安全气囊ECU固定支架模态分析

聂孝辉

摘 要：本文主要介绍了模态分析原理、分析方法、激励方法，通过对ECU固定支架的模态试验分析来验证ECU固定支架是否满足设计要求。

关键词：ECU固定支架;模态测试;模态分析

1 引言

当车辆发生碰撞时，安全气囊ECU控制器快速对信号做出处理，确认发生碰撞的严重程度已超出安全带的保护能力，便迅速释放气囊，使乘员的头、胸部直接与较为柔软且弹性的气囊接触，从而通过气囊的缓冲作用减轻乘员的伤害。但是如果安全气囊发生误爆时，安全气囊不但不能对乘员起到防护作用，还会对乘员有严重的杀伤力。安全气囊的爆发力是惊人的，足以击断驾驶者的颈椎！为保证安全气囊不发生误爆，ECU安装支架必须满足一定的设计要求，因此安全气囊ECU安装支架的模态试验分析就显得至关重要了。本论文系统阐述安全气囊ECU固定支架模态试验分析。

2 模态分析工作原理

模态分析便是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。模态试验分析原理框图见图1。

（1）测试结构的联结与安装。为了得到一组满意的频响函数测量数据，被测试结构的支承应引起足够的重视。同一结构在不同的边界条件下，将有不同的模态参数。目前常用的支承方式有下列几种：1）地面支承。把被测试结构上所选择的点与地面联结，认为联结点的速度导纳为零，在模态分析时，删去适当的坐标，即可完成理论分析。2）自由支承。这种支承方式意味着试验结构的任一坐标点都与地面不相连。这种支承方式较前一种容易实现。虽然不可能提供绝对的自由支承条件，但将包括边界条件在内的整个系统悬挂起来，或安置于泡沫塑料垫上，以隔绝环境的影响。

3 安全气囊系统ECU固定支架模态分析试验

根据ECU支架的结构特点和试验条件，试验采用一点测量，逐点激振试验方法，固定点测量加速度响应，捶击ECU支架各振型测点（力锤的激励信号不允许出现双峰），通过模态信号分析处理系统，确定频响函数，然后通过曲线拟合识别模态参数。结合试验原理和试验条件，该试验采用单点激励法。

（1）安全气囊系统ECU固定支架模态分析试验。ECU支架模态分析试验设备及功能，模态试验设备，带有力传感器的力锤敲击试件17个测试点，给试件一脉冲激励信号，用装在试件上的加速度传感器测量响应，电荷放大器对激励信号和加速度响应进行放大，通过数据采集仪和模态分析系统对采集的信号作FFT分标求出频响函数，进而进行模态参数识别。试验分析频率设置为3000Hz，采样频率为12.8kHz。试验的采样通道数为两通道，1通道为激励通道，2通道为加速度响应通道，1通道加力窗，2通道加指数窗。模态试验测试数据见表1，ECU固定支架模自由模态频率（未安装ECU）见图2，ECU支架安装在车架上的自振频率（未安装ECU），ECU支架安装在车架上的自振频率（安装ECU）。

安全气囊系统ECU固定支架是通过螺钉固定在汽车车身上，要求共振频率高于500Hz。从上面试验的数据可以看出，ECU固定支架的三种状态的一阶自振频率都大于500Hz，满足设计指标要求。一般来说，固定支座的刚度、阻尼和质量的改变会影响到固定支座的共振频率的变化。刚度的增加，会导致共振频率的提高，降低低频段的幅值。阻尼的增加，会使共振频率略有减小，但主要是减小共振点的幅值，同时使相位的改变较为平缓。质量的增加，会降低共振频率，同时也降低高频段的幅值。故我们可以从结构的刚度、阻尼和质量，来对固定支架进行改善，从而满足使用要求。

4 模态试验分析

（1）如何确定模态试验最佳激励。当锤头材料和冲击速度一定时，锤头重量愈大，则冲击力的宽度和峰值均增大，即激振能量增加。当接头材料及重量一定时，冲击速度愈大，冲击力宽度不变而峰值增大。因此，当测量系统噪声大时，为了增加信噪比，可采用增大冲击速度的办法。对每一种特定的试件，所用力锤重量有一限定值，超过该限定值，会产生连击波形。这是因为不能将锤头及时与结构脱开所致。这种连击波形，由于它的周期性，使力谱出现毛刺和零点，则使频响函数中混入噪声和虚假信息。当试验中出现连击波形时，可采用更换锤头材料、减轻锤体重量和改变敲击位置的方法解决。

（2）测试点的选取。测试点所测得的信息要求有尽可能高的信噪比。因此，测试点不应该靠近节点。注意到实际上使用的一般都是加速度传感器，实际测得的都是加速度信号，因此在最佳测试点的位置，其测试点的值应该较大。

5 结束语

模態试验技术主要用于获取系统的固有频率和动态显示相应的振型，则现在人们已经将研究重心放在模态试验模型的应用上面。这些应用包括：运用模态试验模型验证和修正理论模型或数值模型;对被试验模型进行结构优化;对各个子结构的模态模型，或对各个子结构的模态模型和理论模型混合模型进行模态综合;对一些无法用直接方法测得的激励力进行载荷识别等等。