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台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 摘要 本文结合同济大学汽车工程系与上海大众汽车有限公司的合作课题“帕萨特 轿车车头道路模拟试验加载谱和试验规范的开发，对利用m t s 公司的m a s t ( m u l t i a x i a ls i m u l a t i o nt a b l e ) 多轴模拟试验台系统，实现包括保险杠、车灯、 蓄电池支架、仪表板和散热器等在内的，帕萨特轿车车头子系统的室内道路模拟 试验这一典型的工程实际应用，所需要解决的关键技术问题，从理论上进行了比 较深入的研究，并在实践上进行了验证。研究的成果不仅可直接用于帕萨特轿车 车头室内道路模拟试验，以缩短试验周期，节省试验费用，对于其它型号轿车的 车头子系统或零部件总成在m a s t 试验台上进行室内道路模拟试验，亦具有相应 的理论参考价值和实际指导意义。 研究首先通过帕萨特轿车车身试验模态分析和道路载荷谱自功率谱分析，了 解车身的实际振动响应频带及在该频带内车头的固有动态特性，据此建立了白车 身的有限元模型。然后根据车身的静、动态力学特性并结合m a s t 多轴模拟试验 台的尺寸，确定了车头在整个车身上的合理截断部位以及在试验台架上的固定方 案。完成车头子系统的建模后，进行了基于优化算法的动力学修改，使其特性尽 可能与整车保持一致，并用试验加以验证。之后应用m a s t 试验系统和r p c i i i 控制软件，以标准试车场的道路载荷谱为目标信号，实施台架迭代试验并得到了 台架加载谱。接下来对道路模拟效果进行了评估和检验，针对处于车头不同位置 的零部件对台架加载谱作了相应的修正，证明了用同一台架加载谱可以完成车头 子系统中不同零部件的道路模拟试验。最后是作为实例验证的帕萨特轿车蓄电池 支架的疲劳耐久性试验。试验取得了较为理想的效果，同时显示了研究成果具有 广阔的工程应用前景。 关键词：轿车车身道路模拟计算试验辅助建模模态分析优化设计 有限元分析结构动力修改疲劳寿命估算疲劳耐久性试验 申请同济大学工学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 - i i - - _ _ - i _ l _ l _ _ i - _ i _ _ l _ _ _ - _ l - _ l _ - l _ l _ _ - _ _ _ l _ _ 一i 一i m m i - i - _ _ l i _ _ _ l - - i - _ _ l _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ki sa s s o c i a t e dw i t ht h ep r o j e c tn a m e d “d e v e l o p m e n to f c r i t e r i o no fl a b o r a t o r yr o a ds i m u l a t i o nt e s to np a s s a tf o r e b o d ys u b s y s t e m ” a n dl a u n c h e db ya u t o m o b i l ec o l l e g eo ft o n g j iu n i v e r s i t ya n ds h a n g h a i v o l k s w a g e na u t o m o b i l ec o l t d t h i sd i s s e r t a t i o nh a st h e o r e t i c a l l yd i s c u s s e d a b o u tt h ek e yp r o b l e m so nh o wt ou s em t sm u l t i a x i a ls i m u l a t i o nt a b l e ( m a s t ) t ot a k et h el a b o r a t o r yr o a ds i m u l a t i o nt e s to np a s s a tf o r e b o d y , i n c l u d i n g b u m p er ，h e a dl a m p s ，b a k e r yr i g ，i n s t r u m e n tp a n e l ，r a d i a t o r , e t c e x p e r i m e n t so n v a l i d a t i o nh a v ea l s ob e e nd o n e t h ec o n c l u s i o n sc a nn o to n l yb ea p p l i e dd i r e c t l y t od ot h ef a t i g u ea n dd u r a b i l i t yt e s t so nt h ec o m p o n e n t sa n ds u b a s s e m b l i e s f i x e di n 尸i a s s a tf r o n t - s t r u c t u r et os a v et i m ea n dc o s t 。b u ta l s os e r v ef o r g u i d a n c ei no t h e r s i m i l a rp r a c t i c a la r e a s t h r o u g ha u t o p o w e ra n a l y s i so fr o a di o a dd a t aa n de x p e r i m e n t a lm o d a i a n a l y s i s 。t h en a t u r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a rb o d yw i t h i nt h em a i n f r e q u e n c yb a n d o f p r a c t i c a ir e s p o n s ev i b r a t i o nw e r es t u d i e d t h ef i n i t e e l e m e n t a lb o d y - i n w h i t em o d e lw a ss e tu pa c c o r d i n g l y a n dt h e n ，c o n s i d e r i n g t h es i z ea n dt r a i to fm a s t t h em a s o n a b l ec u t - o f fp o s i t i o no nt h ec a rb o d ya n d t h ef i x i n gm e t h o do ft h ef o r e b o d yo nt h es i m u l a t i o nt a b l ew e r ed e c i d e di ni i n e w i t ht h ec a rb o d y ss t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e s a 1 f l e rt h a t ，f e a ( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) w a su t i l i z e dt om o d i f ya n do p t i m i z et h ef o r e b o d yi no r d e rt ok e e pi t c o n s i s t e n tw i t ht h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h ew h o l e t e s t sw e r ea l s om a d et o p r o v et h ef e ar e s u l t s a f t e r w a r d s t a k i n gt h er o a di o a dd a t aa c q u i r e df f o mt h e p r o v i n gg r o u n da sd e s t i n a t i o ns i g n a l ，m a s tt e s t i n gs y s t e ma n dr p c i i ic o n t r o l s o f t w a r ew e r ea p p l i e dt od ot h ei t e r a t i o ne x p e r i m e n t st od e t e r m i n et h ef i n a ld r i v e l o a ds p e c t r u m w h e nf i n i s h e d ，t h ee f f e c to ft h es i m u l a t i o nw a se v a l u a t e da n d v a l i d a t e da n dt h ed r i v ei o a ds p e c t r i j mw a sa d j u s t e dt ot h ep o s i t i o n so fd i f f e r e n t c o m p o n e n t s f i n a l l y , b a s e do nt h ea c h i e v e m e n t so ft h er e s e a r c h 。t h ef a t i g u e a n dd u r a b i l i t yt e s t so nb a t t e r yr i go b t a i n e di d e a lr e s u l t sa n ds h o w e db r i g h t p r o s p e c t so ft h es i m u l a t i o nt e c h n i q u ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c a rb o d y ；r o a ds i m u l a t i o n ；c o m p u t e ra n dt e s ta i d e d m o d e l l i n g ；m o d a la n a l y s i s ；o p t i m i s a t i o nd e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； s t r u c t u r a l d y n a m i c sm o d i f i c a t i o n ；f a t i g u el i f ee v a l u a t i o n ；f a t i g u ea n d d u r a b i l i t yt e s t 申请同济大学工学博士学位论文 声明尸明 本人郑重声明，此论文是我个人在导师指导下，进行研 究工作所取得的研究成果。就我所知，文中除了特别加以标 注和说明的地方外，不包含他人的文字资料、试验数据等研 究成果。论文中的创新点和关键技术均为作者亲自完成。 签名：勃垒一 e t i 莓i ：寥2 第一章绪 论 第1 章绪论 1 1 研究的意义和工程背景 随着我国汽车工业的高速发展，各大汽车公司已从单纯的c k d 或s k d 引进向 着零部件国产化和联合或自主开发阶段发展。为此，各个汽车生产企业需要逐步建 立并完善自身的设计和开发机制，可靠的试验手段则是其中的一个关键环节。上海 大众汽车有限公司已积累了大量的零部件台架试验和整车道路试验的规范和方法， 不过其中许多规范和方法仅适用于零部件的常规认可，对于零部件集成系统( 比如 车头子系统) 则还是空白，如遇到相关的产品开发和产品质量问题就显得的无能为 力。 图1 1m a s t 多轴模拟试验台系统 为此，上海大众汽车有限公司引进了如图l l 所示的美国m 了s ( m e c h a n i c a l t e s t i n g 正s i m u l a t i o n ) 公司的m a s t ( m u l h - a x i a l s i m u l a t i o nt a b l e ) 多轴模拟试验 台系统，并准备用以进行帕萨特m 4 跚轿车车头子系统的室内道路模拟试验， 将包括保险杠，车灯、蓄电池支架、仪表扳和散热器等在内的所有车头子系统的零 部件或总成的疲劳耐久性试验集中在一起进行。其意义在于对于整个车头子系统 的道路模拟试验只需采用一种典型的载荷谱，设计种试验央具，并进行一轮模拟 试验即可达到目的，而无须象传统的试验方法那样，或者在实际路面上进行漫长且 效率低f 的路试，或者对于每一种零部件分别进行载荷谱的采集和编辑处理、设讨 申请同济大学1 学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 夹具和可靠性试验。当然，采用车轮耦合四通道的整车道路模拟试验台系统也以进 行同样目的的试验。事实上，m t s 、s c h e n c k 、i n s t r o n 等公司也提供这样的试 验设备，而且国内很多汽车公司和研究机构也正是这么做的，但其缺点在于，四通 道的整车道路模拟试验台一般只能模拟汽车垂直方向上的振动，对汽车其它几个方 向振动的模拟则无法满足需要，同时它也无法进行零部件的振动环境模拟。m a s t 多轴模拟试验台系统则不仅可以模拟汽车上下、前后、左右三个方向的平动，而且 能够模拟侧倾、俯仰、横摆三个方向的转动，能够更为精确地再现汽车的实际运行 环境，台架的设计亦使其能够胜任各种不同类型零部件的试验口3 。 本课题的研究力图通过计算试验辅助建模、动力学修改和远程参数控制等方 法和技术在m a s t 试验台上实现车头子系统的室内道路模拟试验，为上海大众公司 生产的帕萨特轿车车头子系统的零部件提供可靠的强有力的室内道路模拟试验手 段，减少为考核零部件或总成而进行的整车台架试验或道路试验的费用，缩短零部 件或总成的试验周期，加强大众公司的自主开发能力，从而适应日益激烈的市场竞 争。同时，本课题的研究成果也可用于指导其它车型的车头子系统或零部件总成在 m a s t 试验台上进行室内道路模拟试验，具有相应的理论参考价值和实际指导意义。 本课题的研究对象是上海大众汽车有限公司s v w 7 1 8 3 帕萨特轿车产品。此产 品经国家经贸委批准列入2 0 0 0 年度国家新产品试产计划，并且获得国家经贸委和财 政部国家级重点新产品试产项目拔款。 1 2 动力学建模方法概述 经典的振动理论通常先建立待分析对象的动力学数学模型振动方程，然后 通过方程求解来获得对象的振动特性。那么，怎样从一个工程问题得到相应的动力 学模型呢? 作为工程数值分析的有力工具，有限单元法是一个通用的建模方法，因 为它主要借助于计算机，故称之为计算机辅助建模。随着试验模态分析技术及载荷 谱测试分析技术的发展，可直接通过试验进行系统识别，这叫做试验辅助建模口1 。 有限元分析结果和试验结果的相关性研究，以及结构控制和重设计理论发展的要求， 促进了计算机一试验辅助建模理论和方法的发展。计算模型修改、结构动力学设计 修改以及与之有关的基于动力学计算模型的操作检测和故障诊断已成为国际学术界 的研究热点。 申请同济大学工学博士学位论文 第一章绪论 3 计算模型 计算模型的建模方法一般采用有限单元法或边界单元法。如今，这个建模过程 已形成许多标准化通用计算机程序，如a n s y s 、a b a q u s 、n a s t r a n 、i - d e a s 等等。但运用c a m ( c o m p u t e r a i d e d m o d e l i n g ) 这种计算机辅助建模手段建立复杂 结构的动力学方程在实际应用中仍存在不少问题，其中一个主要问题就是自由度数 太高，计算精度不够，建立一个与实际吻合得很好的数学模型非常困难，产生这种 问题的原因有： 1 边界条件的误差： 2 物理常数选择的误差； 3 子结构连接条件的失真： 4 局部或整体的非线性； 5 单元类型的选择和单元划分不适当； 6 实际系统状态和分析状态不一致等等。 对于以上问题，人们一直在努力解决，其中对计算模型自由度的缩减方法的研 究是一个重要途径。从g u y a n 3 。提出静力缩减方法开始，对自由度缩减的研究至今 仍是一个活跃的课题，无疑模态子结构方法是最重要的缩减方法之一，g r a i g 。：给出 过权威性的评述，我国郑兆昌= 5 ：、王文亮拍1 等都对这个计算技术做过深入的研究。 m o o r e 。、g a u r o n s k i 和n a t k e j 。从系统的可控性、可观性条件提出和发展了方程缩减 的平衡方法。a n d e r s o n ：提出了子模态矩阵的方法，通过求解r i c c a t i 方程得到转换 矩阵。 试验模型 试验模型是一种物理形式的模型，直接由试验所得的数据，来描述系统的特征。 例如试验模态分析，这个物理模型的全部应包括被试结构、测量系统( 传感器、放 大器、数据传送设备、数据记录设备) 、数据处理系统、模态分析软件；试验模态分 析的结果是得到模态参数，包括试件的振型、固有频率、模态阻尼、刚度和质量系 数等。又如机械环境试验，包括被试验的安装、载荷类型、载荷谱的确定、试验时 间等，通过试验确定可靠性指标和寿命。因为这些现代的动力学试验也需要利用计 算机及相应的软件进行试验数据处理和分析，故称之为计算机辅助试验c a t ( c o m p u t e r a i d e dt e s t ) 。 中请同济人学l ：学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 现代的c a t 技术比c a m 技术发展晚，在试验模态分析中，e w i n s n 训、n a t k e n 妇 和b r a w n n 2 3 是国外的代表人物，国内张令弥n 3 1 在8 0 年代初从事频率域模态分析技术 的研究，同期张景绘等对a r m a 模型在试验模态分析中应用研究n 引，以及对随机减 量的数学表示研究，是环境模态分析的开始；周传荣n 朝、李德葆n 6 1 等则探讨了机械 振动参数识别方法及应用。8 5 年应怀樵课题组开始自主研制和开发d a s p 数据自动 采集和处理系统和i n v - 3 0 3 3 0 6 系列智能信号采集处理分析仪n 引。樊振江对c a t 系 统及软件包的设计进行了研究n 8 1 9 1 。 然而，模态分析技术这一现代的c a t 技术亦有其不足，主要表现在： 1 技术性太强，需要试验工程师具有丰富的经验和技巧以及对被测系 统的先验知识； 2 试验过程中产生误差，如测量误差、数据处理误差等； 3 液固、气固耦合条件模拟困难； 4 测量数据规格化和非线性简化问题等。 由于上述两种模型在单独使用时都存在一定的局限性，因此，将两种方法结合 起来取长补短，则有可能获得精确的系统模型，这就是计算机一试验辅助建模。 计算试验综合模型 计算一试验辅助建模c t a m ( c o m p u t e ra n dt e s t a i d e d m o d e l l i n g ) 始于利用试 验数据对计算模型进行的缩减方法，如试验模态和解析模态的综合方法研究啪3 ； s c h w i h i n g e r 发表的用参数识别技术得到缩减的扭转振动方程乜川；张景绘从大系统计 算模型的修改要求角度详细讨论了子模态转换的形式和问题乜羽。另一方面，计算模 型也反过来用于指导结构动力修改、系统识别、诊断和控制以弥补试验模型的不足， 如王聪、黄文虎等对航天复杂结构的试验和计算建模相关性分析，顾松年、钱管 良利用有限元模型和实测的模态参数以确定模型误差位置的研究堙4 l 。 如同e y k h o f f p t z s l 在现代系统工程中对系统建模的描述，系统识别s i ( s y s t e m i d e n t i f i c a t i o n ) 和灵敏度分析s a ( s e n s i t i v i t y a n a l y s i s ) 是计算一试验模型相结合的 桥梁，c t a m 主要的研究内容包括： 模型问的相关性( 可比性) ； 数学模型的缩减及其对修改的影响； 数学模型的修改方法及模型精度的描述： 申请同济大学工学博士学位论文 第一章绪论 一5 一 非线性检测、建模； 系统监测和诊断模型的讨论。 本文主要对帕萨特轿车车身的有限元模型和试验模型间的相关性进行了分析。 同时，利用有限元模型，通过灵敏度分析和优化算法，针对车头子系统的结构动力 修改进行了研究和探讨。 1 3 轿车道路模拟试验研究现状 2 0 世纪6 0 年代，随着液压伺服设备和数字式程序控制器的产生和发展，使闭 环控制的道路模拟试验成为可能。最初，这种室内试验技术主要用于模拟汽车行驶 时路面不平度输入。随着现代随机理论、控制技术以及计算机的迅猛发展，使室内 对整车进行道路模拟试验的方法及设备日趋完善。现在的室内试验可精确地模拟汽 车实际行驶工况，如车轮驱动和制动模拟、转向力矩和转向角度模拟以及环境条件 ( 温度、湿度、腐蚀介质等) 模拟等。设备的电控部分已从模拟量控制转换为数字 量控制，试验数据通过网络传输，一切都可通过计算机来操作运行口，施2 7 1 。 道路模拟的主要目的是进行汽车振动性能研究和汽车结构疲劳耐久性试验。本 文以后者为研究对象，在这一领域，国内外许多学者做了大量的研究工作。王学义 等比较全面地研究了使用m t s 道路模拟试验台进行中型卡车的耐久性试验；管 迪华、王霄锋、杜永昌和何泽民啪瑚3 妇等人讨论了汽车零部件室内耐久性试验方法， 提出了闭环控制应变模拟试验方法，并利用远程参数控制技术开发出了一套自主产 权的汽车道路动态试验模拟控制系统r d s s ；王占奎、鲁三才2 3 和王秋景嘲等结合 随机载荷作用下疲劳寿命估算理论，对现行的汽车疲劳试验标准作了合理的评价和 修正；王仲范、刘成等m 3 5 瑚1 对频域内汽车随机振动试验中功率谱密度及随机波形控 制方法和时域内自适应控制方法展开了研究；而l i p i n gh u a n g 、h a f ta g r a w a l 口 和孙 凌玉、吕振华踟则提出了在计算机仿真环境中预测车身零部件疲劳寿命的方法，把 道路模拟与仿真技术结合了起来。 1 9 7 5 年之前，我国室内汽车道路模拟试验技术设备几乎是一片空白。后来，原 北京自动化研究所和北京汽车制造厂联合研制了可用于整车试验的试验台，但由于 性能上的限制难以推广应用。七十年代末，第二汽车制造厂和长春汽车研究所相继 申请同济大学工学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究6 从美国m t s 公司引进了大型道路模拟试验设备。1 9 8 5 年南京汽车制造厂从原联邦 德国s c h e n c k 公司引进一台道路模拟试验设备，上海同济大学汽车系实验室也引 进了该公司的液压系统作为道路模拟的驱动设备。此后，东风汽车技术中心、上海 大众汽车有限公司、泛亚汽车技术中心、新大洲本田摩托有限公司和汽车动态模拟 国家重点实验室等机构又陆续引进了m t s 公司的道路模拟设备，如车轮耦合四通 道液压伺服系统、八通道轴耦合试验机等。到目前为止，在国内引进m a s t 试验系 统的，只有上海大众汽车有限公司的产品工程部。因此，有关m a s t 试验台架系统 的研究在国内尚未展开。国外也仅有少数一些大汽车公司采用了这套试验系统，如 德国戴姆勒一克莱斯勒公司、德国宝马公司、法国雷诺公司和日本丰田公司等。他 们主要使用m a s t 试验台进行一些具体零部件或总成的耐久性疲劳试验，对于车头 子系统的道路模拟则未见报道。 在公开发表的文献中，m t s 工程部的d e m i n gw a n 等口9 蚰4 1 1 对该系统的控制原理 和动态特性作了描述；c h r i s t o p hl “引、p e t e rd h 3 1 等对多轴疲劳损伤与时间历程的 关系进行了研究。 1 4 研究思路及工作内容 本研究的主要目标是精确、有效地进行帕萨特轿车车头子系统的室内道路模拟 试验以检验子系统内部零部件的疲劳寿命，为此要解决以下几个方面的关键技术问 题： 研究车身的固有特性，确定车头在整个车身上的合理截断部位； 确定车头在台架上的约束条件和装夹固定方式； 进行模态灵敏度分析和结构动力修改以使车头子系统的特性尽可能与整车 保持一致； 合理地选取道路谱采集的迭代和监控测点，制定道路载荷谱采集方案并加以 实施； 调整试验系统以准确地模拟道路振动状况，保证各监控测点的模拟精度。 研究内容确定后，按照以下步骤着手研究工作： 1 进行主要针对车头子系统的帕萨特轿车车身模态试验、静态扭转刚度试验 申请同济大学工学博士学位论文 第一章绪 论 和道路载荷谱初步采集试验，了解车头的固有力学特性及其实际工况的响 应频带范围，据此运用计算试验辅助建模技术建立白车身的有限元模型； 2 根据车身的静、动态力学特性并结合m a s t 多轴模拟试验台的尺寸，确定 车头在整个车身上的合理截断部位以及在台架上的约束条件和装夹固定方 式； 3 利用有限元模型对车头进行动力学修改和优化，使其特性尽可能与整车保 持一致，最终确定车头子系统的结构； 4 进行道路载荷谱采集试验和台架迭代试验获取加载谱，然后对道路模拟的 效果进行评定，对加载谱进行修正，并用实例对道路模拟精度加以检验。 整个工作的流程如图1 2 所示： 图1 2 工作流程图 申请同济大学工学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究8 - 总而言之，研究工作的主要内容在于：以上海大众汽车有限公司的帕萨特轿车 车身为研究对象，运用计算一试验辅助建模技术对车身及车头子系统进行有限单元 建模、结构动力学分析和优化，制定道路载荷谱采集方案并加以实施。在此基础上， 以m a s t 多轴模拟试验台系统为试验设备，建立一种新的汽车车头子系统或零部件 总成的室内疲劳耐久性试验方法，并运用于工程实际。 申请同济大学工学博士学位论文 第二章白车身力学特性分析 第2 章白车身力学特性分析 2 1 模态分析 模态分析实质上是一种坐标变换，其目的在于把原物理坐标系统中描述的响应 向量，转换到“模态坐标系统 中来描述，具体来说，就是利用系统固有振型或振 型矢量的正交性，以系统的各阶振型矢量所组成的振型矩阵作为变换矩阵，对通常 选取的物理位置坐标系进行线性变换，使得系统在原来物理坐标系统中，互相耦合 的运动方程组，在新的特殊的模态坐标系统中，变为一组相互独立的运动方程。系 统在原有物理坐标系统中，对于任意激励的响应，则可视为系统各阶固有振型按一 定比例叠加的结果。各阶振型在叠加中所占的比例，则由相应的模态值来决定，故 模态分析法又称振型叠加法n 6 4 4 1 。 根据研究手段和方法的不同，模态分析分为理论模态分析和试验模态分析。 2 1 1 试验模态分析方法及应用 试验模态分析又称模态分析的试验过程，就是用试验的方法来寻求系统的模态 参数，即系统之极点( 固有频率和阻尼) 和固有振型( 模态向量) 。首先，试验测得 激励和响应的时间历程，运用数字信号处理方法求得频响函数或脉冲响应函数，得 到系统的非参数模型；然后，运用参数识别方法，求得系统模态参数；如有必要， 还可进一步确定系统的物理参数。因此，试验模态分析是综合运用线性振动理论、 动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段，进行系统识别的过程h 5 | 。 随着试验模态分析专题研究范围不断扩展，模态分析技术已被广义地理解为包 括力学系统动态性的确定以及与其应用有关的大部分领域，其主要应用有： 1 用来了解结构的固有振动特性，如：固有频率、固有振型、模态阻尼以及 模态刚度与模态质量等。对复杂构件采用分析计算方法有时很难取得正确 结果，而试验模态分析却可以得到h 6 1 。 2 用来验证动态有限元计算结果的正确性，修正有限元模型的不足之处。以 修正后的模态模型进行分析计算则具有更高的可靠性h 7 瑚1 。 申请同济大学工学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 1 0 3 用模态试验建立一个部件的数学模型，然后再将其组合到完整的结构中去。 这通常称为“子结构方法 硒，6 4 引。 4 用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算嘲1 。 5 用来进行响应计算和载荷识别侣1 5 副。由于理论模型计算很难得到模态阻尼， 因而进行响应计算结果往往不理想。利用模态试验结果进行响应计算则无 此弊端。 6 动态与结构方法应用于复杂结构的分析，模态综合和结构件的故障诊断等， 如建立车内噪声预测模型龉3 。 2 1 2 试验模态分析的基本原理5 1 模态参数是指系统的固有参数，如固有频率、固有振型、模态阻尼、模态刚度 和模态质量。这些参数都隐含在系统参数频率响应函数中，模态分析就是要从试验 得到的频率响应函数图线中提取( 识别) 系统模态参数。 首先从机械振动基本理论出发，经离散化处理后，一个结构的动态特性可由n 阶矩阵微分方程描述： 撑+ c ：p + 麟= f g ) ( 2 1 ) 式中f ( t ) 为n 维激振力向量；x 、j 、碧分别为n 维位移、速度和加速度响应向 量；m 、k 、c 分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称n 阶矩阵。 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： m s 2 + c s + 尺】x ) = f ( s ) ( 2 - 2 ) 令s = 国：即可得到系统在频域中输出( 响应向量x 0 ) ) 和输入( 激振向量 ，0 ) ) 的关系式： 引进坐标变换： 两边傅立叶变换： - o j 2 m + j f 吐) c + k 】x ) = f 白) ( 2 - 3 ) x o ) = 曲o ) ) x 0 ) = 矽曲) ) 申请同济大学工学博士学位论文 第二章白车身力学特性分析 代入( 2 3 ) 式使上式解耦得： 或： 得到： 一国2 m + & ) c + k x 0 ) = 矽r ，) - o j 2 m ，+ j c o c ，+ 尼，k ，( c o ) - - 九弓) ( 2 - 4 ) 斛端= 端 则： x 0 ) = 9 0 ) ) = ( 移，) g ，0 ) ) 所以：x b ) = 喜移， j 再= ( 窆i = 1 - o ) 2 m 鱼i 丛+ j l a ) c i + k i ) f 。) 由于频响函数( 位移) 的定义为： 对照上两式得： ( 2 6 ) 式还可表示为： x 0 ) = 日0 扩0 ) ( 2 5 ) 日噶j - a j 2 m 趔i + j c o c l i + k i 亿6 ， 日。培nmico盟-o)2+j29icoico ( 2 - 7 ) 其中：劬，) 各阶振型 q 各阶固有频率，砰：互 m l 色各阶阻尼因子，磊= _ 生 2 m i ( o i m ；模态质量 k i 模态刚度 当系统p 点作用激振力时，结构e 点的响应为： 申请同济大学工学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 1 2 t 白) = 喜九吼) 2 【喜ij 荔j ) i ；l ；1w ，i ，w o j i 在p 点施加激振力，在e 点测量振动响应的频响函数表达式为： 咖) = 础，所以 如”喜磊 沼 当系统阻尼较小，模态之间的相互影响可或忽略时， 磊 沼9 ) 取其中第p 列： 咖) = 而 沼1 0 ) 不难发现，n 自由度系统的频率响应，等于n 个单自由度系统频率响应的线 形叠加。在模态间的耦合可忽略时，要由试验求得全部模态参数q 、磊、勋，) ，实 际上只需频响函数矩阵的一列或一行即可。即在单点激振，各点拾振；或在各点激 振，单点拾振。 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一一模态频率啦、模态阻尼比磊、和振型溉 ，i = 1 2 ，n ( 1 1 为系统在测试频段内的模态数) 。 2 1 3 频响函数的测试 为了测量频响函数的一行或一列，可采用在结构上选定适当的一点，作单点 固定激振。如果在所有测量点依次测量响应，称为单输入单输出( s i s o ) 测量法； 若在多点同时测量响应，则称为单输入多输出( s 蹦o ) 法。 若响应信号完全是由激励信号引起的，即响应信号中不存在任何噪声，那么， 经过一次测量后，即可按定义( 2 5 ) 式来计算频响函数。但是，实际测量的信号 中总会有噪声干扰存在。为了排除噪声的影响，必须用平均技术，下面给出常用 的单点激振条件下结构系统频响函数的h l 和h 2 估计。 申请同济大学工学博士学位论文 第二章 白车身力学特性分析1 3 1 频响函数h 1 估计 假设响应中含有噪声，在这种情况下，y ) = h ( 叫) f ( c ，) + n ( 叫) 。式中，y ( 叫) 是 测得的响应，其中含有噪声n ( 叫) ，用最小二乘法来求取频响函数h ( 叫) 的最佳近似 值。 令：8k 2 - y k ( 叫) x ( 叫) 】2 ，则进行n 次测量的平方误差和为： = l 匕( 缈) 一日( 功) 吒( 国) 1 2 ：兰 匕( 缈) 一日( 缈) e ( 缈) 蠢( 国) 一h ( 缈) 耳( ) 式中k 表示第k 次测量的结果，将上式对h ( 叫) 求偏导，并令其等于零，以求取频 响函数的最佳近似值h 1 ( 叫) ： 占； 而k = l = 一k = l ) 一日( 国) e ( 国) 坟( ) = o e ) 耳 ) 日， ) = 号一 e ( ) 耳( 国) k = l 由于啄沏) = n 2 - 兰k = l ) 耳徊) = ，因此，上式可化为： 啪，= 酬= 矧 沼 式中g f y ( 彬) 为f 和y 的平均单边互谱密度；g f y ( 洲) 为f 的平均单边自谱密度。易知， 在响应方面存在噪声的情况下，由( 2 1 1 ) 式可得到频响函数的最佳近似值。 2 频响函数h 2 估计 若对( 2 5 ) 式等号两边右乘x ) 的共轭转置x h ) 可得： x 0 归h 如) = 日( c o 扩0 归圩0 ) 对上式取时间平均和集合平均后，得： g 艋0 ) = h ( c o ) g # ) 申请同济大学工学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 1 4 由上式得到频响函数的h 2 估计： 啪) = 渊 沼 可以证明，当测量系统的激励信号中含有干扰噪声时，用所谓的h e 估计来估算 频响函数可以改善估计结果的近似性n 6 4 4 。 2 1 4 频域模态参数识别 以上我们讨论了频响函数可以通过测量和平均技术得到，它可以表示成随频率 而变化的频响函数曲线。实测所得到的频响函数曲线便是频域模态参数识别的根据。 在模态参数识别的频域法中，有最小二乘圆拟合法、非线性加权最小二乘法、 直接偏导数法、l e v y 法、正交多项式拟合法、分区模态综合法、频域总体识别法等； 按输入输出方式可分为单输入单输出识别、单输入多输出识别和多输入多输出 ( m i m o ) 识别；还可分为单模态识别法和多模态识别法。各种方法在文献1 6 、4 4 、 5 6 中都有介绍，可根据实际情况加以选择，这里不再赘述。 2 2 车身模态试验m 3 进行帕萨特轿车车身模态试验的主要目的是：测定帕萨特轿车车身的模态参数， 确定车头的固有动态特性，为车头在整个车身上的合理截断部位的确定以及进行动 态试验和道路载荷谱采集的关键点的选择提供参考。 2 2 1 试验系统 试验对象与支承方式 试验对象为经一定工艺处理后，并安装了车身附件的帕萨特轿车整车车身，车 身附件状况列于表2 1 。整个车身采用橡皮绳悬挂在刚性支架上，如图2 1 所示。经 测试该试验系统的固有频率在l 一- 2 h z 之间，与轿车前后桥偏频n l 、n 2 相近，且远 小于车身第一阶模态频率，符合自由支承的约束状态要求。 申请同济大学工学博士学位论文 第一章白车身力学特性分析 表2 1 试验车身附件 国2 - 1 车身的自由支承方式 序号车身附件名称 有无 1 前桥( 刚性悬挂) 2通道支撑扳 3 活动车顶 4 车头前端( 前围) 5粘贴玻璃( 前后风窗) 6 油漆 7 上蜡 8 阻尼材料 9 四门二盖 1 0 挡泥板 l l 密封条 1 2 车顶内板 1 3 内饰 1 4 隔音材料 1 5 前保险杠 1 6 副车架 1 7后桥( 刚性悬挂) 申请同济大学f 学博士学位论文 台架模拟轿午乍头子系统道路载荷谱的方法研究 ，1 6 激励方式和激励装置 试验采用单点激励，多点抬振的单输入、多输出( s i m o ) 试验方法。由信号发 生器、功率放大器和电磁式激振动器共同组成激励系统。其中，辙振器外壳刚性地 固定在基础上，并通过顶杆与阻抗头及车 身相连，如图2 - 2 所示。激励信号采用出 信号发生器产生频带范围为0 1 0 0 h z 的 窄带白噪声信号，这样，经过多次平均后 可消除随机噪声干扰和结构非线性的影 响，测量速度也较快。频响函数的钡4 试基 础是数据采集和f f t 技术，而每次数据采 集样本长度总是有限的每个样本都要将 原信号截断，因此会造成较大泄漏。为了 抑制泄漏，激励和响应的信号加汉宁窗进 行控制。 、一： 图2 - 2 激振器与车身的莲接 激振点的选取与测点布置 进行单点激励试验时，选择激振点应以能有效激起各阶模态为原则。因为车身 质量较大，结构较为复杂，为了避免丢失模岙或得不到有效的高信噪比频响函数， 采取在x 、y 、z 三个方向分别激励和测量响应的方式。其中x 、y 、z 分别代表车 辆坐标系的三个坐标轴，x 轴指向车辆前进方向，z 轴l 下向取竖直向上，y 轴按照 右手螺旋定则指向驾驶员左侧。新石准静别谢g 乳下艾手x ，y 1z 妁靖车辆壁乐葬 的坐标轴。 考虑| 4 激振器的安装和车身的对称性等因素，在进行了互换测试频响函数试验 之后，将x 方向激振点选择在自t 保险杠中部，对应测点编号为3 1 ；将y 方向激振 点选择在纵梁前部，对应测点编号为2 1 6 ；将z 方向激振点选择在后座椅底板处， 对应测点编号为i 8 4 。 根据试验目的和车身结构，加速度测点按下述原则进行布置：1 车头部分的测 点应尽量均匀布置在纵梁、横粱等承载件以及车头内部零部件的固定点或支承点上； 2 中柱之前的车身部分选取较为密集的测点以获取车头的动态特性；3 部分测点 申请同济大学f 学博十学位论文 第二章白车身力学特性分析 需测量不同方向的响应，故这些测点所在位置应便于安装传感器支座。 按照上述布点原则，在x 方向选取了1 1 1 个测点；在y 方向选取了1 2 1 个测点 在z 方向选取了2 1 8 个测点。 图各3 为擞振点及测点布置位置示意图： 围2 1 3 帕萨特轿牢车身壤态实验的激振点和测点布量围 测量、采集和分析处理系统及其设置 测量系统由传感器及其配套测量电路组成。激励点信号的采集采用压电式力传 感器和加速度计合为一体的阻抗头；其他测点全部采用压电式加速度传感器并通 过可调向支座和磁铁座与车身相连，如图2 - 4 所示。 匿2 - 4 加速度传蒜器与车身的连接 与传感器配套的前置放大器为电荷放大嚣，放大器的频率档设置为：0 ，2 1 0 0 h z 。信号采集分析系统采用i n v - 3 0 6 d 智能信号采集分析仪结合d a s p 数据自动 申请同济大学j = 学博士学位论文 台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究 1 8 采集和处理系统。对信号进行截断时加汉宁窗避免失真。采样步长为5 毫秒( 采样 频率为2 0 0 h z ) ，每- - n 点采样时间为3 2 秒，频率分辨率为0 0 3 1 h z 。信号分析频 率为1 0 0 h z 。 图2 5 为整个试验系统的示意图，试验仪器及设备见表2 2 所示： 加速度传感器 信号发生器卜一功率放大器 表2 2 试验仪器及设备 阻抗头 激振器 电荷放大器 图2 5 车身实验模态试验系统示意图 模态参数 仪器名称型号厂家 激振器 j z k 一2 0扬州无线电二厂 信号发生器 m t - 1 2 0 1 扬州无线电二厂 功率放大器 y e 5 8 7 2 扬州无线电二厂 阻抗头 c l 广y d 3 31 扬州无线电二厂 加速度传感器 b r f i e l k j a e r 4 38 3 丹麦b k 公司 b r i i e l k j a e r 2 6 3 5 丹麦b & k 公司 电荷放大器 y e 5 8 5 8扬州无线电二厂 i n v 3 0 6 d 智能信号采集分析仪 北京东方振动和噪声 数据采集系统 d a s p 数据自动采集和处理系统技术研究所 2 2 2 试验分析结果 将采集的试验数据经d a s p 数据自动采集和处理系统的模态分析模块进行计算 和分析，步骤如下5 7 1 ： 1 进行传递函数分析，用h l 估计计算各测点与激振点的传递函数； 申请同济大学工学博士学位论文 第二章白车身力学特性分析 1 9 2 根据各测点的坐标，建立车身结构模型； 3 用集总平均法确定模态阶数； 4 用复模态单自由度法进行模态拟合； 5 用质量归一法进行振型编辑； 6 动画显示和模态参数输出。 试验得到的车身x 、y 、z 三个方向的前三阶模态的频率、阻尼比和振型特征 见表2 3 所示： 表2 3 车身x 、y 、z 三个方向的前三阶模态参数