輕卡白車(chē)身模態(tài)試驗(yàn)與有限元分析

1結(jié)果分析和模態(tài)分析在新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)中，通過(guò)宋元分析和實(shí)驗(yàn)分析，我們可以在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出解決方案，有效縮短購(gòu)車(chē)體驗(yàn)，降低開(kāi)發(fā)成本。在對(duì)白車(chē)身的有限元分析中,模態(tài)分析是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的主要手段之一。對(duì)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的研究可以分析出車(chē)身的固有振動(dòng)頻率及低階彈性模態(tài),從而可以反映出車(chē)身的整體剛性是否滿足設(shè)計(jì)要求。車(chē)輛在行駛過(guò)程中受到外界的時(shí)變激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)的作用,當(dāng)外界的激振接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí),車(chē)輛會(huì)產(chǎn)生共振,即產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲,同時(shí)導(dǎo)致鈑金件疲勞破裂,車(chē)身表面保護(hù)層和密封性被破壞。本文對(duì)某輕卡駕駛室白車(chē)身分別進(jìn)行有限元模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,得到白車(chē)身的各階模態(tài)頻率和模態(tài)特征,再將有限元分析結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,從而對(duì)車(chē)身的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià),并指導(dǎo)車(chē)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2有限元模型商用車(chē)輕卡駕駛室為非承載式車(chē)身,駕駛室通過(guò)翻轉(zhuǎn)鎖止機(jī)構(gòu)與車(chē)架相連接,白車(chē)身結(jié)構(gòu)由沖壓件鋼板通過(guò)點(diǎn)焊的方式聯(lián)接。本文對(duì)某輕卡白車(chē)身進(jìn)行分析簡(jiǎn)化,在HYPERMESH中采用4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)殼單元Shell63對(duì)白車(chē)身鈑金件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,將車(chē)身結(jié)構(gòu)離散成209124個(gè)單元,215079個(gè)節(jié)點(diǎn)。車(chē)身通過(guò)焊點(diǎn)連接而成,在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),不考慮焊點(diǎn)的失效,認(rèn)為焊點(diǎn)的連接是牢固可靠的,在保證車(chē)身力學(xué)性能不變的前提下,采用剛性單元對(duì)連接處進(jìn)行處理,該駕駛室采用1342對(duì)焊點(diǎn)單元相連接,建立有限元模型如圖1所示。涂膠材料選用glue,鈑金件采用彈性材料steel,材料屬性如表1所示。模擬中為自由模態(tài)分析,不施加任何邊界條件。3白色車(chē)身模型測(cè)試3.1模態(tài)分析系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)分析是依靠動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)對(duì)某個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,由系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)處理,采用模態(tài)參數(shù)辨識(shí)法對(duì)實(shí)測(cè)到的每一個(gè)傳遞函數(shù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識(shí),從而得到被測(cè)系統(tǒng)的固有特性。試驗(yàn)測(cè)量分析系統(tǒng)由試驗(yàn)激振系統(tǒng)、響應(yīng)拾振系統(tǒng)以及模態(tài)分析和處理系統(tǒng)等三大部分組成。其中試驗(yàn)激振系統(tǒng)包括:激振信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和激振器;響應(yīng)拾振系統(tǒng)包括壓電晶體加速度傳感器、力傳感器、信號(hào)放大和智能采集系統(tǒng);模態(tài)分析和處理系統(tǒng)主要是模態(tài)分析軟件Test.lab。具體的測(cè)試系統(tǒng)連接關(guān)系如圖2所示。3.2頻響函數(shù)測(cè)試試驗(yàn)前做了大量的準(zhǔn)備工作,包括選擇懸掛點(diǎn)、制作連接件、調(diào)整懸掛位置、選擇激振點(diǎn)、定位測(cè)點(diǎn)等,正式試驗(yàn)前還進(jìn)行了預(yù)備性試驗(yàn),以確保整套測(cè)試系統(tǒng)(包括測(cè)量方法和試驗(yàn)條件)的可靠有效。此次試驗(yàn)采用了多點(diǎn)激振下的三向傳感器測(cè)試,激振信號(hào)采用隨機(jī)觸發(fā)信號(hào)。為保證識(shí)別出的頻響函數(shù)具有較好的一致性,并且不遺漏模態(tài),頻響函數(shù)測(cè)試采用多點(diǎn)全相干激振的方法;同時(shí)為了保證試驗(yàn)條件一致,即試驗(yàn)條件均采用2點(diǎn)激勵(lì),激勵(lì)信號(hào)為隨即觸發(fā)(burstrandom),懸掛方式為自由模態(tài)方式,用4根橡皮繩將其懸掛在模態(tài)試驗(yàn)專用吊架上,使駕駛室處于自由狀態(tài),如圖3所示。為了對(duì)駕駛室模態(tài)進(jìn)行測(cè)試,首先對(duì)駕駛室進(jìn)行了幾何尺寸測(cè)繪,并建立了三維幾何試驗(yàn)?zāi)Ｐ?安排布置測(cè)試點(diǎn),并對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行X、Y和Z三個(gè)方向的加速度信號(hào)拾振。根據(jù)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)建立模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖4),該駕駛室共建立339個(gè)測(cè)試點(diǎn),試驗(yàn)關(guān)注的頻率為100Hz以內(nèi),在試驗(yàn)中確定信號(hào)采集時(shí)的分析頻率為160Hz;為了降低測(cè)試中噪聲的影響,采用平均技術(shù)來(lái)降低隨機(jī)誤差,平均次數(shù)為20次。3.3兩個(gè)物理模態(tài)的兩個(gè)向量模態(tài)判定準(zhǔn)則(MAC)是用來(lái)比較不同模態(tài)振型的相關(guān)性和評(píng)估同一模態(tài)振型正確性的工具。描述同一物理模態(tài)的兩個(gè)向量,其MAC值應(yīng)接近1(或100%),描述不同物理模態(tài)的兩個(gè)向量,其MAC值一般應(yīng)比較小(如小于10%)。本次試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)中同階模態(tài)的MAC值為1,不同階模態(tài)的MAC值接近于0,說(shuō)明試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性好。4比較模型對(duì)象和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)象的結(jié)果4.1階彎曲模態(tài)頻率一階縱彎與雙白車(chē)身有限元模態(tài)頻率、試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率及振型描述如表2所示,從表2可看出,一階扭轉(zhuǎn)與二階扭轉(zhuǎn)的模態(tài)頻率誤差相差較大,在10%之內(nèi);兩者一階彎曲模態(tài)頻率相差4.7%,而兩者在駕駛室膨脹與整體上下彎曲的模態(tài)頻率誤差較小約3%,頂棚二階縱彎的誤差僅為0.1Hz。因此,說(shuō)明有限元模型計(jì)算的固有頻率與試驗(yàn)測(cè)量頻率符合性較好,所建立的有限元模型可以有效的反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,為輕卡駕駛室的模態(tài)研究提供了指導(dǎo)。4.2轉(zhuǎn)振型和一階彎曲振型將該白車(chē)身有限元分析模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的各階振型圖對(duì)比如圖5～10所示,從圖中可看出,有限元分析振型與試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型結(jié)果基本相同。一階扭轉(zhuǎn)振型為頂棚前風(fēng)窗處的振動(dòng),其振動(dòng)幅度較大,由于白車(chē)身模態(tài)分析中不帶擋風(fēng)玻璃進(jìn)行,通過(guò)有限元分析得知,增加擋風(fēng)玻璃之后,一階頻率有所提高,且模態(tài)頻率分布均勻,對(duì)局部模態(tài)有改善效果;一階彎曲振型為駕駛室上端沿前后方向的彎曲振動(dòng),振動(dòng)幅度相對(duì)較小;駕駛室膨脹振型中頂蓋及前圍的振動(dòng)幅度較大,頂棚上的天窗結(jié)構(gòu)使得該處振型混亂,在實(shí)車(chē)中頂通風(fēng)的安裝可以改善該處的振動(dòng),但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)提高頂蓋總成的剛度。4.3nvh試驗(yàn)結(jié)果在了解白車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性后,根據(jù)實(shí)際要求對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),按照車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,應(yīng)避開(kāi)共振或減少振動(dòng)的量值,即車(chē)身的主要彎扭模態(tài)不能耦合、外界激勵(lì)與車(chē)身固有頻率錯(cuò)開(kāi)等;主要表現(xiàn)為車(chē)身的低階頻率應(yīng)高于非懸掛質(zhì)量的固有頻率,低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行的激勵(lì)頻率;其余模態(tài)頻率應(yīng)盡可能避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工況下的激勵(lì)頻率。綜合試驗(yàn)和分析結(jié)果可得,該駕駛室的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率出現(xiàn)在21～23Hz,一階彎曲模態(tài)頻率約29Hz,通過(guò)對(duì)該駕駛室進(jìn)行NVH試驗(yàn)得知,駕駛室在行駛過(guò)程中所受激勵(lì)均在18Hz以下,而發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率約為25Hz,因此,該駕駛室的模態(tài)避開(kāi)了該振動(dòng)區(qū)域,即表明該車(chē)身的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。該輕卡白車(chē)身的一階扭轉(zhuǎn)與一階彎曲頻率相差約6Hz,結(jié)構(gòu)上避免了兩種模態(tài)振型的耦合效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果顯示該白車(chē)身在100Hz以內(nèi)出現(xiàn)了19階模態(tài),其中局部模態(tài)基本出現(xiàn)在50Hz以上,頻率較為密集,局部模態(tài)較多,且不平滑,在受到激勵(lì)時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。從振型圖上看,駕駛室前圍、后地板中部的強(qiáng)度較弱,導(dǎo)致該區(qū)域的局部振型較多,且在可靠性試驗(yàn)過(guò)程中,顯示前橫梁區(qū)域也相對(duì)較薄弱,因此需對(duì)該處的結(jié)構(gòu)或材料進(jìn)行加強(qiáng);此外,駕駛室頂棚的天窗結(jié)構(gòu)使得該區(qū)域剛度分布不均勻,局部振型較混亂,應(yīng)對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),并通過(guò)在車(chē)內(nèi)頂內(nèi)飾上布置吸音材料,以達(dá)到降低車(chē)內(nèi)噪音的效果。5低階模態(tài)頻率對(duì)比研究本文建立了