基于LMS Virtual.Lab的動(dòng)態(tài)吸振器設(shè)計(jì)

2009 年 國(guó)用戶大會(huì)論文集 1 基于 動(dòng)態(tài)吸振器設(shè)計(jì) 周建文，張松波 長(zhǎng)安汽車股份有限公司汽車工程研究院 ， 重慶 ， 401120 摘 要 ： 動(dòng)態(tài)吸振器是一種典型的主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)，在汽車振動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用。在某車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)動(dòng)力總成右懸置車身連接點(diǎn)進(jìn)行 析時(shí)，發(fā)現(xiàn)在特定頻率下該連接點(diǎn)具有較大的振動(dòng)峰值。由于考慮該峰值由車身全局模態(tài)引起，考慮成本等因素，建議采用動(dòng)態(tài)吸振器進(jìn)行主動(dòng)控制。通過(guò)使用 模態(tài)修改功能模塊，對(duì)動(dòng)態(tài)吸振器進(jìn)行了安裝位置、質(zhì)量等分析和設(shè)計(jì)，得到相對(duì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案能夠在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)早期有效的指導(dǎo)設(shè)計(jì)部門對(duì)吸振器進(jìn)行布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。 關(guān)鍵詞 ：振動(dòng) 動(dòng)態(tài)吸振器 o. 401120 is a is in In of a of to of PI is by is to so of of to is to of of 前言 近年來(lái)，隨著人們對(duì)汽車乘坐舒適性要求越來(lái)越高，振動(dòng)控制技術(shù)也逐漸引起重視，振動(dòng)控制技術(shù)在汽車工業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)對(duì)外部能量的要求，可以把結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制劃分為兩種主要方式，即被動(dòng)控制和主動(dòng)控制。被動(dòng)控制不需要外部提供能量，僅針對(duì)被控結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的控制力，不增加被控結(jié)構(gòu)和控制裝置中的能量，也不需要特別安裝傳感器和作動(dòng)器，空間占用小，設(shè)計(jì)和使用都比較簡(jiǎn)單，且性能可靠。因此，在結(jié)構(gòu)控制中實(shí)際普遍使用的還是以被動(dòng)控制居多。但和被動(dòng)系統(tǒng)相比，主動(dòng)系統(tǒng)具有更卓越的控制效果。 動(dòng)態(tài)吸振器是一種典型的主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)，在汽車主動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用。它是一個(gè)包含質(zhì)量塊、彈簧和緩沖器的振蕩系統(tǒng)，通常都被連接在被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移最大的位置，頻率經(jīng)過(guò)調(diào)整和結(jié)構(gòu)的固有頻率相近。當(dāng)外激勵(lì)頻率與被控結(jié)構(gòu)固有頻率相近時(shí)，振動(dòng)能量可以從被控結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到吸振器，從而抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。 本文通過(guò)在某車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)動(dòng)力總成右懸置車身連接點(diǎn)進(jìn)行 析2 時(shí)，發(fā)現(xiàn)在特定頻率下該連接點(diǎn)具有較大的振動(dòng)峰值。通過(guò)直接頻響分析，該峰值由車身整體結(jié)構(gòu)模態(tài)引起，所以采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法衰減峰值需要增加大量成本，而采用動(dòng)態(tài)吸振器進(jìn)行主動(dòng)控制具有成本低和效果明顯的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)使用 模態(tài)修改功能模塊，對(duì)動(dòng)態(tài)吸振器進(jìn)行了安裝位置、質(zhì)量等分析和設(shè)計(jì)。 該設(shè)計(jì)結(jié)果能夠在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)早期很好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)部門對(duì)吸振器進(jìn)行布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。 2 模態(tài)修正理論 不考慮外力和阻尼力的自由振動(dòng)系統(tǒng) 程如： 0)(2=+ 1） 其中，M、且質(zhì)量剛度矩陣為對(duì)稱矩陣。 根據(jù)系統(tǒng)模態(tài)特征向量關(guān)于質(zhì)量和剛度矩陣的正交性， 該方程可以被對(duì)角化， 將方程轉(zhuǎn)化到模態(tài)坐標(biāo)系。如： 0)(2=+ （ 2） 其中， = = ()( =，并且.1 為系統(tǒng)模態(tài)特征向量。 當(dāng)系統(tǒng)質(zhì)量剛度矩陣發(fā)生改變，系統(tǒng)方程可以寫為： 0)(22=+ （ 3） 在模態(tài)空間下系統(tǒng)方程為： 0)(）(22=+ （ 4） 其中： = 5） = 6） 修改后的模態(tài)空間質(zhì)量剛度矩陣為： += 7） += 8） 這些質(zhì)量剛度矩陣可以被重新進(jìn)行特征值解耦，從而得到新的特征值矩陣和新的特征向量。 3 析 盤連接點(diǎn)動(dòng)剛度特性，它定義為連接點(diǎn)加速度響應(yīng)與單位激勵(lì)力的頻響函數(shù)關(guān)系。如圖 1所示為某車型車身右懸置安裝點(diǎn) 圖中可以看出，在 100即在實(shí)車狀態(tài)動(dòng)力總成激勵(lì)容易在該頻率段引起右懸置較大的振動(dòng)，進(jìn)而引起車內(nèi)振動(dòng)噪聲峰值問(wèn)題。 3 圖 1、右懸置 析結(jié)果 對(duì)在右懸置安裝點(diǎn)對(duì)白車身施加 100位激勵(lì)力，計(jì)算得到白車身直接激勵(lì)頻響結(jié)果，其中結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)變能分布如圖 2 所示。從圖中可以看出， 100近振動(dòng)響應(yīng)峰值為白車身全局模態(tài)引起，局部修改對(duì)降低峰值效果不明顯，而采用動(dòng)態(tài)吸振器進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制對(duì)抑制振動(dòng)峰值具有明顯效果。 圖 2、右懸置 100接頻響應(yīng)變能圖 動(dòng)態(tài)吸振器設(shè)計(jì)一般需要考慮吸振器調(diào)諧頻率、吸振器質(zhì)量及安裝位置三個(gè)因素，其中調(diào)諧頻率由結(jié)構(gòu)的共振峰值頻率決定，而吸振器質(zhì)量和安裝位置需要通過(guò)優(yōu)化分析得到，本文以下通過(guò) 態(tài)修正預(yù)測(cè)模塊對(duì)該吸振器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。 4 動(dòng)態(tài)吸振器位置優(yōu)化 圖 3、動(dòng)態(tài)吸振器位置設(shè)計(jì)方案 由于設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)吸振器主要針對(duì)右懸置 應(yīng)峰值，所以吸振器安裝位置方案考慮以右懸置安裝4 縱梁為主，對(duì)左懸置安裝點(diǎn)附近也進(jìn)行了嘗試，方案設(shè)計(jì)如圖 3 所示。通過(guò)在圖中所示位置分別添加調(diào)諧頻率為 100且質(zhì)量為 1動(dòng)態(tài)吸振器， 通過(guò) 車身結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)修正預(yù)測(cè)計(jì)算，得到新的車身模態(tài)結(jié)果，并重新分析右懸置 線，得到如圖 4 所示所有方案的右懸置 比結(jié)果。 圖 4、不同位置添加 1100態(tài)吸振器右懸置 比結(jié)果 從圖 4對(duì)比結(jié)果可以看出， 方案 2即在右懸置前添加動(dòng)態(tài)吸振器在整個(gè)頻率段具有相對(duì)最優(yōu)的結(jié)果，特別在 100率段附近很好的抑制了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，具有較好的主動(dòng)振動(dòng)控制效果。由于需要考慮減重，并且要求該吸振器在其他頻率段不會(huì)引起新的較大的峰值，需要對(duì)吸振器質(zhì)量進(jìn)一步優(yōu)化。 5 動(dòng)態(tài)吸振器質(zhì)量?jī)?yōu)化 圖 5、添加不同質(zhì)量（ 100態(tài)吸振器右懸置 比結(jié)果 動(dòng)態(tài)吸振器質(zhì)量越大，吸收結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量就越大，所以一般較大的動(dòng)態(tài)吸振器質(zhì)量一定頻段會(huì)具有相對(duì)較好振動(dòng)抑制效果。但考慮到成本和對(duì)其他頻段的影響，需要對(duì)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的性價(jià)比。同樣，選取從 2間幾種質(zhì)量的動(dòng)態(tài)吸振器，使用 模態(tài)修正預(yù)測(cè)功能對(duì)在右懸置前添加不同質(zhì)量的 100態(tài)吸振器后的車身 果進(jìn)行分析和對(duì)比， 對(duì)比結(jié)果如圖 5 所示。5 從對(duì)比結(jié)果可以看出， 2動(dòng)態(tài)吸振器雖然在 100率段附近具有很好的主動(dòng)振動(dòng)控制效果， 但在其他頻段激起了更大的振動(dòng)峰值， 而 1右的動(dòng)態(tài)吸振器在整個(gè)頻率段具有相對(duì)較好的效果，所以，動(dòng)態(tài)吸振器質(zhì)量選取 1右為宜。 6 證 懸置是動(dòng)力總成激勵(lì)將振動(dòng)傳遞到車身的主要路徑， 所以懸置處的振動(dòng)峰值通常會(huì)一起車內(nèi)較大的噪聲峰值。因此，有必要對(duì)右懸置添加動(dòng)態(tài)吸振器后的噪聲靈敏度效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。如圖 6 所示為添加動(dòng)態(tài)吸振器前后通過(guò)在右懸置施加垂向掃頻單位載荷， 進(jìn)一步通過(guò)白車身結(jié)構(gòu)與車內(nèi)聲腔振動(dòng)耦合計(jì)算得到的車內(nèi)聲壓響應(yīng)結(jié)果對(duì)比。 該結(jié)果雖然不能完全代表準(zhǔn)確的右懸置激勵(lì)到車內(nèi)聲壓的靈敏度情況，但通過(guò)相對(duì)值的對(duì)比，可以看出添加該動(dòng)態(tài)吸振器對(duì) 100率附近的噪聲靈敏度峰值具有很好的衰減效果，并且對(duì)其他頻段聲壓靈敏度沒(méi)有顯著的影響。 圖 6、添加動(dòng)態(tài)吸振器前后右懸置 比結(jié)果 7 結(jié)論 根據(jù)以上的分析， 模態(tài)修正預(yù)測(cè)功能可以非常方便的進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸振器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。針對(duì)右懸置的 值，通過(guò)設(shè)計(jì)不同位置、不同質(zhì)量的動(dòng)態(tài)吸振器，最后得到在右懸置前添加 1右 100動(dòng)態(tài)吸振器對(duì)振動(dòng)和噪聲峰值都具有較好的抑制作用。 以上分析結(jié)