（光学工程专业论文）城市客车车身模态分析与结构优化.pdf

江苏大学工程硕士论文 摘要 随着我国城市交通运输和旅游事业的蓬勃发展，我国汽车的保有量近年来迅 速增加，由此出现的车辆振动、噪声问题越来越多。汽车振动、噪声控制关系到 环境保护、汽车行驶平顺性和车辆的耐久性。与此同时，日益激烈的市场竞争迫 使汽车厂商都在努力缩短新车型设计与开始生产之间的周期。试验模态分析是依 靠动态测试技术对实物进行测量，利用模态参数识别方法对实测到的传递函数进 行模态参数识别，从而得到实物的固有特性。本课题是n e 6 7 4 1 中型客车为研究 对象，以试验模念分析理论为基础，运用m a c r a s 软件及信号采集箱进行频率 数据采集，建立了该型客车的分析模型，利用模型对该型客车的骨架进行分析， 寻找设计的薄弱化解，在此基础上又对该型客车的结构进行修改优化，缩短了开 发周期，降低了开发风险，取得了良好的效果。本文主要作了如下工作： 1 建立了该款车分析模型 根据开发设计要求生产出符合图纸要求的车身，利用底盘的悬架作为原装支 撑，将车身主要的5 大片作记号取点，在车身上取3 7 4 个测点，设计了5 3 5 条连 线，构成了车身分析模型。 2 进行了车身模态试验 利用m a c r a s 软件对车身的各测点进行锤击法试验，取得各点的自功率谱、 互功率谱及相干函数，采用频响函数集点平均曲线获得初始估计，用软件进行曲 线拟合得到导纳幅值及导纳实部和虚部。 3 对车身振动进行了振动分析 根据振型动画，结合振动对人体的影响，拟合试验2 0 阶振型，分别对左、 右、i j f 、后、顶骨架进行试验分析，找出各总成振幅较大点的零件。 4 提出了结构改进方案 从实验各种数据分析，结合各振幅较大点的零件的设计结构，分别对左右侧 骨架侧窗上横梁、前后围风窗固定横梁及顶空调固定纵梁提出结构改进的措施。 关键词：客车、振动、模态分析、结构优化 江苏大学工程硕士论文 a b s t r a c t b yt h ed e v e l o p i n go fc i t yt r a n s p o r t a t i o na n dt o u r i n gp r o j e c t , t h et o t a ln u m b e ro f b u s e si nc h i n ai n c r e a s e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h e r e f o r e ，t h ev i b r a t i o no fv e h i c l e s a n dt h en o i s ep r o b l e m ，w h i c hc o u n tf o rm u c ht ot h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , a n dt h e s m o o t h n e s si nd r i v i n ga n dw e a l o fv e h i c l e s ，o c c u rm u c hm o r ef r e q u e n t l y a tt h es a m e t i m e ，v e h i c l ep r o d u c e r sa r et r i g t os h o r t e nt h ep e r i o df r o md e s i g n i n gn e wm o d e lt o t h ep r o d u c ed a t ed u et ot h ei n c r e a s i n g l yf u r i o u sm a r k e tc o m p e t i t i o n a n a l y s i so nt e s t m o d eg e t so b j e c t sc h a r a c t e r i s t i cf r o mm e a s u r i n go b j e c t sb yt h ed y n a m i ct e s t t e d m o l o g y , i d e n t i f y i n gt h ef u n c t i o no fm o d ep a r a m e t e rf r o m m e a s u r e m e n to fv e h i c l e s b yr e s e a r c h i n go nn e 6 7 4 1m i d - s i z e db u sa n d b a s e do nt h et h e o r yo fa n a l y s i so nt e s t m o d e ，t h et h e s i si n t e n d st os e tu pt h ea n a l y s i sm o d e lf o rt h ek i n do fb u sa n ds e e ka s k f o rt h ei m p r o v e m e n to ft h ew e a k n e s so fd e s i g nb ya n a l y z i n gt h ef r a m eo ft h em o d e l b ym a c r a ss o f t w a r ea n df r e q u e n c yd a t ac o l l e c t i n gw i t hs i g n a lc o l l e c t e a s e f u n l l e r m o r e ，t h ea u t h o ra c q u i r e sf a v o r a b l ee f f e c tb yp e r f e c t i n gt h es t r u c t u r eo ft h i s m o d e la n ds h o r t e n i n gt h ed e v e l o p i n gp e r i o d t h et h e s i si sd i v i d e di n t o4p a r t sa s f o l l o w s ： 1 s e tu pn e 6 7 4 1m o d e lf o ra n a l y s i s p r o d u c et h eb u sb o d ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n i n g ，d e v e l o p i n ga n d d r a w i n g t h e n ，m a r ko n5m a i np a r t so f t h eb o d y , w h i c ha c c o u n t st o3 7 4s u r v e ys p o t s a m o n g t h es p o t s ，d e s i g n5 3 5l i n e sw h i c hf o r mt h eb o d ym o d e lf o ra n a l y s i s 2 c a r r yo u tt h eb o d ym o d et e s t a f t e rt a k i n ga u t op o w e rs p e c t n l m c r o s sp o w e rs p e c t n l ma n dc o h e r e n c yf u n c t i o nb y t e s t i n ge v e r ys u r v e ys p o ti nt h eb o d yb yh a m m e rh i t t i n gw i t hm a c r a ss o f t w a r e , g e t e a r l ye s t i m a t eb yt h ei m p u l s er e s p o n s ef u n c t i o ns p o t sa v e r a g ec u r v e ，t h e ng a i nt h e a d m i t t a n c ea n di t sr e a lp a r ta n di m a g i n a r yp a r tb yc u r v e - f i t t i n gw i t hs o f t w a r e 3 d ot h ea n a l y s i so nt h eb o d yv i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea n i m a t i o no fv i b r a t i o na sw e l la st h ee f f e c to nh u m a nb o d y , f i t t i n g t e s t so f2 0 一s t e p sv i b r a t i o nw i l lb ep e r f o r m e do nt h el e f t 、r i g h t 、f r o n t 、r e a ra n dt o po f 江苏大学工程硕士论文 t h ef r a m ei no r d e rt of i n dt h es p a r ep a r tt h a tv i b r a t e ds e v e r e l y 4 p u tf o r w a r dt h eb l u ep r i n tf o rs t m c t u r eo p t i m i z a t i o n a f t e rc o m b i n i n gt h ea n a l y z er e s u l to ft h et e s td a t aa n dt h es t i f l eo fp a r t s w h i c hv i b r a t em o r ef i e r c e l y , t h ea u t h o rp u tf o r w a r da m e l i o r a t em e a s u r e sf o rt h e s i d e w i n d o wu p p e rc r o s s b e a m si nt h en e a r s i d ea n ds t a r b o a r df r a m e w o r lv e n t i l a t o r 丘】【- u pc r o s s b e a m si nf r r rp a n e la n dt o pa i r - c o n d i t i o n e rf i x u pl o n g e ro n k e yw o r d s ：b u s ；v i b r a t i o n ；m o d a la n a l y s i s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密昭。 学位沧文作者签名：强卿 v o 年月7 日 特狮虢纠砂 年月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：涨j 卵 日期：碉年6 月 江苏丈学t 程硕e 论文 第1 章绪论 振动在我们日常生活中随处可见，车、船、飞机的运行受各种因素的影响产 生振动，地震、风、波浪引起的建筑物的振动等，人们在研究这些振动对车、船、 飞机、建筑物等产生多大的影响时，总在探索一些解决问题的办法，一般以振动 理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，就称为模态分析【1 1 。 1 1 模态分析及其在各行业中的应用 模态是机械结构的固有振动特性。每一阶结构的模态具有特定的固有频率、 阻尼比和模态振形等模态参数，而这些模态参数可以由计算或试验分析取得。以 线性叠加原理为基础，将一个复杂的振动系统分解为许多模态的叠加，从而得到 所需要的振动数据，这样一个分解过程称为模态分析过程。 模态分析的理论是在机械阻抗与导纳的基础上发展起来的，它借助自动控制 理论中的传递函数( 频率响应函数) 概念，用传递函数反映某一系统的输入输出 关系，从而计算出该系统的固有特性。对一个复杂系统，利用线性系统的叠加原 理，分别研究各阶固有频率附近的振动特性。模态分析是一种参量识别的方法1 2 j 【3 1 ，模态分析的核心内容是确定用以描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比 及振型等模态参数，它包括理论模态分析和试验模态分析。 理论模态分析从机械、结构的几何特性与材料特性等原始参数出发，采用有 限单元法形成系统的离散数学模型质量矩阵和刚度矩阵，然后通过求解特征 值问题，确定系统的模态参数，它属于结构动力学的问题。由模态迭加法，可以 分析机械、结构在已知外载荷作用下的动态响应或动态稳定性问题。理论模态分 析特点是：理论性强，模态参数可以完整地描述系统的动力学特性。 试验模态分析【4 】则是依靠动态测试技术对某个系统( 实物) 进行测量，得到 该系统( 实物) 各测点对某一测点( 对实物进行网格划分，每一个线交叉点就是 一个测点) 的传递函数。然后采用模态参数辨识方法对实测到的每一个传递函数 进行模态参数( 固有频率；模态振型；模态阻尼；模态刚度和模态质量) 辨识， 从而得到被测系统( 实物) 的固有特性。它属于结构动力学的逆问题。由于试验 江苏大学t 程硕 论文 模态分析的结果来源于对实物的测试，因而得到的模态参数符合实物的实际情 况，其精度取决于测试系统精度与分析系统的精度。近二十年来试验模态分析被 广泛地应用于机械行业和其他相关行业，也常被用作检验结构的理论模型正确与 否。 通常，模念分析都是指试验模态分析【5 1 。振动模态是弹性结构的固有、整体 的特性。如果通过模态分析方法清楚了结构物在某一感兴趣的频率范围内各阶主 要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振 动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法之一【6 1 。 试验模态分析技术是随着快速傅立叶变换( f f t ) 算法和基于f i 叩的动态测 试分析仪的出现而诞生的，并逐渐成为机械与结构振动分析和动态设计的重要手 段，在机械、航空、航天、汽车、动力、土木等工程领域获得广泛应用。试验模 态分析技术的发展大致可分成三个阶段i s 。初期阶段( 2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代中期) 有两项引人注目的“发明创造”：一是振型动画显示，使抽象的结构动 力学特性易于为工程人员所理解；二是带力传感器的激振力锤，使模态试验简单 易行，并从实验室走向现场。第二阶段( 2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期) ， 模态分析有了长足的进步，提出了各种行之有效的频率响应函数( f r f ) 测量与 估计以及模态参数识别方法，由单输入，单输出( s l s o ) 技术发展到单输入多输 出( s i m o ) 技术以及多输入多输出( m i m o ) 技术。第三阶段( 近十多年来) ， 模态分析又取得了一系列新进展【7 1 。表现在： ( 1 ) 三大模态试验技术。第一是多点随机技术，它利用宽带随机信号对结构 激励，不仅可以经f f t 快速测量f r f ，而且随机激励还具有对弱非线性环节线 性化的独特优点，因而很适宜于结构振动特性试验。同时多点激励使输入能量均 匀，数据一致性好，并有分离密集模态的能力，这一点在大型复杂结构模态试验 中尤为重要。第二是步进正弦技术，经典的多点正弦激振原理和空间域模态识别 来实现相位分离。第三是多参考点锤击技术，锤击法模态试验技术具有设备简单、 方便易行、适于现场测试等优点，而多参考点锤击技术不仅具有上述锤击法的优 点，还和m i m o 技术一样，能够区分密集和重频模态。 ( 2 ) 模态分析与试验的新理论。模态分析的基本理论是线性系统分析，适用 于结构阻尼或粘性阻尼。近十年来这方面进展体现在：一是对所谓亏损系统的研 江苏大学t 程硕e 论文 究和讨论，二是集中在阻尼的描述和建模，此外非线性模态分析仍是正在进行探 讨的热门课题。与模态分析理论相比，在模态试验理论方面取得更多的进展。一 是传感器与激振器的优化配置，在传统振动试验中，无论传感器和还是激振器， 都是凭经验配置，近来又提出了各种自动优化配置方法，取得了良好的效果，使 模态试验又有新的进展。二是虚拟试验技术，为了增加试验数据，扩大试验结果 信息量，提出了一种新颖的边界条件摄动( p b c ) 试验方法，即在不同边界条件 状态下进行多次模态试验。在这一新思想的启发下，发展了所谓的虚拟试验理论， 即由虚拟的结构修改( 包括虚拟新附加质量、虚拟接地、虚拟边界条件等) ，得 到更多的观测结果，用于识别结构参数或输入载荷；或者控制结构输入，使结构 响应对某些特定的参数更为敏感。 通常将一个模态作为一个单自由度系统的振动的固有频率、阻尼比以及整 个结构在此模态下作纯模态的振动的振型三个参数称为模态参数。对于大多数弹 性理论上具有无穷多个模态，工程上只对其中若干低阶( 对应模态频率较低的) 模态感兴趣。 ( 3 ) 模态分析与试验技术的拓展。模态分析与试验在机械、汽车、飞机、卫 星、桥梁、建筑等各种结构中获得成功应用，不仅在振动故障诊断、动态设计中 大显示身手，而且在基于振动的机械、结构技术状态检测与故障诊断中前景看好。 但是经典的模态分析与试验主要针对静止结构，而且大多在实验室状态下进行， 近十年来，模态分析与试验技术被拓展到处于现场运行状态的机械结构、旋转机 械以及声学领域，并取得实质性进展。江苏理工大学的蒋国平【引、王国林等采用 试验模态分析和有限元等研究方法对动力传动系弯曲振动特性进行研究，建立 了较为理想的弯曲振动分析模型，重庆大学宾洋 9 1 对行驶车辆问动力学系统的控 制问题，研究了该系统的结构、特征及现代控制技术，为实现车辆间纵向距离自 适应控制提供理论及技术支撑，西南交通大学胡建荣【1 0 】利用振动理论和模态分 析理论，运用a n s y s 大型通用有限元软件对预置裂纹薄板结构进行模态分析计 算，得出了裂纹大小和位置与振型，频率之间的对应关系，应用l m s t e s t l a b 试验 模态分析系统进行了验证。 2 0 世纪6 0 年代初，模态分析技术也开始在我国航空、航天领域得到应用， 应该说我国第一颗人造卫星的发射也曾得益于这一技术的应用。然而，我国其他 江苏大学t 程硕 论文 领域对模态分析技术的接触要算是7 0 年代后期的事了。虽然科技界对这一技术 的掌握及发展速度不算慢，但在工程技术上的普遍应用和推广还有待于各方面条 件的成熟，如产品技术发展竞争的需要及模态分析技术手段的完善、实用和费用 进一步廉价化。 1 2 模态分析在车辆工程中的应用 模态分析方法在车辆工程中已得到较广泛的应用：湖北汽车工业学院张胜 兰、严飞等使用h y p e r w o r k s 对中巴车架进行了模态分析，为车架改进提供了重 要模态参数；郭晓东等在p r o e 环境下建立s g l 3 5 汽车变速箱的3 d 实体模型， 用i - d e a s 对箱体进行分析获得功力参数；江苏大学的朱静、左言言等用有限元 模态分析基本理论对轻型客车的有限元建模及相应的模态分析设计，验证了模型 的正确性，为轻型客车车身的设计提供理论基础；上海交通大学陈德玲等用 i - d e a s 对客车三段式车架进行了模念分析，对车架上几个关键点的响应特征进 行研究，验证了车架设计的可靠性；谷叶水应用a n s y s 建立用于子午线轮胎动 态特性分析的非线性有限元模型，并进行模态分析得到固有频率及相应振型；清 华大学周长路等对微型客车白车身进行模态分析，提出了签别整体模态与局部模 态的方法。 国内试验模态分析技术在汽车车辆工程方面的已得到广泛使用：西安理工 大学吕江涛【1 1 】利用大型有限元分析软件a l g o rf e a s 对车架疲劳裂纹产生的原 因进行了深入的研究，并提出了改进方案；大连理工大学郝鲁波【1 2 1 进行了车体 振动模念的数值模拟和振动台试验为符合我国国情的高速车体模态评定规范“客 车模态试验方法及评定规范的研究( 2 0 0 3 j 0 4 1 ) ”课题作出了努力；吉林大学郭玉 自 【l3 i 以3 3 0 3 b 矿用自卸车为例，依r o p s & f o p s 设计模型，建立了正确的有限元 模型，进行了r o p s 的最小侧向承载能力分析、最小能量吸收能力分析、垂直承 载能力分析、纵向承载能力分析，对3 3 0 3 b 矿用自卸车的r o p s 的各项性能进行 了科学的评判；南京理工大学章骏【7 】通过试验模态建模分析，获得了动力传动总 成的动态特性参数，并对其进行受迫响应分析；大连理工大学张瑞先【1 4 i 以 b j l 0 4 3 v 8 p e 6 轻卡整车为研究对象，通过建立车身、车架等的整车有限元模璎， 应用有限元分析软件n a s t r a n 进行白车身、车架的模念计算，掌握结构的动 江苏丈学t 程硕上论文 力及振动特性，为结构改进提供理论基础；山东大学赵峰【1 5 】利用分析软件 a l g o rf e a s 建立汽车车架力学模型，对该车车架进行了静力学分析和动力学分 析计算，以降低车架的振动为目标，对车架进行分析、优化：合肥工业大学谷叶水 【1 田通过分析车身结构的力学特性，建立了客车车身结构有限元计算模型，并总结 归纳了车身结构模型化的方法。 在西方发达国家，试验模态分析技术早已进入工厂化应用阶段，如在美国 一些大汽车公司的试验中心已设有专门车间对汽车零部件进行模态分析试验。为 产品结构设计与研究提供特性数据。 汽车的行驶工况较复杂，整车不只是强度和刚度的不足而产生破坏，而更多 的却是疲劳破坏，汽车多个部件的固有频率和振型是产生破坏的根本原因。对于 结构和载荷复杂的客车，难以采用经典方法，只能寻求问题的近似解或采取其它 迂回的办法。其中，有限元法是将结构的物理模型抽象为有限元计算的数学模型， 通过计算机和相应的分析软件，求得问题的近似解，但是，有限元法不能进行精 确的动态分析，而且在动态特性分析中，机械的阻尼特性是很重要的，其难以从 图形上求得。相比之下，试验模态分析是最有效的方法i l ”。 节约资源、减少环境污染是保持世界经济可持续发展的亟待解决的两大课 题。而人们对汽车安全性、舒适性、环保性能的要求不断提高，各种车载设备越 来越多，增加了汽车的质量、耗油量和耗材型1 8 j 1 1 9 1 。要使汽车省油并减少排放， 首选是让汽车“瘦身”。资料显示，客车车身质量占总质量的3 0 4 0 ，车身制 造成本占整车制造成本的比重超过二分之一。因此车身轻量化研究显得十分重 要，所以我国在九五期间将车身开发技术列为重点攻克的课题之一。 从结构力学来看，客车车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构 件组成的空间高次超静定结构。各杆件结构形状各异，杆件之间的连接也各种各 样。国内道路通常为b 级或c 级路面，行驶条件差，车身骨架的受力情况比较 复杂，在高低崎岖的道路上行驶时，车身骨架会反复受到扭转，产生反复约束扭 转应力，成为车架强度问题的主要因素。所以结构分析难度大，许多厂家设计初 期，没有实验数据，主要是靠经验和类比设计，缺乏力学特性分析的科学依据， 设计偏于保守，承载构件未能充分利用，汽车自重过大。 客车发展初期，车身采用非承载式结构，由专业化车身厂将车身装在货车底 江苏大学t 程硕l 论文 盘车架上。虽有利于在同一汽车底盘上安装不同的车身，但未充分利用车身骨架 的承载作用，故整备质量较大。为了轻量化设计并兼顾车身与货车底盘匹配，将 车架横梁加宽并与车身侧围骨架剐性连接，使车架车身合成一个整体，车身骨架 也承担部分载荷，这就是半承载式车身。半承载式车身仍保留有质量较大的车架， 为了进一步减轻自身质量以及使车身结构合理化，可改用质量较小，而刚度较大 的承载底架。这种底架具有贯通式纵梁和一些与车身等宽的横梁。车身骨架形成 一个刚性空间承载系统。从而使车身构件都参与承载，使各构件承载时相互牵连、 协调，充分发挥材料的最大潜力，使车身质量较小而刚度、强度较大。 车身是汽车的三大总成之一唧l ，客车车身更是客车的关键总成，是其承载 主体。随着社会的发展，人们对车身结构的性能要求越来越高。如何判断车身结 构的合理性及静、动态特性的优劣，显得十分重要，车身结构必须有足够的强度 以保证其疲劳寿命；足够的静刚度以保证其装配和使用的要求：同时应有合理的 动态特性以达到控制振动与噪声的目的。车身结构的刚度是指车身结构反映出的 载荷与变形之间关系的特性。刚度不足，会引起车门、车窗等开口处的变形加大， 另外还可能造成车身发生结构共振。共振不仅使乘客感到不舒适，而且会带来噪 声和零部件的疲劳损坏。所有这些问题最终将会直接或间接地影响汽车的强度、 耐久性及安全性能【6 】。车身结构的模态频率分析可以预测车身与其他部件如悬架 系统、发动机、传动系及路面之间发生动态干扰的可能性，通过合理的结构设计 可以避开共振频率。因此，车身刚度和模态是车身结构中首先要考虑的两个重要 指标。但由于车身结构十分复杂，用经典力学方法很难得到问题的精确解。在计 算机和计算技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近似数值解法已经成为现实面 又有效的选择。应用实践证明，利用模态分析对客车车身骨架结构进行静态和动 态分析，可获得结构的承载特性和振动特性等评价指标，对其强度、刚度和吲有 振型有充分的认识，了解车身可能会有的应力和变形情况。通过合理选择结构形 式及尺寸参数，对其存在的不足之处及时加以改进，并为结构的改进提供依据， 使其具备良好的静动态特性，满足使用要求，从而缩短开发周期，节省大量的试 验与生产费用，是提高客车可靠性的既经济又适用的方法。 江苏大学1 亡程硕士论文 1 3 本课题的主要内容 采用基于试验模态分析的方法来识别客车车身振动问题在国内尚无先例。这 种方法同样也适用于其他结构的动态载荷识别问题。因此分析车辆动态特性对于 提高车辆抗振能力、疲劳寿命以及乘坐舒适性有着实际的应用意义。 本课题来源于一家中型客车企业，该公司原以中巴车生产销售为主，2 0 0 2 年起进行产品结构调整，相继开发6 7 9 0 、6 8 5 0 、6 8 5 1 、6 1 0 0 等车型，中大型客 车每年以1 5 的速度递增，2 0 0 3 年江淮公司开发出h f c 6 7 0 0 k 3 y 发动机后置 底盘，经过市场调研及论证，非常适合开发适用于中小城市的城市客车n e 6 7 4 1 。 n e 6 7 4 1 型客车的开发采用的是经验法及类比法，车身骨架设计偏保守，存在部 分不合理现象。但对该类问题的解决缺少科学的理论依据，对客车车身固有频率 缺少感性认识，鉴于此，对n e 6 7 4 1 城市客车车身模态分析与结构的研究具有非 常重要的技术与经济意义，对该客车企业的新产品的推出起非常重要的影响。 该车底盘为直大梁式，半承载式车身结构，后置发动机，配制前中乘客门、 顶置空调，2 3 个乘客椅，乘客可达5 0 人。 具体研究过程： 一、试验准备 1 、根据总体设计试生产出不含任何蒙皮件的骨架车体； 2 、对所需了解的点以汽车的坐标原点进行坐标统计，作标记标号，设计好 连接线： 二、数据采集 1 、对每一点利用c r a sv 6 2 软件及信号采集箱进行激振和响应数据采集： 2 、利用c r a s v 6 2 对频响曲线进行拟合，得到各阶模态结构动画( 振型) ： 三、模态分析 1 、对结构动画所反映出的影响较大的各段频率分析，结合设计制造工艺分 析得出结构存在的问题； 2 、 寻找对试制车辆技术改进的措施，为再试制时提供依据。 江苏大学t 程硕士论文 1 4 本章小结 以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，进行模态分析，试验 摸态分析使摸态分析的重要手段，试验模态分析技术在机械、航空、航天、汽车、 动力、土木等工程领域获得广泛应用。试验模态分析方法在国内外的车辆工程中 已得到较广泛的应用。用试验摸态分析理论来对客车1 嘣7 4 1 的设计的验证是企 业开发验证的切实有效的手段。 江苏大学工程硕十论文 第2 章车身模态分析理论 客车车身结构本身是一个无限多个自由度的振动系统，在外界的时变激励作 用下将产生振动。当外界激振频率与系统固有频率接近时，将产生共振。车身作 为一个多自由度的弹性系统，其固有振动频率也就相应表现为无限多的固有模 态，其低阶模态振型多为整体振型。研究城市客车的振动多数考虑的是多自由 度的连续振动系统。 2 1 试验模态分析的理论基础嗍嘲川 车辆工程中的实际结构都是连续振动系统，由于该系统的惯性、弹性、 阻尼和运动都依赖于空间坐标，人们不可能获得连续分布式的响应测量和 无限多个特征解，因而实际进行振动分析、参数识别时，通常将无限多个 自由度的连续振动系统离散为有限自由度的离散振动系统。 在物理坐标下，描述n 自由度离散振动系统的运动微分方程为： 阻戤) + c 船) + 医拎) = ，( ，) ) ( 2 1 1 ) 式中：阻】质量矩阵( 对称且正定) ，m r “” 【c l 一阻尼矩阵，c r “ k l 一刚度矩阵( 对称且正定或半正定) ，k r ” 扛) ，仁) ，辟) - n 维位移、速度和加速度响应向量， 扩( f ) ) 一_ n 维激振力向量。 设系统的初始状态为零，对式( 2 1 1 ) 两边进行拉普拉斯变换可得 p 2 + 【c p + k 1 ) 留( s ) ) = 护( s ) ) ( 2 1 2 ) 设式中的矩阵 ( z o ) 】p 2 + 【c b + k d ( 2 1 3 ) 则【z ( s ) 】反映了系统的动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵，其逆矩阵 江苏大学下程硕l 论文 陋( s ) 】= 【z p ) 】- = p 2 + ( c p + k 】) - 1 ( 2 1 4 ) 称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。由式( 2 1 2 ) 可知 i x ( s ) = 陋( s ) p ( s ) ( 2 1 5 ) 在上式中，令32 ，即可得到系统在频域内输出和输入的关系式 讧( ) ) = 陋( 国) p ( ) ( 2 1 6 ) 式中瞄 ) 】为频率响应函数矩阵。陋( 国) 】矩阵中第i 行j 列的元素： 蹦回5 篇 啪 表示仅在j 点激振( 其余坐标激振力为零) 时，i 点的响应与激振力之比。 在式( 2 1 3 ) 中令52 j o , ，可得阻抗矩阵 【z ( 国) 】= ( 陋卜2 阻】) + ，【c 】 ( 2 1 8 ) 它和导纳矩阵有类似式( 2 1 4 ) 的关系 阻 ) 】_ 防 ) r l = 舭】一国2 阻d + ，【c 矿1 ( 2 1 9 ) x , j t - 一般机械结构，假设矩阵【c 】也对称，这样矩阵【z p ) 】对称，频率响应 函数矩阵陋 ) 】也对称，故有 日口( ) 2 日| ( 珊) ( 2 1 1 0 ) 上式反映了机械、结构和频率响应有互易性，可作为频率响应测试精度的一 项重要检验手段。 利用振型矩阵的加权正交条件，即 如。p ， = ：，：! ： 曲- r k m r ：* q q 叫。) 式中：扣，1 1 0 。第q 、，阶特征向量( 固有振型) ， 珊，、七，第r 阶模念质壁和模杰刚窿。 江苏大学- 程硕e 论文 并设矩阵【c 】也可由振型矩阵p 】对角化，那么可以对阻抗矩阵，( 即式) 2 1 8 1 ) 进行如下变换 【z ( 珊) 】= 取卜2 阻】) + j i c l = 睁】- 7 陋r k 卜珊2 m d + j 4 c 如l * r 、q 怯 、j【川 式中：。= 任，一国2 坍，) + j 雠，c ，是第r 阶模态阻尼。 ( 2 1 1 2 ) 酬朝硝= 小、卜 = 姜龋 = 善砸 ( 2 1 1 3 ) 陋( ) 】矩阵中第i 行j 行的元素为 删2 喜砸釉 叫q 国：笠 式中：m r 第r 阶模态频率； 当：o z m ，q 第r 阶模态阻尼比； 细，) _ 一第，阶模态振型。 不难发现，n 自由度系统的频率响应等于n 个单自由度系统的频率响应的线 m _-_-l 2 1 一 ，i卜 m 、1，j 七 r z r。l r，、，l rl r r r r p b | i = 江苏大学工程硕上论文 性迭加。为了确定全部模态参数q 、鼻、枷，如= l ，2 ，j r ) ，实际上只需测量频 率响应函数矩阵的一列或一行就行了。 以上推导中用的是位移导纳f 即位移频率响应函数) ，而在实际试验时，为了 测量方便，常应用加速度导纳( 即加速度频率响应函数) ，它和位移导纳的关系 是 【h “w ) j = 一2 田( ) 】 ( 2 1 1 5 ) 2 。2 模态参数识别的理论分析 模态参数识别是试验模态分析的重要部分。识别方法有很多，习惯上 将它们分为频率域法和时间域法两大类。时间域法利用结构的自由振动响 应、脉冲响应或随机激励响应作为已知数据，从中识别得到所需的模态参 数，常用于实时故障监控，设备灵敏度要求商。而频率域法利用模态试验 得到的频响函数估值作为已知数据，从中识别得到所需要的模，奁参数。其 中有单自由度拟合法( s d o f ) 及多自由度拟合法( m d o f ) 。如果按输入 ( 激振点) 和输出( 响应量测试点) 的多少来分，又可将模态参数识别方 法分为单输入单输出( s i s o ) 法、单输入多输出( s i m o ) 法及多输入多 输出( m i m o ) 等种类。 依次对各测点的频率响应函数进行拟合，可得到相应数量的模态频 率、阻尼比和振型值。对于线性系统，模态频率和阻尼比是系统的总体参 数，理论上应该不随测点而改变。实际测试和拟合中不可避免地存在误差， 每次拟合所得到的模态数据会有分散性，最后可求平均值，给出各阶模态 频率和阻尼比的结果，这种局部曲线拟合需进行很多次，通常用自动拟合 方式实现。 对于一个具有n 自由度的模态阻尼系统，根据前面给出的式( 2 1 1 4 ) ， 在 点激励，i 点响应的实模念频率响应函数是： = 善礤专禺翮 2 喜孤南南丽 凹， 江苏大学工程硕上论文 式中： 脚：，：，一 9 西n 口 ( 2 2 2 ) 称为j 点激励，f 点响应的第r 阶等效质量。当趋近于某阶模态的固有频 率时，该模态起主导作用，称为主模态。在主模态附近，其他模态影响较 小。若模态密度不很大，各阶模态比较远离，其余模态的频率响应函数值 在该主模念附近很小，且曲线比较平坦，即几乎不随频率而变化，因此其 余模态的影响可用一复常数h c 来表示，对第r 阶模态式( 2 2 1 ) 可近似 表示成 卜司万j 网棚c 。者 瓦耘一，瓦0 褊) 2卜侧m 二【研一脚2 ) 2 + ( 2 六啡国) 2 。0 ；一) 2 + ( 2 鼻q 脚) 2j 一 ( 2 2 3 ) 日口 ) 的实部和虚部可表示如下 咖卜毒 瓦豸毛面卜 亿2 欧咖去【云煮赢卜 根据上两式可以作出实频图2 1 和虚频图2 2 。 由频响函数的实频图和虚频图可以进行模态参数的确定。 1 1 固有频率的确定 从实频图可以看出，固有频率就是实频曲线与剩余惯性直线日_ 等( 国) = 日? 的交点所对应的国值。另外一种方法是从虚频图来确定，此时缈。( - 0 r ，正好对应 虚频曲线的峰值，因为峰值较尖，所以更容易确定固有频率。 2 、阻尼比的确定 阻尼比系数可以由半功率带宽a 国来确定，由图2 1 的实频曲线对国求导可 得 江苏大学1 = 程硕 论文 0 l 百仲7 m 瓜 i 幢 怕。啪 气刁一一 图2 1 第r 阶模态频率响应函数的实频图 h iw v m n w aw rw h 工l - w c a d s 图2 2 第f 阶模态频率响应函数的虚频图 幽2 一吃 ( 2 2 6 ) 对于模念阻尼系统，其阻尼比系数为： 江苏大学工程硕t 论文 芦一一a c t 一口一些 务。瓦2 矿 3 1 确定模态振型 由式( 2 2 5 ) 知，对主模态而言( 不计剩余模态) ，当5 田r 时， ( 2 2 7 ) 日 t 【5 q ) 2 丽- 1 分别测出车架上各点的日： ) ( ，。1 ，2 ，力，值，则可得到第r 阶模态的振型系 数向量 和， = 妇：p = q ) ) = 扛；p = 啡) 日三 = q ) 日： = q ) = 一去舾一一一 ( 2 2 一垒 对于第r 阶模态，当采用逐点激励，单点响应时，2 m ，舅；为常数。因此 细，) = 缸： 2 啡) 即可代表模态振型。因为振型只反映振动形式，与振动大小 无关，若取响应点i 的频率响应函数，且对响应点归一化，则车架结构阻尼系统 的第r 阶模态质量m ，可以表示为 1 ”弼两 叫2 ) 应该指出，模态质量的数值与归一化的方法有关，不同的归一化方法将得到 不同的模态质量。 第i 阶模态刚度可由下式求出； t = m ，( 7 ； ( 2 2 1 3 ) 至此，已求出全部模态参数。 江苏大学t 程硕 论文 2 3 本章小节 研究城市客车的振动考虑的是多自由度的连续振动系统，车身的结构都是 连续振动系统，由于该系统的惯性、弹性、阻尼和运动都依赖于空间坐标，因而 实际进行振动分析、参数识别时，通常将无限多个自由度的连续振动系统离散为 有限自由度的离散振动系统。利用多自由度离散振动系统的运动微分方程进 行拉普拉斯变换，后进行固有频率和阻尼比的确认。 江苏大学1 = 程硕士论文 第3 章车身的模态试验研究 汽车车身阎研究包含大量的试验工作，通过试验来检验设计思想是否正确， 如对新设计结构和新材料的检验等。由于汽车车身结构复杂，涉及的技术领域广 泛，许多问题的理论研究的可靠性还不高，需要通过试验来检验分析模型是否合 理。车身结构试验分析是开发一流车身产品的重要基石。 汽车车身结构试验从不同的角度予以分类，按试验对象分为实物试验和模型 试验，按试验方式分为整车试验和零部件试验。按结构失效类型和理论分为静态 强度、动态强度试验和模态试验瞄1 2 4 1 。 汽车车身结构模态试验主要测量车身结构的固有频率、固有振型和阻尼等车 身结构固有特性。在车身工程上，主要测定低阶弹性模态，以避免产品在常规工 作范围内产生共振和高噪声可能。 3 1 被测对象 试验对象是n e 6 7 4 1 城市客车，生产该车是客车厂在7 米公交系列产品方面 的一个尝试，原先在中型城市客车的开发经验较少，为保证产品质量，同时为以 后全面开发产品积累经验。 n e 6 7 4 1 城市客车采用江淮7 c 6 7 0 3 k y 底盘，直大梁车架；后置发动机； 顶置式空调；底盘骨架材料采用q 2 3 5 异型钢管焊接而成，车身材料采用q 2 3 5 钢，侧围蒙皮采用1 2 咖镀锌钢板经张拉后与车身骨架单面点焊而成。 图3 1n e 6 7 4 1 客车外形照片 试验是对h f _ 临7 4 1 客车的骨架的前、后、左、右、上五大片骨架进行测试。 江苏大学t 程硕士论文 3 2 试验结构的支撑方式 试验结构分为原型和模型两种【2 5 】。对于已有的不很特殊的结构，可采用试 验原型。对采用试验原型。对图纸阶段的结构或特殊结构，即超大、超重或超小、 超轻结构，只能采用模型试验。采用试验模型时，需要根据相似理论制作模型， 不仅要考虑几何相似，还要考虑动力相似。 不管是原型试验还是模型试验，试验结构边界条件都是考虑的重要因素，不 同边界条件的结构特性可能完全不同。如一个自由梁与一个悬臂或简支梁的振动 特性完全不同。因此，必须要正确模拟被测结构的边界条件。 从力学意义上考虑，边界条件可分为几何边界条件、力边界条件、运动边界 条件等等。在模态实验中，对系统固有特性影响最大的是几何边界条件，也即试 验结构的支撑条件。支撑条件一般有自由支撑、固定支撑和原装支撑。 如果被测结构是完整的、则模态试验中的边界条件也应是完整的，即应以模 拟结构实际工作状态为原则。如果采用模态综合法将被测结构分为子结构来进行 模态试验，则边界条件应以模态综合法的要求确定。 3 2 1 自由支撑 有些振动结构的工作状态为自由状态，如空中飞行的飞机、火箭、导弹、卫 星等。这类结构在做整体模型试验时，要求具有自由边界条件。 事实上，很难达到完全自由的约束状态。为此，采用的支撑应尽量柔软，即 具有较低的支撑刚度和阻尼。这样的支撑称为自由支撑。经常采用的方式有橡皮 绳悬挂、弹簧悬挂、气垫支撑、空气弹簧支撑、螺旋弹簧支撑等等。采用自由支 撑后，相当于给结构增加了柔软约束，刚体模态频率不再是零，弹性模态也会受 到影响。但由于自由支撑的刚度、阻尼较小，结构的弹性模态不会受到很大影响。 比如刚体模态最高频率占到结构最低弹性模态固有频率的1 3 时，自由支撑对结 构最低弹性模态固有频率的影响只有1 ，故自由支撑一般能达到较好的效果。 如果将自由支撑点选在结构上关心模态的节点附件，并使支撑体系与该阶模念主 振动方向正交，则自由支撑对该阶模态的影响将达到最理想的效果。 有些边界条件非完全自由而受弱约束的结构也可以采用自由支撑。如汽车、 江苏大学工程硕士论文 摩托车、自行车、轮船等，所受的约束相对结构自身剐度来说仍小得多。这类结 构采用自由支撑也是适当的。运用模态综合法研究子结构模态特性时，经常采用 自由支撑。