汽车车身模态分析研究综述

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2度的多自由度离散系统，对于具有任意粘性阻尼的系统，矩阵是n×n维的方阵，其振动微分方程为：[]{}[]{}[]{}{()}MxCxKxft（1）式中：[]M—系统的质量矩阵；[]C—阻尼矩阵；[]K—刚度矩阵；{}x{}x及{}x—列向量；{}x是加速度向量；{}x是速度向量；{}x是位移向量；{()}ft—外力向量。对于无阻尼自由振动系统，其振动微分方程为：[]{}[]{}{0}MxKx（2）设无阻尼自由振动的解为：{}{}sin()xt（3）将此解代入，得2([][]){}{0}KM（4）其特征方程为：2[][]0KM（5）式（5）是一个关于2的n阶多项式，可以解出方程的n个根21、22、…、2n，这n个根的算术平方根即为系统的无阻尼固有频率。将固有频率i代入式（4），可求得一组振幅向量{}的相对值，用向量{}i表示，由此即可解出系统的第i阶主振型，也称为模态振型。当结构振动时，它在任何时候的运动是正交模态的线形组合。通常采用质量归一化的方法，获取正则模态[1]。1.2车身模态分析基本理论汽车由多个系统组成，为了防止系统间产生共振现象，在汽车开发过程中往往需要对汽车各系统进行模态频率范围规划，模态频率规划表是整车及零部件结构动态特性设计的最重要指南。车身的模态分析主要是计算其固有频率和振型，可在白车身无阻尼自由振动状态下进行计算。评价车身模态应遵循两点原则：1)车身的低阶固有频率即一阶扭转或一阶弯曲频率的值应高于与之相连结构的固有频率即悬架下结构的固有频率和车架的固有频率，以避免发生整车的共振现象；2)结构振型应尽量光滑，避免有突变[2]。对汽车车身模态分析结果的评价目前尚无统一的指标，大致可分为两类分析评价和类比评价。分析评价法认为，结构的动态响应由外界激励频率和该频率下激励分量大小以及结构本身的固有频率和振型决定。类比评价法以经过实践检验的性能较好的同类车型的模态特性为参考进行评价。3一般，车身整体模态设计基本遵循几个指标：1)车身整体模态频率高于路面不平度引起的激振频率至少3倍以上；2)在低频段1~80Hz范围内，车身模态要分布合理，并且模态密度分布均匀；3)车身的模态要与前后悬架系统模态，动力总成刚体模态分离开，分离频率至少大于5Hz；4)车身模态频率要与发动机怠速和常用工况激振频率分离；5)车身弯曲模态要与车身声腔模态分离。当然，对于车身而言这些指标是不够的。需要控制的环节还涉及车身结构板，开闭件等安装状态下的共振频率[3]。2国内车身模态分析研究现状最近几年，由于国家大力发展汽车产业，人们对于汽车舒适性的要求越来越高，于是汽车厂商逐渐重视汽车车身试验模态分析，并将其作为新车开发过程中的必须环节。近几年来，我国的一些高校及科研机构在车身模态分析领域做了很多研究，取得了很大进展，但是同国外的技术还相差甚远。主要集中在有限元模态分析、试验模态分析及其方法上的研究。2.1有限元模态分析研究现状与试验模态分析方法不同，有限元等数值模拟技术可以在汽车设计初期预测车身结构的模态参数、尽可能避免相关设计缺陷、及时修改及优化设计方案，从而大大缩短产品开发周期。有限元模态分析常与灵敏度分析相结合，完成车身优化设计。模型的好坏直接影响到计算精度，有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响，合理的模型既能保证计算精度，又不致使计算量过大和对计算机存贮容量的要求过高。对于车身有限元模型，应具有足够的准确性，要能反映工程结构的主要力学特性、结构的实际状况，既要考虑形状与构成的一致性，又要考虑支撑情况和边界约束条件的一致性。但计算模型不应过于复杂，否则将会花费更多的时间、人力、物力进行数据处理，使计算费用大大增加[4]。吉林大学的高云凯、蓝晓理、陈鑫等人通过建立国产某中级轿车车身焊接总成的模态分析有限元模型，并利用该模型对该车车身主要低级弹性模态进行结构修改灵敏度分析。提出了车身基本抗扭承载区及空间基本抗弯盒的概念，后座椅下横梁、中地板、门槛与前轮置后板构成了车身基本抗扭承载区；以乘客舱结构件为主要的顶盖、前地板、中地板、门槛、转向柱横梁、后座椅下横梁、前轮罩后板、前悬挂固定座A、B、C立柱及后风窗立柱构成了车身空间基本抗弯盒，并发现它们是车身低阶模态频率修改的最关键结构件[5]。同济大学的沈浩、陈昌明、雷雨成等人以某客车为例，分别比较研究了梁单元和板壳单元等不同单元模拟方式、约束和自由等不同边界条件、以发动机为代表的总成考虑与否等对车身模态计算结果的影响。得出结论：在模态有限元分析过程中，若能够用梁单元模拟结构，则可以不用板壳单元模拟；使用类比评价方法，可以只以白车身为分析对象，对客车而言，若使用分析评价方法，应充分考虑各部件对结构的影响；各部件刚度及与车身连接刚度对整车结构的模态特性影响较大，其刚度参数确定及影响分析需深入研究。为模态分析应用于车身设计提供依据[6]。4合肥工业大学的石琴等人采用结构件厚度优化的方法对车身结构的模态进行控制。通过建立某轿车白车身有限元模型，并考虑了白车身覆盖件板厚对一阶弯曲和扭转模态频率的影响及灵敏度分析，基于灵敏度分析结果抽取对模态频率影响较大的部件进行优化分析，以提高白车身一阶扭转频率为目标进行优化，以增强白车身强度[7]。合肥工业大学的杨年炯等人以有限元模态分析和试验模态分析的相关理论为基础，对某轿车白车身的模态进行了研究。通过HyperMesh建立了白车身有限元模型，并用梁单元模拟焊点。并在Nastran软件中用Lanczos方法对白车身进行了模态分析，得到白车身的固有频率及各阶振型。然后，采用随机信号对白车身进行两点激励，用多点拾振方法采集响应信号，将信号处理后，得到白车身的固有频率及对应的振型。通过对比有限元模态分析结果和试验结果，验证了所建有限元模型的有效性[8]。清华大学的周长路、范子杰等人采用有限元法对某微型客车白车身结构进行模态分析。通过建立白车身结构的有限元模型，计算在自由状态下该白车身结构的振动模态，并提出了鉴别整体模态与局部模态的方法。计算结果与试验结果进行了对比分析，结果表明所建立的有限元模型基本反映了原结构的振动特性[9]。东北大学的杨英等人以某轿车白车身为研究对象，基于有限元和静动态理论，在HyperMesh软件中，对白车身焊点进行合理描述，建立了白车身有限元模型。用MSC.Nastran软件对白车身进行了模态模拟分析，得到白车身的固有频率及对应的各阶振型之间的关系。在试验中，采用固定式激振器对白车身进行单点激振，用多点拾振方法采集响应信号，通过对响应信号的分析处理，得到白车身的固有频率及对应的振型关系。将试验结果与理论分析结果进行对比，验证了白车身有限元模型的有效性。基于有限元模型，提出利用各阶模态的应变能分布。确定车身结构弹性变形最大位置的方法，可以有针对性地加强车身的局部刚度。研究表明，利用有限元模型对白车身进行模态分析，对于提高车身的局部刚度和动态特性、优化车身结构、缩短产品开发周期、节省开发费用具有重要意义[10]。华南理工大学的林辉、陈吉清等人基于有限元分析方法，对车身结构的弯曲刚度、扭转刚度和低阶模态进行研究。建立某轿车的有限元模型，根据其刚度、模态分析结果和该车身的受力特点，通过调整关键结构件的厚度参数以及修改主要接头的连接关系和截面形状，成功地使车身刚度和模态性能达到设计要求[11]。湖南大学的崔向阳、李光耀等人针对现有的三角形壳元难以用于汽车车身模态分析的问题，提出一种基于边光滑的三角形壳元用于汽车车身部件的模态分析。壳单元公式基于一阶剪切变形理论，并采用离散剪切间隙有效地消除剪切自锁。问题模型首先离散成可自动生成的非结构三角形网格，并在三角形网格的基础上进一步形成基于边的积分区域。提出一种基于边的局部坐标系统，并在局部坐标系内通过梯度光滑技术获得积分域内的光滑应变，从而调节系统刚度，有效地改善结果的精度。基于光滑迦辽金格式构造离散系统方程，并建立基于边光滑三角形壳元的刚度矩阵和质量矩阵列式，对复杂的汽车车身部件进行模态分析。通过与现有软件和参考结果的对比，验证所提算法的有效性和高精度[12]。2.2试验模态分析研究现状试验模态分析是通过试验，采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模5态参数。具体做法是：首先在静止状态下人为激振系统，通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的传递函数，建立传递函数矩阵。然后用模态分析理论通过对传递函数的曲线进行拟合，有效并快速地识别出系统的模态参数。模态分析的结果既可以作为有限元分析结果的补充，必要的时候甚至可以代替有限元法直接进行后续分析。李克强介绍了两点激振传递函数法在汽车模态分析中的应用，并指出此方法比单点激振优越[13]。邵宗安介绍了正弦激振在汽车车身结构振动模态分析中的应用，采用正弦输入时模态分析精度高，具有较高的实用价值[14]。清华大学的李惠彬和北京东方振动噪声研究所的应怀樵某改装汽车模态分析为例，介绍了变时基技术在冲击激励法模态分析中的应用。基于变时基技术的冲击激励实验模态分析对某改装汽车进行的分析，结果表明，变时基技术适当提高了冲击激励模态传递函数的频率分辨率，因而模态分析精度得到了提高；基于变时基技术为基础的冲击激励模态分析方法设备简单、成本低、测试快是进行汽车车身动态分析的有效手段，能对汽车的动态设计水平进行准确的评价[15]。合肥工业大学的陈朝阳、石琴等人将多输入多输出(MIMO)时域模态分析理论及变时基技术应用于汽车车身模态分析中，开发了MAS软件系统。以改装车身为例，用MAS软件系统分析和计算了该车身的