塑料燃油箱振动测试与模态分析

塑料燃油箱振动测试与模态分析

随着轻量化汽车材料的应用，塑料燃油箱广泛应用于汽车行业，占中国商用车市的约70%。在车辆运行过程中,箱内燃油直接影响燃油箱的动力学特性。因此,研究不同充液量燃油箱在实车条件下的动力学特性,对于理解燃油箱振动、进而更合理地设计燃油箱系统具有重要意义。程相克等人综合应用有限元法和边界元法,分析了自由状态下金属燃油箱在空载和满载时的固有特性在台架安装状态下,燃油箱受到车身和底盘的复杂约束作用。朱代义等考虑流固耦合效应,通过仿真计算和试验测试分析了一种金属燃油箱在安装状态下的固有频率和振型,并基于模态置信准则对仿真和试验模态进行了对比上述研究侧重于分别对燃油箱在自由或安装状态下的模态分析,而未讨论边界条件与含水量二者综合作用下燃油箱的振动特性。本文拟通过振动模态试验,认识自由悬挂和安装状态下某款塑料燃油箱的振动特性,并分析充液量的影响。设计台架以模拟燃油箱在台架安装时的约束条件,并基于试验结果分析安装条件和充液量的影响。以频响函数、模态频率和振型、模态相位共线性(modalphasecollinearity,MPC)和平均相位偏差(modalphasedeviation,MPD)为指标,分析边界条件对燃油箱振动特性的影响和充液量对安装状态下燃油箱的模态频率和振型等的影响,为建立动力学模型提供试验依据。1自由悬挂试验和安装为理解燃油箱的振动特性,分别进行了自由悬挂与安装状态下的燃油箱模态试验。研究充液量影响时,参照国标GB18296-2001规定1.1自由悬挂状态采用弹性阻尼绳悬挂燃油箱,以实现自由-自由边界条件。由于燃油箱形状不规则,部分充水时晃动较为严重而难以在悬挂时保持平衡。故只进行无水和满水两种充液量下的燃油箱自由模态试验,相应悬挂状态如图1所示。经测试,悬挂后箱体上下晃动频率为1.0～2.0Hz,远小于燃油箱第一阶弹性模态频率,满足自由边界要求。1.2模态试验台架燃油箱系统包含燃油箱箱体和各种附件。所研究的燃油箱箱体是由多层高密度聚乙烯(highdensitypolyethylene,HDPE)材料制成的薄壁件,而附件主要包括燃油泵和安装钢带。实车安装状态下,燃油箱下部通过钢带连接孔与汽车底盘连接,上表面则通过橡胶垫片与车身相连。其中,钢带与车身之间预紧力使燃油箱垫片产生压缩,额定的垫片压缩量为5mm。为模拟燃油箱在实车安装状态下的约束条件,设计并制造一个台架用于模态试验。燃油箱安装状态下的关注频段为0～100Hz,因此需要保证燃油箱台架在考虑燃油箱重量和边界条件约束的情况下其第一阶固有频率大于100Hz。根据燃油箱的实际尺寸、安装要求,考虑最低频率限制和轻量化要求,对台架进行材料选择与拓扑优化。最终采用铝合金制备的试验台架如图2a所示,其重量为35kg。将内部充满水的燃油箱安装到台架上时,系统的基频为141Hz,满足大于100Hz的预定目标,实验台架能够提供足够的刚度来模拟燃油箱在实车中的刚性约束。再现安装条件并进行模态试验的燃油箱—台架系统如图2b所示。试验台架安装在铸铁地板上,燃油箱通过实车用安装钢带与螺栓连接到试验台架四角,并通过橡胶垫由安装在刚性支架上的三块铝板施加位移约束。可通过螺栓调节橡胶垫的压缩量。经验证,燃油箱钢带约束紧固,橡胶垫片在约束状态下达到5mm压缩量,箱体与台架之间无多余干涉,实验台架能够模拟燃油箱的实车约束状态。1.3表面检测点布置测试系统包括:燃油箱、悬挂或台架系统、PCB公司的冲击力锤与三向压电式加速度传感器、LMS公司的Scandas数据采集仪和Test.Lab分析软件。自由状态下,根据燃油箱的实际轮廓,在燃油箱表面布置测点。台架安装状态下,燃油箱侧面与钢带部位难以企及,因此仅在上下表面布置测点。两种安装条件下的测点布置如图3所示。其中,为清晰起见,安装状态下只显示了位于箱体上表面各测点之间,以及下表面上各测点之间的连接关系。为降低加速度传感器质量的影响,采用多点激励、单点拾振的方法进行模态试验,即移动力锤对燃油箱表面进行敲击。同一激振点敲击5次,进行平均。2自由与限制的振动特性的比较依据无水燃油箱振动试验数据,下面通过考察综合频响函数、固有频率与振型,对自由悬挂和安装状态下的燃油箱振动特性进行对比分析。2.1振动特性分析分别在自由悬挂和安装状态下进行燃油箱模态测试,得到各测点的频响函数。由于两种状态下拾振点位置相同,激振点位置在燃油箱的上下表面相同,故通过对比不同状态下的平均频响函数分析燃油箱的振动特性变化。无水燃油箱系统在0～100Hz的平均频响函数幅值曲线A如图4所示。图4表明:在所关注的0～100Hz频段,自由状态下无水燃油箱内频响曲线幅值存在5个峰值,且在96Hz处其共振峰值最大。在安装状态下有7个峰值,且80Hz处的系统平均频响函数峰值最大。在50～100Hz,安装状态下系统平均频响函数共振峰更为集中,且幅值明显大于自由状态下的幅值,前者与后者的比值最大可达7.0,这表明安装状态下燃油箱表明对输入的加速度响应更大,振动更为剧烈。2.2民间模态振动区域根据图4,两种边界条件下无水油箱第一阶共振峰峰值均较小。图5给出了不同状态下无水燃油箱的第1阶振型的变形Φ。由图5可知:自由状态下第1阶模态是安装钢带变形占优的模态,油箱下表面右侧钢带附近有局部变形。安装状态下油箱第1阶模态振型的变形则以箱体振动为主,其主振动区域主要存在于左侧钢带附近以及箱体的右侧,模态振型的振动幅度最大位置位于箱体的右侧。两种状态下无水燃油箱系统的前6阶模态频率(f)与对应阻尼比(d)如表1所示。表1说明:无水燃油箱在台架安装状态下的前2～6阶固有频率均小于自由状态下的固有频率。对于第1阶模态频率,主要是由于自由状态下的振型为钢带占优模态导致的。对应模态振型的变形Φ如图6和图7所示。需要指出的是,两种状态下相同阶次的主振动,其形态可能存在较大区别。两种边界条件下,无水燃油箱的振动主要表现为箱体上下表面的纵向振动,前六阶模态中横向振动均不明显。但在台架安装条件下,燃油箱的大部分振型及主要振动区域与自由状态不同。自由状态下的第4阶与安装状态的第5阶振型相似,自由状态下的第5阶与安装状态的第6阶振型相似,这主要是由于燃油箱总体的质量分布规律不变导致的。2.3自由与安装工况下的mpc、mpd对于复合材料油箱,结合油液的影响,需要考察系统模态特性的变化。对于无阻尼或比例阻尼结构,任一阶振型向量中各元素彼此同相位或者反相位,在复平面中分布在同一条直线上。在实际工程中,系统阻尼通常并非比例阻尼,系统的频率,留数和振型因此均为复数,系统模态通常为复模态分别计算自由与安装两种状态下无水(0L)和满水(63L)状态时燃油箱前6阶模态的模态相位共线性(MPC)和平均相位偏差(MPD)值,结果如表2所示。由表2可以看出,当内部充液量变化时,自由状态下,燃油箱前6阶模态的MPC和MPD的平均值几乎未发生改变;而安装状态下,相对无水情况,满水油箱前6阶模态的MPC均值下降了29%,而MPD均值上升了29%。这表明,自由状态燃油箱相位的共线性对于液位的变化不敏感,而安装状态下液位的增加能够减小燃油箱模态相位的共线性。3模态实验实验对安装状态下的燃油箱,分别充入21、25、42、50和63L水,逐一进行模态实验。结合无水试验数据,分别从固有频率、模态振型、以及模态相位共线性(MPC)和平均相位偏差(MPD)等方面考察充水量对系统振动特性的影响。3.1安装状态下充水量对固有频率的影响燃油箱在0～30.0Hz的频响函数幅值曲线A如图8所示。显然,随着充水量(V)的增加,频段内系统平均频响函数共振峰数量增加,幅值增大。充水量为63L时第一阶共振峰的峰值最大且峰值频率最低。图9示了安装状态下燃油箱前6阶固有频率随充水量的变化。总体来看,前6阶固有频率随着充水量的增加而下降。这种变化应归因于充液量的增加增大了燃油箱系统的总质量。当充水量从0L变为21L时,各阶固有频率下降明显,第6阶降幅最大。当充水量从0L变为50L时,前6阶固有频率中,后5阶频率降幅较大。另一方面,各阶固有频率在充液量为21～50L时,降低幅度比较平缓。其中充液量从50L增加到63L时,第6阶固有频率变化幅度略有增大,这主要是由于63L时燃油箱内部充满水,此时内部流体与燃油箱耦合界面变化较大导致的。依据文3.2振动的区域和频率为比较不同液位下振型的变化,图10-11给出了燃油箱系统的前2阶固有振型的变形Φ随充水量的变化。第1阶模态振型,在21�63L充水量时,变形变化不大,其主要表现为燃油箱左半箱体的振动,其振幅最大的位置位于左半箱体的中心。由于0L的结果是结构模态,其系统特征与考虑流固耦合情况时存在一定差异,此时其第1阶模态振型的主要振动区域主要为箱体的右侧,箱体的左半部分同样存在振动。第2阶模态振型在21～50L充水量时,变形变化不大,其主要表现为燃油箱箱体中部的振动。0L和63L的第2阶振型与其他液位的略有差别,这主要是由于耦合界面不同导致的。在0～50L时,第2阶振型振动幅度最大的测点位置不变,在63L时略有上移。3.3mpc与mpd为考察充水后燃油箱振动模态的特性,计算安装条件下不同充液量对应的各阶模态的MPC、MPD参数均值及其标准差,如表3所示。表3显示,在台架安装条件下,总体来看随着充液量的增加,MPC呈下降趋势而MPD呈上升趋势。在满水状态下MPC均值最小而MPD均值最大,分别为0.67和0.39。无水状态时MPC和MPD值的波动最小,充水后两种参数的波动均明显变大。这表明燃油箱内部充水后,系统的模态正则性变差而相位离散程度加强并且满水状态时最为严重,满水状态时的振型为复模态。对于台架安装条件下的燃油箱,其复模态特性受到内部液体的明显影响,在模型的建立和验证的过程中需要考虑此部分的影响。4油箱振动特性本文设计和搭建了模拟塑料燃油箱实车状态的试验台架,并分别采用自由悬挂与实际安装两种约束条件,对不同充液量下的燃油箱分别进行了模态试验,对比分析了边界条件和充液量对燃油箱振动特性的影响。主要结论如下:1)相对于自由悬挂