某商用车白车身模态分析及试验边界优化

秦严彬，吴思远，洪森

1.徐州徐工汽车制造有限公司，江苏徐州 221004；2.徐工集团高端工程机械智能制造国家重点实验室，江苏徐州 221004

0 引言

随着商用车行业的发展，车辆的NVH(noise、vibration、harshness)越来越受到主机厂家的重视。商用车驾驶室的模态特性对整车的动态特性和NVH性能有重要影响。白车身的第一阶弹性体模态是衡量其设计水平的重要指标[1]，该模态频率越高表明白车身刚度越大，越能抵抗外界振动的传递和车身疲劳破坏，提高驾乘人员舒适性和车辆可靠性[2]。

作为动态特性分析的基础，模态分析可以识别出白车身的振型、阻尼和固有频率，为驾驶室结构设计和动力特性优化提供指导[3]。本文利用仿真和试验两种方法分别对某商用车白车身进行模态分析，并基于自主设计的气囊工装改进了模态试验的边界条件，提升试验准确度，为模态试验边界设定提供一定的参考。

1 白车身计算模态分析

1.1 理论基础

有限元分析思想是利用数值近似的方法模拟真实的物理系统，将分析对象的实体结构划分成若干足够小的连续单元体[4]。

根据D.Alembert原理，在白车身所受外力中加入惯性力，建立其运动微分方程：

(1)

系统结构模态与自身质量和刚度有关，是其固有属性，与外部载荷无关。取F(t)=0，可得自由振动方程：

(2)

忽略阻尼的影响，可得无阻尼自由振动方程：

(3)

自由振动时，结构上各点作简谐振动，节点位移可表达为：

u=φsin(ωt)

(4)

式中:φ为位移u的振幅向量；ω为固有频率。

将式(4)代入式(3)可得：

(K-ω2M)φ=0

(5)

求解方程(5)的特征值ω2和特征向量φ，进而可求得白车身的各阶频率和振型。

1.2 白车身有限元模型建立

图1为白车身有限元模型，主要由各种钣金件搭接焊装组成。本文将划分白车身的单元基本尺寸设置为10 mm，划分完毕后白车身有限元模型由648 211个节点和 932 274个单元组成。

图1 白车身有限元模型

1.3 定义材料属性

白车身主要材料参数[5]见表1。

表1 白车身主要材料参数

1.4 模态计算

为方便与试验结果对标，本文模态仿真采取自由边界进行分析[6]。

由于低阶振型对结构动力特性影响比高阶振型大,可以认为低阶振型决定了结构的动态特性。由于自由模态分析的前6阶为刚体模态，本文只提取7～12阶模态进行对标分析。

2 白车身试验模态分析

试验模态分析是基于激励和系统响应的动态测试：激励被测对象，使用传感器测量系统响应，然后计算结构的频响函数，最后通过参数识别得到所需的模态参数[7]，即频率、振型和阻尼比。

2.1 几何模型建立

本文基于白车身的结构特性共布置了166个测点，在模态测试系统中建立其几何模型[8]，如图2所示。

图2 白车身模态测试测点和几何模型

2.2 模态测试

用工装悬挂待测白车身，模拟自由边界状态。试验前对白车身进行互异性检查，如图3所示。检查结果可以看出两组数据频响函数吻合，满足模态互易性检验的要求。

图3 白车身模态测试互异性检查

白车身模态测试如图4所示。

图4 白车身模态测试

为了能激励出所需的模态，本文模态测试的激励点选在白车身的左前和右后地板纵梁处。同时，布置加速度传感器时避开振型节点处，否则容易丢失模态。

3 计算模态与试验模态对比分析

通过对白车身有限元计算提取的7～12阶固有频率、振型和模态试验得到的7～12阶固有频率和振型进行对比分析，结果见表2。

表2 计算模态与试验模态7～12阶固有频率及振型对比结果

由表2可以看出，白车身计算模态和试验模态偏差较大，根据模态试验准则：模拟自由边界条件，弹性悬挂或者支撑系统固有频率最大不超过被测试件一阶频率1/10。经现场测试，白车身模态试验悬挂系统固有频率超过2 Hz，不符合试验准则要求。

4 模态试验边界优化

本文自主设计了一种适用于商用车白车身及车架等系统的模态试验气囊工装，经测试工装系统固有频率不超过2 Hz，符合模态测试要求。使用新设计气囊工装对样车白车身模态进行复测，如图5所示。

图5 使用新设计气囊工装复测白车身模态

使用新设计气囊工装模拟白车身自由边界可排除吊挂工装对白车身模态测试系统刚度和质量的影响，有效提升试验边界准确性。复测后计算模态与气囊工装试验模态固有频率及振型对比结果见表3。

表3 复测后计算模态与气囊工装试验模态固有频率及振型对比结果

图6和图7分别给出了白车身计算模态和气囊工装试验模态7～12的固有频率及振型。

图6 白车身计算模态的固有频率及振型

图7 白车身气囊工装试验模态的固有频率及振型

对比两次模态试验与计算模态结果可以看出：

(1)模态试验边界对结果影响很大，本文设计的气囊工装有效提升了模态试验的准确度；

(2)气囊工装试验模态结果与仿真结果偏差很小，说明白车身有限元模型网格划分合理，模型精度高，能满足实际工程需求；

(3)路面激励频率一般低于20 Hz，该白车身的一阶模态频率为19.79 Hz，基本避免了路面不平导致白车身共振的风险。

5 结束语

本文对某商用车白车身进行了模态仿真和试验的对标，并针对结果偏差自主设计了一种气囊工装，有效提升了白车身模态试验边界准确度。试验边界改进后的结果与仿真结果偏差很小，说明所使用的有限元建模方法准确，模型精度可满足工程实际需求。同时，可以看出该白车身模态特性参数过渡平缓，满足白车身动态振动特性频率分布要求[9-10]。