卓建明（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

某客車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與聲腔模態(tài)分析

卓建明
（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

以某客車白車身為研究對象，采用模態(tài)試驗(yàn)的方法，測得在自由狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模態(tài)；同時(shí)采用HyperMesh軟件建立車身有限元模型，通過求解得出聲腔模態(tài)。綜合車身結(jié)構(gòu)模態(tài)、聲腔模態(tài)結(jié)果對客車車身結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行評價(jià)。

客車車身；結(jié)構(gòu)模態(tài)；聲腔模態(tài)；測試；仿真

車身是汽車振動(dòng)與噪聲傳遞的通道。客車車身結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的薄壁空間結(jié)構(gòu)，來自于路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等引起的車身壁板振動(dòng)而輻射出來的結(jié)構(gòu)低頻噪聲在車內(nèi)噪聲中占主要地位。因此，車身系統(tǒng)在整車NVH特性的研究中占有很重要的地位[1]。

在客車車身設(shè)計(jì)之初，對白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)、聲腔模態(tài)進(jìn)行分析，通過掌握車身結(jié)構(gòu)、車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率和振型，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)各系統(tǒng)激勵(lì)頻率、車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率等合理匹配車身結(jié)構(gòu)模態(tài)，避免車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致共振，達(dá)到合理設(shè)計(jì)車內(nèi)噪聲振動(dòng)特性。本文以某客車白車身為研究對象，采用模態(tài)試驗(yàn)的方法，測得在自由狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模態(tài)，同時(shí)采用HyperMesh軟件建立車身有限元模型，通過求解得出聲腔模態(tài)。綜合車身結(jié)構(gòu)模態(tài)、聲腔模態(tài)測試結(jié)果，分析其對整車噪聲振動(dòng)的影響，對客車車身結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行評價(jià)。

1 結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式將采集得到的結(jié)果進(jìn)行一系列的計(jì)算分析，最終獲得模態(tài)參數(shù)的過程，而模態(tài)參數(shù)獲取的準(zhǔn)確性十分重要?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的模態(tài)分析方法（LSCE法[2]）是一種時(shí)域分析方法，在處理頻率較高且模態(tài)密集的系統(tǒng)時(shí)易于產(chǎn)生虛假模態(tài)，其穩(wěn)態(tài)圖較混亂，模態(tài)定階較難，效果較差，難以取得較理想的結(jié)果。LMS公司開發(fā)的PolyMAX法是一種全新的頻域方法，該方法既適用于弱阻尼也適用于強(qiáng)阻尼密集模態(tài)系統(tǒng)，即便是未得到充分激勵(lì)的模態(tài)也能良好地識別出來。本文通過采用PolyMAX模態(tài)分析方法，獲取車身結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。

1.2 模態(tài)測試過程

在某白車身上布置了178個(gè)測點(diǎn)，并建立起如圖1所示的幾何模型[3]。采用6個(gè)空氣彈簧分別在空氣懸架氣囊安裝位置將車身骨架支撐起來，空氣彈簧的剛度通過調(diào)節(jié)氣壓的大小進(jìn)行控制。使一階彈性模態(tài)的頻率是最高剛體模態(tài)頻率的3～5倍，此時(shí)白車身近似處于自由狀態(tài)。本次試驗(yàn)試件剛體模態(tài)最高頻率在4.285 Hz，彈性模態(tài)的最低頻率在12.26 Hz左右，滿足試驗(yàn)條件要求[4-5]。

圖1 白車身測試幾何模型

試驗(yàn)采用白噪聲作為激勵(lì)信號，經(jīng)功率放大器后由激振器對車身前后兩個(gè)激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)的大小應(yīng)該能激發(fā)出測量頻帶內(nèi)的模態(tài)。白噪聲信號屬于純隨機(jī)激勵(lì)信號，每組試驗(yàn)25次作平均后可消減測試中所引起的各種噪聲干擾。采樣頻率范圍為0～128 Hz，頻率分辨率為0.25 Hz。試驗(yàn)過程中對各測點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的加速度進(jìn)行分批次拾振。

1.3 模態(tài)測試結(jié)果

試驗(yàn)測量的相干性系數(shù)曲線如圖2所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析帶寬取為2～50 Hz，在分析帶寬范圍內(nèi)相干系數(shù)都在0.9以上，說明輸入和輸出信號之間存在很好的線性關(guān)系，試驗(yàn)滿足要求，測試系統(tǒng)是正確可靠的[6]。

圖2 相干性系數(shù)曲線

應(yīng)用多參考最小二乘頻域法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，在擬合的頻率響應(yīng)曲線上建立穩(wěn)態(tài)圖，如圖3所示。圖中橫軸為頻率軸，左縱軸為頻率響應(yīng)函數(shù)軸，通過識別“s”較多的頻率值作為車身結(jié)構(gòu)的估計(jì)模態(tài)頻率，再查看估計(jì)模態(tài)頻率值對應(yīng)的模態(tài)振型以最終確定[7]。白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)的前六階模態(tài)頻率和模態(tài)振型描述見表1。

圖3 模態(tài)試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)圖

表1 車身結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率測試結(jié)果

2 聲腔模態(tài)仿真分析

2.1 聲腔有限元模型的建立

聲腔模態(tài)的仿真計(jì)算存在以下幾條假設(shè)：車內(nèi)流體是可壓縮的，同時(shí)是連續(xù)和均勻的；沒有聲擾動(dòng)的時(shí)候，介質(zhì)是靜態(tài)的；聲音在傳播過程中，介質(zhì)的稠密和稀疏過程是絕熱的；介質(zhì)中傳遞的是小振幅聲波，即聲壓遠(yuǎn)小于靜態(tài)聲壓[8]。

基于以上假設(shè)，通過HyperMesh有限元分析軟件導(dǎo)入車身結(jié)構(gòu)模型，提取車廂內(nèi)部與空氣接觸的表面，以形成一個(gè)密閉的聲學(xué)空腔，同時(shí)在不影響計(jì)算精度的前提下對一些局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化[9]。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體上網(wǎng)格大小采用40 mm×40 mm，網(wǎng)格類型以四邊形為主三角形為輔，共計(jì)651 300個(gè)單元，574 200個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)選擇25℃的空氣流體參數(shù)作為計(jì)算模態(tài)分析的空氣參數(shù)，此溫度下空氣密度為1.03 kg/m3，體積模量為1.235 14×105 N/m2。

2.2 聲腔模態(tài)分析結(jié)果

密閉車廂內(nèi)的空腔系統(tǒng)聲學(xué)特征，表現(xiàn)為擁有固有頻率和振型的聲腔模態(tài)。通過HyperMesh軟件自帶的Optistruct求解器算出前三階聲腔模態(tài)，如表2所示。其中模態(tài)一的聲腔振型如圖4所示。一般空腔越長頻率越低，表現(xiàn)為聲壓沿車室縱向分布的縱向聲學(xué)模態(tài)振型。

表2 聲腔模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖4 聲腔一階模態(tài)振型計(jì)算結(jié)果

3 綜合分析評價(jià)

本文測試對象為中型客車，一般都安裝四缸柴油機(jī)，怠速工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為600～850 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率為20.0～28.3 Hz。測得車身結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率20.8 Hz、23.3 Hz、25.7 Hz，剛好處于發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，容易激勵(lì)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)引起共振，因此車身結(jié)構(gòu)彈性體模態(tài)要避開怠速工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率。

車內(nèi)聲腔模態(tài)縱向一階模態(tài)頻率為19.34 Hz，其節(jié)線處于聲腔中間位置且垂直于整車前后方向，聲壓有逐漸向兩端增大的趨勢，車廂內(nèi)呈現(xiàn)兩端聲壓大、中間小的特征。車內(nèi)聲腔模態(tài)縱向二階模態(tài)頻率為38.09 Hz，此頻率下的模態(tài)有兩個(gè)節(jié)線，其節(jié)點(diǎn)偏離中間位置且垂直于整車前后方向，車廂內(nèi)的聲壓有由節(jié)點(diǎn)向兩端增大的趨勢。車內(nèi)聲腔模態(tài)縱向三階模態(tài)頻率為57.06 Hz，此頻率下的模態(tài)有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，其節(jié)線分布在整車前中后且垂直于整車前后方向。同時(shí)以上三階聲腔模態(tài)振型左右對稱。根據(jù)以上聲腔模態(tài)振型特征，可合理設(shè)計(jì)布置車內(nèi)座椅。

白車身狀態(tài)下測到振型為前后左右擺動(dòng)模態(tài)頻率20.8 Hz，根據(jù)文獻(xiàn)[1]大量數(shù)據(jù)規(guī)律總結(jié)，整車狀態(tài)下的車身模態(tài)相對白車身降低1～3 Hz，接近車內(nèi)聲腔模態(tài)縱向一階模態(tài)頻率19.34 Hz，在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下很容易出現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與聲腔模態(tài)的耦合共振，增大車內(nèi)低頻噪聲[10]。因聲腔模態(tài)頻率不易改變，需要通過修改車身結(jié)構(gòu)來合理設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)，以避開車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率[11]。

4 結(jié)束語

在強(qiáng)迫振動(dòng)狀態(tài)下，車內(nèi)振動(dòng)噪聲的總響應(yīng)取決于各個(gè)模態(tài)的激勵(lì)方式，因此車身結(jié)構(gòu)模態(tài)、聲腔模態(tài)是整車噪聲振動(dòng)控制的重要指標(biāo)。本文通過測試車身結(jié)構(gòu)模態(tài)、計(jì)算仿真聲腔模態(tài)，來評價(jià)預(yù)測整車狀態(tài)下的噪聲振動(dòng)性能，為整車噪聲振動(dòng)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

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修改稿日期：2017-04-06

Analysis of Structure Modes and Acoustic Modes for a Bus Body

Zhuo Jianming
（Xiamen King-Long United Automotive Industry Co.,Ltd，Xiamen 361023，China)

This paper takes the white body ofa bus as the research object,uses the modaltestmethod to measure the structuralmodes in the free state,and establishes the body finite elementmodelby using Hypermesh software to obtain the interioracoustic modes by solving.Then the structure features ofthe bus body are evaluated through compositing the results ofstructure modes and acoustic modes ofthe body.

busbody;structure mode;acoustic mode;test;simulation

U463.82+2

A

1006-3331（2017）04-0046-03

卓建明（1988-），男；主要從事整車NVH研究工作。