驗(yàn)最佳激勵(lì)。當(dāng)錘頭材料和沖擊速度一定時(shí)，錘頭重量愈大，則沖擊力的寬度和峰值均增大，即激振能量增加。當(dāng)接頭材料及重量一定時(shí)，沖擊速度愈大，沖擊力寬度不變而峰值增大。因此，當(dāng)測量系統(tǒng)噪聲大時(shí)，為了增加信噪比，可采用增大沖擊速度的辦法。對(duì)每一種特定的試件，所用力錘重量有一限定值，超過該限定值，會(huì)產(chǎn)生連擊波形。這是因?yàn)椴荒軐㈠N頭及時(shí)與結(jié)構(gòu)脫開所致。這種連擊波形，由于它的周期性，使力譜出現(xiàn)毛刺和零點(diǎn)，則使頻響函數(shù)中混入噪聲和虛假信息。當(dāng)試驗(yàn)中出現(xiàn)連擊波形時(shí)，可采用更換錘頭材料、減輕錘體重量和改變敲擊位置的方法解決。

（2）測試點(diǎn)的選取。測試點(diǎn)所測得的信息要求有盡可能高的信噪比。因此，測試點(diǎn)不應(yīng)該靠近節(jié)點(diǎn)。注意到實(shí)際上使用的一般都是加速度傳感器，實(shí)際測得的都是加速度信號(hào)，因此在最佳測試點(diǎn)的位置，其測試點(diǎn)的值應(yīng)該較大。

5 結(jié)束語

模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)主要用于獲取系統(tǒng)的固有頻率和動(dòng)態(tài)顯示相應(yīng)的振型，則現(xiàn)在人們已經(jīng)將研究重心放在模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用上面。這些應(yīng)用包括：運(yùn)用模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證和修正理論模型或數(shù)值模型;對(duì)被試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;對(duì)各個(gè)子結(jié)構(gòu)的模態(tài)模型，或?qū)Ω鱾€(gè)子結(jié)構(gòu)的模態(tài)模型和理論模型混合模型進(jìn)行模態(tài)綜合;對(duì)一些無法用直接方法測得的激勵(lì)力進(jìn)行載荷識(shí)別等等。