1、 分類號:?滾害犬海碩士學位論文中型客車車身模態試驗與結構分析陳偉文導師姓名職稱蔡宗琰教授申請學位級別論文提交日期學位授予單位辯論委員會主席學位論文評閱人摘 要隨著城市交通運輸和旅游事業的蓬勃開展,汽車的保有量迅速增加,同時隨著人們生活水平的提高,對乘坐的舒適性要求也越來越高,對車輛振動、噪聲問題的限制也越來越苛刻。汽車振動、噪聲控制關系到環境保護、汽車行駛平順性和車輛的耐久性。日益劇烈的市場競爭迫使汽車廠家努力縮短新車型設計與生產之間的周期。試驗模態分析是在振動理論指導下,依靠先進的動態測試技術對實物進行測量,利用實測到的傳遞函數進行模態參數識別,從而得到實物的固有特性。本文以中型客車為研究

2、對象,以試驗模態分析理論為根底,運用軟件及振動測試系統進行激振試驗,采集頻率響應函數數據,建立了該客車的動力學分析模型,并對該客車的車身骨架結構進行分析,對存在的薄弱結構,提出合理的設計和改正措施,為客車的動態結構設計提供科學的理論依據,為提高產品質量,優化結構,改善性能,保證平安性和可靠性指出一條正確的解決途徑。本文的試驗工作量大。試驗在符合圖紙要求的中型客車車身上進行,利用底盤的懸架作為原裝支撐,試驗取個測點,設計了條連線,構成了車身分析模型,采用脈沖鼓勵,固定鼓勵點,移動響應點的方法,獲取頻響函數矩陣。在識別中以集總平均頻響函數為依據,估計模態頻率,采用單自由擬合,完成車身結構的參數識別

3、,試驗方法合理,試驗結果正確。同時將試驗結果與汽車在行駛過程中的外界鼓勵、結構設計特點和乘坐的舒適性相結合,分析車身結構的合理性,通過對薄弱環節的分析,提出車身結構動態設計和修改的措施,切合實際,實用性強,工藝性好。優化車身結構,有利于提高質量和性能。關鍵詞:客車、模態分析、動態設計、結構優化,.,., , . .,.,., . , ,. , ,. ., .,.:; .¨論文獨創性聲明本人聲明:本人所呈交的學位論文是在導師的指導下,獨立進行研究二作所取得的成果。除論文中已經注明引用的內容外,對論文的研究做出重要奉獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本論文中不包含任何未加明確注明

4、的其他個人或集體已經公開發表的成果。本聲明的法律責任由本人承當。論文作者簽名:月加易年餓中論文知識產權權屬聲明本人在導師指導下所完成的論文及相關的職務作品,知識產權歸屬學校。學校享有以任何方式發表、復制、公開閱覽、借閱以及申請專利等權利。本人離校后發表或使用學位論文或與該論文直接相關的學術論文或成果時,署名單位仍然為長安大學。論文作者簽名:年吣餅,中均導師簽名 日、以妒細儼%矽長安人學碩:學位論文第一章緒論振動是現代汽車和設備面臨的一個重要問題。隨著汽車速度的不斷提高和人們對生活質量的提升,人們對降低汽車的振動要求越來越高。解決汽車的振動問題,首先要從產生、影響振動的眾多因素中尋找答案,國內外

5、許多學者在這個方面做了許多工作。目前產生并影響汽車振動的有發動機及其與車架的連接形式、傳動系統、道路外表因素、汽車啟動或制動、轉彎、風與汽車外型、汽車整體布置方案及其參數等。了解掌握汽車動態特性及與其結構參數等的關系,是汽車動態優化設計的前提。一般以振動理論為根底、以模態參數為目標的分析方法,就稱為模態分析。.模態分析及其在各行業中的應用模態是機械結構的固有振動特性。每一階結構的模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振形等模態參數,而這些模態參數可以由計算或試驗分析取得。以線性疊加原理為根底,將一個復雜的振動系統分解為許多模態的疊加,從而得到所需要的振動數據,這樣一個分解過程稱為模態分析過程。模

6、態分析的理論是在機械阻抗與導納的根底上開展起來的,它借助自動控制理論中的傳遞函數頻率響應函數概念,用傳遞函數反映某一系統的輸入輸出關系,從而計算出該系統的固有特性。對一個復雜系統,利用線性系統的疊加原理,分別研究各階固有頻率附近的振動特性。模態分析是一種參量識別的方法【,模態分析的核心內容是確定用以描述結構系統動態特性的固有頻率、阻尼比及振型等模態參數,它包括理論模態分析和試驗模態分析。理論模態分析從機械、結構的幾何特性與材料特性等原始參數出發,采用有限單元法形成系統的離散數學模型?貢量矩陣和剛度矩陣,然后通過求解特征值問題,確定系統的模態參數,它屬于結構動力學的問題。由模態迭加法,可以分析機

7、械、結構在已知外載荷作用下的動態響應或動態穩定性問題。理論模態分析特點是:理論性強,模態參數可以完整地描述系統的動力學特性。試驗模念分析【那么是依靠動態測試技術對某個系統實物進行測量,得到該系統實物各測點對某一測點對實物進行網格劃分,每一個線交叉點就是一個測點的傳遞函數。然后采用模態參數辨識方法對實測到的每一個傳遞函數進行模念參數固有頻率;模念振型:模態阻尼;模念剛度和模態質量辨識,從而得到被測系統實物第章緒 論的固有特性。它屬于結構動力學的逆問題。由于試驗模態分析的結果來源于對實物的測試,因而得到的模態參數符合實物的實際情況,其精度取決于測試系統精度與分析系統的精度。近二十年來試驗模態分析被

8、廣泛地應用于機械行業和其他相關行業,也常被用作檢驗結構的理論模型正確與否。模態分析通常是指試驗模態分析【。振動模態是彈性結構的固有、整體的特性。如果通過模態分析方法清楚了結構物在某一感興趣的頻率范圍內各階主要模態的特性,就可以預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此,模態分析是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法之一剮。試驗模態分析技術是隨著快速傅立葉變換算法和基于的動態測試分析儀的出現而誕生的,并逐漸成為機械與結構振動分析和動態設計的重要手段,在機械、航空、航天、汽車、動力、土木等工程領域獲得廣泛應用。試驗模態分析技術的開展大致可分成三個階段。初期階段世紀年代中期到年代

9、中期有兩項引人注目的“創造創造:一是振型動畫顯示,使抽象的結構動力學特性易于為工程人員所理解;二是帶力傳感器的激振力錘,使模態試驗簡單易行,并從實驗室走向現場。第二階段世紀年代中期到年代中期,模態分析有了長足的進步,提出了各種行之有效的頻率響應函數強測量與估計以及模態參數識別方法,由單輸入/單輸出技術開展到單輸入/多輸出技術以及多輸入/多輸出技術。第三階段近十多年來,模態分析又取得了一系列新進展【丌。表現在:三大模態試驗技術。第一是多點隨機技術,它利用寬帶隨機信號對結構鼓勵,不僅可以經快速測量,而且隨機鼓勵還具有對弱非線性環節線性化的獨特優點,因而很適宜于結構振動特性試驗。同時多點鼓勵使輸入能

10、量均勻,數據一致性好,并有別離密集模態的能力,這一點在大型復雜結構模態試驗中尤為重要。第二是步進正弦技術,經典的多點正弦激振原理和空間域模態識別來實現相位別離。第三是多參考點錘擊技術,錘擊法模態試驗技術具有設備簡單、方便易行、適于現場測試等優點,而多參考點錘擊技術不僅具有上述錘擊法的優點,還和技術一樣,能夠區分密集和重頻模態。模態分析與試驗的新理論。模念分析的根本理論是線性系統分析,適用于結構阻尼或粘性阻尼。近十年來這方面進展表達在:一是對所謂虧損系統的研究和討論,二是集中在阻尼的描述和建模,此外非線性模念分析仍是正在進行探討的熱門課題。與模態分析理論相比,在模念試驗理論方面取得更多的進展。一

11、是傳感器與激振器的優化配長安人學碩:學位論文置,在傳統振動試驗中,無論傳感器和還是激振器,都是憑經驗配置,近來又提出了各種自動優化配置方法,取得了良好的效果,使模態試驗又有新的進展。二是虛擬試驗技術,為了增加試驗數據,擴大試驗結果信息量,提出了一種新穎的邊界條件攝動試驗方法,即在不同邊界條件狀態下進行屢次模態試驗。在這一新思想的啟發下,開展了所謂的虛擬試驗理論,即由虛擬的結構修改包括虛擬新附加質量、虛擬接地、虛擬邊界條件等,得到更多的觀測結果,用于識別結構參數或輸入載荷;或者控制結構輸入,使結構響應對某些特定的參數更為敏感。通常將一個模態作為一個單自由度系統的振動的固有頻率、阻尼比以及整個結構

12、在此模態下作純模態的振動的振型三個參數稱為模態參數。對于大多數彈性理論上具有無窮多個模態,工程上只對其中假設干低階對應模態頻率較低的模態感興趣。模態分析與試驗技術的拓展。模態分析與試驗在機械、汽車、飛機、衛星、橋梁、建筑等各種結構中獲得成功應用,不僅在振動故障診斷、動態設計中大顯示身手,而且在基于振動的機械、結構技術狀態檢測與故障診斷中前景看好。但是經典的模態分析與試驗主要針對靜止結構,而且大多在實驗室狀態下進行,近十年來,模態分析與試驗技術被拓展到處于現場運行狀態的機械結構、旋轉機械以及聲學領域,并取得實質性進展一江蘇理工大學的蔣國平【、王國林等采用試驗模態分析和有限元等研究方法對動力傳動系

13、彎曲振動特性進行研究,建立了較為理想的彎曲振動分析模型,重慶大學賓洋【對行駛車輛間動力學系統的控制問題,研究了該系統的結構、特征及現代控制技術,為實現車輛間縱向距離自適應控制提供理論及技術支撐,西南交通大學胡建榮【利用振動理論和模態分析理論,運用大型通用有限元軟件對預置裂紋薄板結構進行模態分析計算,得出了裂紋大小和位置與振型、頻率之間的對應關系,應用.試驗模態分析系統進行了驗證。世紀年代初,模態分析技術也開始在我國航空、航天領域得到應用,應該說我國第一顆人造衛星的發射也曾得益于這一技術的應用。然而,我國其他領域對模態分析技術的接觸要算是年代后期的事了。雖然科技界對這一技術的掌握及開展速度不算慢

14、,但在工程技術上的普遍應用和推廣還有待于各方面條件的成熟,如產品技術開展競爭的需要及模態分析技術手段的完善、實用和費用進一步廉價化。.模態分析在車輛工程中的應用模態分析方法在車輛工程中已得到較廣泛的應用:湖北汽車工業學院張勝蘭、嚴飛論第一章緒等使用對中巴車架進行了模態分析,為車架改良提供了重要模態參數;郭曉東等在/環境下建立汽車變速箱的實體模型,用對箱體進行分析獲得功力參數;江蘇大學的朱靜、左言言等用有限元模態分析根本理論對輕型客車的有限元建模及相應的模態分析設計,驗證了模型的正確性,為輕型客車車身的設計提供理論根底;上海交通大學陳德玲等用對客車三段式車架進行了模態分析,對車架上幾個關鍵點的響

15、應特征進行研究,驗證了車架設計的可靠性;谷葉水應用建立用于子午線輪胎動態特性分析的非線性有限元模型,并進行模態分析得到固有頻率及相應振型;清華大學周長路等對微型客車白車身進行模態分析,提出了簽別整體模態與局部模態的方法。國內試驗模態分析技術在汽車車輛工程方面的已得到廣泛使用:西安理工大學呂江濤【】利用大型有限元分析軟件 對車架疲勞裂紋產生的原因進行了深入的研究,并提出了改良方案;大連理工大學郝魯波【】進行了車體振動模態的數值模擬和振動臺試驗為符合我國國情的高速車體模態評定標準“客車模態試驗方法及評定標準的研究,課題作出了努力;吉林大學郭玉前【】以礦用自卸車為例,依設計模型,建立了正確的有限元模

16、型,進行了的最小側向承載能力分析、最小能量吸收能力分析、垂直承載能力分析、縱向承載能力分析,對礦用自卸車的的各項性能進行了科學的評判; 南京理工大學章駿【通過試驗模態建模分析,獲得了動力傳動總成的動態特性參數,并對其進行受迫響應分析;大連理工大學張瑞先以輕卡整車為研究對象,通過建立車身、車架等的整車有限元模型,應用有限元分析軟件進行白車身、車架的模態計算,掌握結構的動力及振動特性,為結構改良提供理論根底;山東大學趙峰【】利用分析軟件建立汽車車架力學模型,對該車車架進行了靜力學分析和動力學分析計算,以降低車架的振動為目標,對車架進行分析、優化;合肥工業大學谷葉水【】通過分析車身結構的力學特性,建

17、立了客車車身結構有限元計算模型,并總結歸納了車身結構模型化的方法。在西方興旺國家,試驗模態分析技術早已進入工廠化應用階段,如在美國一些大汽車公司的試驗中心己設有專門車間對汽車零部件進行模態分析試驗,為產品結構設計與研究提供特性數據。汽車的行駛工況較復雜,整車不只是強度和剛度的缺乏而產生破壞,而更多的卻是疲勞破壞,汽車多個部件的固有頻率和振型是產生破壞的根本原因。對于結構和載荷復長安人學碩上學位論文雜的客車,難以采用經典方法,只能尋求問題的近似解或采取其它迂回的方法。其中,有限元法是將結構的物理模型抽象為有限元計算的數學模型,通過計算機和相應的分析軟件,求得問題的近似解,但是,有限元法不能進行精

18、確的動態分析,而且在動態特性分析中,機械的阻尼特性是很重要的,其難以從圖形上求得。相比之下,試驗模態分析是最有效的方法【】。節約資源、減少環境污染是保持世界經濟可持續開展的亟待解決的兩大課題。而人們對汽車平安性、舒適性、環保性能的要求不斷提高,各種車載設備越來越多,增加了汽車的質量、耗油量和耗材量【。要使汽車省油并減少排放,首選是讓汽車“瘦身。資料顯示,客車車身質量占總質量的%,車身制造本錢占整車制造本錢的比重超過二分之一。因此車身輕量化研究顯得十分重要,所以我國在九五期間將車身開發技術列為重點攻克的課題之一。從結構力學來看,客車車身是由空間骨架、抗彎薄板、殼體和應力蒙皮等構件組成的空間高次超

19、靜定結構。各桿件結構形狀各異,桿件之間的連接也各種各樣。國內道路通常為級或級路面,行駛條件差,車身骨架的受力情況比擬復雜,在上下崎嶇的道路上行駛時,車身骨架會反復受到扭轉,產生反復約束扭轉應力,成為車架強度問題的主要因素。所以結構分析難度大,許多廠家設計初期,沒有實驗數據,主要是靠經驗和類比設計,缺乏力學特性分析的科學依據,設計偏于保守,承載構件未能充分利用,汽車自重過大。客車開展初期,車身采用非承載式結構,由專業化車身廠將車身裝在貨車底盤車架上。雖有利于在同一汽車底盤上安裝不同的車身,但未充分利用車身骨架的承載作用,故整備質量較大。為了輕量化設計并兼顧車身與貨車底盤匹配,將車架橫梁加寬并與車

20、身側圍骨架剛性連接,使車架車身合成一個整體,車身骨架也承當局部載荷,這就是半承載式車身。半承載式車身仍保存有質量較大的車架,為了進一步減輕自身質量以及使車身結構合理化,可改用質量較小,而剛度較大的承載底架。這種底架具有貫穿式縱梁和一些與車身等寬的橫梁。車身骨架形成一個剛性空間承載系統。從而使車身構件都參與承載,使各構件承載時相互牽連、協調,充分發揮材料的最大潛力,使車身質量較小而剛度、強度較大。車身是汽車的三大總成之一,客車車身更是客車的關鍵總成,是其承載主體。汽車行駛時,作用在汽車各部件上的載荷都是動載荷,假設動載荷的頻度與某些頻度接近時,結構將產生強烈振動,引起很大動載荷,造成結構的早期破

21、壞和變形,當低頻段存在系與第一章緒 論統的固有頻率產生振動量值增大,將直接影響乘坐品質。隨著社會的開展,人們對車身結構的性能要求越來越高。如何判斷車身結構的合理性及靜、動態特性的優劣,顯得十分重要,車身結構必須有足夠的強度以保證其疲勞壽命;足夠的靜剛度以保證其裝配和使用的要求;同時應有合理的動態特性以到達控制振動與噪聲的目的。車身結構的剛度是指車身結構反映出的載荷與變形之間關系的特性。剛度缺乏,會引起車門、車窗等開口處的變形加大,另外還可能造成車身發生結構共振。共振不僅使乘客感到不舒適,而且會帶來噪聲和零部件的疲勞損壞。所有這些問題最終將會直接或間接地影響汽車的強度、耐久性及平安性能【。汽車使

22、用中,防止共振、降低噪聲、確保平安可靠,需要掌握結構振動的固有頻率及其相應的振型。車身結構的模態頻率分析可以預測車身與其他部件如懸架系統、發動機、傳動系及路面之間發生動態干擾的可能性,通過合理的結構設計可以避開共振頻率。因此,車身剛度和模態是車身結構中首先要考慮的兩個重要指標。但由于車身結構十分復雜,用經典力學方法很難得到問題的精確解。在計算機和計算技術飛速開展并廣泛應用的今天,采用近似數值解法已經成為現實而又有效的選擇。應用實踐證明,利用模態分析對客車車身骨架結構進行靜態和動態分析,可獲得結構的承載特性和振動特性等評價指標,對其強度、剛度和固有振型有充分的認識,了解車身可能會有的應力和變形情

23、況.通過合理選擇結構形式及尺寸參數,對其存在的缺乏之處及時加以改良,并為結構的改良提供依據,使其具備良好的靜動態特性,滿足使用要求,從而縮短開發周期,節省大量的試驗與生產費用,是提高客車可靠性的既經濟又適用的方法。.本課題的主要內容采用基于試驗模態分析的方法來識別客車車身振動問題在國內很少。這種方法同樣也適用于其他結構的動態載荷識別問題。因此分析車輛動態特性對于提高車輛抗振能力、疲勞壽命以及乘坐舒適性有著實際的應用意義。本課題來源于一家中型客車企業,該公司原以中巴車生產銷售為主,年起進行產品結構調整,相繼開發、等車型,中大型客車每年以%的速度遞增,年江淮公司開發出發動機后置底盤,經過市場調研及

24、論證,非常適合開發適用于中小城市的城市客車。型客車的開發采用的是經驗法及類比法,車身骨架設計偏保守,存在局部不合理現象。但對該類問題的解決缺少科學的理論依據,對客車車身固有頻率缺少感性認識,鑒于此,對城市客車長安人學碩:學位論文車身模態分析與結構的研究具有非常重要的技術與經濟意義,對該客車企業的新產品的推出起非常重要的影響。.該車底盤為直大梁式,半承載式車身結構,后置發動機,配制前中乘客門、頂置空調,個乘客椅,乘客可達人。具體研究過程:一、試驗準備、根據總體設計試生產出不含任何蒙皮件的骨架車體;、對所需了解的點以汽車的坐標原點進行坐標統計,作標記標號,設計好連接線;二、數據采集、對每一點利用軟

25、件及信號采集箱進行激振和響應數據采集;、利用對頻響曲線進行擬合,得到各階模態結構動畫振型;三、模態分析、對結構動畫所反映出的影響較大的各段頻率分析,結合設計制造工藝分析得出結構存在的問題;、尋找對試制車輛技術改良的措施,為再試制時提供依據。.本章小結汽車車身結構復雜,涉及的技術領域廣泛,許多問題的理論研究的可靠性還不高,需要通過試驗來檢驗模型的合理性。 以振動理論為根底、以模態參數為目標的分析方法叫試驗模念分析,試驗模態分析是模態分析的重要手段,試驗模態分析技術在機械、航空、航天、汽車、動力、土木等工程領域獲得廣泛應用。試驗模態分析方法在國內外的車輛工程中已得到較廣泛的應用。用試驗摸態分析理論

26、來對客車的設計的驗證是企業開發驗證的切實有效的手段。第二章模態分析理論根底第二章模態分析理論根底結構動力學理論可以從理論上計算固有頻率、振型和廣義質量等動力特性,由于結構的復雜性,獲得動態特性的準確性和精確性往往需要動態試驗來檢驗。模態是振動系統特性的一種表征,模態試驗是用試驗的方法測出結構的動力特性。試驗模態分析實際上是一種參數識別方法,在成認實際結構可以運用“模態模型來描述其動態響應的前提下,通過對試驗數據的處理分析,尋求其模態參數的過程。試驗模態分析的關鍵在于獲得振動系統的特征向量,這是通過人為的鼓勵方式,測量激振力和響應信號,得到激振點和響應點間的頻響函數傳遞函數,建立頻響函數矩陣,并

27、通過曲線擬合和參數識別,從而得到結構的模態參數、建立結構的動力學模型。為振動系統動態設計以及故障診斷提供依據。.模態試驗的理論根底【。一個實際的機械結構,作為連續彈性體來考慮要用無限多個自由廈來描述其動力學狀態,然而在許多情況下或在實際應用中往往進行簡化,使其成為有限多個自由度體系,甚至有些十分復雜的結構,通過這種處理仍可得到滿意的精度要求。連續的汽車車身結構即無限多自由度振動系統,離散為有限自由度自由度的振動系統,在物理坐標下,這個離散振動系統的運動微分方程可表達為:阻戤戤一廠 .?式中:?質量矩陣對稱且正定,塒?阻尼矩陣,?剛度矩陣對稱且正定或半正定,一期仁仁仁刈維位移、速度和加速度響應向

28、量,廠?維激振力向量。.弘擴合女人學碩【:學位論文.】:那么有【肛仁 .】稱為系統動態矩陣或廣義阻抗矩陣,反映了系統的動態特性,其逆矩陣.陋:【】.:。由線性可知,一個矩陣的逆矩陣可以由它的伴隨矩陣計算出來,那么式.可表示為:.九;制式.的分母的行列式,叫做系統特征方程。根據特征值問題,可以求出系汜,酬意急薹終式中:為常數;.;是特征方程的一對共軛復數根;】和阻士是其留數矩陣。特征根九和乃的實部是阻尼因子;虛部萬,是阻尼固有頻率。那么特征根可表示為.九一蘚一亭,;磚一導一一亭一.一雪,;萬, 一釅 一亭一舅;萬,/式中:,稱為第階無阻尼固有頻率,魯稱為第,.階模態阻尼比。根據留數定理,這些留數

29、矩陣等于.】以?九而留數矩陣與模態振型向量之間存在的關系為.】;,扣,.】.,;巾:式中:,和為模態比例因子:佃,和扣:是相應的模念振型向量。第二章模態分析理論根底由各模態向量組成的矩陣表示為:.卜【舾.?和:.扣由式.司以得劍,位移同量為忸陋 .取,那么由拉普拉斯變換轉化為傅罩葉變換,傳遞函數矩陣轉化為頻響函數矩陣,可得到系統在頻域內輸出和輸入的關系式.【:【.】一】.陋】;他】一瞳,.仁 .式中陋為系統的頻率響應函數矩陣。利用振型矩陣的加權正交條件,即汜四伽口阻,仁,扣。枷堞,:二弓.式中:枷。卜伽,?第、廠階特征向量固有振型,、七,?第廠階模態質量和模態剛度。如下變換】:噼】一.啦】:卜

30、】卜】恤】阻.、叫卜、叫、一、卜式中:,;,一,讎,是第階模念阻尼。長安人學頌學位論文由式.、 .可以得到用模態參數表示的頻率響應函數矩陣為卜】.陋功,糾卜,、五、白 白在陋】矩陣中第行行的元素為仁,州。耋孤亭習, ,式中:二?第階模態頻率;爵二二?第階模態阻尼比;,扣,?第階模態振型。中第行列的元素:.蹦小船表示系統在點單獨激振其余坐標激振力為零時,點得到的響應函數與激振力的傅里葉變換之比。并且對于一般機械結構,假設阻尼矩陣】為對稱矩陣,這樣矩陣】對稱,頻率響應函數矩陣陋】也為對稱矩陣,故有可一緲 .上式反映了機械結構的頻率響應函數具有互易性,可作為頻率響應測試精度的一項重要檢驗手段。上述分

31、析,不難發現,自由度系統的頻率響應等于個單自由度系統的頻率響應的線性迭加。為了確定全部模態參數,、爵、佃,?,實際上只需測量頻率響應函數矩陣的一列或一行就行了。以上推導過程中用的是位移導納即位移頻率響應函數,而在實際試驗時,為了第二章模態分析理論根底測量方便,常應用加速度導納即加速度頻率響應函數,它和位移導納的關系是【:一陋 .試驗模態的參數識別模態參數識別是系統識別的一種,是試驗模態分析的重要局部。模態參數識別就是利用模態試驗獲得的有關數據,通過一定的方法求出各階模態下的模態參數,主要包括模態頻率、模態振型、模態剛度以及模態阻尼比等。許多工程問題只需要識別模態參數,而更一般的情況那么是由模態

32、參數進一步識別系統的物理參數,如質量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣等。對物理參數即結構參數模型的識別,稱為物理參數識別。由于相同自由度系統的模態參數遠少于物理參數,因而識別物理參數模型要困難得多。在通過系統試驗得到結構上各點的頻響函數后,必須利用一定的參數識別方法對結構的動力學參數進行辨識。模態參數能夠直觀、準確地反映系統的動態特性,具有簡明、直觀和物理概念清晰等優點,因此常常被用于結構動態特性分析。模態參數識別方法有很多,可在頻域內進行識別,也可在時域內識別,習慣上將它們分為頻率域法和時間域法兩大類。時間域法利用結構的自由振動響應、脈沖響應或隨機鼓勵響應作為數據,從中識別得到所需的模態參數,常用于

33、實時故障監控,設備靈敏度要求高。而頻率域法利用模態試驗得到的頻響函數估值作為數據,從中識別得到所需要的模態參數。利用實測頻響函數識別系統模態參數的方法稱為頻域法。頻域法以精確估計頻響函數為根底,以模態模型的頻域展開式為識別公式,輔以變量最小二乘法、迭代法、殘差法、泰勒級數展開等手段,對系統的模態參數進行局部或整體估計。頻域法具有識別過程直觀、物理概念清楚、識別精度高、可以通過平均處理消除噪聲影響、可對頻帶外效應進行補償、可提高模態振型估計精度、適合于阻尼比擬大的系統等特點。其缺乏之處是在頻響函數估計中引入了一定的時頻變換誤差或截斷誤差,頻響函數是按頻率的平方上升的,會影響高頻段的估計結果等。利

34、用頻響函數的圖像識別模態參數,是依次對各測點的頻率響應函數進行擬合,曲線擬合的方法有單自由度擬合法及多自由度擬合法等多種方法。通過擬合可得到相應數量的模念頻率、阻尼比和振型值。對于線性系統,模念頻率和阻尼比是系統的總體參數,理論上應該不隨測點而改變。實際測試和擬合中不可防止地存長安大學碩【:學位論文和阻尼比的結果,這種局部曲線擬合需進行很屢次,通常用自動擬合方式實現。對于一個具有自由度的模態阻尼系統,根據前面給出的式.,在點鼓勵,點響應的實模態頻率響應函數是:億回。善硼萬奔麗習蹦小季一式中:.州。瓦萬稱為點鼓勵,點響應的第廠階等效質量。當趨近于某階模態的固有頻率時,該模態起主導作用,稱為主模態

35、。在主模態附近,其他模態所產生的影響較小。如模態本身的密度不大,各階模態相距比擬遠,那么其余各階模態的頻率響應函數值在該階主模態附近就很小,且曲線比擬平坦,即幾乎不隨頻率而變化,因此其余模態的影響可用一復常數%卜硼晤萄確塒去。石;麗叫萬阿瓦麗叫力 麗一,瓦籀卜側.的實部和虛部可表示如下仁,四去瓦籀卜四四去瓦耘卜和圖.虛頻圖所示。由頻響函數的實頻圖和虛頻圖可以進行模念參數確實定。固有頻率確實定第二章模態分析理論根底從實頻圖和公式.可以看出,固有頻率啡就是實頻曲線與剩余慣性直線日嘶日:的交點所對應的值。對于多自由度系統來說,剩余模態的影響日:難以確定,而實頻曲線與坐標交點也受日嘗的影響而移動,也不

36、便用作固有頻率的估計值,使用時利用虛頻圖來確定固有頻率較為可靠,此時;,正好對應虛頻曲線的峰值,因為峰值較尖,所以更容易確定固有頻率。阻尼比確實定阻尼比系數可以由實頻曲線的正、負峰值所對應的頻率,也可用虛頻曲線的半功率帶寬來確定%和%。圖. 第階模態頻率響應函數的實頻圖安人學碩:學位論文求導得到兩個極值點:汜,時小爵汜,斟小岳.一魄因此,對于阻尼振動系統,其阻尼比系數為:.?等等 島石 確定振型和模態質量由式.矢,對主模念而言不計剩余模念,當甜時,.“;麗分別測出結構上各點的。,?,以,值,那么可得到第,.階模奈的振犁系數向量第二章模態分析理論根底枷,慨.缸:乏?二一去加,%?。,為常數。因此

37、對于第,.階模態,當采用逐點鼓勵,單點響應時,一荔麗“扣,掃:一即可代表模態振型。因為振型只反映振動形式,與振動大小無關,假設取響應點的頻率響應函數,且對響應點歸一化,那么車架結構阻尼系統的第,階模態質量掰,可以表示為%藕石雨應該指出,模態質量的數值與歸一化的方法有關,不同的歸一化方法將得到不同的模態質量。第階模態剛度可由下式求出:.,至此,已.求出傘部模杰參數。.本章小結車身結構是一個連續的振動系統,該系統可以離散化為多自由度的振動系統,從而使結構動力學分析變得簡單;在結構動力學分析中利用矩陣的正交性可以對結構進行解耦處理,使其成為對稱矩陣,從而進一步簡化動力學的計算,只要獲得矩陣的其中一行

38、或一列,就可得其全貌;同時理論分析與實驗相比,精度較低,試驗方法可以獲得與實際相符的結果,有較高的精度;試驗模態分析技術就是用試驗的方法,通過單點鼓勵、多點響應或多點鼓勵、單點響應,在獲取頻響函數的根底上,通過參數識別,得到模態參數,獲取模態矩陣的一行或一列,用試驗的方法構建系統的動力學模型,是目前復雜系統動力學分析的主要方法之一。安人學碩.:學位論文第三章車身結構的模態試驗汽車車身結構對行駛的平安性、可靠性、穩定性和乘坐的舒適性影響很大,汽車車身結構復雜,涉及的技術領域廣泛,許多問題的理論研究的可靠性和精度還不高,需要通過試驗來檢驗分析模型是否合理。汽車車身結構試驗按試驗方式分為整車試驗和零

39、部件試驗,按結構失效類型和理論分為靜態強度、動態強度試驗和模態試驗【,圳。車身結構試驗分析也是深入掌握現有結構性能,改良薄弱環節,提高產品質量,開發一流車身產品的重要根底。汽車車身結構模態試驗是用試驗的方法建立車身結構的動力學模型。通過系統的模態參數和固有特性研究車身結構,分析車身的動態性能對結構強度剛度和乘坐舒適性的影響,檢驗設計思想和結構設計的正確性和合理性,驗證新技術、新材料、新工藝使用的先進性和有效性。汽車車身結構模態分析研究包含大量的試驗工作,試驗時正確選擇試驗所用的儀器和設備,合理選擇測點位置和布置測點數量,有效地分析處理試驗數據,是保證模態試驗的精度和可靠性的關鍵。.試件和測點.

40、試件試驗結構分為原型和模型兩種,本試驗采用原型試驗,被試車身是城市客車的白車身,該車是客車廠在米公交車系列產品自主開發方面的一個嘗試,原先該廠缺少在中型城市客車的自主開發經驗,為掌握開發新產品的內在性能,保證產品質量,并為以后全面開發產品積累相關經驗,對新近開發的客車車身進行結構動力學試驗模態分析。城市客車采用江淮底盤,直大梁車架;后置發動機;頂置式空調;底盤骨架材料采用異型鋼管焊接而成,車身材料采用鋼,側圍蒙皮采用.鍍鋅鋼板經張拉后與車身骨架單面點焊而成。試驗客車的外形和車身骨架分別由圖.和.所示。:身結構的模態驗圖. 客車外形罔. 客車車身骨架.測點布置試驗是對怔客車的骨架的前、后、左、右

41、、上五大片骨架進行測試。在骨架上的測點布置要能較好地反映車身的主要特征形狀、振動特性和重要的節點位置,吸取同類車型使用中出現的故障特征,因此,測點的選取原那么為:車身骨架的結點處:可能出現的振動節點處;通常設計骨架時容易疏忽處;在車身受力大,變形大,易斷裂區域內:有關資料說明通常易出現的高應力區域。躍安人學碩:學位論文因此,在車身骨架的五大片結構的各主要特征點都布置測點,車身上共布置了個測點,試驗前,統計出個測點的座標。.結構的支承在模態試驗中,被試結構的支承方式是否恰當對試驗質量非常重要,同一結構在不同的邊界條件約束條件下,將會得出不同的模態參數。結構在實際的工作環境中,總是處于一定的約束狀

42、態,從力學意義上考慮,約束的邊界條件可分為幾何邊界條件、力邊界條件、運動邊界條件等等。因而模態試驗時,必須要正確模擬被測結構的邊界條件。選擇結構的支承方式首先應考慮是否模擬其真實的約束狀態。有時這種模擬狀態是很容易到達的,有時那么很難精確模擬,或者根本無法模擬,這時應考慮有無替代的支承方案。目前常用的支承方式有自由支承、固定支承和原裝支承。如果被測結構是完整的、那么模態試驗中的邊界條件也應是完整的,即應以模擬結構實際工作狀態為原那么。如果采用模態綜合法將被測結構分為子結構來進行模態試驗,那么邊界條件應以模態綜合法的要求確定。.自由支承理論上,這種支承方式是指試驗結構的任一坐標點都與地面不相連。

43、事實上,很難到達完全自由的約束狀態。為此,采用的支承應盡量柔軟,即具有較低的支承剛度和阻尼,經常采用的方式有橡皮繩或彈簧懸掛、氣墊、空氣彈簧、螺旋彈簧等支承,使被測系統的固有頻率遠低于結構的最低頻率,那么認為是自由支承。采用自由支承后,相當于給結構增加了柔軟約束,剛體模態頻率不再是零,彈性模態也會受到影響。但由于自由支撐的剛度、阻尼較小,結構的彈性模態不會受到很大影響。比方剛體模態最高頻率占到結構最低彈性模態固有頻率的/時,自由支撐對結構最低彈性模態固有頻率的影響只有%,故自由支撐一般能到達較好的效果。如果將自由支撐點選在結構上關心模態的節點附近,并使支撐體系與該階模態主振動方向正交,那么自由

44、支撐對該階模態的影響將到達最理想的效果。采用自由支承方式試驗的往往是一些質量和體積不大的試件。有些邊界條件非完全自由而受弱約束的結構也可以采用自由支承。如汽車、摩托車、自行車、輪船等,所受的約束相對結構自身剛度來說仍小得多。運用模態綜合法研究子結構模態特性時,也經常采用自由支承。第三章車身結構的模態試驗.固定支承固定支承用于結構承受剛性約束的情形,故又稱剛性支承。許多具有剛性根底的機械結構應采用剛性支撐。固定支承要求支承具有較大的剛度和質量,才能減少對結構高階模態的影響。一般以實測支承系統的最低固有頻率大于所關心的結構的最高固有頻率的倍為參考標準。運用模態綜合法研究子結構模態特性時,有時也采用

45、固定支撐。.原裝支承原裝支承是廣泛應用的一種支承方式。事實上,自由支承和固定支承都是原裝支承的特殊情況。對完整結構來說,原裝支承是最正確的邊界模擬。在現場模態試驗中,實際安裝中的結構原型便具有最好的原裝支承,無需做任何變動。在實驗室試驗中,也應盡量模擬現場的安裝條件。對某些放置于地面上的結構如各種車輛,在實驗室進行模態試驗時,完全可以自由地置于地面上進行測試,這類結構自身的支承系統已做到較好地模擬實際邊界條件。大多數模態實驗是在靜態下進行的,即被測結構處于靜態。有些結構在靜、動態下的特性相差較多,欲獲得結構在動態下的固有特性,應在運行狀態下進行模態實驗。從支承方式論,三種方式并無優劣之分,關鍵

46、是試驗精度,需要視具體問題,選擇適宜的支承方式。對完整結構而言,應盡量做到原裝支承。由于客車骨架體積較大,質量重,用懸掛的方式使試件呈自由狀態的方法實施困難,且與實際工作狀況相差較大,同時結合公司開發實際情況,降低試驗本錢,選擇原裝支承。為了使試驗分析更加符合實際使用工況,可將懸架元件與車身或車架組合起來進行試驗。車架通過懸架系統與車橋相連,不同的懸架系統對車架以及車身骨架的強度和剛度的影響也不同。客車底盤采用前后雙鋼板彈簧懸架系統。一般將鋼板彈簧的懸架系統看為兩個豎放的彈簧和兩根剛度很大的平衡杠桿支承在鉸支點上。可以是只有、三方向的平動自由度,也可以只有沿自身軸線的扭轉自由度,但只能沿自己的

47、軸線移動。這與鋼板彈簧實際的作用相符合,除了起到減振的作用外,還起到導向的作用,即在其他方向上的剛度遠比垂直方向的大。長安人學碩【:學位論文.鼓勵方法結構模態試驗就是要通過某種鼓勵方法人為地使結構產生振動,提取鼓勵輸入和結構響應輸出的時域或頻域數據,再通過模態參數辨識,最終獲得結構模態參數。模態試驗中的激振器一般有兩類,一類是始終與結構接觸作用并根據鼓勵信號產生力的激振器,另一類是產生脈沖信號的鼓勵錘。前者又可分為接觸式激振器與非接觸式激振器兩種。鼓勵實驗方式可分為單輸入單輸出、單輸入多輸出及多輸入多輸出三種。使用丌原理進行導納計算要求鼓勵信號中包含寬的頻率成分,穩態隨機鼓勵或瞬態鼓勵是常用的

48、兩種寬帶鼓勵方法。采用穩態隨機鼓勵必須使用激振器,同時激振器要與信號發生器、功率放大器一起組成鼓勵系統,根據結構大小和結構的受力情況及環境條件,選擇所需激振力大小及振動頻率范圍。激振器有機械式、液壓式、電磁式或電動式等幾種,后者是最常用的。激振頻率應高于被測結構的分析頻率。激振力是由在柔性桿與結構之間串聯力傳感器平檢測。因為在隨機信號發生器、功率放大器、激振器、柔性桿等串聯的幾個環節上,信號都存在或多或小衰減與相移,不能直接用信號發生器產生的輸出電壓作為力信號,而必須將與結構上相連的力傳感器測量的實際作用于結構上的激振力信號作為輸入的力信號。白噪聲信號具有寬帶等幅的特征,理論上用白噪聲鼓勵能獲

49、得結構的全部模態,物理上卻得不到實際的白噪聲信號,且施力及測量的各個機電環節上都有濾波作用,因此寬帶鼓勵必須選擇適宜的中心頻率及寬帶,以保證在測量的頻段內力信號有平直的自功率譜并有足夠的能量激發結構在此頻段內的全部模念。瞬念鼓勵又稱脈沖鼓勵,其數學原理是脈沖函數函數,具有與白噪聲相同的平第三章車身結構的模態試驗直頻譜,而它的近似實現卻比穩態隨機簡易的多,因此在模態試驗中得到廣泛的應用。脈沖鼓勵還有兩個突出的優點:它具有一定的重復性,不需進行許屢次平均一般次就夠了,而穩態隨機那么需要多達幾十次平均。在一個塊內,力和響應信號都已根本衰減,非整周期函數在幅值上的精度較差。錘擊法就是利用脈沖鼓勵的原理

50、進行激振試驗的,對于大型結構,由于激振力信號在傳遞過程中的損失,在距激振點較遠處的信號很弱,因此錘擊法的主要問題是難以激發出大型結構整體的各階模態。在模態試驗中需要測量傳遞函數矩陣的一行或一列,由于激振器安裝困難,用穩態鼓勵進行試驗時,通常是通過移動測量點得到傳遞函數矩陣。錘擊法就方便得多,可以通過移動施力點激振點的位置、固定加速度計的響應點位置,即測量傳遞函數的一列,也可以施力點位置不變,移動響應的測點位置,即測量傳遞函數的一行,這根據結構試驗的方便性來確定。根據動力互易的原理,這兩種測量所得到的結果應該相同。然而,有時在某些位置或某些方向上敲擊結構可能是比擬困難的。在這種情況下,應采用固定敲擊位置和敲擊方向,移動三向傳感器測量各響應點上的響應信號。采用脈沖鼓勵方法進行機械導納測量還必須考慮如下幾個限制:非線性限制對具有明顯非線性的結構進行導納測量時要特別小心。在這種情況下,最好用接觸式激振器進行正弦或隨機激振,而不要采用脈沖鼓勵技術。采用脈沖鼓勵時,使響應信號到達一定幅值所需能量是在一段很短與分析時間周期相比的時間內輸入到結構上的,與正弦和隨機激振相比,脈沖鼓勵的沖擊力必須要大得多,因而非線性的影響也就增加了。對一個非線性明顯的系統測量,保持鼓勵力的水平不變是非常重要的。在這方面,正弦鼓勵技術更好,如果用一個手錘來進行沖擊鼓勵,那么每次