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某商用车驾驶室白车身模态分析
作者：谢小平,韩旭,陈国栋,周长江
来源：《湖南大学学报·自然科学版》2010年第05期
摘要:以某商用车驾驶室白车身为原型,利用模态分析方法对其动力学特征参数进行分析.在理论(正问题)和实验(反问题)两个互补的模态分析过程中,利用有限元模型进行理论模态分析,为实验模态分析的实施打下良好基础.分别采用最小二乘复指数法(LSCE)和最小二乘复频域法(LSCF)进行实验模态分析,得到各阶模态振型并对理论分析的结果进行修正.经过两种结果的比较和分析,最终得出准确的模态分析结果并对白车身原型提出改进意见.生产厂商依据改进意见进行工艺改进,通过用户实际使用证实了改进方案的有效性和正确性. 关键词: 商用车驾驶室;白车身;有限元;实验模态分析;LSCE;LSCF 中图分类号:TH113.1文献标识码:A
Modal Analysis of Commercial Vehicle Cab’s Body-in-White XIE Xiao-ping+, HAN Xu, CHEN Guo-dong, ZHOU Chang-jiang
(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Faculty of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha, 410082)
Abstract: The theory modal analysis (TMA, forward problem) and experimental modal
analysis(EMA, inverse problem) methods are both used to analysis dynamics characteristic parameters of one commercial vehicle cab’s body-in-white. Finite element modal analysis is carried out to get
mode shape and lay down well basis to experimental modal analysis in TMA process. In EMA process, LSCE(Least Squares Complex exponent method) and LSCF (Least Squares Complex Frequency Domain method) methods are used to get mode shape and modify TMA results. With comparison to all results, the accurate conclusion can be reached and improvement opinion is brought forward to the prototype. The improvement projection was proved to be effective by consumers’utilization after manufacturer put it into applications.
Keywords: commercial vehicle cab’s body-in-white; finite element method; experimental modal analysis; LSCE; LSCF
车辆在行使的过程中常因路面不平,车速和运动方向的变化,车轮、发动机和传动系的振动激励,以及齿轮的冲击等各种外部和内部激励,极易引起整车和局部振动。当外界激振频率与系统固有频率接近时,将产生共振[1]。
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商用车作为非承载式汽车,其驾驶室白车身在减振、隔振方面比轿车承载式白车身具有先天的优越性,但外界低阶振动通过大梁还是能传递至驾驶室,使乘员舒适性降低,同时带来噪声和部件的疲劳损坏,并破坏车身表面的保护层和车身的密封性,从而削弱整车动态性能[1]。随着现代商用车制造工业的迅速发展, 市场竞争的日趋激烈,对驾驶室舒适性的要求也越来越高。同时设计过程中要求各系统的固有振动频率避开外界激励产生的频率范围,保证车辆的良好工作性能[2]。因此,车身结构模态分析逐渐成为新车开发中结构分析的一项主要内容。尤其是车身结构的低阶弹性模态,它不仅反映了汽车车身的整体刚度性能,而且是控制汽车常规振动的关键指标,应作为新车开发的强制性考核内容。
本文对某大型商用车驾驶室白车身分别进行理论和实验模态分析。理论模态分析采用有限元的方法进行数值模拟和仿真[3—4],实验模态分析方法主要采用业界通用的最小二乘复指数法(LSCE)[5]和比利时卢温大学H Van der Auweraer和Guillaume P.等教授提出最小二乘复频域法(LSCF) [6—7]进行,并对两种结果进行比较研究,认为LSCF方法有其优越性且总的模态分析结果可靠的。同时针对白车身生产厂家收集的用户反馈意见,主要以第1和第2阶模态振型为研究对象,提出相应改进建议。 1 两种模态分析研究与比较 弹性系统运动微分方程为: (1)
考虑多自由度情况并进行拉氏变换后可得: (2)
分别移动(2)式等号左侧两个乘积项到右侧可得(3)式和(4)式。
理论模态分析是根据网格化的材料特征,分别得到质量( )和刚度( )矩阵[3—4]。将一般线性或弱阻尼系统的阻尼矩阵( )作为比例阻尼考虑得到 。将三矩阵对角化和振型数值归一化并通过(2)式求出输出 : (3)
实验模态分析是(3)式的逆过程。已知输入 和输出 通过(4)式求质量、阻尼和刚度矩阵[8]。 (4)
虽然基于有限元理论模态分析自由度远远大于实验模态分析,但对应的模态振型和对应点的振动形态应该保持基本一致。
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2 有限元模态分析
有限元模态分析仿真计算过程中[4],采用Hypermesh软件作为前处理器,Nastran软件作为求解器。所有部件为冲压件,采用壳单元,其中四边形331789个,三角形13604个,部件的厚度需根据实际情况定义外,其它参数都选用默认值。采用10mm标准划分网格。由于模拟的振动过程不是大变形过程,焊点模拟为不失效形式,并用刚性连接,数量总计为10922个。 根据实际采用的低碳钢材料,仿真中采用各向同性材料模拟,具体数据如表1所示。 在无约束情况下,计算驾驶室的自由模态。除去前6阶刚体模态后,共计算了前20阶模态,由于外界激励主要为50Hz以下低频信号,所以将前8阶50Hz以下具体数据列出如表2所示。同时给出了最重要的前2阶具体模态振型如图1和图2所示。 3 实验模态分析 3.1 实验准备
模态实验设备除实验平台外,主要为比利时LMS公司SCAND动态数据采集系统和Test Lab 7B模态分析软件[8]。驾驶室白车身采用四根软绳进行吊装,并采用单点激振多点拾振方法进行实验。根据有限元分析结果中振动形态较为明显的点并考虑驾驶室的整体形状,确定驾驶室传感器布点几何图如图3所示,由38点的连线和面组成。由于受到单轴加速度传感器的限制,实验分X(上下方向)、Y(前后方向)、Z(左右方向)三方向进行,可以得到三个方向的输出向量 。再根据力传感器得到的输入向量 ,由(4)式可求解 中基于模态坐标的参数。
3.2基于LSCE和LSCF方法的实验模态分析理论研究
本实验分别采用最小二乘复指数法(LSCE)和最小二乘复频域法(LSCF)对(4)式进行模态参数识别[6-7]。
最小二乘复指数法是一种多参考点时域方法,针对留数进行整体估计。将(4)式进行拉普拉斯反变换写成留数极点展开式为: . (5)
采样离散后,记 , 。根据模态向量 和模态参与因子矩阵 与留数 的关系,(5)式可写成: .(6)
其中 为采样点, 为系统自由度,N为需要拟和的留数(模态数),总计2N个。
某商用车驾驶室白车身模态分析
