（载运工具运用工程专业论文）基于薄板理论的驾驶室顶板振动的影响分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的日益提高，人们对于乘坐舒适性问题越来越重视。汽车 平顺性已成为其在市场中夺取优势的一项重要性能指标。 本文以某厂生产的低速汽车为研究对象，针对该车驾驶室出现的垂向振动情 况展开了研究。 首先，进行了试验研究，包括整车道路试验和整车模态试验。道路试验测取 了整车在行驶中各种激励( 路面、动力传动系等) 下对驾驶室地板处所产生的响 应值；通过模态试验得到驾驶室结构的各阶模态参数。在驾驶室七阶模态频率 ( 1 5 6 7 h z ) 下，模态振型表现为驾驶室顶板明显的垂向振动，并伴随着驾驶室整 体绕z 轴的转动，以及轻微的俯仰和左右摆动。 针对上述现象对驾驶室顶板展开了一系列的研究。 运用板壳理论中的两种近似计算方法：瑞莱一李滋法和伽辽金方法，分别计 算出驾驶室顶板振动的固有频率，并与模态试验结果相比较。 通过对驾驶室垂直方向振动的研究，对汽车的结构进行简化，分别建立起驾 驶室振动的三自由度和四自由度物理模型以及数学模型。 根据试验结果，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立两种驾驶室系统的仿真模型。模 型一；将驾驶室作为一个整体进行研究；模型二：将驾驶室顶板隔离作为一个单 独部件进行研究；分别对两种仿真模型进行了计算，分析驾驶室顶板振动对驾驶 室地板处垂向振动的影响，结果显示驾驶室顶板对驾驶室地板处加速度均方根值 的影响率为9 ，峰值的影响率为2 3 。 调整驾驶室项板厚度可以转移驾驶室顶板的固有频率，可以用于改善驾驶室 的乘坐舒适性。 最后，对驾驶室的七阶振型进行了力学分析。从力学的角度分别对驾驶室出 现绕z 轴( 垂直方向) 的旋转现象以及轻微的左右摆动和i ；i 后俯仰现象进行了定 性和定量的分析。 关键词：驾驶室，振动，顶板，模态试验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fo u rl i v i n gs t a n d a r d , f i d ec o m f o r ti sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t i th 弱b e c o m eac r u c i a lp e r f o r m a n c ei n d e xb yw h i c ht h ev e h i c l e s u c c e e d e a s i l yi nt h ec o m p e t i t i o n t b el o w - s p e e dt r u c ki ss e l e c t e di nt h i sp a p e r s o m er e s e a r c h e sa r ed e v e l o p e df o r t h er e a s o nt h a tt h ec a bv i b r a t e so b v i o u s l ya l o n gv e r t i c a ld i r e c t i o nw h i l et h es p e e d r e a c h e s4 0 k m h f i r s t l y , r o a dt e s ta n dm o d et e s ta r ec a r r i e do u t r e s p o n s ev a l u eo ft h ec a bf l o o r w h i c hi sc a u s e db ys o m ek i n d so fe x c i t a t i o n ( r o a d ，p o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e me r e ) i s m e a s u m dt h r o u g ht h er e a dt e s t t h er e s u l t so fm o d et e s ti n d i c a t et h a tw h e nt h en a t u r a l f r e q u e n c yi s1 5 6 7 h z ( o n7 t ho r d e rf r e q u e n c yo fc a b ) ，t h ev i b r a t i o ns h a p eo fc a b a p p e a r st h a tt h ec a ba p i c a lp l a t ev i b r a t e sv e r t i c a l l yo b v i o u s l y , a tt h es a m et i m e t h e w h o l ec a bt u r n sa r o u n dt h eza x 鼯 as e r i e so fs t u d i e sa l ed e p l o y e df o rt h ea p i c a lp l a t eb e c a u s eo fp h e n o m e n a m e n t i o n e da b o v e u t i l i z i n gt w oa p p r o x i m a t ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d so ft h et h e o r yo fp l a t e sa n ds h e l l s ， t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ec a ba p i c a lp l a t ei sc a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l ya n dt h e n c o m p a r e dw i t ht h em o d et e s tr e s u l t s t h es t r u c t u r e sa l es i r e # i f l e db yt h er e s e a r c ho ft h ec a b sv e r t i c a lv i b r a t i o n t h r e e a n df o u rd e 酽e p h y s i c a lm o d e l sa sw e l la st h em a t h e m a t i c a lm o d a l sa r eb u i l t s i m u l t a n e o u s l y t w oc a bm o d e l sa r eb u i l ti nt h es o f t w a r em 棚a ba n di t st o o l b o xs i m u l i n k a c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t s i no n em o d e l t h ec a bi ss t u d i e da sa w h o l e ；i na n o t h e r , t h ec a b a p i c a lp l a t ei ss e p a r a t e df r o mt h ec a b t or e s e a r c ht h ee f f e c to fc a ba p i c a lp l a t ev i b r a t i o n t h e nt h et w om o d e l sa r es i m u l a t e da n dc o m p u t e d ，i ti sh e l p f u lt oa n a l y z et h ee f f e c to f c a ba p i c a lp l a t ev i b r a t i o no nt h ev i b r a t i o ni nt h ep o s i t i o no fc a bf l o o r t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ee f f e c tr a t eo fa c c e l e r a t i o n 哪o fc a ba p i c a lp l a t ev i b r a t i o no nt h ec a b f l o o rc o m e st o9 w h i l et h ee f f e c tr a t eo fp c a l 【v a l u er e a c h e s2 - 3 a d j u s t i n gt h et h i c k n e s so fc a ba p i c a lp l a t ec a nv a r yi t sn a t u r a lf r e q u e n c y i ti s h v o r a b l et oi m p r o v ef i d ec o m f o r to ft h ec a b f i n a l l y ，t h ev i b r a t i o ns h a p eo f7 t ho r d e ri sa n a l y z e db ym e c h a n i c sk n o w l e d g e q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa r ea p p l i e dt ot h ep h e n o m e n ao fs w i n g 、p i t c h i n g a n dt u r n i n ga r o u n dt h ev e r t i c a lo r i e n t a t i o no fc a bv i b r a t i o ns h a p e k e yw o r d s ：c a b ，v i b r a t i o n , a p i c a lp l a t e ，m o d et e s t 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。 不保密曰。 学位论文作者签名：3 2 i 如衫年月舌h j 虢月孔屯 幽口7 年莎月占f _ ： 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。 岛芦 名 修 鲥 多 者 年 作刀 嫦 哆 论 位 期 学 h 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着社会的发展和科技的进步，世界汽车工业取得了令人瞩目的成就。汽车 作为方便、快捷、安全、舒适的代步工具和运输工具己成为世界上使用最广泛的 交通工具。上世纪末以来，世界汽车工业正朝着安全、舒适、环保、节能的方向 发展，舒适性( 汽车平顺性) 是汽车技术发展的四大课题之一，是同类汽车竞争 的一项重要指标，也是现代高速汽车的主要性能之一。 然而，汽车行驶过程中出现的振动现象会严重影响乘坐舒适性。路面的不平 度、动力传动系统的激励、车轮的动态不平衡等以及它们之间的振动耦合是造成 汽车振动的主要因素。汽车振动使乘客和货物处于振动的环境中，影响着人的舒 适性及工作效能，导致乘客疲劳、货物损坏、整车零部件过早损坏以及产生较大 的噪声。因此，改善汽车行驶的平顺性具有很强的现实意义。 近年来，随着人们生活水平的提高和条件的改善，对低速汽车的安全性和整 车性能的要求也越来越高。低速汽车的动态特性将直接影响整车的乘坐舒适性、 操纵稳定性和安全可靠性等。对于低速汽车来说，平顺性还影响着货物保持完好 的程度。因此，对低速汽车振动问题研究也不断受到重视。本文结合某汽车厂生 产的低速汽车的驾驶室出现的垂向振动问题展开了研究。 1 1 汽车平顺性的研究现状 目前，国内外对平顺性的研究主要包括以下一些内容： 1 1 1 悬架和悬置系统 1 悬架系统 悬架是连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由弹性元件、阻尼元件 和导向机构等组成。悬架对汽车的行驶平顺性、乘雀舒适性及操纵稳定性等多种 使用性能都有着很大的影响。按悬架的结构形式不同可以分为非独立悬架和独立 悬架；按悬架的工作原理不同可以分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种【l l 。 被动悬架是目前汽车主要采用的悬架形式，其弹簧刚度k 和减振器的阻尼系数 c 在汽车行驶过程中都不能人为地加以控制改变，即具有不可调的悬架刚度和阻尼 江苏大学硕士学位论丈 系数。其优点是结构简单，成本低，可靠性好，无需外部提供能量，目前应用较 为广泛。传统的被动悬架的特性参数不能根据系统参数和路面输入的变化来进行 控制调整。因此，在使用工况变化时，无法满足汽车综合性能的较高要求。 随着高速公路的发展，汽车车速有了很大的提商，人们对乘车舒适性的要求 也随之提高，传统被动悬架的缺点逐渐成为提高汽车性能的限制因素，为此人们 开发了能同时能提高舒适性和操纵稳定性的主动半主动悬架。主动悬架的概念是 1 9 5 4 年通用汽车公司在悬架设计中提出的【2 1 。主动悬架一般由隔振弹簧、控制器和 作动器组成。主动悬架能够根据悬挂质量的振动加速度，利用控制部件主动地控 制汽车的振动。其不仅能很好地隔离路面振动，而且能控制车身运动和调节车身 高度，提高车辆在恶劣路面的通过性。但是主动悬架结构复杂，能耗大且成本较 高，故目前主要应用于赛车、豪华客车和高级轿车上。 虽然通过主动悬架能获得一个比较理想的隔振系统，但由于其能量消耗大、 成本高、结构复杂，目前还没能得到大规模的推广和应用。为此美国学者c r o s b y 和k a r n o p 在1 9 7 4 年提出了基于天棚阻尼的半主动悬架的概念1 2 】。半主动悬架是指 悬架系统的刚度和阻尼之一可以根据需要进行调节控制的悬架。由于弹簧刚度调 节相对较难，半主动悬架一般通过调节减振器的阻尼系数实现。其减振性能接近 主动悬架；同时具有结构简单、可靠性高、稳定性好的优点；且成本和能耗比主 动悬架要低得多，因此半主动悬架的性价比最高。研究性能可靠、调节方便的可 调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略将是半主动悬架走向普及的必经之路。 2 动力传动系统的悬置 动力传动系统悬置的主要功能是降低动力传动系统工作时激振力向底盘的传 递，其直接影响到汽车的乘坐舒适性。几十年来，国内外学者通过不断的探索和 研究，对动力传动系统悬置的研究已形成了理论体系，已由被动隔振研究转向主 动隔振设计，不断研究和开发新型悬置元件。 目前，动力传动系统悬置主要有两种，橡胶悬置系统和液力悬置系统。橡胶 悬置系统具有结构简单、成本低的特点，在车辆上得到了广泛应用。 一般液压悬置的工作原理如下：在悬置内有两个独立的油腔，并有一个可控 制阻尼的节流孔，油腔中封有一定粘性的液体，发动机低速旋转时，发动机振幅 不大，液体可以通过一个阀门自由来回流动，汽车行驶中，如发动机被激发产生 2 江苏大学硕士学位论文 大振幅的晃动，此时外界压力把阀门关闭，迫使液体经节流孔流入低压油腔，液 流阻尼增加，从而抑制了发动机的大振幅运动，这样发动机在怠速和其它工况下 中都很平稳 3 1 。 相比于橡胶悬置，液力悬置具有良好的动态特性，它能满足汽车不同的减振 降噪要求：在低频大振幅时有较大的阻尼，可有效衰减汽车振动；在高频小振幅 时又具有较低的动刚度，可以降低车内噪声，特别是降低车腔共鸣声。国外轿车 基本上采用了液力悬置系统。目前，我国的载货车上广泛使用的还是橡胶悬置， 但随着技术的完善，液力悬置将最终将会广泛采用 4 1 。 国外学者对于动力传动系统悬置的研究开展的较早。1 9 3 9 年，t 1 l i f e 提出 了悬置系统设计的一些基本原则；2 0 世纪5 0 年代，a n o nh o r i s o n 和h o r o v i t e 提出了比较成熟的六自由度解耦理论和计算方法；七十年代，日本学者t o s h i o 、 s a k a t a 用机械阻抗法研究悬置刚度与车内噪声的关系；1 9 8 4 年，g e c kp e 等人 将发动机悬置系统的最主要作用看成隔离低频域振动，提出了较合理的悬置设计 原则【鄂。1 9 9 0 年，南斯拉夫学者m d e m i c 以悬置点响应力和响应力矩为目标函数， 对悬置系统位置与特性进行了优化，该方法具有适合橡胶悬置和液力悬置优化设 计的特点。 较国外而言，我国汽车研究人员对动力传动系统悬置的研究虽起步较晚，但 已经取得了大量的成果。徐石安根据传递函数分析振动的方法，探讨了发动机振 动模型简化的理论基础、隔振和解耦的关系以及更适合于计算机寻优的解耦方法 等 4 1 。史文库和林逸以a u d i l 0 0 轿车为研究对象，考虑了弹性基础的作用，建模 时假设动力传动系统的悬置支承在弹性基础上，通过四端参数理论，分析了弹性 基础对动力传动系统悬置隔振性能的影响，得出动力传动系统悬置支承基础的弹 性作用是悬置在高频区域隔振效果变差的原因【6 l 。郭峰、吕振华等对刚体惯性参数 识别方法并进行了分类和总结，在分析现有方法的基础上，提出了一种基于无阻 尼支承系统的刚体惯性参数的识别方法，并通过试验证明了该方法的实用性和可 靠性叽 对悬置系统刚度的研究，也由线性化处理向非线性化方向发展；同时对与悬 置连接的基础元件( 车架) 的研究，也已由传统的视为刚性无限大的基础元件进 一步深入到视为具有一定弹性的基础元件，在建模计算分析时，考虑了弹性基础 3 江苏大学硕士学位论文 对振动传递率曲线的作用川。 3 驾驶室悬置系统 驾驶室悬置系统是指构成驾驶室与车架固定，实现支撑驾驶室和衰减振动功 能的整个系统装置，其主要构成部件包括弹性元件和阻尼元件。 驾驶室悬首的布置可分为固定式和悬浮式。“固定式悬置”是指4 个悬置全部 采用橡胶减振挚作为支撑和隔振部件。“悬浮式悬置”是指4 个悬置中全部或部分 采用以螺旋弹簧、钢板弹簧或空气弹簧等弹性元件作为主要支撑和隔振部件。如 果4 个悬置点均为悬浮式，称为“全浮式悬冕”，如果仅有2 点“悬浮”，就称为 “半浮式悬置”。“半浮式悬置”又分为两种，前浮后固式和前固定后浮式1 8 】。 目前，国内使用的驾驶室悬置多为半浮式，全浮式驾驶室悬置系统仅得到了 初步应用。我国对于驾驶室悬置的研究正在逐步深入。武汉理工大学的于昌阳、 李立等人对某商用车驾驶室悬置系统进行了模拟仿真及改进设计，并开发了相应 的设计平台【9 j 。吉林大学的刘方文在a d a m s 中建立了悬浮式驾驶室悬置系统的虚 拟样机模型，对驾驶室悬置的匹配技术进行了分析，提高了驾驶室的振动舒适性 f l o 。国内一些企业在车辆上也开始采用驾驶室悬置隔振系统，利用弹簧阻尼元件 构成的悬置系统将驾驶室与车架相连。国内的北汽福田欧曼重卡、东风集团商用 车、一汽集团商用车、东风日产柴油重卡等为代表的国产商用车已经全部采用了 驾驶室悬置隔振方式来提高车辆的平顺性。 在国外，由于行驶路面条件较好，用户对驾驶舒适性要求较高，越来越多的 卡车生产厂家的驾驶室悬置采用了平顺性较好的空气悬挂，如斯堪尼亚、奔驰、 沃尔沃等著名卡车制造商，日本的只产、三菱、日野，韩国的现代等公司都在用 类似的结构。悬浮式悬置系统通常采用螺旋弹簧、空气弹簧、液压减振器作为隔 振元件，能极大地改善驾驶室的振动特性，从而改善汽车的平稳性、舒适性1 1 0 】。 今后，随着路面条件的改善，在我国发展驾驶室悬浮式装置将会提高汽车驾 驶员的舒适性、碰撞安全性和减少驾驶室和车架连接处的动载荷。 4 车厢悬置 车厢是由骨架和壁板组成的结构体。汽车在行驶时，车厢会受到从车架传来 的地面、发动机、传动系等处的振动激励。一方面，车厢产生的振动会使驾驶员 和乘员承受到较强的振动负荷，从而影响乘坐舒适性，严重的还会使车厢产生早 4 江苏大学硕士学位论文 期疲劳损坏；另一方面，车厢壁板振动还会产生强烈的噪声，引起噪声危害，因 此合理设计车厢悬置系统具有十分重要的意义。 汽车车厢悬置系统多采用橡胶隔振器隔振。由于车身载荷较大，车身橡胶隔 振器又大都利用压缩变形来吸收、耗损振动能量。可在车厢与车架的安装支承点 处加入橡胶挚等弹性阻尼环节，达到削弱振源向车身的固体声传导作用。 1 i 2 模型 平顺性主要研究“输入”一“系统”一“输出”三者的关系，并进行符合实 际的评价。系统的“输入”主要是由汽车以一定车速驶过随机的路面不平度所引 起，因此产生的振动也是随机的。此“输入”经过轮胎、悬架、座垫等弹性、阻 尼元件和悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统，传递到悬挂质量或人体，这两 部分的加速度就是“输出”的振动物理量。平顺性研究的目的是通过控制振动的 传递，使乘驾者不舒适的感觉不超过一定的界限，这就要求掌握汽车振动各环节 的特性，因此，首先应建立合理的动力学模型【4 j 。 常见的线性振动模型有1 4 车辆模型( 图卜1 ) 、1 2 半车模型( 图卜2 ) 和整 车模型( 图卜3 ) 。i 4 车辆模型求解容易，计算量小，但忽略了车身的纵向角振 动和侧向角振动，只能分析车身和车轮的垂直振动；若假定车辆相对于纵垂面完 全对称，左右车轮下的路面不平度变化完全一致，则可将车辆简化为i 2 车辆的平 面模型，该模型反映了车身的垂直振动和纵向角振动，路面的不平度激励包括前 轮和后轮；为了全面的反映车身的垂直振动、纵向角振动和侧向角振动，并把路 面通过各车轮将不平度激励传递给车身的这一特点反映出来，人们将车辆简化为 三维立体模型，该模型考虑了四个车轮所受到的路面激励的差异以及车身的侧倾 对车身振动的影响，比较真实地反映了车辆振动的实际状况【l l 】。尽管如此，上述 模型将系统作为线性系统，因此在进行平顺性分析时会产生较大的误差，实际上 汽车是一个无限多自由度、具有非线性的复杂振动系统，因此，国内外很多学者 在平顺性建模时引入了非线性因素，运用非线性随机振动理论进行求解。 随着计算机软件和硬件功能的日益进步，平顺性模型已从最初的单自由度、 简谐输入分析发展到了多自由度、多输入随机振动分析的水平，并且逐渐由线性 模型发展到非线性复合参数模型，汽车的力学模型已越来越接近实车系统，经历 了从粗略到精确的过程。 5 江苏大学硕士学位论文 图卜11 4 车辆模型图1 - 2i 2 车辆的平面模型图l 一3 整车模型 1 1 3 平顺性研究常用的程序 目前，对平顺性进行研究的过程中常用的分析软件有n a s t r a n 、a n s y s 、a d a m s 、 m a t l a b 等通用结构分析软件 1 2 1 。 研究人员将有限元分析方法引入到汽车结构动态分析中。由于有限元方法的 高精度，且各种有限元软件又具有极强的数值计算能力，从而对汽车的研究分析 也达到了很高的精度。运用有限元分析软件，可使模型的自由度达到几十万个以 上，并可以进行各种模态分析。然而完全用有限元方法建立整车模型是相当困难 的：首先，许多机构的分析精度有待提高：其次，各个参数的获得需要做大量的 试验；最后，对计算机硬件要求高，使用机时多。 近二十年发展起来的多刚体系统动力学理论为建立多自由度汽车动力学模型 提供了一个有力的工具。a d a m s ( a u t o m a t i ca n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 的问世， 为工程技术人员提供了方便的建模手段。利用a d a m s 软件建立整车振动系统的完整 模型，综合运用v i b r a t i o n ( 振动模块) ，以及m a t l a b 软件对系统进行仿真和计算。 在频域内，可用a d a m s v i b r a t i o n 振动模块来分析悬架的传递特性。现在国内外的 各主要汽车厂家和研究机构安装使用了大量的以a d a m s 为代表的多体系统动力学 分析软件，并与有限元分析、模态分析、优化设计等软件一起形成了一个研发系 统，在汽车设计开发中发挥了重要的作用。 1 1 4 研究方法 平顺性的研究方法可以分为两类：试验研究方法和理论研究方法。 为了对新设计或改进车辆的平顺性进行评定，这就有必要进行试验研究。试 验研究方法主要包括室外道路试验、试验场试验和室内模拟试验这三类。日i ； 采 6 江苏大学硕士学位论文 用较多的是室外道路试验。此法主要用于实车评价试验和验证试验，可全面考核、 评价车辆的技术性能。但试验结果的重复性较差；试验场试验用来测定汽车的结 构参数和基本性能参数，如：动力性、经济性及行驶平顺性等。通过模拟汽车实 际使用工况，可在短的试验罩程内获得试验结果，缩短试验时间，提高试验效率 且不受外界交通条件等因素的影响，能保证试验条件的一致性；室内模拟试验是 在实验室内利用专用试验设备模拟路面及行驶工况对汽车进行激励，可以控制试 验条件，试验重复性好。这种试验结果的准确性依赖于道路模拟实际路面及工况 的准确性。 传统的理论研究方法就是力求建立能完全反映客观实际的振动模型，用精确 的算法求出与实际一致的响应。对应于简化系统模型的微分方程有线性和非线性 之分，其解法也有时域和频域之分。近年来，国内外对平顺性的理论研究工作已 取得了一些进展。主要体现在以下几方面：汽车振动模型的建立和对该模型进行 时域响应和频域响应的分析及计算机仿真；提出了一套汽车平顺性的评价方法以 及各种评价指标；研制出了多种比较接近真实路面的道路谱；将控制理论用于汽 车悬挂系统；提出了各种汽车动力学模拟中的轮胎模型；对减振器进行了深入研 究1 1 3 1 。 1 1 5 驾驶室减振降噪的研究现状 目前，国内外对驾驶室的研究主要集中在以下三分面：驾驶室的安全性；驾 驶室疲劳可靠性；驾驶室的振动与噪声问题。 对驾驶室振动和噪声问题的研究，国内外学者和工程技术人员作了大量的工 作，并取得了许多重大成果。对于驾驶室振动特性的研究，普遍采用的方法是将 有限元与试验模态分析互相结合。在驾驶室构件声辐射研究中，数值方法日益受 到重视，最常用的是有限差分法、有限元法以及边界积分法。 由于驾驶室壁板的振动、驾驶室内声场的振动及二者的耦合效应导致传入驾 驶室内的噪声会加剧。在国外，对结构一声学耦合特性研究有较长的历史。d o v e l l 和v o s s 求出由于空腔对气动弹性稳定性的潜在影响而对板的振动所产生的作用 【1 4 】。l y o n 发表了封闭舱的降噪研究报告。p r e t l o v e 对具有一个弹性壁的封闭舱进 行了自由振动分析。而后，d o v e l l 对耦合系统进行了全面的理论分析和数值分析。 c r a g g e s 和l e s l v e r 成功地将有限元应用于汽车驾驶室声学特性分析。后来，w o l f 7 江苏大学硕士学位论文 和n e f s k e 将有限元软件n a s t r a n 用于汽车车内噪声的研究，即进行了车厢的声一 同耦合分析f 。有限元分析和实验验证技术相结合，是解决车室内噪声的有效途 径。 在国内，汽车结构一声场祸合研究的低频噪声的控制研究还处于起步阶段。赵 荣宝等曾经发表论文对世界各国研究车内声一固稻合的理论与方法作了较好的综 述，并提出了今后尚需研究的问题【”】。江苏大学左占言等人以统计能量分析( s e a ) 为理论依据，研究了板件结构驾驶室的振动能量及固体声的传递，分析了该结构 的振动功率流特点，并计算了板件振动向室内辐射的噪声【1 q 。 1 1 6 小结 实际上，除了上述提到的一些研究内容之外，平顺性研究还包括其他许多方 面。例如，根据轮胎种类、轮胎气压以及轮胎包容特性对汽车平顺性的影响，可 以建立出能改善汽车平顺性的轮胎模型。座椅的刚度和阻尼对改善汽车平顺性也 有很大意义。此外，平顺性研究对于车辆操纵稳定性、轮胎接地性等方面都有一 定的影响。 1 2 本论文主要研究内容 本课题小组就某厂生产的低速汽车驾驶室出现的垂向振动问题展开了一系列 研究。该低速货车出现的主要问题是在良好路面、空载条件下，车速在4 0 k m h 左 右时，驾驶室出现剧烈的垂向振动。针对上述现象，课题小组进行了以下方面的 研究： ( 1 ) 进行整车道路振动特性试验研究。测取整车在行驶中各种激励( 路面、动 力传动系等) 对驾驶室所产生的响应值，试验结果与试验人员的驾乘感受一致， 并分析了整车振动、悬置系统、动力传动系统对驾驶室振动的影响。 ( 2 ) 进行了整车的模态试验，用信号分析软件对车架及驾驶室进行模态分析。 对于车架的研究，一般将其作为集中质量来处理，本课题小组某成员将车架作为 离散质量建立振动模型进行了研究。 ( 3 ) 由驾驶奉模态试验结果可知：在1 5 6 7 h z 频率下，振型特点表现为驾驶室 顶部明显的垂向振动，并伴随着驾驶室整体绕z 轴的转动、轻微的前后俯仰以及 左右摆动现象。 8 江苏大学硕士学位论文 本文的主要研究内容可以归纳为以下几点： 针对驾驶室顶板振动对驾驶室地板在垂直方向上的振动影响进行了研究； 专在1 5 6 7 h z 这阶振型下，驾驶室振动形态的三维分析。 专进行了整车道路试验。测取了驾驶室地板处的加速度，为研究驾驶室顶板振动 对驾驶室地板的影响以及仿真模型的验证提供了试验数据。 专利用板壳理论，运用近似计算方法：瑞莱一李滋法和伽辽金方法，分别计 算出驾驶室顶板的振动固有频率； 专根据试验结果，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立两种驾驶室系统的仿真模型。 模型一：将驾驶室作为一个整体来研究；模型二：将驾驶室顶板隔离的模型驾 驶室顶板振动的影响，将驾驶室顶板作为一个单独部件进行研究；分别对两种 模型进行仿真计算，分析驾驶室顶板振动对驾驶室地板处垂向振动的影响； 专驾驶室顶板厚度对驾驶室( 地板处) 振动的影响分析。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章驾驶室试验模态分析 2 1 模态分析的基础理论 2 1 1 试验模态分析概述 模态分析是研究结构动力特性的一种近代分析方法，采用试验和理论分析相 结合的方法来识别系统的模态参数( 模态刚度、模态阻尼、模态振型等) ，是系统 辨别方法在工程振动领域中的应用，也是结构动态设计及设备的故障诊断的重要 方法。 模态是机械结构的固有振动特性。用于反映模态特征的参数，如固有频率、 阻尼、振型等称为模态参数。每一阶模态都有与其相对应的模态参数。各阶模态 反映了该结构固有振动特性的全貌。 基于线性叠加原理，一个结构的复杂振动是由无数阶模念叠加的结果，其中 有对结构振动起主要作用的模态，也有对结构振动作用很小的模态。因此，我们 必须运用某种方法，找出那些主要的模态，以便了解结构振动特性的实质。这种 方法就是模态分析，它是一个将结构的复杂振动分解为许多简单而独立的振动， 并用一系列模态参数来表示的过程1 1 7 l 。 根据研究模态分析的手段和方法不同，模态分析分为理论模态分析和试验模 态分析。分析过程如果足由有限元计算方法取得，则称为理论模念分析；如果通 过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态 分析。本文所采用的模态分析方法为试验模态分析。 试验模态分析技术是综合了测试技术、信号处理、系统识别和结构动力学， 使用模态频率、阻尼和振型等模态参数来描述结构动态特性的技术。通过试验分 析能够得到结构较准确的性能结果。近年来，由于计算机技术、f f t 频谱分析、 高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，为试验模态技术的迅 速发展和普遍应用提供了条件。 至今，试验模态分析及参数识别已是研究工程结构振动的鼋要方法。它通过 对激励力和响应的时域或频域进行分析，求得系统的频响函数( 或传递函数) ，然后 根据频响函数的特征，采用参数识别法求出结构的振动模态和结构参数。 1 0 江苏大学硕士学位论文 在模态分析中，大致可分为四个基本过程【1 7 】： 1 动态数据的采集及频晌函数或脉冲响应函数分析 ( 1 ) 激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定的激励，采集各点的 振动响应信号及激振力信号。通过各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不 同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入j 单输出( s i s o ) 、单输入多输 出( s 讧o ) 、多输入寸多输出( m i m o ) 三种方法。以输入力的信号特征还可分 为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机( 包括白噪声、宽带噪声或伪随机) 、瞬 态激励( 包括随机脉冲激励) 等。 ( 2 ) 数据采集。s i s o 方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不 断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据。s i m o 及m i m o 的方法则 要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器， 试验成本较高。 ( 3 ) 时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤 波、相关分析等。 2 建立结构数学模型 根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数 的依据。一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和 时域建模。根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。 3 参数识别【1 8 1 模态参数识别是试验模态分析的核心。模态参数识别按照不同的非参数模型 可以分为频域参数识别( 图2 - 1 ) 和时域参数识别( 图2 2 ) 。以频响函数( 传递函 数) 为基础的参数识别称为频域参数识别；以时域信号( 脉冲响应函数或自由振动响 应、为基础的参数识别称为时域参数识别。在识别除振型外的其它模态参数时，按 照使用响应信号的数目分为局部识别和整体识别两种；其中，较常用和比较成熟 的方法是频域法。本文的驾驶室试验模态分析中，采用的是频域、单输入单输出 识别法进行模态参数识别。 i 竺竺竺三卜= 二1 竺竺竺兰 二否著= 1 苎苎苎竺 i 刊竺兰兰竺j 图2 - 1 额域参数识剐 江苏大学硕士学位论文 图2 - 2 时域参数识别 4 振型 参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以 及相应各阶模态的振型。由于结构复杂，由许多自由度组成的振型也相当复杂， 必须采用动画的方法，将放大了的振型叠加到原始的几何形状上。 以上四个步骤足模态试验及分析的主要过程。支持这个过程的除了激振和拾 振装置、双通道f f r 分析仪、台式或便携式计算机等硬件外，还要有一个完善的 模态分析软件包。通用的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何特征，设置 多种坐标系，划分多个子结构，具有多种拟合方法，并能将结构的模态振动在屏 幕上三维实时动画显示。 2 1 2 试验模态分析基本原理2 0 2 1 1 工程实际中，弹性结构的力学模型应是连续系统，但为了便于对这样的结构 作出动态分析，一般需将结构离散化为有限个质量、弹性和阻尼元件组成的开自 由度的线性振动系统，其运动方程可写为： m 髯+ c y c + k x = ，o ) ( 2 1 ) 式中，f ( t ) 为n 维激振力向量；而毫戈分别为n 维位移、速度和加速度响应向跫； m ，k ，c 分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称一阶矩阵。 假设系统的初始状态为零，对方程式( 2 1 ) 两边进行拉普拉斯变换，可以得到以 复数s 为变量的矩阵代数方程式 l m s 2 + c ，+ kl x ( s ) = f ( s ) ( 2 2 ) 式中的矩阵 z ( s ) = lm s 2 + c s + ki ( 2 3 ) 反映了系统动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。其逆矩阵 日( s ) = 妇2 + c s + k ( 2 4 ) 称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。由式( 2 2 ) 可知 x ( s ) = 日0 ) ，o )( 2 5 ) 江苏大学硕士学位论文 在上式中令s = j c o ，即可得到系统在频域中输出( 响应向量板叻) 和输入( 激振 向量f ( 研) 的关系式 z ( 叻= 日( 脚) f ( 回 ( 2 6 ) 式中日( 砷为频率响应函数矩阵。日( 脚) 矩阵中第i 行第j 列的元素 吲功= 鬻 等于仅在，坐标激振( 其余坐标激振力为零) 时，i 坐标响应与激振力之比。在( 2 3 ) 式中令s = 加，可得阻抗矩阵 z ( 功= 晖- - 0 9 2 m ) + ，倒c ( 2 8 ) 中7 m 中= 。怫中7 k m = 墨 其中矩阵o = 【巾。，中：，由。1 称为振型矩阵。假设系统阻尼为比例阻尼，阻尼矩阵 f 1 o r c d p = i c r i lj 代x ( 2 8 1 式得到 z c ，= 巾。 4 式中，乙= 以一国2 怫) + 弘b 因此- ( 6 0 ) - - z ( , o ) = 中 卜 妻 姒回2 喜币翻 ( 2 9 ) 江苏大学硕士学位论丈 上式中，q ：k _ l ，务：土，m r 、七，分别称为第r 阶模态质量和模态刚度( 又 m 。 z m r c o , 称为广义质量和广义刚度) 。q 、善和o ，分别称为第r 阶模态频率、模态阻尼比 和模态振型。 不难发现，弗自由度系统的频率响应，等于甩个单自由度系统频率响应的线性 叠加。为了确定全部模态参数啡、善和o ，( r - - 1 ，2 ，哟，实际上只需测量频 率响应矩阵的一列( 对应一点激振，各点测量的( 四) 或一行( 对应依次各点激振， 一点测量的h ( 叻7 ) 就够了。 试验模态分析或模态参数识别的任务就是由一定频段内的实测频率响应函数 数据，确定系统的模态参数一模态频率q 、模态阻尼比鼻和振型 m ，= 【蛾。，办：，诈。r ，r = 1 , 2 ，n ( n 为系统在测试频段内的模态数) 。 2 2 驾驶室模态试验 2 2 1 试验目的 ( 1 )了解驾驶室的模态特性；确定驾驶室结构单元的固有模态频率、模态 阻尼和模态振型等模态特性参数。 ( 2 ) 研究这些模态特性参数在整车行驶过程中对驾驶室振动特性的影响。 ( 3 ) 通过模念振型分析来明确驾驶室振动的影响因素。 模态分析试验的主要仪器和分析软件见表2 - 1 。 表2 - l 试验膈主要仪器及分析软件 序号设备名称型号生产厂家数鞋用途 i 力锤及力传感器 b & k 8 8 4 8 丹麦b & k 公司 l 产生激励信号 2加速度传感器b k 8 8 4 8丹麦b & k 公丽l拾取响应信号 3 电荷放丈器b & k 8 8 4 8丹麦b & k 公司 2 放人激励和响麻信号 4 动态信号分析仪 s d 3 8 0 美国s d 公司 l 传递函数处理 5 结构分析系统软件 s t a r 5 o美国s d 公司l 试验模态分析 2 2 2 测点布置 根据该低速货车的实际情况和模态分析的具体要求，驾驶室稚置了2 5 0 个点。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 3 为在s t a r 5 0 结构动态分析系统中建立的驾驶室试验模态分析的结构计算 机模型。 图2 - 3 驾驶室模态分析的结构计算机模型网格图 2 2 3 模态分析测点的传递函数测量1 为了确定驾驶室结构的动态特性，需要测量结构测点间的传递函数。首先， 人为给驾驶室后悬置连接处施加激振力，同时测出响应点处的响应信号。接着将 信号经a d 转换器进行采样后输入计算机，这些数据经f f t 变换，则计算出激励 与响应点的传递函数。如果要求得到振动模态，就需要对驾驶室所有各点测量其 传递函数。 在测量传递函数时试验车水平停放在地面上，用锤击法，以单点激励，逐点 响应得到各点的响应信号，将某点的激励和响应信号经电荷放大器放大后输入 s d 3 8 0 动态信号分析仪，经f f t 分析处理得到0 - - 2 0 0 h z 频率范围内的传递函数。 其测试系统框图同图2 4 。 江苏大学硕士学位论文 s d 3 8 0 动态 数据 分析仪 图2 - 4 测试系统连接框图 2 2 4 测点传递函数拟合与模态参数的识别 测量出激励点为驾驶室后悬置连接处的驾驶室各测点的传递函数曲线。然后 用s t a r 5 0 中的模态分析软件对驾驶室各点的传递函数，用单自由度、多项式拟 合法取1 2 阶模态进行拟合，得到驾驶室结构的各阶模态参数。 2 2 5 试验模态数据分析 1 驾驶室结构的各阶模态参数 表2 - 2 驾驶室模态试验结果 模态阶数 频率( h z )阻尼似s m )阻尼比( ) l2 9 48 3 3 6 e - 32 8 4 23 9 28 3 7 6 e 32 1 4 3 5 7 01 5 8 5 2 e 一32 7 8 47 2 51 5 3 6 7 e 一32 1 2 58 8 61 6 2 0 l e 31 8 3 61 2 i l1 7 7 6 9 e - 31 4 7 71 5 6 77 5 4 2 9 e 34 8 1 81 7 7 32 0 2 9 2 e 31 1 4 91 9 4 29 2 3 3 e - 34 7 5 3 4 e - 3 1 02 9 3 26 2 2 4 1 e 32 1 2 l l3 4 9 61 3 2 3 7 8 1 23 8 4 71 2 73 3 1 江苏大学硕士学位论文 2 驾驶室结构的各阶模态振型 针对驾驶室出现的低频振动，对驾驶室的前9 阶模态振型进行特征分析。各 阶模态振型的特征分析见表2 - 3 ，图2 - 5 一图2 1 0 为驾驶室前6 阶的模态振型图。 凰 图2 - 8 驾驶室四阶模态振型图 图2 - 9 驾驶室五阶模态振型图 图2 - 1 0 驾驶室六阶模态振型图 1 7 江苏大学硕士学位论文 表2 - 3 驾驶室各阶模态振氆的特征分析 模态 l 占l 有频率 模态振璀特点 阶数 ( h z ) l2 9 4 驾驶室的整体转动 23 9 2驾驶室的纵向振动 35 7