某商用車白車身模態分析及試驗邊界優化

秦嚴彬，吳思遠，洪森

1.徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇徐州 221004；2.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州 221004

0 引言

隨著商用車行業的發展，車輛的NVH(noise、vibration、harshness)越來越受到主機廠家的重視。商用車駕駛室的模態特性對整車的動態特性和NVH性能有重要影響。白車身的第一階彈性體模態是衡量其設計水平的重要指標[1]，該模態頻率越高表明白車身剛度越大，越能抵抗外界振動的傳遞和車身疲勞破壞，提高駕乘人員舒適性和車輛可靠性[2]。

作為動態特性分析的基礎，模態分析可以識別出白車身的振型、阻尼和固有頻率，為駕駛室結構設計和動力特性優化提供指導[3]。本文利用仿真和試驗兩種方法分別對某商用車白車身進行模態分析，并基于自主設計的氣囊工裝改進了模態試驗的邊界條件，提升試驗準確度，為模態試驗邊界設定提供一定的參考。

1 白車身計算模態分析

1.1 理論基礎

有限元分析思想是利用數值近似的方法模擬真實的物理系統，將分析對象的實體結構劃分成若干足夠小的連續單元體[4]。

根據D.Alembert原理，在白車身所受外力中加入慣性力，建立其運動微分方程：

(1)

系統結構模態與自身質量和剛度有關，是其固有屬性，與外部載荷無關。取F(t)=0，可得自由振動方程：

(2)

忽略阻尼的影響，可得無阻尼自由振動方程：

(3)

自由振動時，結構上各點作簡諧振動，節點位移可表達為：

u=φsin(ωt)

(4)

式中:φ為位移u的振幅向量；ω為固有頻率。

將式(4)代入式(3)可得：

(K-ω2M)φ=0

(5)

求解方程(5)的特征值ω2和特征向量φ，進而可求得白車身的各階頻率和振型。

1.2 白車身有限元模型建立

圖1為白車身有限元模型，主要由各種鈑金件搭接焊裝組成。本文將劃分白車身的單元基本尺寸設置為10 mm，劃分完畢后白車身有限元模型由648 211個節點和 932 274個單元組成。

圖1 白車身有限元模型

1.3 定義材料屬性

白車身主要材料參數[5]見表1。

表1 白車身主要材料參數

1.4 模態計算

為方便與試驗結果對標，本文模態仿真采取自由邊界進行分析[6]。

由于低階振型對結構動力特性影響比高階振型大,可以認為低階振型決定了結構的動態特性。由于自由模態分析的前6階為剛體模態，本文只提取7～12階模態進行對標分析。

2 白車身試驗模態分析

試驗模態分析是基于激勵和系統響應的動態測試：激勵被測對象，使用傳感器測量系統響應，然后計算結構的頻響函數，最后通過參數識別得到所需的模態參數[7]，即頻率、振型和阻尼比。

2.1 幾何模型建立

本文基于白車身的結構特性共布置了166個測點，在模態測試系統中建立其幾何模型[8]，如圖2所示。

圖2 白車身模態測試測點和幾何模型

2.2 模態測試

用工裝懸掛待測白車身，模擬自由邊界狀態。試驗前對白車身進行互異性檢查，如圖3所示。檢查結果可以看出兩組數據頻響函數吻合，滿足模態互易性檢驗的要求。

圖3 白車身模態測試互異性檢查

白車身模態測試如圖4所示。

圖4 白車身模態測試

為了能激勵出所需的模態，本文模態測試的激勵點選在白車身的左前和右后地板縱梁處。同時，布置加速度傳感器時避開振型節點處，否則容易丟失模態。

3 計算模態與試驗模態對比分析

通過對白車身有限元計算提取的7～12階固有頻率、振型和模態試驗得到的7～12階固有頻率和振型進行對比分析，結果見表2。

表2 計算模態與試驗模態7～12階固有頻率及振型對比結果

由表2可以看出，白車身計算模態和試驗模態偏差較大，根據模態試驗準則：模擬自由邊界條件，彈性懸掛或者支撐系統固有頻率最大不超過被測試件一階頻率1/10。經現場測試，白車身模態試驗懸掛系統固有頻率超過2 Hz，不符合試驗準則要求。

4 模態試驗邊界優化

本文自主設計了一種適用于商用車白車身及車架等系統的模態試驗氣囊工裝，經測試工裝系統固有頻率不超過2 Hz，符合模態測試要求。使用新設計氣囊工裝對樣車白車身模態進行復測，如圖5所示。

圖5 使用新設計氣囊工裝復測白車身模態

使用新設計氣囊工裝模擬白車身自由邊界可排除吊掛工裝對白車身模態測試系統剛度和質量的影響，有效提升試驗邊界準確性。復測后計算模態與氣囊工裝試驗模態固有頻率及振型對比結果見表3。

表3 復測后計算模態與氣囊工裝試驗模態固有頻率及振型對比結果

圖6和圖7分別給出了白車身計算模態和氣囊工裝試驗模態7～12的固有頻率及振型。

圖6 白車身計算模態的固有頻率及振型

圖7 白車身氣囊工裝試驗模態的固有頻率及振型

對比兩次模態試驗與計算模態結果可以看出：

(1)模態試驗邊界對結果影響很大，本文設計的氣囊工裝有效提升了模態試驗的準確度；

(2)氣囊工裝試驗模態結果與仿真結果偏差很小，說明白車身有限元模型網格劃分合理，模型精度高，能滿足實際工程需求；

(3)路面激勵頻率一般低于20 Hz，該白車身的一階模態頻率為19.79 Hz，基本避免了路面不平導致白車身共振的風險。

5 結束語

本文對某商用車白車身進行了模態仿真和試驗的對標，并針對結果偏差自主設計了一種氣囊工裝，有效提升了白車身模態試驗邊界準確度。試驗邊界改進后的結果與仿真結果偏差很小，說明所使用的有限元建模方法準確，模型精度可滿足工程實際需求。同時，可以看出該白車身模態特性參數過渡平緩，滿足白車身動態振動特性頻率分布要求[9-10]。