轎車白車身模態(tài)試驗(yàn)與有限元模態(tài)分析的對(duì)比

1、第23卷第1期Vol.23No.1重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué))JournalofChongqingInstituteofTechnology(NaturalScience)2009年1月Jan.2009轎車白車身模態(tài)試驗(yàn)與有限元模態(tài)分析的對(duì)比廖林清,徐科峰,雷剛,屈翔(重慶工學(xué)院重慶汽車學(xué)院車輛模擬與試驗(yàn)工程技術(shù)研究中心,重慶)摘要:以某轎車白車身為研究對(duì)象,用隨機(jī)信號(hào)對(duì)白車身進(jìn)行激勵(lì),.行對(duì)比,.關(guān)鍵:;有限元模態(tài)分析;動(dòng)態(tài)特性中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-0924(2009)01-0011-04ComparisonbetweenModalAnalysisandExperimen

2、talModalAnalysisofCarsBody-in-WhiteLIAOLin-qing,XUKe-feng,LEIGang,QUXiang(ResearchCenterforAutomobileSimulationandExperimentEngineeringTechnology,ChongqingInstituteofAutomobile,ChongqingInstituteofTechnology,Chongqing400050,China)Abstract:Takingcarsbody-in-whiteassubject,thispaperanalyzesthevibratio

3、nofthebody-in-whitebasedontheexperimentalmodalanalysismethod.Themodalparameterssuchasthemodefrequen2cy,dampandshapeoftheframeareidentifiedbyusingrandomsignal.Theresultsofthefiniteelementmodalanalysisarecomparedwiththatoftest,thencommentsareofferedonthedynamiccharacteristicsofthecarsbody-in-white.Key

4、words:body-in-white;experimentmodalanalysis;finiteelementmodalanalysis;dynamiccharacteristic現(xiàn)代汽車大都采用承載式車身,白車身的振動(dòng)特性對(duì)整車的動(dòng)態(tài)特性具有決定性的意義.汽車白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)反映白車身結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性,它不僅影響汽車的強(qiáng)度、剛度、可靠性和使用壽命,還影響乘坐舒適性.通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)方法收稿日期:2008-10-28測(cè)出白車身頻響函數(shù),并從中分析出模態(tài)參數(shù),同時(shí)利用有限元方法進(jìn)行模態(tài)分析,通過(guò)對(duì)比研究,可以看到試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果的差異.根據(jù)分析結(jié)果,可以對(duì)該白車身的動(dòng)態(tài)特性做出客觀評(píng)價(jià),也

5、可以為白車身結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)修改提供基金項(xiàng)目:重慶市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC,2007AA6009).),男,四川人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)法的教學(xué)與應(yīng)用研究.作者簡(jiǎn)介:廖林清(1966© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 12重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)為純隨機(jī)信號(hào).激振器采用剛性安裝方法,基座與基礎(chǔ)剛性連接,有利于較低頻段保持對(duì)結(jié)構(gòu)較大的激振力2.激振點(diǎn)選擇的原則是使激振力易于向結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位傳遞,要求避開(kāi)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)和懸掛點(diǎn),而且要考

6、慮安裝方便性.經(jīng)過(guò)不斷的試用,選取37號(hào)點(diǎn)為激振點(diǎn),方向?yàn)榇怪狈较?依據(jù).1白車身模態(tài)試驗(yàn)1.1基本原理模態(tài)試驗(yàn)分析是依靠動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)對(duì)某個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,由系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)處理,采用模態(tài)參數(shù)辨識(shí)法對(duì)實(shí)測(cè)到的每一個(gè)傳遞函數(shù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識(shí),從而得到被測(cè)系統(tǒng)的固有特性.1.2試驗(yàn)懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本次模態(tài)試驗(yàn)采用自由支承狀態(tài).自由狀態(tài),度比較小的彈簧,車身保持水平1.懸掛點(diǎn)分別選取前后懸架在車身的固定點(diǎn)上,與車身的連接處為4個(gè)質(zhì)量極小的掛鉤.從而使其對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)影響最小.整個(gè)車身的約束狀態(tài)接近于自由狀態(tài),因此這個(gè)懸掛系統(tǒng)對(duì)白車身整體固有特性測(cè)試的影響是比較小的.試驗(yàn)懸掛如圖1所示.1.4模態(tài)

7、試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)圖2測(cè)振點(diǎn)位置分布試驗(yàn)采用汽車振動(dòng)噪聲分析系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào),并且接收激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào),然后把數(shù)據(jù)輸給計(jì)算機(jī),利用OnosokkiDS-2000系列軟件采集和處理信號(hào),MEscope軟件識(shí)別模態(tài)參數(shù).模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的原理如圖3所示.圖3模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)圖1白車身試驗(yàn)懸掛2有限元模態(tài)分析2.1幾何模型的修改1.3測(cè)振點(diǎn)的布置及激振點(diǎn)的選擇車身是連續(xù)振動(dòng)系統(tǒng),該系統(tǒng)的慣性、彈性、阻尼和運(yùn)動(dòng)都依賴于空間坐標(biāo),因此不可能獲得連續(xù)分布式的響應(yīng)測(cè)量和無(wú)限多個(gè)特征解,因而在進(jìn)行實(shí)際振動(dòng)分析、參數(shù)識(shí)別時(shí),通常將無(wú)限自由度的連續(xù)振動(dòng)系統(tǒng)離散為有限自由度的離散振動(dòng)系統(tǒng).在整個(gè)車身上布置了106個(gè)

8、測(cè)振點(diǎn).測(cè)振點(diǎn)位置分布情況如圖2所示.本試驗(yàn)采用電動(dòng)激振器單點(diǎn)激振,激振信號(hào)該白車身結(jié)構(gòu)是由沖壓成形鋼板通過(guò)點(diǎn)焊進(jìn)行聯(lián)接的.白車身有很多細(xì)小的結(jié)構(gòu)特征,如裝配工藝孔、讓位臺(tái)階、過(guò)渡圓角等.由于這些特征對(duì)結(jié)構(gòu)整體的性能影響很小,因此建模時(shí)刪除了裝配工藝孔、讓位臺(tái)階、過(guò)渡圓角等細(xì)小的結(jié)構(gòu)特征3.2.2有限元模型由于該車身結(jié)構(gòu)件大部分是由沖壓成形鋼板組成,所建的有限元模型采用殼體單元Quard4和© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 廖林清,等:轎車白車身模態(tài)

9、試驗(yàn)與有限元模態(tài)分析的對(duì)比少量Tria3來(lái)模擬車身零件的結(jié)構(gòu).建立有限元模型時(shí),在車身的幾何模型上,有點(diǎn)焊的地方加上硬點(diǎn),采用RBE2連接2個(gè)硬點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)來(lái)代替真實(shí)的點(diǎn)焊連接.完成后的整個(gè)白車身有限元模型由163458個(gè)殼單元,174205個(gè)節(jié)點(diǎn)和2755對(duì)焊點(diǎn)單元組成.如圖4所示.13次上一一對(duì)應(yīng),從振型上看,具有較好的相關(guān)性,對(duì)應(yīng)頻率值相對(duì)誤差絕對(duì)值在10%以下.比較結(jié)果表明,有限元模型計(jì)算得到的固有頻率同試驗(yàn)測(cè)得的頻率符合很好,說(shuō)明所建立的有限元模型很好地反映了實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性.盡管如此,理論分析與試驗(yàn)分析結(jié)果仍有一定誤差,分析原因:1)在用有限元法建立白車身模型時(shí)刪除了裝配工藝孔、讓

10、位臺(tái)階、過(guò)渡圓角等這些細(xì)小的結(jié)構(gòu)特征.2).,存在誤差.總之,模態(tài)試驗(yàn)采用白車身的真實(shí)結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)圖4測(cè)量得到模態(tài)參數(shù),結(jié)果真實(shí)可靠;有限元分析采用的白車身有限元模型是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理的,所以存在一定的誤差.若要進(jìn)一步使用有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析或結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化,所建立的有限元模型還需進(jìn)一步修正.3白車身模態(tài)試驗(yàn)分析與有限元模態(tài)分析對(duì)比3.1固有頻率對(duì)比由表1可以看出,計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)從階表1白車身分析模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)對(duì)比階次12345678試驗(yàn)頻率/Hz23.127.436.540.043.947.449.151.5有限元分析頻率/Hz21.9826.9739.0840.3145.7146.

11、5346.8553.23誤差/%4.851.57-7.07-0.78-4.121.844.58-3.36振型描述1階扭轉(zhuǎn),尾部扭轉(zhuǎn)較明顯整車1階扭轉(zhuǎn)整車Y向彎曲尾部Z向彎曲整車Z向1階彎曲局部Z向彎曲2階扭轉(zhuǎn)前部和尾部Z向彎曲3.2各階振型對(duì)比由試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型與計(jì)算分析振型(圖512)可以看出,試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果得到的振型大致相同.試驗(yàn)?zāi)B(tài)圖中虛線為車身變形前的位置,實(shí)線為變形后的位置.限于篇幅只列出1至4階的振型.圖5第1階試驗(yàn)?zāi)B(tài)© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re

12、served. 14重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)圖6第1階分析模態(tài)圖11第4階試驗(yàn)?zāi)B(tài)圖12第4階分析模態(tài)圖73.3白車身動(dòng)態(tài)特性從固有頻率的角度分析,汽車運(yùn)行的同時(shí)要承受各種來(lái)自外界和內(nèi)部激勵(lì)源的激勵(lì),這些激勵(lì)主要包括:1)汽車在低于150kM/h速度下行駛,路面對(duì)汽車的激勵(lì)頻率低于21Hz,一般要求白車身的第1階扭轉(zhuǎn)頻率在23Hz以上4,相對(duì)于本車身,可圖8第2階分析模態(tài)以適當(dāng)提高車身剛度,以增加低階固有頻率.2)由于發(fā)動(dòng)機(jī)通常工作在怠速和正常工作時(shí)的額定功率轉(zhuǎn)速下,所以要使白車身的各階固有頻率錯(cuò)開(kāi)這2個(gè)轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率.3)還要考慮車輪不平衡和傳動(dòng)系統(tǒng)引起的激振頻率.因此在分析白車身的固有頻率時(shí)

13、,要考慮各種來(lái)自外界和內(nèi)部激勵(lì)源的激振頻率,車身的固圖9第3階試驗(yàn)?zāi)B(tài)有頻率必須避開(kāi)激勵(lì)頻率.從振型的角度分析,該車身的低階振型主要以彎曲和扭轉(zhuǎn)為主,振幅較大的區(qū)域主要是頂棚與A柱和C柱連接的地方、發(fā)動(dòng)機(jī)艙靠前、車身尾部.可以增加振幅相對(duì)較大部位的剛度,以減小這些部位的振幅.對(duì)尾部進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn),可以改善整個(gè)白車身的動(dòng)態(tài)特性.圖10第3階分析模態(tài)(下轉(zhuǎn)第66頁(yè))© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 66重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)proapoptoticprotei

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