西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 摘要 作為實現汽車使用功能的重要結構，轎車車身的品質是關系到用戶滿意度的重要 因素。而白車身的振動模態(tài)特性又是車身品質的重要方面。自車身模態(tài)預示著汽車在 使用過程中車身的振動特性，低階模態(tài)還反映車身結構的剛度特性。獲取白車身結構 模態(tài)參數是進行轎車車身優(yōu)化設計的前提。 課題以白車身結構模態(tài)分析為核心，研究包含以下六個方面： ( 1 ) 總結白車身計算模態(tài)分析基本方法。結合前人經驗，對白車身有限元建模指 導原則加以歸納，包括幾何簡化合理性、網格劃分質量控制和連接方式等效性三個方 面。 ( 2 ) 在c a t i av 5 環(huán)境中建立白車身c a d 模型；在h y p e r m e s h8 0 中建立有限元仿 真模型。在n a s t r a n2 0 0 5 中計算得到模態(tài)參數。 ( 3 ) 以多自由度系統(tǒng)復模態(tài)分析為基礎，結合系統(tǒng)辨識理論，對白車身實驗模態(tài) 分析原理進行闡述，對具體車型模態(tài)試驗方案加以描述；運用l m s 測試系統(tǒng)進行模態(tài) 試驗。 ( 4 ) 結合實驗模態(tài)分析理論，在獲取的頻響函數基礎上，對白車身模態(tài)參數用最 小二乘復頻域法( l s c f ) 輔以最4 , - 乘復指數法( l s c e ) 進行估計。用頻響函數綜合( f r f s y n t h e s i s ) 、模態(tài)置信準則( m a c ) 和模態(tài)參預( m p ) 三個指標進行模態(tài)驗證，并對結 果進行分析。 ( 5 ) 通過實驗模態(tài)和計算模態(tài)結果的對比，得到白車身的模態(tài)參數，包括固有頻 率和模態(tài)振型。 ( 6 ) 結合薄板聲輻射理論，以頂棚聲振特性優(yōu)化為手段，對車身薄板結構振動描 述及優(yōu)化方法進行了探討；并以此為切入點對具體車型車內噪聲進行優(yōu)化研究。 通過對上述六個方面的探討，從白車身建模到車身結構優(yōu)化，形成一個較完整的 研究思路；課題著重從結構改進方面挖掘汽車減振降噪潛力，對當前國內在車身結構 動態(tài)性能優(yōu)化方面的工作具有一定參考意義。 課題具有以下創(chuàng)新性： ( 1 ) 歸納出白車身有限元仿真精度的核心影響因素，即幾何簡化的合理性、網格 質量和連接方式的等效性三個方面，以此作為白車身有限元建模的指導原則。 ( 2 ) 有別于前人以車身頂棚固有頻率為優(yōu)化變量，本課題以振型優(yōu)化為手段，提 出車身薄板聲振特性的統(tǒng)計描述方法。 關鍵詞：白車身；建模；模態(tài)分析；車身頂棚；優(yōu)化 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 i 頁 a b s t r a c t a st h em o s ti m p o r t a n ts t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l ef o rr e a l i z i n gt h eu s i n gf u n c t i o n , t h e q u a l i t yo fc a rb o d yh a sa ni m p o r t a n tr e l a t i o n s h i p 、 ，i t ht h eu s e rs a t i s f a c t i o n a n dt h eb i w m o d a lc h a r a c t e r i s t i ci so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t so ft h ec a rb o d yq u a l i t i e s b i w m o d a lc h a r a c t e r i s t i ci sar e f l e c t i o no ft h ev i b r a t i o np e r f o r m a n c eo fc a rb o d y l o ws t e p so f m o d a la l s oc a nb ear e f l e c t i o no ft h es t i f f n e s so ft h ec a rb o d ys n 眥n l r e a c q u i s i t i o no ft h ec a r b o d ym o d a lp a r a m e t e r si st h ep r e m i s eo fo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rc a rb o d y t h es u b j e c tm a d et h eb i wm o d a la n a l y s i sa st h ek e yc o r eo ft h er e s e a r c h ，n l er e s e a r c h c o n t e n t sw e r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 eb a s i cm e t h o do fb i wc o m p u t a t i o n a lm o d a la n a l y s i sw a ss u m m a r i z e d b a s eo n p r e v i o u sr e s e a r c h , t h ei n d u c t i o no fp r i n c i p l e s f o rb i wm o d e l i n gm e t h o d sw a sm a d e ， i n c l u d i n gr a t i o n a l i t yo fg e o m e t r i c a ls i m p l i f i c a t i o n , n o r m a t i v eo fm e s ha n de q u i v a l e n c eo f c o n n e c t i n gm e t h o d s ( 2 ) c o m p l e t e dt h eb i wg e o m e t r ym o d e l i n gi nc a t i av 5 ，a n dt h ef e mm o d e l i n gi n h ) r p e 肌e s h8 0 t h eb i wm o d a lp a r a m e t e r sw e r ea c q u i r e db ya n a l y s i si nn a s t r a n2 0 0 5 ( 3 ) w i t ht h eb a s i so fm u l t i - d e g r e eo ff r e e d o ms y s t e mc o m p l e xm o d a la n a l y s i sa n dt h e t h e o r yo fs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n , t h ep r i n c i p l eo fe m ao fc a l b o d yw a sd e s c r i b e d t h e nt h e e m aw a sm a d eb yu s i n gl m s t e s t i n gs y s t e m ( 4 ) c o m b i n e d 謝t lt h ee m at h e o r ya n dt h ef i 江a c q u i r e da sb a s i s ，t h ee s t i m a t i o n so f t h em o d a lp a r a m e t e r sw e r em a d eb yt h em e t h o do fl s c fa s s i s t e db yl s c e t h e nt h r e e m e t h o d sa r eu s e dt ov a l i d a t em o d a lr e s u i t s - f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o ns y n t h e s i s ，m o d a l a s s u r a n c ec r i t e r i o n ，m o d a lp a r t i c i p a t i o n ，a n dt h ea n a l y s i sw e r em a d ef o r t h er e s u l t s ( 5 ) a c c o r d i n gt h ec o m p a r i n go ft h er e s u l t so fe m a o ff e m ，t h em o d a lp a r a m e t e r so f t h eb i ww e r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d a ls h a p e s ( 6 ) t h ed e s c r i p t i o na n do p t i m i z a t i o no fv i b r a t i o nf o rt h i np a n e l so nc a rb o d ya r es t u d i e d b yu s i n gt h em e t h o do fm o d es h a p e so p t i m i z a t i o no fc a l r o o fb a s eo na c o u s t i cr a d i a t i o n t h e o r yo f t h i np a n e l ；a n dt h ei n t e r i o rn o i s eo p t i m i z a t i o no fac o n c r e t ec a rw a sm a d ef r o mt h i s b r e a k t h r o u g hp o i n t a c c o r d i n gt ot h ed i s c u s s i o n so ft h es i xa s p e c t sa b o v e ，f r o mb i wm o d e l i n gt o b o d y s t m c t u r eo p t i m i z a t i o n , ac o m p l e t es t u d y i n gt h o u g h tw a sf o r m e d t h ep o t e n t i a lo f v i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o nf r o mt h ea s p e c to fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nw a se m p h a t i c a u y s t u d i e di nt h es u b j e c t ；i tp r o v i d e ss o m ek i n do fr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o no fc a r - b o d y i n n o v a t i o n si n v o l v e di nt h es u b je c ta sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 ec o r ef a c t o r so fa c c u r a c yo fb i wm o d e l i n gw e r ec o n c l u d e d ，i n c l u d i n gr a t i o n a l i t y 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 i i 頁 o fg e o m e t r ys i m p l i f ym e t h o d ，t h eq u a l i t yo fm e s h , t h ee q u i v a l e n c eo fc o n n e c t i n gm e t h o d ； 1 1 1 e ya r er e g a r d e da st h eg u i d i n gp r i n c i p l e so fb i wm o d e l i n g ( 2 ) b e i n gd i f f e r e n tf r o mt h ep r e v i o u sr e s e a r c ht h a tu s i n gt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c ya st h e o p t i m i z i n gv a r i a b l e ，t h em o d a ls h a p eo p t i m i z i n gm e t h o dw e r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n d t h es t a t i s t i c a ld e s c r i p t i o nm e t h o do ft h i np a n e lv i b r a t i o nw a si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：b o d yi nw h i t e ；m o d e l i n g ；m o d a la n a l y s i s ；c a rr o o f ；o p t i m i z a t i o n 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 第一章緒論 1 1 研究背景及意義 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車企業(yè)之間的競爭也愈演愈烈，紛紛加緊新車型的開發(fā) 以投放市場。據統(tǒng)計【1 】，2 0 1 0 年，我國汽車產銷均突破1 8 0 0 萬輛，同比增長3 2 3 7 ， 蟬聯(lián)全球第一! 汽車正在走迸中國千家萬戶老百姓的家里。在平臺化戰(zhàn)略的驅動下， 整車廠商在同系列甚至不同系列之間的底盤、動力總成等共享技術和零部件使得產品 開發(fā)周期大為縮短。這樣，車身成為區(qū)分不同轎車的首要特征，車身開發(fā)也就成為整 車開發(fā)最為活躍的因素，大力發(fā)展車身開發(fā)技術是目前我國汽車工業(yè)應牢牢把握的重 要方向】。 車身是實現汽車使用功能的重要組成部分，也是整個轎車零部件的載體。轎車車 身在整車藝術美學、人機工程、安全性及燃油經濟性四個方面扮演著重要的角色【4 ，5 1 。 目前轎車車身結構多為承載式結構，其特點是沒有車架，車身由骨架、蒙皮、底盤及 附屬部件通過焊接、鉚接等連接方式組裝而成。由于沒有車架，車身自重得以減輕； 乘坐空間得以擴大，提升了乘坐舒適性；同時地板高度較低，提高了轎車的穩(wěn)定性。 汽車n v h ( n o i s e 噪聲，v i b r a t i o n 一振動，h a r s h n e s s 聲學舒適性) 性能近年來得消 費者和研究人員的廣泛重視。車身作為汽車的主要部件，在設計階段就應該制定相應 的n v h 指標作為整車性能指標的重要組成部分以指導車身設計過程。近年來由于對汽 車燃油經濟性的嚴格要求，促使汽車輕量化設計技術得到快速發(fā)展，較低的自重可以 使汽車動力性和燃油經濟性得以提升。但車身結構在降低自重的同時，往往車身振動， 車內噪聲控制成為一個突出的矛盾。所以，考慮如何在實現車身輕量化的同時，提高 汽車n v h 性能成為目前車身開發(fā)研究的難點 6 - g 。 在車身結構研究中，模態(tài)分析為車身結構設計和性能評估提供了一個強有力的工 具，而圍繞其結果開展的各種動態(tài)設計方法更使模態(tài)分析成為車身結構設計的重要基 礎。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，運算速度的提高，模態(tài)分析的應用獲取了更廣闊的 空間。模態(tài)參數是評價結構動態(tài)特性，診斷結構故障原因以及結構優(yōu)化設計的重要依 據。工程實際中，為預測結構響應，監(jiān)控結構狀態(tài)，故障診斷，需要獲取結構的準確 或近似數學模型。目前的結構建模方法主要有兩種，即理論數學模態(tài)模型和測試模態(tài) 模型，相對應的分析手段就分別稱為計算模態(tài)分析和實驗模態(tài)分析。能否獲取符合實 際狀況的白車身模態(tài)參數是車身結構優(yōu)化設計及修改等后續(xù)工作得以有效進行的首要 條件【9 】o 結構優(yōu)化設計目前在車身設計領域得到廣泛應用。從研究層次看，已經從簡單的 桁架設計發(fā)展為梁、板、殼等多種復雜形式結構的設計。目標函數由單目標發(fā)展到多 目標；當前，結構優(yōu)化設計在三個方面的運用最為普遍：尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和形狀 優(yōu)化。 本文通過建立白車身結構有限元計算模態(tài)分析模型及實驗模態(tài)分析模型，對白車 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 舅舅詈曼曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼i , i 曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼! 苧! 曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼! 舅笆曼皇曼曼曼鼉 身模態(tài)分析概念內涵進行詳細的剖析；在模態(tài)分析的基礎上，結合實際，基于理論分 析前提，對白車身結構優(yōu)化切入點進行探討；對當前我國車企在車身結構動態(tài)特性領 域的探索，本課題的研究可以提供一定的參考。 1 2 國內外研究狀況 1 2 1 轎車車身結構 上個世紀，承載式轎車車身最早在歐美國家得到廣泛應用并出現了“車身力學 這一概念。大批的汽車設計者從事與有關轎車車身載荷和疲勞問題的研究，其中具有 代表性的人物有德國的k e r z 、k e b e r h o r s t 、h c r o s s e c k ，法國的h d e s f a r g e 、g d es e r e 、 h l a c u s s e 等，為轎車車身設計開發(fā)研究搭建了初步的框架。 1 9 7 0 年，美國n a s a 開發(fā)出有限元分析程序n a s t r a n ，標志著以有限元分析為基礎 的結構設計與分析方法正式踏上歷史舞臺。 2 0 世紀7 0 年代，美國福特汽車公司率先在汽車車身設計中應用計算機技術，并對 點焊結構的模擬方法進行研究，基于板、梁結構運用n a s t r a n 對車身進行靜態(tài)分析，尋 找結構中的高應力點。 8 0 年代美國通用汽車公司以及日本五十鈴汽車公司等率先將c a e 應用于車身設計 的各個階段。 9 0 年代，隨著有限元軟件的完善，c a e 分析得到更為深入和廣泛的應用。通用汽 車公司在有限元程序基礎上，開發(fā)自主后處理程序，將發(fā)動機和道路激勵集成為數據 庫，進行結構響應分析，大大豐富了c a e 分析內涵。 最近十年來，各大c a e 軟件已經具備了基于靈敏度分析的自動優(yōu)化功能。日本日 產汽車公司在整車優(yōu)化中采用c a e 技術，模型中包含發(fā)動機、懸架、轉向系統(tǒng)；福特 汽車公司在新車型n v h 性能優(yōu)化中采用c a e 技術取得了顯著的效果。隨著計算機技術 的發(fā)展，目前通用有限元軟件已成為工程技術人員必不可少的分析工具。借助c a e 技 術，國外汽車開發(fā)周期已從以前的幾年縮短為十幾個月l l 洲。 國內方面，我國最早從7 0 年代末8 0 年代初，高校和相關研究單位開始使用c a e t 技術。9 0 年代，隨著大型有限元軟件的引入，有限元法開始被運用于汽車零部件的分 析。 如吉林工業(yè)大學喬淑平等人用板殼單元對某轎車白車身進行模擬計算，研究了車 身扭轉和彎曲剛度。 清華大學馬幼鳴等人對某輕型s u v 車身骨架進行了有限元建模以及靜工況分析， 基于靈敏度分析對車身結構進行了優(yōu)化研究。 以往我國汽車車身設計偏重于保證車身強度，一般以車身強度試驗結果作為核心 指標進行產品設計；與之不同的是，國外汽車企業(yè)則將前幾階模態(tài)參數、車身結構剛 度特性也作為產品設計的關鍵指標，十分重視提高車身n v h 性能 1 0 l 。 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 目前我國在概念設計階段的車身結構性能分析工作并沒有得到足夠重視，車身結 構性能的研究主要集中在詳細設計及制造階段，無疑增加了后續(xù)設計的風險和成本。 縱觀國內外發(fā)展狀況，現代轎車車身設計現狀呈現出如下特點 l l - x s l ： ( 1 ) 車身概念設計在整個車身設計過程中的地位越來越重要。概念設計是保證車 身基本力學性能的重要階段。目前，國際著名車企在概念設計階段的投入越來越大， 概念設計階段大約花費全部車身設計過程成本7 0 的費用，目的是避免為后續(xù)設計留 下無法彌補的缺陷?？梢姡斍败嚿砀拍钤O計的實際內涵已遠遠超越以往造型設計單 一意圖。 ( 2 ) 虛擬仿真實驗貫穿于車身設計的整個過程，仿真與實驗相結合的方法成為結 構設計的基礎手段。汽車c a e 技術的廣泛應用是避免結構設計盲目性，提前預測結構 力學性能的有力工具。當前，c a e 技術較以前更廣泛運用于車身基本力學性能的分析， 如剛度、強度、模態(tài)、疲勞、耐久性等分析中；在車輛碰撞模擬、車身空氣動力學、 聲學模擬分析、虛擬制造等方面亦有廣泛的應用空間，極大豐富了c a e 技術的應用范 圍。各大汽車公司都擁有分工明確的c a e 部門，隨著多體動力學和有限元法等的仿真 精度越來越高，c a e 部門在車身開發(fā)中扮演著舉足輕重的地位。 6 3 ) 日益嚴格的技術指標用以指導車身設計過程。安全、節(jié)能、環(huán)保是現代轎車 設計追求的目標，車企都在減少汽車生產成本，提高市場競爭力，迎合消費者愈加挑 剔的要求。在能源緊缺的背景下，輕量化普遍成為車身設計的重要目標。如何在保證 安全性等前提下，減輕車身重量，以獲取最佳燃油經濟性以及更低的成本是目前研究 者和設計人員考慮的重要課題。 ( 4 ) 優(yōu)化設計思想在車身設計的各個階段被廣泛引用。由于設計指標的嚴格要求， 導致車身設計難度提高到了前所未有的程度；設計人員為了實現整車設計指標，制定 出更為細致的子目標，引入優(yōu)化設計思想以切實保證各子目標得以充分完成，分散總 目標設計所帶來的壓力。 1 2 2 汽車n v h 研究 安全性與舒適性是轎車產品設計過程中要考慮的重要內容。統(tǒng)計表吲1 6 1 ，汽車產 品大約埔的故障與n v h 問題相關，國際上各大著名汽車公司近2 0 的研發(fā)費用都花 費在n v h 問題的解決上。 n v h 的觀點認為，汽車是一個由激勵源( 發(fā)動機、變速器、路面等) 、振動傳遞途 徑( 懸掛系統(tǒng)) 和振動響應和聲輻射結構( 車身) 組成的系統(tǒng)1 1 刀。 由此可知，解決汽車n v h 問題的基本思路為：通過接收者( 乘員、司機) 的經驗 初步判斷振動的激勵源并加以分析確認，對激勵源的激勵機理和傳遞途徑進行研究， 找到控制噪聲和振動的方法，來降低車內噪聲水平，最終達到提升乘坐舒適性的目的。 按噪聲源以及振動源可將車內噪聲分為：動力傳動系統(tǒng)噪聲、路面不平度激勵噪聲、 車輪噪聲、空氣動力學噪聲、其他附屬結構噪聲。實踐中發(fā)現車內中低頻噪聲 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 量量曼曼曼曼蔓量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼舅曼量曼曼皇曼皂曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼量! ! ! ! ! 舅! ! 曼曼曼曼罡蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼皇曼曼i i i i 曼! ! 曼曼曼曼 ( 2 0 4 0 0 h z ) 主要來源是固體傳播激勵車身板件振動形成的，若能削弱固體傳播和控 制板件振動，則能降低車內噪聲水平【1 w 。 對于汽車n v h 問題，c a e 分析手段可細分為多剛體系統(tǒng)動力學方法( m b m ) 、有 限元法( f e m ) 、邊界元( b e m ) 和統(tǒng)計能量法( s e a ) 2 2 1 。 在工程上，多體系統(tǒng)動力學分析用于懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及動力總成 系統(tǒng)等低頻范圍內的建模與分析。對中低頻噪聲，針對結構和聲腔的f e m 和b e m 技術 手段較為適用，是預測車內噪聲的重要方法。目前，大多數通用有限元軟件都集成了 聲學分析功能，專用于求解聲學問題的常用軟件為s y s n o i s e ( l m s v i r t u a ll a b a c o u s t i c ) 。 高頻噪聲由于聲模態(tài)密度較大、模態(tài)重疊度過高，有限元分析車內噪聲精度偏低，1 9 6 0 年，美國麻省理工學院r h l y o n 、g m a i d a n i k 和英國學者p w s m i t hj r 提出用能量統(tǒng)計 法解決聲振系統(tǒng)高頻動力學問題【2 3 , 2 4 。常用的基于統(tǒng)計能量的聲學計算軟件是 a u t o s e a ，它能彌補基于有限元法及邊界元法的軟件在高頻段的計算精度低的缺陷。美 國克萊斯勒汽車公司n v h 實驗室利用s e a 對汽車高頻振動及噪聲進行分析，其車內 2 0 9 5 0 0 0 h z 范圍的噪聲聲壓仿真精度達到2 - 4 d b l 2 引。 目前，國外大型汽車公司已把汽車噪聲和振動控制理念融入新車型開發(fā)的各個環(huán) 節(jié)，以確保從源頭上保證汽車的n v h 性能。絕大多數汽車公司及許多零部件公司都建 有n v h 實驗室，它們擁有較為完善的基礎數據庫，并已經形成自己的標準、規(guī)范。許 多企業(yè)已經開始注重提高產品的聲品質，將聲品質作為一個品牌，逐步完善“n v h ” 的內涵。 近二十年來，隨著人們對汽車品質的追求和自主品牌汽車的發(fā)展，國內在汽車n v h 方面的研究較為活躍，取得了大量研究成果。我國最早在上世紀9 0 年代，開始用c a e 方法研究汽車噪聲振動問題。 1 9 9 1 年，束永平對某叉車油泵齒輪箱的表面輻射聲場進行了仿真模擬f 2 6 】。1 9 9 4 年， 江蘇大學蘇清祖等在汽車變速器噪聲評估中運用邊界元法【27 1 。1 9 9 7 年，西安公路交通 大學張永新等人對汽車噪聲測量的聲場空間變化方法進行了研究，并用于尋找汽車車 內噪聲聲源，結合實例，對該方法的應用效果進行了闡述【2 羽。2 0 0 0 年，河北工業(yè)大學 檀潤華等對路面隨機激勵下汽車的振動響應用m a t l a b 進行了仿真模擬【2 9 j 。 2 0 0 0 2 0 0 2 年，西南交通大學丁渭平教授利用對稱化有限元模型對薄壁腔體聲振耦 合特性進行了研究，并對車內聲源識別方法和聲學泄露作了探討 3 0 - 3 2 。 2 0 0 2 年，丁玉慶利用八自由度彈簧質量系統(tǒng)對汽車振動進行模擬，并對懸架參數 進行了優(yōu)化研究口引。 2 0 0 6 年，吉林大學楊志軍博士在多工況約束下對客車頂棚拓撲結構進行了優(yōu)化研 究【3 4 1 。2 0 0 8 年，楊明亮對動力總成懸置系統(tǒng)的n v h 性能改進作了分析【3 5 l ；王昊涵通過 聲振模態(tài)分析對轎車頂棚n v h 特性作了探討【3 6 j 。2 0 0 9 年，同濟大學邵德剛通過頂棚模 態(tài)試驗進行了車內噪聲優(yōu)化研剄3 刀。2 0 1 0 年，重慶大學鄧國紅教授研究了小波自適應 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 曼曼曼曼曼曼置曼曼舅! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 舅曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇曼曼舅! 曼! 曼曼曼曼曼鼉曼曼! 皇曼鼉! , l i i 蔓曼曼曼曼曼曼曼皇量鼉曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼 控制的轎車頂棚振動主動控制方法【3 8 j 。 隨著軟硬件條件的不斷完善，企業(yè)開始對汽車動力總成、傳動系統(tǒng)以及懸置系統(tǒng) 等部件的n v h 問題采取試驗的方法來研究。由于汽車n v h 問題日益變得重要，國內針 對汽車n v h 的研究逐漸上升到整車層次。近1 0 年來，我國自主品牌汽車企業(yè)在n v h 方面取得的進步有目共睹，形成一定的市場競爭力。 國內企業(yè)為完成整車n v h 指標，在解決汽車各子系統(tǒng)噪聲振動問題上積累了許多 經驗。然而，在運用仿真技術解決汽車n v h 問題方面依然有很大的研究空間。雖然基 礎理論早已成熟，但具體應用中卻面臨困難。例如，多年來對汽車等較復雜結構聲學 問題的仿真置信度并沒有實質性的提高；如何建立直接、高效的車內噪聲與結構參數 定量關系仿真模型依然是工程技術難點。 幾十年來，車內噪聲和振動大大降低。隨著主要噪聲振動源的性能改善，原來諸 多次要噪聲振動源突顯出來，因此，降低系統(tǒng)和零部件的噪聲振動變得越來越重要。 同時，一些新的動力系統(tǒng)的問世，比如混合動力、燃料電池、變氣缸發(fā)動機等。這些 新型動力系統(tǒng)的噪聲振動特點與傳統(tǒng)發(fā)動機相差甚遠，隨之帶來新的課題?，F在顧客 還關心汽車使用若干年后的性能，這樣就面臨汽車高里程時的噪聲和振動控制問題， 系統(tǒng)穩(wěn)定性成為汽車品牌的重要指標。面對新問題新挑戰(zhàn)，在汽車界，降低噪聲和振 動的努力還在繼續(xù)1 3 引。 1 2 3 模態(tài)分析技術 結構的模態(tài)特性是研究汽車n v h 問題時重點關注的對象。模態(tài)分析 4 0 , 4 1 1 是振動工 程理論的一個重要分支，是研究結構動力學特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨識方法在 工程振動領域的應用。它決定了結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻 率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析技術最早應用于航空、航天領域，現已廣泛應與與 機械( 車輛、船舶等) 、建筑、橋梁、海洋平臺和兵器等幾何所有的工程領域得到廣泛 應用。 模態(tài)分析起源于上世紀三四十年代。1 9 4 7 年，k e n n e d y 和p a n c u 最早提出精確測 定航空器的固有頻率和阻尼比的方法，是最早的關于模態(tài)試驗技術的描述。1 9 6 3 年 b i s h o p 和s a l t e r 在論文中描述了模態(tài)試驗的原理，對模態(tài)試驗理論進行了闡述。2 0 世 紀7 0 年代，電子技術有了重要的發(fā)展，數學分析儀、傳感器等，特別是以f f t 為基礎 的信號分析儀的出現，結構振動測試進入一個全新的階段，從而形成了現代實驗模態(tài) 分析技術。8 0 年代中期至9 0 年代，模態(tài)分析在各個工程領域得到大量普及，在結構性 能評價、結構動態(tài)設計和動態(tài)修改、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測以及聲控分析等方面的應用 研究異常活躍，尤其是基于f e m ( 有限元方法) 和e m a ( 實驗分析) 和最優(yōu)控制理論 的結構動態(tài)設計和動態(tài)修改，取得了大量研究成果【4 2 j 。 與此同時，國內外模態(tài)分析測試軟件也隨之出現。在國外，振動和聲學分析儀及 軟件都包含模態(tài)分析功能，最具代表性的有m e s c o p e v e s 、s t a r 、l m s 等，國內有 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 d a s p - m a s 模態(tài)分析儀、d h m a 分析軟件等，這些軟件在工程振動及噪聲領域發(fā)揮著重 要重要。 目前，模態(tài)分析技術在我國已成為- - i 重要的工程技術，而不僅僅是研究單位從 事研究的理論課題【4 割。作為考察結構動力學特性的重要手段，模態(tài)分析在白車身結構 設計過程中扮演中重要角色。 模態(tài)分析技術日趨成熟，尤其是線性模態(tài)方面的理論與實際已臻于完善。但模態(tài) 分析在工程應用中還有不少工作值得研剄她4 5 1 。 首先在如何擴大模態(tài)分析應用范圍，提高模態(tài)分析精度方面，增加測試信號信息 量是傳統(tǒng)的提高分析精度的方法，然而僅僅依靠增加測點數難以實現。最近，國際上 提出一種激光掃描的方式增加模態(tài)信息量，是一種較為新穎的辦法。其次，對復雜結 構的模態(tài)分析，頻響函數的耦合，高頻模態(tài)檢測，模態(tài)噪聲等方面的研究有待開展。 另外，由于近年來工程非線性問題頻繁出現，于是將線性模態(tài)分析向非線性模態(tài)分析 的推廣工作顯得頗為緊迫。非線性建模以及非線性物理參數識別等方面的研究是當前 模態(tài)分析領域研究的熱點。 模態(tài)分析在白車身分析中的應用包括實驗模態(tài)和有限元計算模態(tài)兩個方面。模態(tài) 試驗技術相關理論通過學者的大量研究已趨于成熟。有限元仿真分析方面，早期的運 用主要集中在概念設計階段的粗略白車身力學模型上，通常采用以梁單元為主的框架 結構模型：隨著計算機計算能力的提高以及相關計算軟件精度的不斷提高，對結構細 節(jié)的研究不斷深入，模型的規(guī)模以及計算精度不斷提高。 然而，由于實驗模態(tài)分析技術的較強理論性和實踐性，以及白車身結構的復雜性， 往往實驗過程中處理方法會對實驗結果形成直接影響。人的因素在試驗過程中扮演著 重要角色。所以白車身模態(tài)分析仍然需要研究者的不斷努力以尋求新的突破。 1 3 選題依據及研究內容 當前在白車身模態(tài)分析方面，有如下研究空間： ( 1 ) 白車身有限元仿真分析的置信度依然是困擾研究人員的難題，耗費大量時間 建立的仿真模型經常無法得到令人滿意的結果。 ( 2 ) 雖然實驗模態(tài)分析理論早已成熟，但目前仍缺少結合白車身這種復雜結構的 系統(tǒng)的模態(tài)試驗方法闡述。 在車身薄板結構聲振特性優(yōu)化方面的研究中，存在以下不足： ( 1 ) 總體來看，缺乏將薄板聲輻射理論用于指導車身薄板振動控制較為簡便和直 接的方法；文獻【3 4 】、【3 7 等從不同側面對車身薄板結構振動控制方法進行摸索，但更 多是經驗性質的總結，缺乏機理性的論述。 ( 2 ) 在當前的研究中，皆以車身頂棚的模態(tài)固有頻率作為設計變量，尚未見到針 對頂棚模態(tài)振型的優(yōu)化研究以及對其減振降噪潛力的論述。此外，目前研究中通常將 頂棚作為一個獨立子結構加以研究，忽略了與車身其他結構的相互影響，必然與作為 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 曼曼曼皇曼曼i 一 i 曼皇蔓量曼蔓曼曼皇曼皇! 曼! 皇皇曼曼曼曼曼! 曼量 白車身一部分的頂棚結構的模態(tài)特性有所差距。 以上述研究現狀為背景，確立本課題研究內容如下： ( 1 ) 對白車身建模精度影響因素加以逐一探討，對建模關鍵技術問題加以論述。 提煉主要因素，排除次要因素，總結出白車身建模有限元建模的指導原則。在c a t i av 5 和h y p e r m e s h8 0 中分別建立了某具體車型白車身的c a d 模型以及有限元模型；通過 模態(tài)計算得到模態(tài)參數，并對結果作初步分析。 ( 2 ) 進行白車身模態(tài)試驗，結合實驗模態(tài)分析理論對模態(tài)試驗結果作出解釋。結 合自車身仿真計算結果，獲取了白車身結構模態(tài)參數信息。 ( 3 ) 運用理論分析結合仿真計算，尋求描述和改善車身薄板結構聲振特性更為簡 便的方法。闡述振型優(yōu)化思路，并提出振型改進判據，以此為依據對頂棚結構的振動 特性進行改進研究。 ( 4 ) 本課題以具體車型為背景進行研究，該車型存在發(fā)動機中高轉速下車內噪聲 水平偏高的問題；相對于2 4 l 排量車型，2 o l 排量車型體現更為明顯。課題從結構改 進入手，探討通過改善車身薄板振動特性進而改善車內聲學舒適性的方法。 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 第二章模態(tài)分析基礎理論 2 1 引言 這一章是白車身模態(tài)分析，尤其是白車身實驗模態(tài)分析的理論基礎。通過模態(tài)分 析，找到一種合適的坐標體系來進行坐標變換，先將在構造空間中描述的運動微分方 程轉移到所謂狀態(tài)空間中來描述，在狀態(tài)空間中構建相應的模態(tài)空間，使微分方程解 耦【4 同。白車身是一個具有低阻尼的多自由度系統(tǒng)，模態(tài)試驗中，頻響函數估計、模態(tài) 驗證等環(huán)節(jié)，都建立在多自由度系統(tǒng)復模態(tài)分析理論基礎之上。 2 2 多自由度系統(tǒng)模態(tài)分析理論 2 2 1 多自由度系統(tǒng)微分方程的建立 4 7 , 4 8 一個多自由度系統(tǒng)，運用動力學的基本定理或定律，可以建立起系統(tǒng)的運動微分 方程。建立運動方程的基本步驟為： ( 1 ) 將系統(tǒng)分離成離散的質量塊，分別進行受力分析； ( 2 ) 利用牛頓第二定律建立微分方程。 先以二自由度系統(tǒng)為例，再推廣到多自由度的情況： f 1 ( 七) f 2 ( 七) 圖2 1 兩自由度阻尼系統(tǒng)示意圖 系統(tǒng)微分方程為： f 鉑薯+ ( q + 巳) 毫一乞毫+ ( 毛+ 恕) 五一如吒= z o ) 【m 2 x 2 + ( 乞+ 巳) 島一乞南+ ( 乞+ 乞) 恐一如毛= 五o ) 改為矩陣表達： 【m 】 膏 + 【c 】 競) + 【k 】 x ) = 廠) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中 【m 】、【c 】、【k 】、 ) 和 x ) 分別是質量矩陣、阻尼矩陣和力向量以及響應 向量。 假設初始速度和位移為0 ，將上式進行拉普拉斯交換得到： ( p 2 ，】+ 硝c 】+ 足】) x ( p ) ) = f ( p ) ( 2 3 ) 西南交通大學碩士研究生學位論文 第9 頁 1 戥 z ( p ) 】 x ( p ) ) = ，( p ) ( 2 4 ) 其中 z ( p ) 】為動剛度陣。 由上式可求得傳遞函數矩陣 刪川( 舭( 州射l 】_ 籬 ( 2 - 5 ) 式中 a d j z ( p ) 】為【z ( p ) 】的伴隨陣。 2 2 2 固有頻率阻尼因子 前述( 2 5 ) 式中分母【z ( p ) 的行列式為系統(tǒng)的特征方程。它的根，即系統(tǒng)極點， 決定了系統(tǒng)共振的頻率。為了將( 2 3 ) 式轉化為般特征值問題，引入如下等式： ( p 【m 卜烈m 】) x ) = 0 ) ( 2 - 6 ) 結合式( 2 3 ) ( p 【彳】+ p 【b 】) n = f ( 2 _ 7 ) 式中= 器，跚嘲= 篇跚 = 憎卜弘 協(xié)8 ) 對于自由振動，及力矩陣為零，則特征值方程為 i p 【彳】+ 【b 】| = 0 ( 2 - 9 ) 該方程的解為2 r 4 個呈共軛對出現的特征根 人 o 0 a t 、 。l 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 盯l + 地 6n + j o ) n 0 仃l 一，q o o n j n ( 2 1 0 ) 極點虛部是固有頻率，實部就是阻尼因子。 、 2 2 3 模態(tài)向量 t 有了系統(tǒng)的特征值，就可以求得系統(tǒng)的特征向量，也就是模態(tài)振型向量或模態(tài)位 移向量，簡稱模態(tài)向量。這些特征向量也呈復數共軛對出現，且與特征值一一對應： 嗍= 瞄能搿囂 協(xié) 系統(tǒng)傳遞函數改寫為 【日( p ) 】：礦墮豎業(yè)一= 警堅盟 ( 2 1 2 ) 兀e ( p 一九) ( p 一。) 兀e ( p 一4 ) 其中e 為常數； k + ，= 九，s = 1 ，2 ，n 引入留數：【彳】，【么】，上式變?yōu)?酗】= 蘭烈( p j a i 石l + 器) ( 2 - 1 3 ) 由留數定理 阻】，= ( 【日( p ) 】( p 一以) ) l p ； ( 2 1 4 ) 將( 2 1 2 ) 帶入上式，得 阻：粵盟 ( 2 i s ) 兀e ( 一九) 或 彳】，= p fa d j ( z ( x r ) ) ( 2 - 1 6 ) 式中p 是與極點有關的常數。所以( 2 1 3 ) 寫成 西南交通大學碩士研究生學位論文第11 頁 曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼笪基笪曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼鼉曼! 曼曼皇曼! 曼皇曼曼曼舅! 蔓皇i i 曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇 z ( p ) 】a 諺( 【z ( p ) 】) 爿z ( p ) i 【刀 將特征根p - - 帶入上式，有 z ( 乃) 】口諺( 【z ( 一) ) = 【0 】 對于鋤【z ( 以) 】的任意一列，有 【z ( ) 】 動( z ( 丸) 】) ) ，= 0 ) 伴隨矩陣滿足如下條件 砌( 【z ( ) 】) = 舡) ，( ) ， a d j z g ) 】的各行均與第r 階模態(tài)向量成比例： 口諺( 【z ( 一) 】) = 耳緲) ，) ，7 = 肆 y l 妒 l f ，2 y ， l f ，l f ，ll f ，_ l f ，2 y l f ， ， ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 其中肆是與舡) ，換算比例有關的一個常數。將上式帶入傳遞函數表達式，得到 于是 ，= 善c 掣等+ 錯， m 】，= q ，緲) ， ，r ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式( 2 。2 3 ) 即為模態(tài)向量與留數的關系式。 2 2 4 模態(tài)參預因子和系統(tǒng)頻晌函數 令i v = 妙 r ) 和 1 渺) 】 ( 2 2 4 ) c 三，= c g t y h 鳊緲，q 舡玎q 緲，= 、q c 明r q - 2 。 榴i f ，、 、 含有擊和扣心鶘成 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 2 頁 c 日c p ，= c 礦p 、，、 一 、a 、 ，- 1 r 三， c 2 2 6 ， t日cp，=c礦，tp、 ， 、一、人、 r 1 、q 、 c y ，r c2 2 7 ， t x c p ，= r h c p ，t ，c p ，= r y ，r p 、j 、 一 、人 ，- 1 r 三，t f c p ， c 2 2 8 ， 各激勵自由度對各階模態(tài)激勵有效性的一種度量。 將p = 扣帶入傳遞函數公式就得到頻響函數矩陣： 瞅俐= 善c 絮籌+ 樣( 2 - 2 9 ) t日c-，國，=cy，t，國，、 一 、人、 r l c ， c2 - 3 。， f c 徊刀= c 日c 歸t ，c 問，= r 礦，r 歸 、，、 一 、人、 ，。1 r 三，t ，c 泐， c 2 3 1 ) 2 3 本章小結 西南交通大學碩士研究生學位論文第13 頁 第三章白車身計算模態(tài)分析 3 1 引言 本章通過有限元計算得到白車身的模態(tài)參數。有限元計算出的白車身模態(tài)結果是否 符合實際狀況，最直接的影響因素就是白車身建模的合理性。建立一個可靠的白車身 有限元仿真模型是后續(xù)設計、改進、驗證等環(huán)節(jié)得以有效進行的基本前提。所以，有 必要對白車身建模技術相關內容加以探討。本章中的仿真計算結果將于后續(xù)模態(tài)試驗 結果形成對比。 3 2 白車身0 a e 模型建模指導原則 對白車身進行計算模態(tài)分析，就是先建立白車身的有限元模型，設置相應的模態(tài)計 算工況，然后利用模態(tài)求解器進行計算，進而得到模態(tài)參數的過程。 有限元分析方法的精度取決于模型、工況和分析方法，要求對有限元基本知識、軟 件應用和工程實際有一定的認識。白車身在不同的設計階段，應采用不同的建模方法。 如果車型處于概念設計階段，為了對車身大體結構和整體剛度分布進行分配，只需對 車身的主體框架結構建模，建立白車身的簡化模型( 如梁單元模型) 即可；如果是對 車身設計進行細化或進行車身設計驗證，且模型要用于結構的動態(tài)修改，優(yōu)化設計等， 則應建立較為詳細的幾何模型和有限元模型1 4 引。 白車身建模要根據需要尋