模態(tài)試驗及工作變形分析在汽車車內(nèi)噪聲診斷中的應(yīng)用

2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文介紹了模態(tài)分析和工作變形的基本概念,并著重闡述了兩者的區(qū)別和聯(lián)系。通過實例,介紹了這兩種分析手段在汽車車內(nèi)噪聲診斷中的應(yīng)用。

李艷斌張滿良姜建中來源:LMS
關(guān)鍵字:CAE LMS TestLab 模態(tài)分析工作變形

1、前言
模態(tài)分析技術(shù)從20世紀60年代后期發(fā)展至今已趨成熟,并被廣泛的用于汽車設(shè)計和汽車NVH性能的故障診斷中。汽車上的各個系統(tǒng)都是相互連接在一起的,相連接的系統(tǒng)的模態(tài)一定要分開,否則它們之間就會發(fā)生共振。通過模態(tài)分析技術(shù)就可以得到各個子系統(tǒng)的模態(tài),進一步分析各個系統(tǒng)之間有沒有模態(tài)耦合。由于國內(nèi)汽車工業(yè)相對發(fā)達國家還比較落后,部分新車型會存在振動或者噪聲方面的問題,我們一般可以對樣車進行工作變形分析。工作變形分析是近些年才出現(xiàn)的新的故障診斷方法,它和運行模態(tài)一樣,都是利用實際工況下的響應(yīng)信號計算得到有用的信息。工作變形分析可以使工程師們更直觀的了解樣車在實際工況下的工作形式,為進一步的故障診斷提供依據(jù)。本文通過一個乘用車的降噪實例,來具體說明模態(tài)分析和工作變形這兩種分析方法是如何在汽車降噪中應(yīng)用的。
2、模態(tài)分析、工作變形的定義
2.1 模態(tài)分析的定義
將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標,使方程組解耦,成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程,以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣,其每列為模態(tài)振型。
2.2 工作變形的定義
ODS即工作變形分析,是指實際工作狀態(tài)下的試件振動的視覺體驗,簡而言之就是在實際工作情況下試件怎么振動的。ODS是指結(jié)構(gòu)在某一特定頻率、特定轉(zhuǎn)速下的變形,所以也可以概括的定義為結(jié)構(gòu)的受迫振動。不同的轉(zhuǎn)速對ODS的結(jié)果可能會有一定的影響。
3、模態(tài)分析和工作變形的區(qū)別和聯(lián)系
模態(tài)分析和工作變形之間的區(qū)別:
1)模態(tài)描述結(jié)構(gòu)的共振,而一個工作變形僅僅描述了在某個特定頻率或時間下的受迫響應(yīng)。
2)模態(tài)是共振結(jié)構(gòu)的固有屬性,工作變形可以定義到任何結(jié)構(gòu),共振或非共振結(jié)構(gòu)均可。
3)工作變形隨著結(jié)構(gòu)載荷的改變而改變,但模態(tài)不會。工作變形是任意的,取決于作用在結(jié)構(gòu)上的載荷。模態(tài)只有在結(jié)構(gòu)屬性(質(zhì)量、阻尼和剛度)和邊界條件改變時才相應(yīng)改變。
4)工作變形可以回答“結(jié)構(gòu)是如何運動的?”這個問題,而模態(tài)振型沒有單位所以無法回答上述問題。
5)模態(tài)試驗需要測試結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù),工作變形需要測試的是結(jié)構(gòu)在實際工況下的響應(yīng)。
模態(tài)分析和工作變形之間的聯(lián)系:
通過模態(tài)分析和工作變形分析可以判斷出模態(tài)分析中的幾階振型對實際運動工作環(huán)境下變形產(chǎn)生了影響。換言之,工作變形表現(xiàn)出了真正的運動變形情況,但它到底是由模態(tài)分析中的哪幾階組合,需要通過模態(tài)分析加以判斷,從而獲得各階貢獻量,并加以判斷,改進。所以模態(tài)分析是工作變形分析的基礎(chǔ)和前提條件。
4、實例應(yīng)用
4.1實例介紹
在開發(fā)一款新型客車時,發(fā)現(xiàn)該樣車中后排乘員耳旁噪聲在發(fā)動機的低轉(zhuǎn)速段較大。經(jīng)過簡單的噪聲測試及譜分析知道,后排噪聲在低轉(zhuǎn)速段內(nèi)主要由發(fā)動機的點火頻率所決定,是板件的低頻振動,向車內(nèi)輻射噪聲,使得該車后排噪聲偏大,輻射噪聲較大的頻帶主要集中在30~60Hz。并且通過主觀評價也可以驗證這一觀點。為了了解車身板件的結(jié)構(gòu)特性和實際工況下車身板件的振動形式,先后進行了該樣車的白車身模態(tài)試驗和實車的工作變形分析。
4.2 試驗介紹
4.2.1 白車身模態(tài)分析介紹
1)試驗設(shè)置和試驗設(shè)備
白車身自由懸掛,在車身的縱梁上選擇前后兩點進行激勵。分析頻段選擇0~200Hz,頻率分辨率為0.2Hz,激勵信號選擇猝發(fā)隨機激勵。試驗設(shè)備是LMS公司的SC310多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分析系統(tǒng)是LMS公司的Test.Lab 7A。

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圖1 白車身模態(tài)試驗骨架及激振點位置

2)試驗結(jié)果
利用Test.Lab 7A中的poly MAX模塊進行模態(tài)分析,得到表1中的幾階主要模態(tài),其中有2階是車身整體模態(tài),3階是車身局部模態(tài)。

表1 白車身模態(tài)測試結(jié)果

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4.2.2 實車工作變形分析的介紹
1)試驗條件和試驗設(shè)備
試驗路面為平滑瀝青路面,試驗工況為3檔急加速,分析頻段選擇0~200Hz,頻率分辨率為0.2Hz。試驗設(shè)備是LMS公司的SC310多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分析系統(tǒng)是LMS公司的Test.Lab 7A。
2)試驗結(jié)果
利用Test.Lab 7A中的Operational Deflection Shapes & Time Animation模塊進行工作變形分析,得到表2中的幾階主要振型,其中前2階是車身頂篷中后部的局部變形。

表2 樣車工作變形測試結(jié)果

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4.3 結(jié)果分析
通過對比白車身的模態(tài)和工作變形的試驗結(jié)果(見圖2~5),可知:工作變形在1360rpm時的振型與白車身46.22Hz的一階模態(tài)振型基本一致;工作變形在1025rpm時的振型與白車身48.12Hz的一階模態(tài)振型在頂篷的局部變形上是一致的。這說明這兩階模態(tài)對該車中后排乘員耳旁噪聲較大這一NVH現(xiàn)象是有很大貢獻的。
根據(jù)上述試驗結(jié)果,可以對該車車身后部進行改進,對以上兩階影響較大的模態(tài)振型變形較大的位置進行局部剛度的加強,并適度的增加阻尼材料,用以降低振動的幅值,減小輻射噪聲。當然以上只是從振動響應(yīng)者的角度進行考慮,并改進的,還可以通過減小激勵源的振動,或者增加傳遞路徑的衰減的方法去降低車內(nèi)噪聲。

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圖2 頂篷3階局部模態(tài)

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圖3 車身垂直彎曲模態(tài)

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圖4 頂篷中后部2階局部變形

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圖5 車身整體及頂篷中后部局部變形

5、結(jié)束語
將模態(tài)分析和工作變形分析結(jié)合起來可以有效地診斷車內(nèi)NVH問題,具有一定的工程使用價值。借助LMS公司的TestLab軟件可以很方便的實現(xiàn)模態(tài)分析及工作變形分析。另外鑒于工作變形反映的是被測物在實際工作狀態(tài)下的情況,對研究人員進行故障診斷分析有很好的指導(dǎo)作用。

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