V ol 36No.6
Dec.2016
噪
声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第36卷第6期2016年12月
文章编号：1006-1355(2016)06-0197-05+205
轿车带内饰车身模态试验分析
谭继锦，戚东元
（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009）
摘要：针对带内饰车身模态参数难以识别的问题，在结构线性度检验的基础上，分别采用频域识别和时域识别两种方法对某轿车带内饰车身进行模态试验。介绍了试验方案与信号采集技术，重点对识别方法进行比较研究，其中时域随机子空间法的较好应用效果为车身模态试验提供新思路。最后通过有限元分析与试验结果对比，验证了内饰车身建模分析的准确性，所确定的内饰车身模态参数为车身NVH 性能分析奠定基础。
关键词：振动与波；带内饰车身；模态试验；频域识别；时域识别；有限元分析中图分类号：U467；O241.82文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.039
Analysis and Research of Modal Test for a Trimmed Car Body
TAN Ji-jin ,QI Dong-yuan
（Collage of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,
Hefei 230009,China ）
Abstract :In order to solve the problem that modals of the trimmed car body are difficult to identify,both frequency-domain and time-domain identifications are used for the modal test of the trimmed body of a car on the basis of the structure ’s linearity inspection.The test scheme and signal acquisition technique are introduced and the identification methods are comparatively studied.Of these methods,the successful application of the stochastic subspace identification provides a new way for the body modal test.Finally,the comparison of results from the test and FEA verifies the accuracy of the trimmed body modeling analysis.The determined modals of the trimmed body lay a foundation for the analysis of NVH performance.
Key words :vibration and wave;trimmed body;modal test;frequency domain identification;time domain identification;FEA
内饰车身（Trimmed Body ）与白车身（Body In White ）一样，在车身性能开发中都有具体的模态频率目标，其中白车身模态分析应用较为成熟，不论是试验还是仿真均可识别出较为准确的模态参数。相对于白车身，内饰车身的结构性能更接近于整车，也是整车模态频率的基础，因而研究内饰车身的动态性能十分必要。
闭合件、座椅、转向系统和内饰通过铰链、密封胶、结构胶和卡扣等与白车身连接，使得车身非线性因素增加，模态参数密集，阻尼增大，局部与整体振型耦合较多，大大增加了识别难度。为解决此问题，文献[1]提出取车身左右两侧若干对称点，经过VTF 分析，通过合成加速度和差值加速度均值曲线来识别内饰车身模态参数。文献[2]分别采用最小二乘
收稿日期：2016-07-18作者简介：戚东元（1991－），男，江苏省连云港市人，硕士研
究生，研究方向为振动噪声控制与整车性能分析。
通信作者：谭继锦，男，硕士生导师。
E-mail:jsdh_qdy@https://www.doczj.com/doc/1e5214920.html,
复指数法(LSCE)和最小二乘复频域法(LSFD)对内饰车身模态试验进行参数识别，并比较了两种方法的优劣。文献[3]提出一种新的整体平顺算法（GST ），用于分析多输入多输出系统所得的频响函数曲线，使得对于大阻尼高耦合的结构模态参数得以识别。
文中将从频域和时域两种识别方法对带内饰车身模态试验进行研究和对比，提出内饰车身的试验方案，阐述解决模态参数识别困难的办法，并将有限元分析与试验进行对比。
1基于频域辨识方法的模态试验
1.1结构线性度检验
模态识别以系统线性为前提，任何结构都必须在满足一定线性度的前提下才可以进行模态分析。内饰车身非线性度加大，试验之前必须对其进行结构线性度检验，以确保此结构模态测试的可靠性。设置不同等级的激振力，以同一测点频响函数的重合度进行检验。图1为车身某测点在4V 、8V 和10
万方数据
目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 1 绪论 (3) 2 试验模态分析 (5) 2.1模态试验理论 (5) 2.2试验测试系统组成 (6) 3 模态参数识别方法 (7) 3.1模态参数识别主要方法 (7) 3.2最小二乘复频域法 (9) 3.2.1最小二乘复频域法简介 (9) 3.2.2系统模型的确定 (9) 4 白车身模态试验 (10) 4.1白车身参数 (10) 4.2试验结构的支撑方式 (10) 4.3传感器的选择及布置原则 (12) 4.4激励系统 (13) 4.4.1激励方式 (13) 4.4.2振动激励源的选择和比较 (14) 4.4.3设备传感器 (15) 4.5试验测试系统检验 (16) 5 试验测试结果及分析 (21) 5.1稳态图 (21) 5.2模态频率与阻尼比 (23) 5.3模态振型 (24) 5.4模态试验的有效性 (26) 6 有限元分析结果与试验结果对比 (30) 结论 (33) 谢辞 (34) 参考文献 (35)
白车身模态试验方法研究 摘要：本文的目的在于研究模态分析参数识别不同方法之间的优缺点，重点是PolyMAX法和时域分析法之间的对比，以研究通过何种方法才能获得精 确地实验数据。为此本文分别采用多参考最小二乘复频域（PolyMAX） 法和时域分析法对结构模态参数进行识别，得到白车身各阶的模态图、 模态频率和振型并采用模态置信判据法(MAC)验证试验结果，比较二者 之间的优缺点，从而发现PolyMAX能提供比时域法法更多的稳定极点 并且有一个清晰地图标，确保一个用户独立和简洁明了的解释，大量简 化了鉴别过程。为进一步验证PolyMAX法的准确性，将PolyMAX分析 结果与有限元分析相对比，发现两者具有相当高的一致性。因此，本文 认为在白车身模态试验中PolyMAX法是最佳的试验模态分析方法。 关键词：白车身模态试验分析方法MIMO PolyMAX 1
文件编号： YJY·P ·0020·A1-2004 文件名称：白车身模态分析作业指导书 编制：日期： 审核：日期： 批准：日期：
发布日期：年月日实施日期：年月日 前言 为使本公司白车身模态分析规范化，参考国内外白车身模态分析的技术，结合本公司已经开发车型的经验，编制本分析作业指导书。意在对本公司分析人员在做白车身模态分析的过程中起指导作用，让不熟悉或者不太熟悉该分析的员工有所依据，提高工作效率和精度。本作业指导书将在本公司所有白车身模态分析中贯彻，并将在实践中进一步提高完善。 内容包括：前处理模型；分析软件的使用；工程载荷及求解的设置；分析结果后处理和评价标准等。 本标准于2004年9月起实施。 本标准由上海同济同捷科技股份有限公司技术总监室提出。 本标准由上海同济同捷科技股份有限公司技术总监室负责归口管理。 本标准主要起草人：谢颖、邓文彬
白车身模态分析流程 1、适用范围 任何车型的白车身。 2、分析的目标及意义 本分析旨在分析白车身的振动固有频率和振型，得到的数据可为车身结构设计和振动噪声分析提供参考。 3、前处理建模 3.1白车身模型（只包括焊接总成，不包括门、玻璃、内饰等螺栓紧固件），焊点用RBE2(6个自由度)模拟，焊点布置应符合实际情况，边界条件为自由。 3.2 网格大小和注意事项如下。 3.2.1建模标准（所有项均在HYPERMESH中检测）表1 在网格划分之前，一定要充分考虑该零件与其它零部件之间的连接关系。 3.2.2在hypermesh中注意事项： 3.2.2.1 单元网格总体要求：连续、均匀、美观，过渡平缓。
3.2.2.2 对于倒角，倒角两端点距离小于5mm时可删去（命令：geom\distance）。当倒角两端点距离大于5mm时，测一下倒角的弧长(命令：geom\length)，如弧长小于10mm时划分一个单元，大于10mm，划分两排单元，如难以满足单元长度要求，可将倒角的一边toggle掉。对于孔，半径小于5mm时可删去，同时删去小于5mm的凸台和沉孔。 3.2.2.3对于对称件，只划分一个件的网格，另一个件使用镜像方法生成。对于一个单个零件如果是左右对称的，可将它从中间切开，划分一半即可（使用splitbody命令），对于单个零件判断其是否是左右对称的，可将切开的另一半镜像过去（使用transform命令），渲染后看是否重合 3.2.2.4对于一些比较小的零部件（比如小螺栓）根据其位置和尺寸及对分析目标的重要性可不进行网格划分 3.2.2.5 B柱之前的零件网格尺寸控制在10-15mm，对于B柱之后ｃ柱之前的零件，可适当增大网格尺寸，定在15-20mm，ｃ柱之后20－35ｍｍ划分时可根据具体情况进行调整(如对一些连接处可划分细一些)； 3.2.2.6原则上存在焊点的翻边必须划分两排单元，识别焊边可察看各总成数模、或者是看参考车型以及去设计部门的相关负责人联系。在焊点的翻边上，如翻边长度小于10mm，在保证最小单元长度要求下，可适当将翻边加长。大于10mm 时，考虑划分两排单元，对不符合长度要求的单元进行必要的调整（如将翻边的边界toggle掉）。 原则上焊点位置由设计部门确定，在设计部门已提供焊点位置的情况下，采取以下操作步骤：1）在UG中检查焊点位置，若发现分布不合理的焊点，须与车身相关设计人员确认；2）将零件导入HYPERMESH，其中应包含该零件的焊点信息――点和圆圈线（导入前需确认在UG里已经将点、线、面分层）；3）将含圆线圈的COMP隐藏，只显示零件和焊点，然后用GEOM CLEANUP/FIXED POINTS/ADD命令将焊点变成零件面上的硬点；4）划分网格并按标准检查好单元质量后，文件先以HM格式进行保存（须包含所有点、线、面和单元），然后将网格输出成*.bdf文件，再将焊点和圆圈线输出成*.igs（该文件的命名方法：在bdf文件名前加w。如：bdf文件53-01.bdf，则igs文件w53-01.igs）；5）在PATRAN里装配时，将
模态试验及分析的基本步骤 1.动态数据的采集及响应函数分析 首先应选取适当的激励方式。激励方式可以是正弦、随机或瞬态中的任何一种。激励方式不同，相应的模态参数识别方法也不同。目前主要有单输入单输出、单输入多输出和多输入多输出三种方法。然后进行数据采集。对于单输入单输出方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据;单输入多输出及多输入多输出的方法要求大量通道数据的高速采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。在采集信号数据以后，还要在时域或频域对信号进行处理，例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。 2.建立结构数学模型 根据己知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及参数识别的依据，目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，数学建模可分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率藕合程度又可分为实模态和复模态等。 3.参数识别 按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法。激励方式不同，相应的识别参数方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，用简单的识别方法也可能获得良好的模态参数;反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，识别的结果也不会理想。 4.振型动画 参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振型。但是由于结构复杂，由许多自由度组成的振型的数组难以引起对振动直观的想象，所以必须采用振型动画的办法，将放大的振型叠加到原始的几何形状上。
汽车模态分析 1 前言 模态是振动系统特性的一种表征，它构成了各种车身结构复杂振动的最基本的振动形态。为了在汽车使用中避免共振、降低噪声，需要知道结构振动的固有频率及其相应的振型。模态分析的最终目标是为了得到模态参数，为结构系统的动力特性分析、故障诊断和预报以及结构的动力特性的优化设计提供依据。 汽车在行驶过程中的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多出现在1-3Hz，一般对低频振动影响较大；因车轮不平衡引起的激励频率一般低于11Hz，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免；发动机引起的激励频率一般在23Hz以上，此激励分量较大；城市中一般车速控制在50～80Km/h，高速公路上一般车速控制在 80～120 Km/h，传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在40Hz以上，此激励分量较小。由这些外界激振源会引起车门产生共振，带来噪音，极大的降低了车辆的乘坐舒适性，造成扳件的抖动开裂，零部件的疲劳损坏，车门表面保护层的破坏，削弱车门的抗腐蚀能力等。 因此，为提高汽车产品的开发设计水平，达到优化设计的目标，需要对汽车车门进行模态分析，通过有限元计算来得到该结构在不同频率下的振型，避免因共振等原因引起的结构破坏。 2 车门有限元模型 2.1 几何特性 轿车车门一般由门外板、门内板、门窗框、门玻璃导槽、门铰链、门锁以及门窗附件等组成。内门板上有玻璃升降器、门锁附件等。内板由薄钢板冲压而成，其上分布有窝穴、空洞、加强筋，内板内侧焊有内板加强板。为了增强安全性，外板内侧一般通过防撞杆支撑架安装了防撞杆，窗框下装有加强板。内板与外板通过翻边、粘合、滚焊等方式结合。 2.2 有限元模型的建立 根据车门的几何模型划分网格，建立有限元模型如图1所示。
白车身模态分析与识别 Analysis and Identify of Body In White 刘红，朱凌，门永新 吉利汽车研究院，浙江杭州 310000 摘要：白车身的模态分析可以通过试验和CAE两种途径进行。试验虽然能相对真实地反应试验车辆 的性能，但周期长、成本高且干扰因素多。CAE仿真分析白车身模态可以有效避开这些问题。同时， 结合模态识别的4点和24点法，CAE仿真能更准确、便捷地了解白车身模态性能。尤其在车辆开发前期，能有效指导车身设计。 关键词：白车身，NVH，模态，试验，识别，HyperGraph Abstract: BIW’s mode can be obtained through testing and CAE. Although testing can relatively reflect the true performance of the vehicle, it is expensive in both cost and time, as well as other unpredictable factors. Meanwhile, CAE can easily avoid these problems, and can more accurately and conveniently to obtain the performance, combining with the 4-point and 24-point method for the modal identification. Especially in the early stage of the vehicle development, CAE method can effectively guide the design of body. Key words: BIW, NVH, mode, test, identify, HyperGraph 1 概述 白车身模态分析作为整车NVH分析的一个基础环节，对整车NVH性能管控起着关键的作用。模态分析能够反映出结构在低频范围内的振动问题，尤其对避开路面和发动机激励尤为重要。一般4缸机的怠速激励在25Hz左右，路面激励在20Hz以内，故白车身一阶模态应在40Hz左右才能使得TB 的一阶模态避开上述两种激励，而如何准确地识别出白车身一阶模态成为车身设计的关键问题。 解决上面的问题，目前可用模态测试或者模态识别（CAE的方法）来判断，本文从这两个方面研究了白车身模态分析方法。 2 模态测试方法 目前试验模态分析技术已经成为解决振动噪声以及疲劳强度等实际问题的一项最重要、应用最广泛的技术手段【1】。通过模态试验识别出的汽车白车身的结构动力学特性对于乘坐舒适性和结构可靠性起着决定性的作用，是汽车新产品开发中结构分析的主要内容，特别是车身的低阶弹性模态是控制其振动噪声的关键基础性指标之一【2】。 2.1 测试方法简述 模态测试是同时测量结构的输入和输出信号而得到结构的频响函数，即通过激励和响应，推知结构的特性【3】。可以根据试验条件选择单点或多点激励，常用的做法是采用两个激振器产生随机信号对车身进行激励，两个激振器分别置于车身左后纵梁处以+Z方向激励和发动机舱右悬置安装点纵梁的+Y 方向激励，在车身上布置加速度传感器以采集车身结构的响应，试验状态如图1所示。
V ol 36No.6 Dec.2016 噪 声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第36卷第6期2016年12月 文章编号：1006-1355(2016)06-0197-05+205 轿车带内饰车身模态试验分析 谭继锦，戚东元 （合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009） 摘要：针对带内饰车身模态参数难以识别的问题，在结构线性度检验的基础上，分别采用频域识别和时域识别两种方法对某轿车带内饰车身进行模态试验。介绍了试验方案与信号采集技术，重点对识别方法进行比较研究，其中时域随机子空间法的较好应用效果为车身模态试验提供新思路。最后通过有限元分析与试验结果对比，验证了内饰车身建模分析的准确性，所确定的内饰车身模态参数为车身NVH 性能分析奠定基础。 关键词：振动与波；带内饰车身；模态试验；频域识别；时域识别；有限元分析中图分类号：U467；O241.82文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.039 Analysis and Research of Modal Test for a Trimmed Car Body TAN Ji-jin ,QI Dong-yuan （Collage of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009,China ） Abstract :In order to solve the problem that modals of the trimmed car body are difficult to identify,both frequency-domain and time-domain identifications are used for the modal test of the trimmed body of a car on the basis of the structure ’s linearity inspection.The test scheme and signal acquisition technique are introduced and the identification methods are comparatively studied.Of these methods,the successful application of the stochastic subspace identification provides a new way for the body modal test.Finally,the comparison of results from the test and FEA verifies the accuracy of the trimmed body modeling analysis.The determined modals of the trimmed body lay a foundation for the analysis of NVH performance. Key words :vibration and wave;trimmed body;modal test;frequency domain identification;time domain identification;FEA 内饰车身（Trimmed Body ）与白车身（Body In White ）一样，在车身性能开发中都有具体的模态频率目标，其中白车身模态分析应用较为成熟，不论是试验还是仿真均可识别出较为准确的模态参数。相对于白车身，内饰车身的结构性能更接近于整车，也是整车模态频率的基础，因而研究内饰车身的动态性能十分必要。 闭合件、座椅、转向系统和内饰通过铰链、密封胶、结构胶和卡扣等与白车身连接，使得车身非线性因素增加，模态参数密集，阻尼增大，局部与整体振型耦合较多，大大增加了识别难度。为解决此问题，文献[1]提出取车身左右两侧若干对称点，经过VTF 分析，通过合成加速度和差值加速度均值曲线来识别内饰车身模态参数。文献[2]分别采用最小二乘 收稿日期：2016-07-18作者简介：戚东元（1991－），男，江苏省连云港市人，硕士研 究生，研究方向为振动噪声控制与整车性能分析。 通信作者：谭继锦，男，硕士生导师。 E-mail:jsdh_qdy@https://www.doczj.com/doc/1e5214920.html, 复指数法(LSCE)和最小二乘复频域法(LSFD)对内饰车身模态试验进行参数识别，并比较了两种方法的优劣。文献[3]提出一种新的整体平顺算法（GST ），用于分析多输入多输出系统所得的频响函数曲线，使得对于大阻尼高耦合的结构模态参数得以识别。 文中将从频域和时域两种识别方法对带内饰车身模态试验进行研究和对比，提出内饰车身的试验方案，阐述解决模态参数识别困难的办法，并将有限元分析与试验进行对比。 1基于频域辨识方法的模态试验 1.1结构线性度检验 模态识别以系统线性为前提，任何结构都必须在满足一定线性度的前提下才可以进行模态分析。内饰车身非线性度加大，试验之前必须对其进行结构线性度检验，以确保此结构模态测试的可靠性。设置不同等级的激振力，以同一测点频响函数的重合度进行检验。图1为车身某测点在4V 、8V 和10 万方数据
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/1e5214920.html, 某商用车驾驶室白车身模态分析 作者：谢小平,韩旭,陈国栋,周长江 来源：《湖南大学学报·自然科学版》2010年第05期 摘要:以某商用车驾驶室白车身为原型,利用模态分析方法对其动力学特征参数进行分析.在理论(正问题)和实验(反问题)两个互补的模态分析过程中,利用有限元模型进行理论模态分析,为实验模态分析的实施打下良好基础.分别采用最小二乘复指数法(LSCE)和最小二乘复频域法(LSCF)进行实验模态分析,得到各阶模态振型并对理论分析的结果进行修正.经过两种结果的比较和分析,最终得出准确的模态分析结果并对白车身原型提出改进意见.生产厂商依据改进意见进行工艺改进,通过用户实际使用证实了改进方案的有效性和正确性. 关键词: 商用车驾驶室;白车身;有限元;实验模态分析;LSCE;LSCF 中图分类号:TH113.1文献标识码:A Modal Analysis of Commercial Vehicle Cab’s Body-in-White XIE Xiao-ping+, HAN Xu, CHEN Guo-dong, ZHOU Chang-jiang (State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Faculty of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha, 410082) Abstract: The theory modal analysis (TMA, forward problem) and experimental modal analysis(EMA, inverse problem) methods are both used to analysis dynamics characteristic parameters of one commercial vehicle cab’s body-in-white. Finite element modal analysis is carried out to get mode shape and lay down well basis to experimental modal analysis in TMA process. In EMA process, LSCE(Least Squares Complex exponent method) and LSCF (Least Squares Complex Frequency Domain method) methods are used to get mode shape and modify TMA results. With comparison to all results, the accurate conclusion can be reached and improvement opinion is brought forward to the prototype. The improvement projection was proved to be effective by consumers’utilization after manufacturer put it into applications. Keywords: commercial vehicle cab’s bod y-in-white; finite element method; experimental modal analysis; LSCE; LSCF 车辆在行使的过程中常因路面不平,车速和运动方向的变化,车轮、发动机和传动系的振动激励,以及齿轮的冲击等各种外部和内部激励,极易引起整车和局部振动。当外界激振频率与系统固有频率接近时,将产生共振[1]。
汽车车身模态分析研究综述 北京信息科技大学研1202班姓名：曹国栋学号：2012020045 摘要：车身是汽车的关键总成。它的构造决定了整车的力学特性，对白车身进行模态分析不仅能考察车身结构的整体刚度特性，而且可以指导人们对车身结构进行优化以及响应分析。因此，研究车身模态分析具有重要的意义。本文综述了近几年国内外在车身模态分析领域内的研究，总结了研究理论和试验方法，并进行归纳。最后，对未来的研究工作提出了一些展望。 关键词：车身；模态分析；有限元模态；试验模态；结构优化 0 前言 随着计算机技术的发展和仿真技术、有限元分析技术的提高，计算机辅助设计和分析技术几乎涵盖了涉及汽车性能的所有方面，如刚度、强度、疲劳寿命、振动噪声、运动与动力性分析、碰撞仿真和乘员保护、空气动力学特性等，各种计算机辅助设计软件为汽车设计提供了一个工具平台，极大地方便了汽车的设计。 车辆在行驶过程中，车身结构在各种振动源的激励下会产生振动，如发动机运转、路面不平以及高速行驶时风力引起的振动等。如果这些振源的激励频率接近于车身整体或局部的固有频率，便会发生共振现象，产生剧烈振动和噪声，甚至造成结构破坏。为提高汽车的安全性、舒适性和可靠性，就必须对车身结构的固有频率进行分析，通过结构设计避开各种振源的激励频率。 车身结构模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是新产品开发中结构分析的主要内容。尤其是车身结构的低阶弹性模态，它不仅反映了汽车车身的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。有限元模态分析和试验模态分析方法是辨识汽车结构动态性能的一种有效的手段，在汽车车身动态性能研究中得到了广泛应用。采用有限元方法对白车身进行模态分析，识别出车身结构的模态参数，并通过模态试验验证了有限元模型的正确性，为改型设计提供参考依据，是汽车开发设计与优化的一般流程。 因此，研究车身结构模态分析，进行车身轻量化设计和优化，对于提高国产轿车的自开发与科技创新能力，具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 车身模态分析的一般理论 1.1 模态分析基本理论 模态分析的经典定义即以模态矩阵作为变换矩阵，将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标进行坐标转换变到模态坐标上，从而使系统在原来坐标下的耦合方程变成一组互相独立的二阶常微分方程进而成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程[1]。 在实际的结构动力分析中，一般将连续结构离散化为一个具有n个有限自由
车体论文：CRH5动车组卧铺车体结构优化设计 【中文摘要】高速铁路是一个国家铁路运输现代化的重要标志。CRH5型高速动车组具有优良的高速运行品质,采用了轻量化高强度铝合金车体,大大减轻了车辆本身的质量,为动车组的高速运行创造了 条件。本文以CRH5型动车组的M2S车体为研究对象,对其进行了车体加高结构设计,并对加高后车体进行结构强度和刚度分析,模态分析 以及车体侧墙轻量化优化,为我国高速动车组车体的设计提供参考。本文主要完成以下几个方面的工作：1、CRH5型动车组的M2S车体进行结构加高设计；2、建立加高后的CRH5型动车组M2S车体的有限元模型；建模过程中对车体结构进行了适当的简化,并对焊接方式、附件质量进行了模拟处理。3、根据欧洲《EN12663》标准,对车体结构进行了10种主要组合工况下的强度分析,得出了应力和位移分布,并对结果进行了校核。最后总结了车体的应力分布情况和车体结构的设计特点；4、对加高后的车体结构进行了模态计算分析,得到整车空载状态和整备状态的前六阶振动频率和典型振型。空车状态和整备状态的一阶垂向弯曲频率均大于10Hz,满足规定要求；5、采用结构优化设计平台OptiStruct对加高车体的侧墙结构进行轻... 【英文摘要】High-speed railway is an important symbol of a national rail transport modernization. CRH5 high-speed EMU has excellent quality of high-speed operation;It uses a lightweight high strength aluminum alloy body, greatly
轿车白车身模态和静刚度的试验和ＣＡＥ 东南（福建）汽车工业有限公司研发中心蔡坚勇宋名洋 ［摘要］本文介绍利用ＡＩｔａｉｒ／ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件创建某紧凑型轿车白车身有限元模型，运用ＭＳＣ／Ｎａｓｔｒａｎ软件求解白车身结构的固有模态、静态弯曲刚度和扭转刚度。介绍相关试验方法，并把试验值和ＣＡＥ分析值进行比较。验证了ＣＡＥ分析模型的有效性，认为该车型车身具有较好的动态特性和静态扭转刚度。 ［关键词］白车身；模态；弯曲刚度；扭转刚度 当前，ＣＡＥ（计算机辅助工程分析）技术已经成熟，在国外大型汽车企业中得到了广泛应用，在我国一些大型汽车企业为了提升自主研发能力。已将ＣＡＥ技术应用到新车型研发中，且获得了良好的效果。本文分别利用试验方法和ＣＡＥ分析方法求解某紧凑型轿车白车身的模态、静态刚度值，并把试验值和ＣＡＥ分析值进行比较，验证了ＣＡＥ分析值的可靠性。 １白车身ＣＡＥ模型创建 该车轴距２５ｌＯｍｍ．前轮距ｌ４７２ｍｍ。后轮距１４６５ｍｍ。采用Ａｌｔａｉｒ／ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件创建白车身ＣＡＥ模型，钣金件用壳单元模拟，共有４４４０３１个，其中三三角形壳单元１４１２４个．占３．２％，单元尺寸５～１５ｍｍ，粘胶和焊点采用实体单元模拟，共５１９５个。烧焊和螺栓采用刚性单元模拟。单元质缱符合企业给定标准。为减少ＣＡＥ建模的工作耸．采用同一个白车身ＣＡＥ模型进行以上所有工况分析。材料属性南企业提供的参数设置，见表１。白车身ＣＡＥ模型如图ｌ所示。 表１材料参数 图１白车身ＣＡＥ模型 ２白车身模态试验和ＣＡＥ分析 模态分析技术源于２０世纪３０年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术，是用于对机械系统、土建结构、桥梁等工程结构系统进行分析的现代化方法和手段川。模态试验是通过试验设备，采集激励点信号和测肇点的响应信号，经过软件分析处理后获得结构固有频率和相应振型。它可以验证和校核有限元模型的合理性，为后续进行静刚度或其它ＣＡＥ分析提供一个合理的有限元模型。ＣＡＥ分析是由计算机根据有限元方法，求解有限元模型的固有频率和相应振型。模态试验和ＣＡＥ分析方法具有相同的效果，二者相互辅助。２．１模态试验 车辆坐标系的定义：以车辆前进方向为ｘ轴负向，前进方向左侧为ｙ轴负向，竖直向上为ｚ轴正向。 为了使试验值和ＣＡＥ分析值能够进行对比，试验时白车身上布置的测量点和ＣＡＥ模型中的观察点应具有相同的位置。 测量点布置在车身主要承载件上，发动机舱部分均匀布置在左、右前纵梁，前横梁，前嗣上挡板上，乘员舱部分均匀分布在顶蓬前横梁，顶蓬左、右横梁，左、右前立柱。左、右中立柱．左、右后立柱，后门框，左、中、右地板纵梁，前、后地板横梁，顶蓬加强梁上。ｘ、ｙ、ｚ三个方向信号提取点数目各为１３０个。 试验时用四根柔软的橡皮绳将白车身悬挂在刚性的支架上。悬挂点位于前、后悬架与车身的连接点上。车身保持水平。这样．整个车身的约束状态接近于自由状态。本次试验布置两个激励点，分别位于臼车身前部的右纵梁和尾部的左纵梁上，激励信号为猝发随机信号。试验测餐分析系统如图２所示。 ２０１０年第１２期（总第４８期） １２１
万方数据
１８８振动与冲击２００９年第２８卷 励位置集中而使得对远端激励能量衰减过大，降低信号的信噪比。 频响函数（ＦＲＦ）相应关系为： 咏ｃｃ，）。荟【惫＋０≮】（１） ＾。（埘）——激励点＿『与响应点ｉ之间的频响函数 ７诜——Ｋ阶模态的留数 Ａ。——Ｋ阶模态的极点 幸——共轭值 其中极点值，Ａ＾＝瓯＋如拙，或』ＬＩ＝彘ｃＬ，如＋洳也ｑ１—０ ∞礁——Ｋ阶模态的有阻尼固有频率 ∞础——Ｋ阶模态的无阻尼固有频率 瓯——Ｋ阶模态的阻尼因子 彘——Ｋ阶模态的阻尼比 其中，Ｋ阶模态留数７赫＝ｃ１，ｋＶ谴％ ‰——Ｋ阶模态的响应自由度ｉ的模态形状系数 ％——Ｋ阶模态的激励自由度＿『的模态形状系数 口。——换算系数 比例阻尼时，ｏ。＝万二一，当质量归一化后，即ｍ‘ ｚＪｔＯ出，ｍｋ ＝ｌ，且激励点与响应点相同时， 则， ｆ７２， ｙ醯ｆ２惹‘２）Ｖｉｒｔｕａｌ．Ｌａｂ的预试验功能根据以上公式（２）计算各个选定自由度留数值，依据留数值评价各个激励自由度的优劣。Ｐｒｅ．ｔｅｓｔ提供四种排序方式：最大值排序、最小值排序、平均值排序和加权平均值排序，其中最大值指各阶模态中最大留数值，最小值指各阶模态中最小留数值，加权平均值为平均值与最小值的乘积，考虑到将留数最大阶模态明显激励出来情况下，仍能将留数最小阶模态较明显的激励出来。Ｐｒｅ．ｔｅｓｔ功能提供的激励点自由度选择，工程师再根据激励点选取原则进行筛选。 ２试验模态分析技术 ２．１车身模态预试验 图２为对实际车身，根据Ｐｒｅ－ｔｅｓｔ处理后确定的响应点网格及ＭＡＣ矩阵，可以看到，共选取１４５个响应点，图中用黄色原点标记出来，ＭＡＣ矩阵对角线为１，非对角线元素为Ｏ，满足要求。 图３为激励点排序图，按照加权平均的方式列出前５个最大自由度，根据上文提到的激励点自由度选择原则，最终确定２个激励自由度：右前梁与散热器下支架的交点（图４“ｑｉａｎｇｌ：７”点）；左侧Ｂ柱中间位置（图４中“ｚｈｕ：２”点）。 采用Ｐｒｅ—ｔｅｓｔ提供的与Ｔｅｓｔ．Ｌａｂ接口功能，导入到Ｔｅｓｔ．１ａｂ中，根据不同的部件整理划分，并连线画面后如图４所示。 图２响应点网格及其ＭＡＣ值矩阵 图３激励点排序 图４Ｔｅｓｔ．Ｌａｂ测点网格 ２．２车身模态试验 固定方式：被测结构件的固定方式一般有两种：１、模拟实际状况进行约束；２、自由悬挂方式，即采用软绳将被测件悬挂起来，使其处于自由状态进行试验。由于自由悬挂方式拥有最多的自由模态，车身模态试验采用自由悬挂方式。 激励信号选择：激励信号可采用随机信号、猝发随机信号、正弦信号及脉冲正弦等。脉冲随机信号是一个暂态随机信号，起始时是纯随机信号的一个子样，响应在观察时间窗终了前衰减为零，窗函数选择矩形窗，避免非矩形窗产生泄露误差。本文试验中激励信号采用脉冲随机信号，激励频率带宽为１Ｈｚ一２５６Ｈｚ。 模态参数设置：频率分辨率选为０．１２５Ｈｚ，激励周期选为８８，每组测量９个测点，分组测试，每次测量激励次数为１００次。 测试仪器介绍： （１）数采仪器型号：比利时ＬＭＳ公司３１０数据采集系统（２０通道数据采集系统，Ａ／Ｄ２４位） （２）传感器型号： 万方数据
北京科技大学 机械工程进展（论文） 题目：汽车车架的动力分析计算 （模态分析） 院别：机械工程学院 专业班级：机研106班 学生姓名： 学号： 导师： 评分： 2010年11月26日
轻型载货汽车车架模态分析 摘要：车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。所以对车架的结构十分重要。本文主要采用有限元方法对车架的进行模态分析，研究了车架结构与其固有频率及其振型的关系, 给出车架在一定约束下的固有频率及固有振型，为解决车架结构的动力学问题和结构的改进提供了一定的依据。 关键词：有限元方法；车架；固有频率；模态分析 1 引言 车架是一个弹性系统，在外界的时变激励作用下将产生振动。当外界激振频率与系统固有频率接近时，将产生共振。共振不仅使乘员感到很不舒适，还会带来噪声和部件的疲劳损坏，威胁到车架的使用寿命和车辆安全。 车架是一个多自由度的弹性系统。因此，它也有无限多的固有振型，而作用在车架上的激励来自于悬架系统、路面、发动机、传动系等的振动，这些振动对车架的激励可以认为是全频率的，但是，路面和悬架系统对车架结构激励的特点一样，每种激励在所有频率范围内并不是等能量分布的，所以，试图在所有频率上消除作用在车架上的激励，与车架结构的某些振型的共振是不可能。因此，只有将注意力集中在各激励的能量集中的频率上，使之与所关心的车架的某阶振型不发生共振。因而对车架进行模态分析以掌握车架对激振力的响应，从而对车架设计方案的动态特性进行评价，己经成为车架设计过程中必要的工作[1]。 2 模态分析理论基础 在有限元分析程序中，振动方程表示为： 1-1 该方程可作为特征值问题，对无阻尼情况，方程可简化为： 1-2 其中。ω2(固有频率的平方)表示特征值;{μ}表示特征向量，在振动的物理过程 中表示振型，指示各个位置在不同方向振动幅值之间的比例关系，它不随时间变化。对有阻尼情况，振动方程可转化为:
振 动 与 冲 击 第20卷第2期 JOURNA L OF VI BRATION AND SHOCK V ol.20N o.22001 工程应用 车辆系统振动的理论模态分析 Ξ 陶泽光 李润方 林腾蛟 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆 400044) 摘 要 将车体和转向架看成弹性体,采用有限元方法,建立用空间梁单元描述的具有50个自由度的车辆系统力 学模型,并以客车为例研究其垂向振动的固有特性,所得结果既反映系统动力学性能,又为动态响应计算和分析打下基础。 关键词:车辆动力学,模态分析,有限元法中图分类号:TH132.41 0 引 言 高速铁路运输以快速、节能、经济、安全和污染小 等优势,在与高速公路和航空等运输形式的竞争中迅速发展起来。列车运行速度的提高给机车车辆提出了许多新要求,带来了新的课题,如大的牵引动力、大的制动功率、剧烈的横向动力作用和更加明显的垂向越轨动力作用、复杂的高速气流、振动和噪声等。其中,振动和噪声是高速列车一个非常重要的问题,它既关系到高速列车运行的安全性,又关系到列车高速运行时的乘坐舒适度。 车辆系统是由车体、转向架构架、轮对,通过悬挂 元件联接起来的机械系统。通常,把车体及装载、转 向架构架及安装部件、轮对及装备视为刚体,作为刚体动力学系统,研究其动力特性[1,2],这方面的技术已比较成熟,有商品化的通用软件可供使用[3]。 本文将车体和转向架看成弹性体,采用有限元法,建立了用六自由度节点空间梁单元描述的车辆系统动力学模型,由于包括车辆的浮沉、点头垂向振动,车辆的横摆、侧滚和摇头横向振动的研究。在建立车辆系统离散化模型的基础上,计算车辆垂向振动的各阶固有频率和振型,为车辆系统的动态响应计算和分析打下基础 。 图1 车辆振动系统的有限元模型 1 车辆的动力学模型 将车辆振动系统简化为图1所示的分析模型,即 由车体、转向架和轮对通过弹簧与阻尼器连接起来的振动系统。其中,将车体和转向架看成空间弹性梁,每 Ξ西南交通大学牵引动力国家重点实验室开放课题基金资助项目 收稿日期:2000-10-10 修改稿收到日期:2000-11-20 第一作者 陶泽光 男,博士,副教授1963年12月生
X 收稿日期:2008-10-28 基金项目:重庆市重大科技攻关项目(CSTC,2007AA6009). 作者简介:廖林清(1966)),男,四川人,教授,硕士生导师,主要从事现代设计法的教学与应用研究. 轿车白车身模态试验与有限元 模态分析的对比 X 廖林清,徐科峰,雷 刚,屈 翔 (重庆工学院重庆汽车学院车辆模拟与试验工程技术研究中心,重庆 400050) 摘要:以某轿车白车身为研究对象,利用模态试验分析方法研究该白车身的振动,用随机信号对白车身进行激励,测得固有频率、阻尼、振型等模态参数.并与该白车身的有限元模态分析结果进行对比,用分析结果的差别评价该白车身动态特性. 关 键 词:白车身;模态试验分析;有限元模态分析;动态特性中图分类号:U463 文献标识码:A 文章编号:1671-0924(2009)01-0011-04 Comparison between Modal Analysis and Experimental Modal Analysis of Car .s Body -in -White LIAO Lin-qing,XU Ke-feng,LEI Gang,QU Xiang (Research Cen ter for Automobile Simulati on and E xperimen t Engineerin g Technology,Chongqing Institute of Automobile,Chongqing Insti tute of Technology,Chongqing 400050,China) Abstract:Taking car .s body-in-white as subject,this paper analyzes the vibration of the body-in-white based on the experimental modal analysis method.The modal parameters such as the mode frequen -cy,da mp and shape of the frame are identified by using random signal.The results of the finite element modal analysis are compared with that of test,then c om ments are offered on the dynamic characteristics of the car .s body-in-white. Key word s:body-in-white;experiment m odal analysis;finite element modal analysis;dynamic characteristic 现代汽车大都采用承载式车身,白车身的振动特性对整车的动态特性具有决定性的意义.汽车白车身结构模态参数反映白车身结构的固有振动特性,它不仅影响汽车的强度、刚度、可靠性和使用寿命,还影响乘坐舒适性.通过模态试验方法测出白车身频响函数,并从中分析出模态参数,同时利用有限元方法进行模态分析,通过对比研究,可以看到试验结果和分析结果的差异.根据分析结果,可以对该白车身的动态特性做出客观评价,也可以为白车身结构的分析计算、结构修改提供 第23卷 第1期Vol.23 No.1 重庆工学院学报(自然科学) Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science) 2009年1月Jan.2009
1、适用范围 任何车型的白车身。 2、分析的目标及意义 本分析旨在分析白车身的振动固有频率和振型，得到的数据可为车身结构设计和振动噪声分析提供参考。 3、前处理建模 白车身模型（只包括焊接总成，不包括门、玻璃、内饰等螺栓紧固件），焊点用RBE2(6个自由度)模拟，焊点布置应符合实际情况，边界条件为自由。网格划分参考网格划分标准。下图为某白车身有限元模型。 4、分析软件的使用 3D工程软件：UG（用于几何面修改和建立，并传送到分析软件） 有限元分析软件：HYPERMESH，PATRAN（用于前、后处理）；NASTRAN（用于求解结果） 5、分析结果后处理及评价标准 通过模态分析求得除刚体模态外的200Hz以下的模态振型。以目标车的实验和分析结果为目标，主要的几阶整体弯扭模态频率应高于或至少等于目标车相对应的模态频率。 结构的动态响应由外界激励频率和结构本身的固有频率和相应振型决定。在结构设计时，应考虑这些因素。第一，尽量提高结构的刚度，以提高前几阶固有频率；第二，结构固有频率应尽量错开载荷激振频率2Hz以上。
微型车的激励一般最主要为路面激励、车轮不平衡激励、发动机的怠速激励。路面激励一般由道路条件决定，目前高速公路和一般城市较好路面上，此激励力频率多在1-2Hz。车轮不平衡激振频率取决于汽车的行驶车速。发动机的怠速激振频率取决于怠速转速和汽缸数。 6、成果提交形式 以报告的形式提交。 7、分析注意事项 7.1 首次递交NASTRAN求解前，须先检查确认不能有重复单元、自由 节点及未赋属性的单元，且MPC连接关系正确。 7.2 首次计算完毕后，导入结果文件检查分析结果，看是否漏焊点， 若漏焊处较多，则在结果中可能出现前六阶模态有非零值（前六阶应该为刚体模态，频率值接近零）；如无漏焊，则除去前六阶刚体模态，看剩下的结果。 附图（某白车身模态分析除去刚体模态的前两阶振型）： 第7阶振型云图第8阶振型云图
铝合金地铁车体静强度和模态分析 以某城轨铝合金地铁为研究对象，根据铝合金地铁车体结构特点，简化该车体几何模型，建立相应的有限元模型。基于车体静强度计算标准，确定9种车体结构静强度的計算工况，在这些计算工况作用下，计算车体结构的静强度。计算在最大垂直载荷作用下车体结构刚度，以及车体结构模态与整备状态下车体结构模态。计算结果表明该铝合金地铁车体结构的刚度、静强度和模态均满足车体结构设计要求。 标签：铝合金车体；有限元；静强度；模态 0 引言 随着城市的快速发展，地铁作为各大城市的重要交通工具之一，研发水平在不断地提高，在车体新材料和新工艺方面的研究也越来越多。铝合金材料以密度小、密封性好和易于挤压成型等优点，越来越广泛地应用于铝合金地铁车体。为确保车辆在工作状态下安全可靠，车体结构必须要有足够的刚度和强度，满足相关的技术标准。目前车体结构的强度计算分析主要采用有限元法，为其结构改进和优化提供依据。 1 车体结构与有限元模型 本文以某城轨铝合金地铁中间车为研究对象，车体采用全长的大型中空铝合金挤压型材组焊成筒型整体承载结构，主体结构由底架、车顶、侧墙和端墙焊接而成。底架采用无中梁结构，主要有牵引梁、枕梁、边梁、横梁和地板组成。车顶由5块3种挤压模块用纵向焊缝拼焊、空调安装平台和受电弓安装平台等组成。侧墙由4种挤压模块用纵向焊缝拼焊和门立柱等组成。端墙由端角柱、门口立柱、墙板、侧顶弯梁和横梁拼焊而成。该铝合金地铁车体的长度、高度和最大宽度分别为22880mm、2725mm和3000mm。 在分析了铝合金车体的结构特点和材料的力学性能的基础上，采用HYPERWORKS有限元软件进行计算。采用SHELL单元离散车体结构，车体模型包括196万个单元和176万个节点。 2 计算工况和评定标准 依据《BS EN12663：2010 铁道应用-轨道车身的结构要求》，确定车体静强度计算工况。此次分析主要包括9个计算工况：（1）计算工况1：空载工况；（2）计算工况2：最大运转载荷工况；（3）计算工况3：空载压缩工况；（4）计算工况4：空载拉伸工况；（5）计算工况5：超员压缩工况；（6）计算工况6：超员拉伸工况；（7）计算工况7：两端抬车工况；（8）计算工况8：一端抬车工况；（9）计算工况9：三点支撑工况。同时计算车体结构模态和整备状态下车体结构模态。