中型客车车身模态试验与结构分析

1、 分类号:?滚害犬海硕士学位论文中型客车车身模态试验与结构分析陈伟文导师姓名职称蔡宗琰教授申请学位级别论文提交日期学位授予单位辩论委员会主席学位论文评阅人摘 要随着城市交通运输和旅游事业的蓬勃开展,汽车的保有量迅速增加,同时随着人们生活水平的提高,对乘坐的舒适性要求也越来越高,对车辆振动、噪声问题的限制也越来越苛刻。汽车振动、噪声控制关系到环境保护、汽车行驶平顺性和车辆的耐久性。日益剧烈的市场竞争迫使汽车厂家努力缩短新车型设计与生产之间的周期。试验模态分析是在振动理论指导下,依靠先进的动态测试技术对实物进行测量,利用实测到的传递函数进行模态参数识别,从而得到实物的固有特性。本文以中型客车为研究

2、对象,以试验模态分析理论为根底,运用软件及振动测试系统进行激振试验,采集频率响应函数数据,建立了该客车的动力学分析模型,并对该客车的车身骨架结构进行分析,对存在的薄弱结构,提出合理的设计和改正措施,为客车的动态结构设计提供科学的理论依据,为提高产品质量,优化结构,改善性能,保证平安性和可靠性指出一条正确的解决途径。本文的试验工作量大。试验在符合图纸要求的中型客车车身上进行,利用底盘的悬架作为原装支撑,试验取个测点,设计了条连线,构成了车身分析模型,采用脉冲鼓励,固定鼓励点,移动响应点的方法,获取频响函数矩阵。在识别中以集总平均频响函数为依据,估计模态频率,采用单自由拟合,完成车身结构的参数识别

3、,试验方法合理,试验结果正确。同时将试验结果与汽车在行驶过程中的外界鼓励、结构设计特点和乘坐的舒适性相结合,分析车身结构的合理性,通过对薄弱环节的分析,提出车身结构动态设计和修改的措施,切合实际,实用性强,工艺性好。优化车身结构,有利于提高质量和性能。关键词:客车、模态分析、动态设计、结构优化,.,., , . .,.,., . , ,. , ,. ., .,.:; .¨论文独创性声明本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究二作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要奉献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明

4、的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承当。论文作者签名:月加易年饿中论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,署名单位仍然为长安大学。论文作者签名:年吣饼,中均导师签名 日、以妒细俨%矽长安人学硕:学位论文第一章绪论振动是现代汽车和设备面临的一个重要问题。随着汽车速度的不断提高和人们对生活质量的提升,人们对降低汽车的振动要求越来越高。解决汽车的振动问题,首先要从产生、影响振动的众多因素中寻找答案,国内外

5、许多学者在这个方面做了许多工作。目前产生并影响汽车振动的有发动机及其与车架的连接形式、传动系统、道路外表因素、汽车启动或制动、转弯、风与汽车外型、汽车整体布置方案及其参数等。了解掌握汽车动态特性及与其结构参数等的关系,是汽车动态优化设计的前提。一般以振动理论为根底、以模态参数为目标的分析方法,就称为模态分析。.模态分析及其在各行业中的应用模态是机械结构的固有振动特性。每一阶结构的模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振形等模态参数,而这些模态参数可以由计算或试验分析取得。以线性叠加原理为根底,将一个复杂的振动系统分解为许多模态的叠加,从而得到所需要的振动数据,这样一个分解过程称为模态分析过程。模

6、态分析的理论是在机械阻抗与导纳的根底上开展起来的,它借助自动控制理论中的传递函数频率响应函数概念,用传递函数反映某一系统的输入输出关系,从而计算出该系统的固有特性。对一个复杂系统,利用线性系统的叠加原理,分别研究各阶固有频率附近的振动特性。模态分析是一种参量识别的方法【,模态分析的核心内容是确定用以描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比及振型等模态参数,它包括理论模态分析和试验模态分析。理论模态分析从机械、结构的几何特性与材料特性等原始参数出发,采用有限单元法形成系统的离散数学模型?贡量矩阵和刚度矩阵,然后通过求解特征值问题,确定系统的模态参数,它属于结构动力学的问题。由模态迭加法,可以分析机

7、械、结构在已知外载荷作用下的动态响应或动态稳定性问题。理论模态分析特点是:理论性强,模态参数可以完整地描述系统的动力学特性。试验模念分析【那么是依靠动态测试技术对某个系统实物进行测量,得到该系统实物各测点对某一测点对实物进行网格划分,每一个线交叉点就是一个测点的传递函数。然后采用模态参数辨识方法对实测到的每一个传递函数进行模念参数固有频率;模念振型:模态阻尼;模念刚度和模态质量辨识,从而得到被测系统实物第章绪 论的固有特性。它属于结构动力学的逆问题。由于试验模态分析的结果来源于对实物的测试,因而得到的模态参数符合实物的实际情况,其精度取决于测试系统精度与分析系统的精度。近二十年来试验模态分析被

8、广泛地应用于机械行业和其他相关行业,也常被用作检验结构的理论模型正确与否。模态分析通常是指试验模态分析【。振动模态是弹性结构的固有、整体的特性。如果通过模态分析方法清楚了结构物在某一感兴趣的频率范围内各阶主要模态的特性,就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此,模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法之一剐。试验模态分析技术是随着快速傅立叶变换算法和基于的动态测试分析仪的出现而诞生的,并逐渐成为机械与结构振动分析和动态设计的重要手段,在机械、航空、航天、汽车、动力、土木等工程领域获得广泛应用。试验模态分析技术的开展大致可分成三个阶段。初期阶段世纪年代中期到年代

9、中期有两项引人注目的“创造创造:一是振型动画显示,使抽象的结构动力学特性易于为工程人员所理解;二是带力传感器的激振力锤,使模态试验简单易行,并从实验室走向现场。第二阶段世纪年代中期到年代中期,模态分析有了长足的进步,提出了各种行之有效的频率响应函数强测量与估计以及模态参数识别方法,由单输入/单输出技术开展到单输入/多输出技术以及多输入/多输出技术。第三阶段近十多年来,模态分析又取得了一系列新进展【丌。表现在:三大模态试验技术。第一是多点随机技术,它利用宽带随机信号对结构鼓励,不仅可以经快速测量,而且随机鼓励还具有对弱非线性环节线性化的独特优点,因而很适宜于结构振动特性试验。同时多点鼓励使输入能

10、量均匀,数据一致性好,并有别离密集模态的能力,这一点在大型复杂结构模态试验中尤为重要。第二是步进正弦技术,经典的多点正弦激振原理和空间域模态识别来实现相位别离。第三是多参考点锤击技术,锤击法模态试验技术具有设备简单、方便易行、适于现场测试等优点,而多参考点锤击技术不仅具有上述锤击法的优点,还和技术一样,能够区分密集和重频模态。模态分析与试验的新理论。模念分析的根本理论是线性系统分析,适用于结构阻尼或粘性阻尼。近十年来这方面进展表达在:一是对所谓亏损系统的研究和讨论,二是集中在阻尼的描述和建模,此外非线性模念分析仍是正在进行探讨的热门课题。与模态分析理论相比,在模念试验理论方面取得更多的进展。一

11、是传感器与激振器的优化配长安人学硕:学位论文置,在传统振动试验中,无论传感器和还是激振器,都是凭经验配置,近来又提出了各种自动优化配置方法,取得了良好的效果,使模态试验又有新的进展。二是虚拟试验技术,为了增加试验数据,扩大试验结果信息量,提出了一种新颖的边界条件摄动试验方法,即在不同边界条件状态下进行屡次模态试验。在这一新思想的启发下,开展了所谓的虚拟试验理论,即由虚拟的结构修改包括虚拟新附加质量、虚拟接地、虚拟边界条件等,得到更多的观测结果,用于识别结构参数或输入载荷;或者控制结构输入,使结构响应对某些特定的参数更为敏感。通常将一个模态作为一个单自由度系统的振动的固有频率、阻尼比以及整个结构

12、在此模态下作纯模态的振动的振型三个参数称为模态参数。对于大多数弹性理论上具有无穷多个模态,工程上只对其中假设干低阶对应模态频率较低的模态感兴趣。模态分析与试验技术的拓展。模态分析与试验在机械、汽车、飞机、卫星、桥梁、建筑等各种结构中获得成功应用,不仅在振动故障诊断、动态设计中大显示身手,而且在基于振动的机械、结构技术状态检测与故障诊断中前景看好。但是经典的模态分析与试验主要针对静止结构,而且大多在实验室状态下进行,近十年来,模态分析与试验技术被拓展到处于现场运行状态的机械结构、旋转机械以及声学领域,并取得实质性进展一江苏理工大学的蒋国平【、王国林等采用试验模态分析和有限元等研究方法对动力传动系

13、弯曲振动特性进行研究,建立了较为理想的弯曲振动分析模型,重庆大学宾洋【对行驶车辆间动力学系统的控制问题,研究了该系统的结构、特征及现代控制技术,为实现车辆间纵向距离自适应控制提供理论及技术支撑,西南交通大学胡建荣【利用振动理论和模态分析理论,运用大型通用有限元软件对预置裂纹薄板结构进行模态分析计算,得出了裂纹大小和位置与振型、频率之间的对应关系,应用.试验模态分析系统进行了验证。世纪年代初,模态分析技术也开始在我国航空、航天领域得到应用,应该说我国第一颗人造卫星的发射也曾得益于这一技术的应用。然而,我国其他领域对模态分析技术的接触要算是年代后期的事了。虽然科技界对这一技术的掌握及开展速度不算慢

14、,但在工程技术上的普遍应用和推广还有待于各方面条件的成熟,如产品技术开展竞争的需要及模态分析技术手段的完善、实用和费用进一步廉价化。.模态分析在车辆工程中的应用模态分析方法在车辆工程中已得到较广泛的应用:湖北汽车工业学院张胜兰、严飞论第一章绪等使用对中巴车架进行了模态分析,为车架改良提供了重要模态参数;郭晓东等在/环境下建立汽车变速箱的实体模型,用对箱体进行分析获得功力参数;江苏大学的朱静、左言言等用有限元模态分析根本理论对轻型客车的有限元建模及相应的模态分析设计,验证了模型的正确性,为轻型客车车身的设计提供理论根底;上海交通大学陈德玲等用对客车三段式车架进行了模态分析,对车架上几个关键点的响

15、应特征进行研究,验证了车架设计的可靠性;谷叶水应用建立用于子午线轮胎动态特性分析的非线性有限元模型,并进行模态分析得到固有频率及相应振型;清华大学周长路等对微型客车白车身进行模态分析,提出了签别整体模态与局部模态的方法。国内试验模态分析技术在汽车车辆工程方面的已得到广泛使用:西安理工大学吕江涛【】利用大型有限元分析软件 对车架疲劳裂纹产生的原因进行了深入的研究,并提出了改良方案;大连理工大学郝鲁波【】进行了车体振动模态的数值模拟和振动台试验为符合我国国情的高速车体模态评定标准“客车模态试验方法及评定标准的研究,课题作出了努力;吉林大学郭玉前【】以矿用自卸车为例,依设计模型,建立了正确的有限元模

16、型,进行了的最小侧向承载能力分析、最小能量吸收能力分析、垂直承载能力分析、纵向承载能力分析,对矿用自卸车的的各项性能进行了科学的评判; 南京理工大学章骏【通过试验模态建模分析,获得了动力传动总成的动态特性参数,并对其进行受迫响应分析;大连理工大学张瑞先以轻卡整车为研究对象,通过建立车身、车架等的整车有限元模型,应用有限元分析软件进行白车身、车架的模态计算,掌握结构的动力及振动特性,为结构改良提供理论根底;山东大学赵峰【】利用分析软件建立汽车车架力学模型,对该车车架进行了静力学分析和动力学分析计算,以降低车架的振动为目标,对车架进行分析、优化;合肥工业大学谷叶水【】通过分析车身结构的力学特性,建

17、立了客车车身结构有限元计算模型,并总结归纳了车身结构模型化的方法。在西方兴旺国家,试验模态分析技术早已进入工厂化应用阶段,如在美国一些大汽车公司的试验中心己设有专门车间对汽车零部件进行模态分析试验,为产品结构设计与研究提供特性数据。汽车的行驶工况较复杂,整车不只是强度和刚度的缺乏而产生破坏,而更多的却是疲劳破坏,汽车多个部件的固有频率和振型是产生破坏的根本原因。对于结构和载荷复长安人学硕上学位论文杂的客车,难以采用经典方法,只能寻求问题的近似解或采取其它迂回的方法。其中,有限元法是将结构的物理模型抽象为有限元计算的数学模型,通过计算机和相应的分析软件,求得问题的近似解,但是,有限元法不能进行精

18、确的动态分析,而且在动态特性分析中,机械的阻尼特性是很重要的,其难以从图形上求得。相比之下,试验模态分析是最有效的方法【】。节约资源、减少环境污染是保持世界经济可持续开展的亟待解决的两大课题。而人们对汽车平安性、舒适性、环保性能的要求不断提高,各种车载设备越来越多,增加了汽车的质量、耗油量和耗材量【。要使汽车省油并减少排放,首选是让汽车“瘦身。资料显示,客车车身质量占总质量的%,车身制造本钱占整车制造本钱的比重超过二分之一。因此车身轻量化研究显得十分重要,所以我国在九五期间将车身开发技术列为重点攻克的课题之一。从结构力学来看,客车车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构件组成的空间高次超

19、静定结构。各杆件结构形状各异,杆件之间的连接也各种各样。国内道路通常为级或级路面,行驶条件差,车身骨架的受力情况比拟复杂,在上下崎岖的道路上行驶时,车身骨架会反复受到扭转,产生反复约束扭转应力,成为车架强度问题的主要因素。所以结构分析难度大,许多厂家设计初期,没有实验数据,主要是靠经验和类比设计,缺乏力学特性分析的科学依据,设计偏于保守,承载构件未能充分利用,汽车自重过大。客车开展初期,车身采用非承载式结构,由专业化车身厂将车身装在货车底盘车架上。虽有利于在同一汽车底盘上安装不同的车身,但未充分利用车身骨架的承载作用,故整备质量较大。为了轻量化设计并兼顾车身与货车底盘匹配,将车架横梁加宽并与车

20、身侧围骨架刚性连接,使车架车身合成一个整体,车身骨架也承当局部载荷,这就是半承载式车身。半承载式车身仍保存有质量较大的车架,为了进一步减轻自身质量以及使车身结构合理化,可改用质量较小,而刚度较大的承载底架。这种底架具有贯穿式纵梁和一些与车身等宽的横梁。车身骨架形成一个刚性空间承载系统。从而使车身构件都参与承载,使各构件承载时相互牵连、协调,充分发挥材料的最大潜力,使车身质量较小而刚度、强度较大。车身是汽车的三大总成之一,客车车身更是客车的关键总成,是其承载主体。汽车行驶时,作用在汽车各部件上的载荷都是动载荷,假设动载荷的频度与某些频度接近时,结构将产生强烈振动,引起很大动载荷,造成结构的早期破

21、坏和变形,当低频段存在系与第一章绪 论统的固有频率产生振动量值增大,将直接影响乘坐品质。随着社会的开展,人们对车身结构的性能要求越来越高。如何判断车身结构的合理性及静、动态特性的优劣,显得十分重要,车身结构必须有足够的强度以保证其疲劳寿命;足够的静刚度以保证其装配和使用的要求;同时应有合理的动态特性以到达控制振动与噪声的目的。车身结构的刚度是指车身结构反映出的载荷与变形之间关系的特性。刚度缺乏,会引起车门、车窗等开口处的变形加大,另外还可能造成车身发生结构共振。共振不仅使乘客感到不舒适,而且会带来噪声和零部件的疲劳损坏。所有这些问题最终将会直接或间接地影响汽车的强度、耐久性及平安性能【。汽车使

22、用中,防止共振、降低噪声、确保平安可靠,需要掌握结构振动的固有频率及其相应的振型。车身结构的模态频率分析可以预测车身与其他部件如悬架系统、发动机、传动系及路面之间发生动态干扰的可能性,通过合理的结构设计可以避开共振频率。因此,车身刚度和模态是车身结构中首先要考虑的两个重要指标。但由于车身结构十分复杂,用经典力学方法很难得到问题的精确解。在计算机和计算技术飞速开展并广泛应用的今天,采用近似数值解法已经成为现实而又有效的选择。应用实践证明,利用模态分析对客车车身骨架结构进行静态和动态分析,可获得结构的承载特性和振动特性等评价指标,对其强度、刚度和固有振型有充分的认识,了解车身可能会有的应力和变形情

23、况.通过合理选择结构形式及尺寸参数,对其存在的缺乏之处及时加以改良,并为结构的改良提供依据,使其具备良好的静动态特性,满足使用要求,从而缩短开发周期,节省大量的试验与生产费用,是提高客车可靠性的既经济又适用的方法。.本课题的主要内容采用基于试验模态分析的方法来识别客车车身振动问题在国内很少。这种方法同样也适用于其他结构的动态载荷识别问题。因此分析车辆动态特性对于提高车辆抗振能力、疲劳寿命以及乘坐舒适性有着实际的应用意义。本课题来源于一家中型客车企业,该公司原以中巴车生产销售为主,年起进行产品结构调整,相继开发、等车型,中大型客车每年以%的速度递增,年江淮公司开发出发动机后置底盘,经过市场调研及

24、论证,非常适合开发适用于中小城市的城市客车。型客车的开发采用的是经验法及类比法,车身骨架设计偏保守,存在局部不合理现象。但对该类问题的解决缺少科学的理论依据,对客车车身固有频率缺少感性认识,鉴于此,对城市客车长安人学硕:学位论文车身模态分析与结构的研究具有非常重要的技术与经济意义,对该客车企业的新产品的推出起非常重要的影响。.该车底盘为直大梁式,半承载式车身结构,后置发动机,配制前中乘客门、顶置空调,个乘客椅,乘客可达人。具体研究过程:一、试验准备、根据总体设计试生产出不含任何蒙皮件的骨架车体;、对所需了解的点以汽车的坐标原点进行坐标统计,作标记标号,设计好连接线;二、数据采集、对每一点利用软

25、件及信号采集箱进行激振和响应数据采集;、利用对频响曲线进行拟合,得到各阶模态结构动画振型;三、模态分析、对结构动画所反映出的影响较大的各段频率分析,结合设计制造工艺分析得出结构存在的问题;、寻找对试制车辆技术改良的措施,为再试制时提供依据。.本章小结汽车车身结构复杂,涉及的技术领域广泛,许多问题的理论研究的可靠性还不高,需要通过试验来检验模型的合理性。 以振动理论为根底、以模态参数为目标的分析方法叫试验模念分析,试验模态分析是模态分析的重要手段,试验模态分析技术在机械、航空、航天、汽车、动力、土木等工程领域获得广泛应用。试验模态分析方法在国内外的车辆工程中已得到较广泛的应用。用试验摸态分析理论

26、来对客车的设计的验证是企业开发验证的切实有效的手段。第二章模态分析理论根底第二章模态分析理论根底结构动力学理论可以从理论上计算固有频率、振型和广义质量等动力特性,由于结构的复杂性,获得动态特性的准确性和精确性往往需要动态试验来检验。模态是振动系统特性的一种表征,模态试验是用试验的方法测出结构的动力特性。试验模态分析实际上是一种参数识别方法,在成认实际结构可以运用“模态模型来描述其动态响应的前提下,通过对试验数据的处理分析,寻求其模态参数的过程。试验模态分析的关键在于获得振动系统的特征向量,这是通过人为的鼓励方式,测量激振力和响应信号,得到激振点和响应点间的频响函数传递函数,建立频响函数矩阵,并

27、通过曲线拟合和参数识别,从而得到结构的模态参数、建立结构的动力学模型。为振动系统动态设计以及故障诊断提供依据。.模态试验的理论根底【。一个实际的机械结构,作为连续弹性体来考虑要用无限多个自由厦来描述其动力学状态,然而在许多情况下或在实际应用中往往进行简化,使其成为有限多个自由度体系,甚至有些十分复杂的结构,通过这种处理仍可得到满意的精度要求。连续的汽车车身结构即无限多自由度振动系统,离散为有限自由度自由度的振动系统,在物理坐标下,这个离散振动系统的运动微分方程可表达为:阻戤戤一厂 .?式中:?质量矩阵对称且正定,埘?阻尼矩阵,?刚度矩阵对称且正定或半正定,一期仁仁仁刈维位移、速度和加速度响应向

28、量,厂?维激振力向量。.弘扩合女人学硕【:学位论文.】:那么有【肛仁 .】称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵,反映了系统的动态特性,其逆矩阵.陋:【】.:。由线性可知,一个矩阵的逆矩阵可以由它的伴随矩阵计算出来,那么式.可表示为:.九;制式.的分母的行列式,叫做系统特征方程。根据特征值问题,可以求出系汜,酬意急薹终式中:为常数;.;是特征方程的一对共轭复数根;】和阻士是其留数矩阵。特征根九和乃的实部是阻尼因子;虚部万,是阻尼固有频率。那么特征根可表示为.九一藓一亭,;砖一导一一亭一.一雪,;万, 一酽 一亭一舅;万,/式中:,称为第阶无阻尼固有频率,鲁称为第,.阶模态阻尼比。根据留数定理,这些留数

29、矩阵等于.】以?九而留数矩阵与模态振型向量之间存在的关系为.】;,扣,.】.,;巾:式中:,和为模态比例因子:佃,和扣:是相应的模念振型向量。第二章模态分析理论根底由各模态向量组成的矩阵表示为:.卜【舾.?和:.扣由式.司以得剑,位移同量为忸陋 .取,那么由拉普拉斯变换转化为傅罩叶变换,传递函数矩阵转化为频响函数矩阵,可得到系统在频域内输出和输入的关系式.【:【.】一】.陋】;他】一瞳,.仁 .式中陋为系统的频率响应函数矩阵。利用振型矩阵的加权正交条件,即汜四伽口阻,仁,扣。枷堞,:二弓.式中:枷。卜伽,?第、厂阶特征向量固有振型,、七,?第厂阶模态质量和模态刚度。如下变换】:噼】一.啦】:卜

30、】卜】恤】阻.、叫卜、叫、一、卜式中:,;,一,雠,是第阶模念阻尼。长安人学颂学位论文由式.、 .可以得到用模态参数表示的频率响应函数矩阵为卜】.陋功,纠卜,、五、白 白在陋】矩阵中第行行的元素为仁,州。耋孤亭习, ,式中:二?第阶模态频率;爵二二?第阶模态阻尼比;,扣,?第阶模态振型。中第行列的元素:.蹦小船表示系统在点单独激振其余坐标激振力为零时,点得到的响应函数与激振力的傅里叶变换之比。并且对于一般机械结构,假设阻尼矩阵】为对称矩阵,这样矩阵】对称,频率响应函数矩阵陋】也为对称矩阵,故有可一缈 .上式反映了机械结构的频率响应函数具有互易性,可作为频率响应测试精度的一项重要检验手段。上述分

31、析,不难发现,自由度系统的频率响应等于个单自由度系统的频率响应的线性迭加。为了确定全部模态参数,、爵、佃,?,实际上只需测量频率响应函数矩阵的一列或一行就行了。以上推导过程中用的是位移导纳即位移频率响应函数,而在实际试验时,为了第二章模态分析理论根底测量方便,常应用加速度导纳即加速度频率响应函数,它和位移导纳的关系是【:一陋 .试验模态的参数识别模态参数识别是系统识别的一种,是试验模态分析的重要局部。模态参数识别就是利用模态试验获得的有关数据,通过一定的方法求出各阶模态下的模态参数,主要包括模态频率、模态振型、模态刚度以及模态阻尼比等。许多工程问题只需要识别模态参数,而更一般的情况那么是由模态

32、参数进一步识别系统的物理参数,如质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵等。对物理参数即结构参数模型的识别,称为物理参数识别。由于相同自由度系统的模态参数远少于物理参数,因而识别物理参数模型要困难得多。在通过系统试验得到结构上各点的频响函数后,必须利用一定的参数识别方法对结构的动力学参数进行辨识。模态参数能够直观、准确地反映系统的动态特性,具有简明、直观和物理概念清晰等优点,因此常常被用于结构动态特性分析。模态参数识别方法有很多,可在频域内进行识别,也可在时域内识别,习惯上将它们分为频率域法和时间域法两大类。时间域法利用结构的自由振动响应、脉冲响应或随机鼓励响应作为数据,从中识别得到所需的模态参数,常用于

33、实时故障监控,设备灵敏度要求高。而频率域法利用模态试验得到的频响函数估值作为数据,从中识别得到所需要的模态参数。利用实测频响函数识别系统模态参数的方法称为频域法。频域法以精确估计频响函数为根底,以模态模型的频域展开式为识别公式,辅以变量最小二乘法、迭代法、残差法、泰勒级数展开等手段,对系统的模态参数进行局部或整体估计。频域法具有识别过程直观、物理概念清楚、识别精度高、可以通过平均处理消除噪声影响、可对频带外效应进行补偿、可提高模态振型估计精度、适合于阻尼比拟大的系统等特点。其缺乏之处是在频响函数估计中引入了一定的时频变换误差或截断误差,频响函数是按频率的平方上升的,会影响高频段的估计结果等。利

34、用频响函数的图像识别模态参数,是依次对各测点的频率响应函数进行拟合,曲线拟合的方法有单自由度拟合法及多自由度拟合法等多种方法。通过拟合可得到相应数量的模念频率、阻尼比和振型值。对于线性系统,模念频率和阻尼比是系统的总体参数,理论上应该不随测点而改变。实际测试和拟合中不可防止地存长安大学硕【:学位论文和阻尼比的结果,这种局部曲线拟合需进行很屡次,通常用自动拟合方式实现。对于一个具有自由度的模态阻尼系统,根据前面给出的式.,在点鼓励,点响应的实模态频率响应函数是:亿回。善硼万奔丽习蹦小季一式中:.州。瓦万称为点鼓励,点响应的第厂阶等效质量。当趋近于某阶模态的固有频率时,该模态起主导作用,称为主模态

35、。在主模态附近,其他模态所产生的影响较小。如模态本身的密度不大,各阶模态相距比拟远,那么其余各阶模态的频率响应函数值在该阶主模态附近就很小,且曲线比拟平坦,即几乎不随频率而变化,因此其余模态的影响可用一复常数%卜硼晤萄确埘去。石;丽叫万阿瓦丽叫力 丽一,瓦籀卜侧.的实部和虚部可表示如下仁,四去瓦籀卜四四去瓦耘卜和图.虚频图所示。由频响函数的实频图和虚频图可以进行模念参数确实定。固有频率确实定第二章模态分析理论根底从实频图和公式.可以看出,固有频率啡就是实频曲线与剩余惯性直线日嘶日:的交点所对应的值。对于多自由度系统来说,剩余模态的影响日:难以确定,而实频曲线与坐标交点也受日尝的影响而移动,也不

36、便用作固有频率的估计值,使用时利用虚频图来确定固有频率较为可靠,此时;,正好对应虚频曲线的峰值,因为峰值较尖,所以更容易确定固有频率。阻尼比确实定阻尼比系数可以由实频曲线的正、负峰值所对应的频率,也可用虚频曲线的半功率带宽来确定%和%。图. 第阶模态频率响应函数的实频图安人学硕:学位论文求导得到两个极值点:汜,时小爵汜,斟小岳.一魄因此,对于阻尼振动系统,其阻尼比系数为:.?等等 岛石 确定振型和模态质量由式.矢,对主模念而言不计剩余模念,当甜时,.“;丽分别测出结构上各点的。,?,以,值,那么可得到第,.阶模奈的振犁系数向量第二章模态分析理论根底枷,慨.缸:乏?二一去加,%?。,为常数。因此

37、对于第,.阶模态,当采用逐点鼓励,单点响应时,一荔丽“扣,扫:一即可代表模态振型。因为振型只反映振动形式,与振动大小无关,假设取响应点的频率响应函数,且对响应点归一化,那么车架结构阻尼系统的第,阶模态质量掰,可以表示为%藕石雨应该指出,模态质量的数值与归一化的方法有关,不同的归一化方法将得到不同的模态质量。第阶模态刚度可由下式求出:.,至此,已.求出伞部模杰参数。.本章小结车身结构是一个连续的振动系统,该系统可以离散化为多自由度的振动系统,从而使结构动力学分析变得简单;在结构动力学分析中利用矩阵的正交性可以对结构进行解耦处理,使其成为对称矩阵,从而进一步简化动力学的计算,只要获得矩阵的其中一行

38、或一列,就可得其全貌;同时理论分析与实验相比,精度较低,试验方法可以获得与实际相符的结果,有较高的精度;试验模态分析技术就是用试验的方法,通过单点鼓励、多点响应或多点鼓励、单点响应,在获取频响函数的根底上,通过参数识别,得到模态参数,获取模态矩阵的一行或一列,用试验的方法构建系统的动力学模型,是目前复杂系统动力学分析的主要方法之一。安人学硕.:学位论文第三章车身结构的模态试验汽车车身结构对行驶的平安性、可靠性、稳定性和乘坐的舒适性影响很大,汽车车身结构复杂,涉及的技术领域广泛,许多问题的理论研究的可靠性和精度还不高,需要通过试验来检验分析模型是否合理。汽车车身结构试验按试验方式分为整车试验和零

39、部件试验,按结构失效类型和理论分为静态强度、动态强度试验和模态试验【,圳。车身结构试验分析也是深入掌握现有结构性能,改良薄弱环节,提高产品质量,开发一流车身产品的重要根底。汽车车身结构模态试验是用试验的方法建立车身结构的动力学模型。通过系统的模态参数和固有特性研究车身结构,分析车身的动态性能对结构强度刚度和乘坐舒适性的影响,检验设计思想和结构设计的正确性和合理性,验证新技术、新材料、新工艺使用的先进性和有效性。汽车车身结构模态分析研究包含大量的试验工作,试验时正确选择试验所用的仪器和设备,合理选择测点位置和布置测点数量,有效地分析处理试验数据,是保证模态试验的精度和可靠性的关键。.试件和测点.

40、试件试验结构分为原型和模型两种,本试验采用原型试验,被试车身是城市客车的白车身,该车是客车厂在米公交车系列产品自主开发方面的一个尝试,原先该厂缺少在中型城市客车的自主开发经验,为掌握开发新产品的内在性能,保证产品质量,并为以后全面开发产品积累相关经验,对新近开发的客车车身进行结构动力学试验模态分析。城市客车采用江淮底盘,直大梁车架;后置发动机;顶置式空调;底盘骨架材料采用异型钢管焊接而成,车身材料采用钢,侧围蒙皮采用.镀锌钢板经张拉后与车身骨架单面点焊而成。试验客车的外形和车身骨架分别由图.和.所示。:身结构的模态验图. 客车外形罔. 客车车身骨架.测点布置试验是对怔客车的骨架的前、后、左、右

41、、上五大片骨架进行测试。在骨架上的测点布置要能较好地反映车身的主要特征形状、振动特性和重要的节点位置,吸取同类车型使用中出现的故障特征,因此,测点的选取原那么为:车身骨架的结点处:可能出现的振动节点处;通常设计骨架时容易疏忽处;在车身受力大,变形大,易断裂区域内:有关资料说明通常易出现的高应力区域。跃安人学硕:学位论文因此,在车身骨架的五大片结构的各主要特征点都布置测点,车身上共布置了个测点,试验前,统计出个测点的座标。.结构的支承在模态试验中,被试结构的支承方式是否恰当对试验质量非常重要,同一结构在不同的边界条件约束条件下,将会得出不同的模态参数。结构在实际的工作环境中,总是处于一定的约束状

42、态,从力学意义上考虑,约束的边界条件可分为几何边界条件、力边界条件、运动边界条件等等。因而模态试验时,必须要正确模拟被测结构的边界条件。选择结构的支承方式首先应考虑是否模拟其真实的约束状态。有时这种模拟状态是很容易到达的,有时那么很难精确模拟,或者根本无法模拟,这时应考虑有无替代的支承方案。目前常用的支承方式有自由支承、固定支承和原装支承。如果被测结构是完整的、那么模态试验中的边界条件也应是完整的,即应以模拟结构实际工作状态为原那么。如果采用模态综合法将被测结构分为子结构来进行模态试验,那么边界条件应以模态综合法的要求确定。.自由支承理论上,这种支承方式是指试验结构的任一坐标点都与地面不相连。

43、事实上,很难到达完全自由的约束状态。为此,采用的支承应尽量柔软,即具有较低的支承刚度和阻尼,经常采用的方式有橡皮绳或弹簧悬挂、气垫、空气弹簧、螺旋弹簧等支承,使被测系统的固有频率远低于结构的最低频率,那么认为是自由支承。采用自由支承后,相当于给结构增加了柔软约束,刚体模态频率不再是零,弹性模态也会受到影响。但由于自由支撑的刚度、阻尼较小,结构的弹性模态不会受到很大影响。比方刚体模态最高频率占到结构最低弹性模态固有频率的/时,自由支撑对结构最低弹性模态固有频率的影响只有%,故自由支撑一般能到达较好的效果。如果将自由支撑点选在结构上关心模态的节点附近,并使支撑体系与该阶模态主振动方向正交,那么自由

44、支撑对该阶模态的影响将到达最理想的效果。采用自由支承方式试验的往往是一些质量和体积不大的试件。有些边界条件非完全自由而受弱约束的结构也可以采用自由支承。如汽车、摩托车、自行车、轮船等,所受的约束相对结构自身刚度来说仍小得多。运用模态综合法研究子结构模态特性时,也经常采用自由支承。第三章车身结构的模态试验.固定支承固定支承用于结构承受刚性约束的情形,故又称刚性支承。许多具有刚性根底的机械结构应采用刚性支撑。固定支承要求支承具有较大的刚度和质量,才能减少对结构高阶模态的影响。一般以实测支承系统的最低固有频率大于所关心的结构的最高固有频率的倍为参考标准。运用模态综合法研究子结构模态特性时,有时也采用

45、固定支撑。.原装支承原装支承是广泛应用的一种支承方式。事实上,自由支承和固定支承都是原装支承的特殊情况。对完整结构来说,原装支承是最正确的边界模拟。在现场模态试验中,实际安装中的结构原型便具有最好的原装支承,无需做任何变动。在实验室试验中,也应尽量模拟现场的安装条件。对某些放置于地面上的结构如各种车辆,在实验室进行模态试验时,完全可以自由地置于地面上进行测试,这类结构自身的支承系统已做到较好地模拟实际边界条件。大多数模态实验是在静态下进行的,即被测结构处于静态。有些结构在静、动态下的特性相差较多,欲获得结构在动态下的固有特性,应在运行状态下进行模态实验。从支承方式论,三种方式并无优劣之分,关键

46、是试验精度,需要视具体问题,选择适宜的支承方式。对完整结构而言,应尽量做到原装支承。由于客车骨架体积较大,质量重,用悬挂的方式使试件呈自由状态的方法实施困难,且与实际工作状况相差较大,同时结合公司开发实际情况,降低试验本钱,选择原装支承。为了使试验分析更加符合实际使用工况,可将悬架元件与车身或车架组合起来进行试验。车架通过悬架系统与车桥相连,不同的悬架系统对车架以及车身骨架的强度和刚度的影响也不同。客车底盘采用前后双钢板弹簧悬架系统。一般将钢板弹簧的悬架系统看为两个竖放的弹簧和两根刚度很大的平衡杠杆支承在铰支点上。可以是只有、三方向的平动自由度,也可以只有沿自身轴线的扭转自由度,但只能沿自己的

47、轴线移动。这与钢板弹簧实际的作用相符合,除了起到减振的作用外,还起到导向的作用,即在其他方向上的刚度远比垂直方向的大。长安人学硕【:学位论文.鼓励方法结构模态试验就是要通过某种鼓励方法人为地使结构产生振动,提取鼓励输入和结构响应输出的时域或频域数据,再通过模态参数辨识,最终获得结构模态参数。模态试验中的激振器一般有两类,一类是始终与结构接触作用并根据鼓励信号产生力的激振器,另一类是产生脉冲信号的鼓励锤。前者又可分为接触式激振器与非接触式激振器两种。鼓励实验方式可分为单输入单输出、单输入多输出及多输入多输出三种。使用丌原理进行导纳计算要求鼓励信号中包含宽的频率成分,稳态随机鼓励或瞬态鼓励是常用的

48、两种宽带鼓励方法。采用稳态随机鼓励必须使用激振器,同时激振器要与信号发生器、功率放大器一起组成鼓励系统,根据结构大小和结构的受力情况及环境条件,选择所需激振力大小及振动频率范围。激振器有机械式、液压式、电磁式或电动式等几种,后者是最常用的。激振频率应高于被测结构的分析频率。激振力是由在柔性杆与结构之间串联力传感器平检测。因为在随机信号发生器、功率放大器、激振器、柔性杆等串联的几个环节上,信号都存在或多或小衰减与相移,不能直接用信号发生器产生的输出电压作为力信号,而必须将与结构上相连的力传感器测量的实际作用于结构上的激振力信号作为输入的力信号。白噪声信号具有宽带等幅的特征,理论上用白噪声鼓励能获

49、得结构的全部模态,物理上却得不到实际的白噪声信号,且施力及测量的各个机电环节上都有滤波作用,因此宽带鼓励必须选择适宜的中心频率及宽带,以保证在测量的频段内力信号有平直的自功率谱并有足够的能量激发结构在此频段内的全部模念。瞬念鼓励又称脉冲鼓励,其数学原理是脉冲函数函数,具有与白噪声相同的平第三章车身结构的模态试验直频谱,而它的近似实现却比稳态随机简易的多,因此在模态试验中得到广泛的应用。脉冲鼓励还有两个突出的优点:它具有一定的重复性,不需进行许屡次平均一般次就够了,而稳态随机那么需要多达几十次平均。在一个块内,力和响应信号都已根本衰减,非整周期函数在幅值上的精度较差。锤击法就是利用脉冲鼓励的原理

50、进行激振试验的,对于大型结构,由于激振力信号在传递过程中的损失,在距激振点较远处的信号很弱,因此锤击法的主要问题是难以激发出大型结构整体的各阶模态。在模态试验中需要测量传递函数矩阵的一行或一列,由于激振器安装困难,用稳态鼓励进行试验时,通常是通过移动测量点得到传递函数矩阵。锤击法就方便得多,可以通过移动施力点激振点的位置、固定加速度计的响应点位置,即测量传递函数的一列,也可以施力点位置不变,移动响应的测点位置,即测量传递函数的一行,这根据结构试验的方便性来确定。根据动力互易的原理,这两种测量所得到的结果应该相同。然而,有时在某些位置或某些方向上敲击结构可能是比拟困难的。在这种情况下,应采用固定敲击位置和敲击方向,移动三向传感器测量各响应点上的响应信号。采用脉冲鼓励方法进行机械导纳测量还必须考虑如下几个限制:非线性限制对具有明显非线性的结构进行导纳测量时要特别小心。在这种情况下,最好用接触式激振器进行正弦或随机激振,而不要采用脉冲鼓励技术。采用脉冲鼓励时,使响应信号到达一定幅值所需能量是在一段很短与分析时间周期相比的时间内输入到结构上的,与正弦和随机激振相比,脉冲鼓励的冲击力必须要大得多,因而非线性的影响也就增加了。对一个非线性明显的系统测量,保持鼓励力的水平不变是非常重要的。在这方面,正弦鼓励技术更好,如果用一个手锤来进行冲击鼓励,那么每次