（机械电子工程专业论文）汽车发动机排气系统振动性能及内部流场仿真分析.pdf

厂 at h e s i si nm e c h a n i c a le l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ft h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i sa n d f l o wf i e l ds o u n df i e l ds i m u l a t i o n o na u t o m o t i v ee n g i n ee x h a u s t s y s t e m b ym e n gq i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a nq i n g k a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n2 0 0 8 本人声 的研究成果 的研究成果 作的同志对 意。 本学位 文的规定： 磁盘，允许 或部分内容 作者和 半年口 学位论文作 签字日期： - f ， 咐 、， 振动噪声性能改进的重要关键内容。 本文对汽车发动机排气系统n v h 的研究内容和研究方法进行了综合性论述，并以 试验车型排气系统的振动、噪声及流场分析为基础，利用试验与仿真相互验证的手段进 行研究。本文主要进行以下几项工作： 利用v b 语言嵌套m a t l a b 语言编制了相应程序，建立了汽车排气系统振动噪声 优化软件，加上数据采集器等硬件支持，形成了汽车排气系统振动噪声优化分析系统。 利用b & k3 5 6 0 d 振动噪声测试系统，4 5 0 8 b 加速度传感器，4 5 0 6 b 加速度传感器 及p u l s e 测试分析软件包进行排气系统自由状态、安装状态两种工况下的模态实验。 根据实际尺寸，建立排气系统的三维模型，进一步导入a n s y s 中得到有限元模型 后，进行所需的振动、噪声特性分析及谐响应分析。 采用f l u e n t 流体动力学分析软件对消声器的内部流场特性进行了分析，得到了消 声器内部的流体速度及压力分布。 采用s y s n o i s e 声场分析软件对消声器的内部声场进行了分析，得到了内部的升压 分布，并分别计算了考虑流动和不考虑流动时的传递损失。 关键词：排气系统；消声器；振动与噪声；模态测试；流场；声场 一i i 1 h ? 、 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ft h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n df l o wf i e l d s o u n df i e l ds i m u l a t i o no na u t o m o t i v ee n g i n ee x h a u s ts y s t e m a b s t r a c t 1 1 1 ev i b r a t i o n - a c o u s t i cr e s e a r c ho nt h ev e h i c l e ，c o m b i n e dw i t ht h es t u d yo nt h e p a s s e n g e r s o b j e c t i v ef e e l i n ga n dr e s p o n s et ot h ev i b r a t i o na n dn o i s e ，f o r m st h e v e h i c l e n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n , h a r s h n e s s ) p r o b l e m n v hp e r f o r m a n c ew h i c hd i r e c t l yr e f l e c t st h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l eh a sb e e a 3 m eac o m p r e h e n s i v e t e c h n i c a li n d i c a t o r n 圮v i b r a t i o n a c o u s t i co p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e so fe n t i r ev e h i c l ef r o mt h e a n g l eo fn v hi so n eo ft h ec o r ec o m p e t i t i v ep o w e r so fv e h i c l et o p - d o w nd e s i g na n dt h ek e y m a t t e ro fv i b r a t i o n a c o u s t i cp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to fe x i s t i n gt y p eo fv e h i c l e i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o do fv e h i c l ee x h a u s ts y s t e ma r ei n t r o d u c e d f i r s t l y b a s e do nt h ev i b r a t i o n , n o i s ea n df l o wf i e l da n a l y s i so fe x h u a s ts y s t e mo fc e r t a i nt y p e v e h i c l e ，t h em o t h o do fv a l i d a t i n go n ee a c ha n o t h e rw i me x p e r i c ea n ds i m u l a t i o ni sb e e nu s e d t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g s ： t i 圮v i b r a t i o na n dn o i s et e s t i n ga n do p t i m i z i n gp r o g r a mi sb u i l t 、加n lt h ep r o g r a m l a n g u a g ev b a n dm a t l a b c o m b i n i n gw i mt h es i g a la d o p t i o ne q u i p m e n t ，f o r m sav i b r a t i o n a n dn o i s et e s t i n ga n do p t i m i z i n gs y s t e mo fa u t o m a t i o ne x h a u s ts y s t e m t h ea p p a r a t u sb & k3 5 6 0 ds y s t e mf o rv i b r a t i o na n dn o i s et e s t ，t h e4 5 0 8 ba c c e l e r a t i o n s e n s o r , t h e4 5 0 6 ba c c e l e r a t i o ns e n s o ra n dt h ep a c k a g eo fp u l s ea n a l y t i e a ls o f t w a r e 玳 a d o p t e dt oi m p l e m e n tm o d et e s tf o re x h a u s ts y s t e mu n d e rf r e ec o n d i t i o na n di n s t a l l a t i o n c o n d i t i o n t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t n n i z a t i o no fv e h i c l ee x h a u s ts y s t e m ：a c c o r d i n gt ot h e r e a ld i m e n s i o n s ，t h e3 dm o d e lo fe m i s s i o ns y s t e mi sb u i l ta n di m p o r t e di n t oa n s y s p r e p a r i n gf o rt h en e x tv i b r a t i o n ，n o i s ea n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s t h ei n t e r n a lf l o wf i e l dh a sb e e na n a l y s i sa n dg o tt h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n t h em u f f l e rw i t ht h es o f t w a r eo ff l u e n t t h ei n t e r n a ls o u n df i e l dh a sb e e na n a l y s i sa n dg o tt h es o u n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw i t h t h es o f t w a r eo fs y s n o i s e t h e nc o m p a r et h et r a n s m i tl o s sw i t hf l o wa n dw i t h o u tf l o w k e yw o r d s ：e x h a u s ts y s t e m ；m u f f l e r ；v i b r a t i o na n dn o i s e ；m o d et e s t ；f l o wf i e l d ；s o u n df i e l d i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 问题的提出及研究意义1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 国外研究概况2 1 2 2 国内研究概况3 1 3 本文主要研究内容4 第2 章排气系统测试分析优化系统的建立。7 2 1 系统实现综述7 2 1 1 系统概述一7 2 1 2 界面编辑与数据运算语言概述7 2 1 3 实验模态测试技术概述。9 2 2 系统的硬件架构1 0 2 3 信号的采集和前处理1 3 2 4 数据处理的程序实现1 8 2 4 1 数据处理程序框架。1 8 2 4 2 频响函数估计的实现1 8 2 4 3 部分模态参数识别的实现1 9 2 4 4 模态振型拾取的实现。2 l 2 5 本章小结2 4 第3 章排气系统模态实验测试及有限元仿真分析2 5 3 1 排气系统振动噪声机理分析2 5 3 2 排气系统模态测试模型及有限元分析模型的建立2 6 3 2 1 排气系统模态测试模型2 6 3 2 2 三维有限元模型建立2 7 3 3 排气系统振动试验3 0 一i v 东北大学硕士学位论文目录 3 3 1 支撑方式3 0 3 3 2 数据采集及时域、频域信号处理3 l 3 3 3 参数识别及振型获取31 3 4 排气系统模态有限元仿真计算3 6 3 4 1 排气系统自由状态模态计算一3 6 3 4 2 排气系统安装状态模态计算3 8 3 4 3 排气系统正弦振动载荷响应分析4 0 3 5 本章小结一4 2 第4 章排气系统内部流场与声场的仿真分析4 3 4 1 排气系统的噪声源分析4 3 4 2f l u e n t 计算的流体力学基础及消声器消声原理_ 4 4 4 2 1f l u e n t 计算的流体力学基础4 4 4 2 2 消声器消声原理4 6 4 3 排气系统流场及声场计算模型的建立4 8 4 3 1 流场计算模型的建立4 8 4 3 2 声场计算模型的建立5 0 4 4 排气消声器流动特性分析5 l 4 4 1 边界条件的施加及速度分布分析一51 4 4 2 内部压力分布分析5 4 4 5 排气系统消声器声学特性及其影响因素分析5 5 4 4 1 结构本身的消声特性5 5 4 4 2 流速对消声特性的影响5 7 4 6 本章小结5 8 第5 章结论与展望6 1 参考文献6 3 蜀c 射一6 5 一v - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 随着汽车工业的迅猛发展，汽车给世界带来了现代物质文明，但同时也带来了环境 噪声污染等社会问题。经过长期的研究，噪声确实会危害人的健康，噪声强度越大，频 率越高，作用时间越长，危害性越大。噪声对听力的影响，轻者可引起暂时性听阈偏移， 重者可产生噪声性听力损伤乃至噪声性耳聋。由于噪声广泛存在，所以噪声污染危害最 广泛，它与大气污染、水污染并称为现代社会三大公害，但噪声污染与大气污染、水污 染不同，噪声污染是局部的、多发性的。据资料统计，机动车辆所包括的总功率比其它 各种动力( 飞机、船舶、电站等) 的总和大2 0 倍，它们所辐射的噪声约占整个环境噪声能 量的7 5 。各种调查和测量结果表明，城市交通噪声是目前城市环境中最主要的噪声源。 在城市噪声中，车辆噪声是其中主要声源之一。另一方面，从汽车使用者角度出发，随 着汽车技术的不断发展，汽车车内噪声特性己成为汽车重要性能指标一舒适性的评价指 标之一。 对汽车的振动噪声问题的研究，一般是结合汽车乘客的主观感受进行分析，形成所 谓汽车的n v h 问题，即n o i s e ( 噪声) 、v i b r a t i o n ( 振动) 和h a r s h n e s s ( 声振粗糙度) 。汽车 n v h 不仅是车辆动态特性的直接表现，与车辆动态性能( 运动、操纵、强度、寿命、可 靠性等) 直接相关，是衡量汽车制造质量的一个综合性技术指标。有统计资料显示，整 车约有l 3 的故障问题是和车辆的n v h 问题有关系，而各大公司有近2 0 的研发费用 消耗在解决车辆的n v h 问题上。n v h 水平标志着汽车质量的高低，对汽车研发部门具 有特殊重要的意义。从n v h 角度出发，掌握整车振动噪声性能优化技术，是车辆正向 设计技术的核心竞争力之一i 也是现有车型振动噪声性能改进的重要关键内容。 发动机、进气系统和排气系统是汽车最主要的噪声源，这三者是相互关联的。气体 进入进气系统，然后进入发动机，与燃油混合后燃烧，形成废气，废气经过排气系统排 入大气。将这三个关联的系统和所有的参数一起柬考虑，就形成了“进气一发动机一排 气”这样一个新的系统。由于气体从进气口进入，又从排气尾管排出，因此这个模型又 被称为“空气一空气”模型，英文用“a i r - t o - m r 来表示。 排气系统一端与发动机相连，另一端通过挂钩与车体相连。发动机的振动传递给排 气系统，然后再通过挂钩传给车身。车身的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给乘客， 同时车身的振动也会辐射出去，在车内产生噪声。因此，排气系统是汽车的一个重要的 振动源。 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 目前，我国的汽车工业正着重强调走自主开发道路、开发自主汽车品牌的产业理念。 这就迫切需要对汽车n v h 特性进行研究。最大限度的降低汽车尤其是轿车的振动噪声， 充分满足顾客对汽车乘坐舒适性的要求。由此可见，以排气系统振动噪声性能为突破口 的轿车n v h 动态性能优化技术研究，对于我国国产汽车总体性能的提升具有重要的意 义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外对汽车噪声的控制起步较早，其中消声器理论的研究最早始于2 0 世纪的2 0 年 代，是美国的s t e w a r t 首先提出研究抗性的声滤清器理论。利用集中参数近似算法分析 消声器元件。这种理论只在声波远大于消声器尺寸时才成立【l 】。五十年代中期，d a v i s 等人采用一维波动方程，利用截面突变处声压和体积振动速度的连续性，计算了单级和 多级膨胀腔和侧支共振腔【2 1 。c r o c k e r 采用一维波动方程，利用截面突变处声压和体积速 度连续条件和等效电路方法，对消声器消声单元的四极参数矩阵进行了研究【3 1 。五十年 代后期，i g a r a s h i 等人利用等效电路方法计算了消声器的传递矩阵 4 1 。 在d a v i s 和l g a r a s h i 的基础上，经过大量声学工作者的努力，在用声传播法计算消 声器的传递损失和用传递矩阵法计算消声器的插入损失和传递损失方面，有了较成熟的 计算公式，从此，传递矩阵法成为排气消声系统声学性能分析中广泛使用的方法。对于 管道系统中的声传播应用传递矩阵法计算消声器的声学性能非常方便，所以一直应用到 现在。m u n j a l 用配点法对矩形和圆形简单膨胀腔消声器进行了三维分析。配点法虽然简 单，但只能应用于具有简单形状的消声器。解析法和配点法包括复杂的代数运算，且不 可避免的要截去级数中的无穷项。更重要的这些方法只适用于简单形状的消声器，对复 杂形状的消声器无能为力。1 9 7 5 年，y o u n g 和c r o c k e r 最先使用有限元法预侧了膨胀腔 消声器的传递损失1 5 卅，他们采用二维矩形单元与拉格朗日函数法对二维简单膨胀腔进 行了分析，由有限元法计算四极参数。r o s s 借助于系统有限元分析了三维并联耦合声系 统，他把两个膨胀腔并联而成的消声器分成两个子系统进行处理f 7 1 ，从而节省了计算时 间。s e y b e r t 和h e n g 应用边界元法对轴对称消声器进行了分析，使用轴对称技术使边界 积分简化成沿母线的积分，从而简化了数据准备工作，缩短了计算时间【引。这种消声器 声学性能的分析方法简便、实用，在无平均流、无温度梯度的情况下，在平面波范围内 能给出较为满意的结果。考虑到平均流及线性温度梯度，p r a s a d 和c r o c k e r 推导了直管 段的四极参数p 】。p e a t 得出结论：当需要考虑排气系统的温度变化时，可以使用一系 列定常温度单元，与使用相似的一系列线性温度梯度单元相比没有明显的精度损失【1 2 1 。 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 i h 和l e e 对具有平均流的圆形膨胀腔中的高次模式波效应进行了研究，得到了傅立 叶级数形式的声压表达式；a l f r e d s o n 等人通过将一膨胀腔消声器的消声量测量值与 理论预测值加以比较，发现考虑流动时理论值与实测值一致，忽略流动时两者差别较大 1 1 4 】 0 1 2 2 国内研究概况 相对于国外来说，国内汽车工业初期的研究工作更倾向于汽车的整体动力性能和 燃油经济性，对于整体的振动噪声研究工作起步较晚。最近三十年，我国科技工作者对 噪声和消声器的研究工作做了大量的工作，也取得了很多成果。 国内对汽车排气噪声的研究，直到1 9 7 9 年我国颁布执行机动车噪声标准后才开始 进行，并且工作重点侧重于试验研制。对于排气系统的噪声研究到现在一直主要是对消 声器的研究，也就是利用有限元和边界元等方法进行消声器的结构设计。消声器是一种 阻止声传播而允许气流通过的降噪装置，是控制气流噪声的主要技术措施。在消声器发 展过程中，首先出现的是无源消声器、阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器。 随着技术的日趋成熟，无源消声器已经取得了很好的消声效果，现已经得到广泛的应用。 中国加入w t o 后，汽车工业面临着极大的挑战。现在我国在噪声控制方面的落后随着噪 声法规的日益严格以及市场竞争的日益激烈，引起了人们极大的关注。不可否认的是， 由于以前我们对机动车辆声控制的重视程度不够，监控不严格，致使我国目前消声器的 研究水平和技术水平与市场需求情况非常不协调，研究单位少，投资少，开发能力差， 产品技术性能低，至今产品设计还停留在发达国家八十年代的水平。 理论研究方面，中国科学院、北京劳动保护科学院究所最早在微穿孔消声理论上做 了一些工作。最近几年国内很多专家还是做了不少的工作，取得了很多的研究成果，下 面做一些简单的介绍： 内燃机排气消声器工作在高温高速的脉动气流中，高速脉动气流能产生较大的排气 噪声。气流速度高到一定程度时，还会产生喷气噪声，其声功率和气流速度的8 次方成 正比1 15 1 。文献【1 6 】中指出“气流会自动调节先使管端的小孔阻塞，流动逐渐向上游的小孔 扩张，直至气流全部通过为止 。因此，设计消声器时应充分利用气流与声波流的逆向 作用，提高消声效果f 1 7 】。考虑到气流速度、温度对消声器性能有着重要的影响，黄其柏 等人提出了计及气流和温度变化的传递矩阵计算公式，使得传递损失的理论计算结果与 试验结果更为接近，但其中速度、温度的确定只是凭经验设定【他1 们。对于实际消声器， 特别是复杂结构的消声器，其内部流动是三维、非定常的。蓝军，史绍熙对发动机排气 消声器传声特性利用有限元方法进行求解计算。董正身、张旭、黎苏采用二维坐标将声 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 压作为未知参数，分析汽车内燃机排气消声器内二维声场描述了排气消声器二维有限元 模型的建立及其在1 3 0 系列车用4 9 2 q 汽油机消声器中的应用，计算的插入损失与实测 结果具有很好的一致性，表明了二维有限元模型是分析排气消声器的有效方法并且具有 较高的精度 2 0 - 2 。陆森林，刘红光首先用三维有限元法计算出消声器的四端子参数，然 后利用所求得的四端子参数预估消声器的性能，克服了由于高次波影响，一维理论计算 公式在高频区计算不准确的缺陷，也克服了二维有限元法不适用于非对称结构消声器的 缺陷，取得了计算结果、理论分析与试验值吻合的良好效果。在此基础上，对扩张式消 声器最高有效上限频率及扩张室长度对消声器性能的影响进行了讨论，其结论对消声器 设计有一定的参考价值【2 羽。王耀前，陆森林从实际情况出发，对一抗性消声器作了一些 合理的假设，建立了该消声器的数学模型，然后充分利用a n s y s 软件强大的前、后处理 功能，建立了消声器的有限元模型在此模型基础上，在消声器的入口端施加声压载荷， 求得该消声器出口端的声压，进而求得该消声器的传递损失团】。马强，季振林，张志华 使用边界元法计算消声器元件的四极参数，并结合传递矩阵法获得整个排气系统的四极 参数，以及使用特征线法计算内燃机的不稳定流动过程，并依靠双负载法确定发动机的 声源阻抗和强度，从而实现内燃机排气噪声预报及消声器声学性能分析【2 4 】。 国内外进行被动消声研究的同时，也进行了噪声的主动控制研究。噪声主动控制亦 称有源消声。近年来，我国学者对噪声的主动控制也相当重视，南京大学、清华大学、 吉林工大、华中理工大学、西安交通大学等都在开展这方面的工作。近十几年来，有源 消声技术发展很快，尤其在对管道噪声控制方面，已进入实用阶段。但是要将有源消声 技术作为一种较为通用的噪声控制手段，还有许多困难。如消声系统中电子装置复杂， 电路信号幅度相位失真，而限制噪声量提高，降噪区非控制参数引入了不恒定因素和影 响语音信号的传播等困难。要解决这些困难，要求有源消声采用自适应技术，然而在高 速低廉的数字信号处理芯片不断涌现的情况下，使得自适应有源消声的前景变得非常诱 人。 1 3 本文主要研究内容 本文的工作旨在于对汽车发动机排气系统的振动噪声性能进行分析和研究，以期能 够对排气系统的设计和优化提供有力的理论和数据支持。车辆运行时，排气系统承受来 自发动机的周期动载荷，载荷引起排气系统振动影响系统结构件以及吊挂件的疲劳寿命 及可靠性，同时，周期振动过排气系统橡胶吊挂传递到车体，影响车身结构的n v h 性 能指标。对排气系统振动特性进行分析，是目前排气系统设计所必须考虑的重要因素， 本文通过对给定排气系统进行模态测试和有限元数值仿真分析了排气系统的振动特性。 - 4 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 排气系统的噪声性能主要取决于消声器的消声特性。传统的消声器设计方法是根据 经验设计几种消声器样品，然后对各个消声器的性能进行台架试验评价，从中选取性能好 的样品，这种方法设计周期长、人力物力耗费大，已不能满足现代设计的要求。本文应用 三维数值计算的方法对进排气系统消声器进行了空气动力性能和声学性能的数值仿真。 主要研究内容如下： ( 1 ) 构建了排气系统振动噪声分析优化系统中的模态测试系统，采用v b 和 m a t l a b 语言编制了相应程序，辅以相应硬件设备共同构成。 ( 2 ) 对给定某排气系统进行了模态测试，得到了试验排气系统的固有频率及模态数 据，为后续的c a e 分析提供了有效的数据支持。 ( 3 ) 通过有限元计算得到了排气系统自由状态及安装状态下的模态和固有频率数 据，通过与试验数据的对比分析，验证了排气系统结构设计满足了整车n v h 性能的需求。 通过对其进行谐响应计算，得到了排气系统挂钩处的位移、应力参数，分析结果后优化 了挂钩位置。 ( 4 ) 使用c f d 流体动力学分析软件f l u e n t 对该消声器的流场进行了分析，得到了该 排气系统消声器的流动特性和压力特性。 ( 5 ) 采用声学分析软件s y s n o i s e 对此消声器的声学性能进行分析，由于流体流动对 消声器消声性能也有影响，所以分析了结构本身的消声特性和有流体影响存在下的消声 特性。 - 5 - 东北大学硕士学位论文 第2 章排气 2 1 系统实现综述 2 1 1 系统概述 传统的噪声振动测量分 赖性比较高，仪器的设计者 到硬件系统的限制，可选用 因此在应用程序开发和维护修改上都比较困难。这样设计的仪器功能比较单一，适应性 较差，而且开发成本较高、周期较长。随着汽车结构的日趋复杂，噪声和振动测试指标 的综合性越来越强，传统的测量分析仪器已经不能满足要求。 基于以上原因，在测试分析的各个领域，目前计算机辅助测试系统己占主要地位。 目前，n l 、h p 、b k k 等测量分析仪器生产商己经开发出基于微机的噪声和振动测量分析 系统，从而为用户的需要提供综合的具体的“解决方案 ，而不单是具备某些测试功能。 本章将建立汽车排气系统的振动噪声分析优化系统，采用v b 及m a t l a b 作为编程语 言，所用硬件系统包括加速度传感器、力传感器、信号滤波放大器、信号采集器以及p c 机。系统首先实现的是模态测试，系统结构原理图如图2 1 所示。 图2 1 汽车振动噪声测量分析系统结构原理图 f i g2 1t h ep r i n c i p l eo fv e h i c l e sn o i s e sa n dv i b r a t i o nt e s ta n da n a l y s i ss y s t e m 2 1 2 界面编辑与数据运算语言概述 1 、v b 简介 v b 是1 9 9 1 由m i c r o s o f t 公司推出的，是在b a s i c 语言的基础上研制而成的具有 b a s i c 语言简单的优势，同时增加了结构化和可视化程序设计的特点。b a s i c 虽然简单 易学，但解释程序在执行时需要通过译码，执行速度较慢，而且所编写的程序只能在特 定的环境中运行。除了继承了b a s i c 所具有的程序设计语言简单易用的特点，同时v b 在 其编程系统中采用了面向对象、事件驱动的编程机制，开创了可视化编程的一代先河。 随着版本的升级v b 成为简单易学、功能强大的编辑工具。在同其他编程语言相比，它 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章排气系统测试分析优化系统的建立 具有它所独有的特点： 。 ( 1 ) 可视化设计 v b 具有“所见即所得 的功能。在程序设计时，头脑中所想象的应用程序界面， 完全可以利用键盘和鼠标完成，而不用编制大量代码。如果需要修改，也可利用鼠标和 键盘实现，而底层的一些程序代码可由v b 自动生成或修改。v b 为用户提供了大量的控 件，如“文本框 、“标签 、“组合框 、命令按钮和“单选框 等等，用户只 需用鼠标或键盘把这些控件拖到所需位置，并设计它们的大小，形状属性等，即可得到 所需的应用程序界面。 ( 2 ) 事件驱动编程 在v b 中把窗体和控件称为对象。这些对象组成了与用户交互的图形界面f 也称为用 户界面或用户接口) 。在设计应用程序时，必须考虑用户如何与程序进行交互。用户通 过鼠标和键盘与应用程序进行交互是最直接、最方便的，这是那些对象必须对鼠标或键 盘操作所引起的事件做出响应。响应是指执行一段应用程序，它不沿预定的路径执行， 而是在相应不同时间的时候执行不同的代码。因此，v b 编程重点是编写事件驱动过程 的代码。 ( 3 ) 面向对象的程序设计 v b 是面向对象的程序设计语言，它将代码和程序结合在一个个对象中，用户只需 了解每个对象能完成何种任务，而不需知道对象是如何工作的。软件开发人员只需编写 事件驱动过程的代码，使对象对用户的操作做出响应。 ( 4 ) 易学易用，开发周期短 v b 简单易学，界面友好，容易使用。v b 提供的大量功能强大的控件，可以帮助开 发人员在很短的时间内用少量语句编写成应用程序，这样便缩短了开发周期。 2 、m a t l a b 语言 m a t l a b 语言是当今国际上科学界( 尤其是自动控制领域) 最具影响力、也是 最有活力的软件。它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。它提 供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的 与其他程序和语言接口的功能。m a t l a b 语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。 m a t l a b 的含义是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) ，主要用于方便矩阵的存 取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。m a t l a b 自问世以来，就是以数值计算称雄。 m a t l a b 进行数值计算的基本单位是复数数组( 或称阵列) ，这使得m a t l a b 高度“向量 化”。经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章排气系统测试分析优化系统的建立 定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、 建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它 高级语言所不能比拟的。美国许多大学的实验室都安装有m a t l a b 供学习和研究之用。 在那里，m a t l a b 是攻读学位的大学生硕士生、博士生必须掌握的基本工具。m a t l a b 中包括了被称作工具箱( t o o l b o x ) 的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对 m a t l a b 进行扩展应用的一系列m a l i ，a b 函数( 称为m 文件) ，它可用来求解各类学科的 问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。随着m a t l a b 版本的不 断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉 及数值分析的各类工程师不可不用的工具。m a t l a b 5 3 中包括了图形界面编辑g u i ， 改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作 的状况。这可让使用者 也可以象v b 、v c 、v j 、d e l p h i 等那样进行一般的可视化的程序编辑。在命令窗d ( m a f l a b c o m m a n dw i n d o w ) 键入s i m u l i n k ，就出现( s i m u l i n k ) 窗口。以往十分困难的系统仿真 问题，用s i m u l i n k 只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题，这也是近来受到重视的原 因所在。 2 1 3 实验模态测试技术概述 模态分析实质是一种坐标变换。其目的是把原物理坐标系中描述的响应，转换到“模 态坐标系”中来描述。模态坐标系的基向量是振动系统的特征向量，用模态坐标系描述 的响应的各个坐标互相独立而无耦合。 实验模态分析便是用实验的方法来寻求模态振型以及描述响应向量的各个坐标，即 模态坐标。把机械结构视为n 自由度定常线性系统，在结构系统上选择有限个试验点， 在一点或多点进行激励，在其它点上测量系统的输出响应，对这些测量数据计算得到模 态参数。只要被测试结构基本符合定常线性系统假设，试验方案合理，信号测量准确， 数据处理可靠，由此得到的模态参数就能够反映结构的动态特性，据此可以建立与实际 相一致的动力学模型。 对于n 自由度振动系统，其特征方程为 1 2 2 m + k i = 0 ( 2 1 ) 当质量矩阵m 和刚度矩阵k 正定时，有n 个负实根，记为 丑= 一哆 ( f = 1 , 2 ，刀) ( 2 2 ) 相应于上述特征值 2 的特征向量为仍，即第i 阶振型，表示机械结构作第i 阶模态振 动，这时结构上各点发生同频率和同相位的振动，各点振幅的分布规律为仍。用模态矩 阵。实现对系统的解耦，得到模态质量矩阵和模态刚度矩阵分别为 东北大学硕士学位论文 笫2 章排气系统测试分析优化系统的建立 m f = m 7 m 西，k f = m 2 k o( 2 3 ) 因为仍与m 均为实数，所以n 自由度无阻尼系统是实模态系统。 理论上讲，n 个自由度系统有n 个模态存在，其模态矩阵是刀刀阶方阵。但在实际模 态分析中需要进行模态坐标缩减，即只能求得较少的个模态解。将个模态排成缩减 模态矩阵m 。，利用它可以得到m 。，和k 。，它们是心阶对角阵，也是位于m ，和k ，左 上角的子矩阵。用截断模态振型进行系统解耦，x = 。q 。，得到如下只有刀c 个自由度的 方程 m d 牙c f + 吒鼋d = 0o = 1 , 2 ，屯) ( 2 4 ) 用这个低阶模态描述结构的动态特性可以达到足够高的精度，因为它们是结构的 主要模态。 在模态分析中，如果考虑机械结构的阻尼问题，将会变得十分复杂。通常工程上采 用三种假设来简化阻尼问题：比例阻尼、结构阻尼和一般粘性阻尼。具有比例阻尼的系 统是实模态系统。结构阻尼机理主要是基于材料的内耗，它适用于诸如有紧密联接的结 构，具有结构阻尼的系统的固有频率不等于相应的无阻尼系统的固有频率。在小阻尼条 件下两者差别不大。若假设阻尼力与运动速度成比例，则称为一般的粘性阻尼，这种假 设适用于诸如具有粘性接触面，或较弱联接的结构。一般地，如果阻尼矩阵c 可以被咖 对角化而使运动方程解耦，则该系统有实模态。如比例阻尼、比例结构阻尼及可以对角 化的一般粘性阻尼等，它们的模态矩阵是痧。如果阻尼矩阵不能被咖对角化，则该系统 有复模态。如对一般的结构阻尼及一般的粘性阻尼等，它们的复模态矩阵是罗。当结构 发生第i 阶复模态振动时，因为结构上各点的简谐振动虽然有相同的频率，但是有不同的 相位角，所以结构上各点不会同时通过平衡位置，也不会同时达到最大振幅。 2 2 系统的硬件架构 模态测试的主要任务是同时测量系统的输入信号和输出信号，并对它进行数字处 理，从而估计出被测系统的频响函数或脉冲响应函数，为模态分析提供准确可靠的依据。 频响函数的测试方法一般可分为单点激励和多点激励两种。前者是对结构的某一点激 励，同时测量所有点的响应( 或者对所有点进行激励，测量某一点的响应) ；后者是对结 构的某些点激励，同时测量各点的响应。多点激励技术适用于大型复杂结构，单点激励 测试技术是多点测试技术的基础，也是必须要掌握的理论。频响函数测试的基本系统有 三部分组成，即激励部分、传感部分和分析部分。 - 1 0 - 东北大学硕士学位论文第2 章排气系统测试分析优化系统的建立 。 数据前处理及采 原始数据 数据存储和处 处理后数据卜 实时显示 集设备 理设备( 计算 设备 。加速度响应信号卜 ( 数据采集卡和 v 机等)v( 鼹示器 放大器等) 等) 图 2 2 系统硬件结构图 f i g 2 2h a r d w a r eb u i l d u po ft h es y s t e m 激振方法般根据结构的实际情况及拥有的实验手段来确定。一般将对于中小型结 构采用单点激振，对于大型结构采用多点激振。采用力锤激振时常将测量响应的传感器 位置固定不变，逐次改变敲击点的位置，由此获得频响函数矩阵中的一行( 只有一个响 应测点的情况) 或多行( 有多个响应测点的情况) 数据。采用电磁式激振器时，由于更换激 振器的位置要拆装夹具并移动实验架，使得操作很不方便，因此，一般固定激振点的位 置不变，从而获得频响矩阵中的一列( 对只有一个激振器的情况) 元素或多列( 对有多个激 振器的情况) 元素。 本系统中结合结构实际情况采取冲击激振，又称为锤击法，所涉硬件主要有： ( 1 ) 力锤 力锤是瞬时接触激振器。最简单地力锤可在锤头上安装一个力传感器，如下图所示 图2 3 力锤 f i g2 3f o r c eh a m m e r 在力传感器上配置不同材料的顶帽，如钢帽、尼龙帽或橡胶帽等。顶帽的硬度越高， 获得的力谱频带越宽。锤头的质量和配重要与所选择的力传感器相匹配，例如0 5 k g 的锤 头敲击时可得到5 0 0 0 n 左右的力脉冲，可选择一个上限为8 0 0 0 n 的力传感器，否则会使 传感器损坏。力脉冲的持续时间及其频率宽度除与锤帽材料有关外，还与锤头重量、被 激励结构材料有关，材料越软，低频分量增加，频带越窄。锤头越重，脉冲持续时间加 长，频带变窄，低频分量增加。在力锤的使用中应注意避免反跳造成多次冲击，这种多 次冲击信号会造成信号处理阶段的困难。力锤所提供的能量是有限的，应按激励频段的 需要来选取项帽和附加质量，以便使能量尽可能地集中在所需频段内发挥作用。锤击用 力切莫太狠，以免造成局部结构的变形超出弹性范围。在使用锤击激振时，力信号采集 东北大学硕士学位论文 第2 章排气系统测试分析优化系统的建立 时应加力窗。 ( 2 ) 力传感器和加速度传感器 在现代振动测量中，除某些特定情况采用光学测量外，一般用电测的方法，将振动 运动转变为电学( 或其它物理量) 信号的装置称为振动传感器。 根据被测振动运动是位移、速度还是加速度，可以将振动传感器分为位移传感器、 速度传感器和加速度传感器。由于位移和速度分别可由速度和加速度积分所得，因而速 度传感器还可以用于测量位移，加速度传感器也可用来测量速度和位移。 从力学原理上，振动传感器又可分为绝对式传感器和相对式传感器。绝对式传感器 测量振动物体的绝对运动，这时需将振动传感器基座固定在振动体待测点上。相对式传 感器又可分为接触式和非接触式两种。实际上，有时( 如振动体在空间宏观移动) 很难建 立一个测量的固定基准，另外，从现场振动测量的便利条件和应用方便而言