模態(tài)試驗(yàn)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(lái)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(guò)實(shí)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(lái)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(jì)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(jì)和汽車NVH性能的故障診斷中。汽車上的各個(gè)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(huì)發(fā)生共振。通過(guò)模態(tài)分析技術(shù)就可以得到各個(gè)子系統(tǒng)的模態(tài),進(jìn)一步分析各個(gè)系統(tǒng)之間有沒(méi)有模態(tài)耦合。由于國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家還比較落后,部分新車型會(huì)存在振動(dòng)或者噪聲方面的問(wèn)題,我們一般可以對(duì)樣車進(jìn)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(yùn)行模態(tài)一樣,都是利用實(shí)際工況下的響應(yīng)信號(hào)計(jì)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(shí)際工況下的工作形式,為進(jìn)一步的故障診斷提供依據(jù)。本文通過(guò)一個(gè)乘用車的降噪實(shí)例,來(lái)具體說(shuō)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(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo),使方程組解耦,成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程,以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)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(shí)際工作狀態(tài)下的試件振動(dòng)的視覺(jué)體驗(yàn),簡(jiǎn)而言之就是在實(shí)際工作情況下試件怎么振動(dòng)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(dòng)。不同的轉(zhuǎn)速對(duì)ODS的結(jié)果可能會(huì)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(gè)工作變形僅僅描述了在某個(gè)特定頻率或時(shí)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(huì)。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(shí)才相應(yīng)改變。
4)工作變形可以回答“結(jié)構(gòu)是如何運(yùn)動(dòng)的?”這個(gè)問(wèn)題,而模態(tài)振型沒(méi)有單位所以無(wú)法回答上述問(wèn)題。
5)模態(tài)試驗(yàn)需要測(cè)試結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù),工作變形需要測(cè)試的是結(jié)構(gòu)在實(shí)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(guò)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(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(guò)模態(tài)分析加以判斷,從而獲得各階貢獻(xiàn)量,并加以判斷,改進(jìn)。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(shí)例應(yīng)用
4.1實(shí)例介紹
在開發(fā)一款新型客車時(shí),發(fā)現(xiàn)該樣車中后排乘員耳旁噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速段較大。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的噪聲測(cè)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(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率所決定,是板件的低頻振動(dòng),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(guò)主觀評(píng)價(jià)也可以驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。為了了解車身板件的結(jié)構(gòu)特性和實(shí)際工況下車身板件的振動(dòng)形式,先后進(jìn)行了該樣車的白車身模態(tài)試驗(yàn)和實(shí)車的工作變形分析。
4.2 試驗(yàn)介紹
4.2.1 白車身模態(tài)分析介紹
1)試驗(yàn)設(shè)置和試驗(yàn)設(shè)備
白車身自由懸掛,在車身的縱梁上選擇前后兩點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)。分析頻段選擇0~200Hz,頻率分辨率為0.2Hz,激勵(lì)信號(hào)選擇猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)。試驗(yàn)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。

圖1 白車身模態(tài)試驗(yàn)骨架及激振點(diǎn)位置

    2)試驗(yàn)結(jié)果
利用Test.Lab 7A中的poly MAX模塊進(jìn)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(cè)試結(jié)果

4.2.2 實(shí)車工作變形分析的介紹
1)試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)路面為平滑瀝青路面,試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果
利用Test.Lab 7A中的Operational Deflection Shapes & Time Animation模塊進(jìn)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(cè)試結(jié)果

4.3 結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)比白車身的模態(tài)和工作變形的試驗(yàn)結(jié)果(見圖2~5),可知:工作變形在1360rpm時(shí)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(shí)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(shuō)明這兩階模態(tài)對(duì)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(xiàn)的。
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,可以對(duì)該車車身后部進(jìn)行改進(jìn),對(duì)以上兩階影響較大的模態(tài)振型變形較大的位置進(jìn)行局部剛度的加強(qiáng),并適度的增加阻尼材料,用以降低振動(dòng)的幅值,減小輻射噪聲。當(dāng)然以上只是從振動(dòng)響應(yīng)者的角度進(jìn)行考慮,并改進(jìn)的,還可以通過(guò)減小激勵(lì)源的振動(dòng),或者增加傳遞路徑的衰減的方法去降低車內(nèi)噪聲。

圖2 頂篷3階局部模態(tài)

圖3 車身垂直彎曲模態(tài)

圖4 頂篷中后部2階局部變形

圖5 車身整體及頂篷中后部局部變形

5、結(jié)束語(yǔ)
將模態(tài)分析和工作變形分析結(jié)合起來(lái)可以有效地診斷車內(nèi)NVH問(wèn)題,具有一定的工程使用價(jià)值。借助LMS公司的TestLab軟件可以很方便的實(shí)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(cè)物在實(shí)際工作狀態(tài)下的情況,對(duì)研究人員進(jìn)行故障診斷分析有很好的指導(dǎo)作用。

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