基于虚拟样机技术的车辆振动模态测试

好人

随着生活水平的提高，人们对汽车综合性能的要求也日益提高。其中，减轻振动强度，降低噪声水平，提高乘车舒适性是最重要的内容之一，而且正受到越来越多的重视。这就使得优化汽车系统的动态特性，控制振动和噪声成为非常突出的问题。目前,模态分析技术已经成为解决这些问题的重要技术手段。模态分析技术是指通过振动模态试验获得表征结构动态特性的模态参数的一种动态分析方法。但是通过物理实验对车辆进行振动模态测试是一项耗时耗力且费用高昂的测试方法。相比之下，基于虚拟样机技术的汽车振动模态测试技术则以其快捷方便实用的特点而越来越被人们所重视和采用。通过虚拟样机技术对汽车总体动态性能和各系统之间的相互影响等进行直观而且全面的仿真分析、评价和改进，从而尽可能缩短设计周期，提高设计质量、降低设计成本。

目前，人们已利用虚拟样机技术对工程中的大量问题进行了相应研究。本文利用多体动力学仿真分析软件ADAMS 建立汽车多体动力学模型，并在此基础上通过ADAMS/Vibration 模块对车辆模型进行模态测试。利用ADAMS/Vibration 振动分析模块,可以把不同的子系统装配起来进行线性振动分析,并可以通过ADAMS 后处理工具把结果以图表或动画的形式显示出来，包括绘制和动画显示受迫振动和频率响应函数，生成模态坐标列表及显示其它的时间和频率数据。

2 ADAMS/vibrat ion 模态测试流程

在使用ADAMS/Vibration 进行车辆振动模态测试时，主要步骤如图1 所示。其中，输入通道用来绘制频率响应函数及设置激振器，而激振器用来对车辆系统模型产生激励。输出通道用以检测系统的频率响应，并可以在频域内直接给出测试结果。


3 ADAMS 车辆模型

汽车模型主要由前后悬架、轮胎、座椅和转向系等子系统组成，按照实际车辆各零部件的相对位置和约束关系组装成整车系统。整车包含24 个运动部件和34 个约束副，最后共有12 个自由度，并且验证模型正确没有过约束。整车模型如图2 所示。


从车辆行驶稳定性和乘坐舒适性角度考虑，我们更关心车辆模型中驾驶员座椅处以及车身前端和尾端的振动情况。模型中分别在上述位置添加了标示点（ marker） 来表明相应位置，这些标志点也是下面振动模态测试输出通道的参考点。

4 建立输入输出通道和激振器

在ADAMS/View车辆模型的基础上建立振动模态测试输入输出通道作为计算机求解器与外部通讯的接口，建立激振器给车辆模型施加需要的激励信号。

车身振动模态测试建立四个输入通道和相应激振器，分别位于四个车轮转向节处，激振器产生垂直向上的正弦激励信号。输出通道包括车身前端点垂向位移、车身后端点垂向位移和座椅处垂向加速度三个输出通道，分别用来输出相应物理量。

5 振动模态测试

在ADAMS 整车模型的基础上建立振动模态测试，导入建立的全部输入通道和输出通道，定义振动测试频率范围为0.1~1000Hz,对模型进行受迫振动,并做频域范围内的性能分析。系统会自动完成相应振动测试。可以得到车辆模型的模态分布如图3 所示。


在测试频率范围内系统共有11 阶模态，通过软件提供的动画功能可以很清楚的看出系统的第六阶模态和第七阶模态对车辆的振动有重要影响,其中第六阶模态主要影响车辆的垂直振动，而第七阶模态则对车辆的侧倾运动有较大影响。另外，通过分析频率响应曲线，可以发现车辆左前轮与右前轮处输入激励、左后轮与右后轮处输入激励对各输出参数的影响往往相同，这样的结果要归结于车辆模型的对称性。以下在分析各输出参数时，只考虑左前轮与左后轮处输入激励的影响。

图4 为车辆模型第六阶模态坐标图，从图中可以看出外界输入频率为5.5Hz 时系统的垂直振动幅度最大，此时车辆乘坐舒适性最差。


图5 第七阶模态坐标图，从图中可以看出，当外界输入频率为7.1Hz 时，车辆发生侧翻运动的可能性最大。


图6 到图8 分别列出了车辆前端点垂向振动、车辆后端点垂向振动和座椅处垂向加速度与左前轮正弦垂直位移输入和左后轮正弦垂直位移输入的频率响应关系曲线。





从上面两幅图中可以看出: 车身前后端点在外界输入分别约为5.5Hz 和5.0Hz 时频率响应函数达到最大值，高频输入的影响都是逐渐减小直至为零。不同的是前轮输入对车身前端点的振动影响较大，而后轮输入对车身后端点的振动影响较大，这点与实际生活经验非常一致。

从图8 可以看出: 座椅处的垂直振动在外界输入频率为5.0Hz 和26.0Hz 时的频率响应函数都比较大，且高频输入对该处振动的影响一直存在。

图9 给出了三个振动测量输出量的功率谱曲线。


6 结论

本文利用虚拟样机技术建立了车辆虚拟试验模型，利用ADAMS/Vibration 模块对车辆模型进行了振动模态测试。并在测试数据的基础上对车辆结构动力性能进行分析，结果表明: 车辆的第六阶模态和第七阶模态分别对车辆的乘坐舒适性和侧倾稳定性有重要影响。

通过测试车辆振动模态，可以为车辆的优化设计以及振动及噪声控制提供重要的。基于虚拟样机的车辆振动模态测试技术相比于物理试验具有成本低、周期短等诸多好处，对相关测试工作具有有效的参考价值。