1. 試驗目的

獲得白車身的模態參數（固有頻率、阻尼比、振型），為白車身有限元模型的優化設計提供參考。

2. 試驗系統

試驗系統由試驗激振系統、數據采集系統和模態分析處理系統3大部分組成。其中試驗激振系統包括信號發生模塊、功率放大器和激振器；數據采集系統包括加速度傳感器、力傳感器、信號放大和智能采集系統。常用的激勵信號包括瞬態沖擊信號、正弦信號、隨機信號、周期信號等。當試驗開始激振器激勵系統結構時，由于激勵信號源的信號較弱，需要經過功率放大器將信號放大，推動激振器進行激振。經常用到的傳感器為壓電式三向加速度傳感器。功率放大器的作用是增強傳感器所產生的微弱信號，以便送至信號分析采集儀進行測量，中間連接線是各部分之間通訊正常的重要保障。試驗系統所需設備如表2-1所示：

表格 2?1實驗系統所需設備表

系統		設備 數量
實驗激振系統		吊具 1
	激振發生器 2
	功率放大器 2
	空氣彈簧 4
數據采集系統		三向加速度傳感器 15
	單向力傳感器 4
	阻抗頭 2
模態分析處理系統		采集系統相配套的模態分析處理軟件 -

3. 試驗方法

白車身模態是指僅僅只有車身，沒有其它任何內飾或其它零部件，并且處于自由狀態下的一種模態測試方式。

在試驗的過程中我們需要對整車坐標X、Y、Z加以定義，規定：

（1）從汽車的車頭到車尾的方向為X；

（2）從汽車主駕駛座椅到副駕駛座椅的方向為Y；

（3）從汽車地板到頂棚的方向為Z。

圖 3?1整車坐標示意圖

當在粘貼傳感器時應注意兩個關鍵點：

（1）傳感器坐標方向一定要和整車坐標方向垂直；

（2）傳感器靈敏度在輸入電腦時一定要注意單位的選擇，切勿輸入錯誤。

3.1 確定測點分布

在試驗時，總共需布置100~200個試驗測點。測點的選取應遵循以下幾點：

（1）測點要整體描繪出試件的形狀，一般懸在剛度較大、最能反映結構模態的位置。

（2）測點要盡可能清楚全面地反映車身0到100Hz的整體振動模態，同時要包括所有結構橫梁連接點。

（3）測點應均勻對稱分布在試件兩側，且數目不宜過少，如若數目偏少導致試驗結果偏差較大。

（4）若測點布置于斜面上，需要對測點的X、Y、Z方向進行歐拉變換，否則會影響模態振型的識別結果。

（5）為了避免無法識別某一階的模態參數，測點應避免選擇的各階振型的節點上。

3.2 建立幾何模型

當將整個車身建成一個組件時，在模態軟件中輸入一定數量（如30個）的測點坐標之后，先進行連線操作，不然輸入的測點過多，會導致分不清哪些點需要與哪些點相連。太多的測點會引起視角上的混亂。盡量使用已確定的測點位置來生成結構，或者某些測點無法進行測量，而生成結構又是必須的，那么可以通過軟件中的合成功能實現，通過附近兩個測點進行線性插值得到。生成結構時，結構上有一定的節點（用于表示結構）順序，因此在測量時，注意測點號與這些節點的順序一致，那么在施加約束時可以批處理。

圖 3?2白車身線面幾何模型示意圖

3.3 支撐方式的選擇

為了能夠真實的測量出實際結構輸入和輸出特性的試驗數據，白車身支承方式的選擇是非常重要的一點。通過對模態分析理論的學習可知：“在不同的邊界條件下，同一結構將會計算出不同的數學模型，得到的模態參數將不盡相同，試驗結果則直接影響模態測試的精度”。

目前通常采用的支撐方式有兩種：固定支承和自由支承。

（1）固定支撐

把白車身上選擇的某些點與地面聯結，規定聯結點的速度導納為零，在模態分析時，可以適當的刪去坐標，對理論的分析即可完成。在這里，規定的零速度導納是一種近似的假設。例如汽車的前艙蓋，它的連接方式及工作方式近似于根部的固定支撐方式，像這一類試件與已知導納的簡單構件聯結在一起，將修改后的部件，再拿來做試驗。之后，運用CAE軟件進行后期的消除附加部件的影響處理。由于地面支撐不能通過連接體的引入，而引起局部剛度的加強。固定支撐的優勢在于可以重復拆裝試驗構件，短時間內對試驗數據的重復性進行校核。

（2）自由支撐

用彈性繩吊起白車身或者用空氣彈簧支撐其白車身，近似得到自由支撐邊界條件。對于不是很大的試件，采用這種支承的附加剛度和阻尼均很小，雖然會引起剛體模態，但試件的彈性模態受到的影響是可以忽略的。使用自由支撐的條件：“要求能夠保證其自身剛體共振頻率遠低于第一階彈性體共振頻率（一般要求小于第一階頻率的10%～20%）”。自由支撐的缺點是在測量小阻尼試件時，懸架系統會產生附加的阻尼。

本試驗擬采用的是自由支撐，用四個空氣彈簧支撐起白車身如下圖3-3所示。空氣彈簧的氣壓為2.5個大氣壓強剛體模態為3Hz，遠遠低于一階模態的32.4Hz，可以近似的認為是自由支撐。空氣彈簧支撐示意圖如圖3-3所示。

圖 3?3空氣彈簧支撐示意圖

3.4 確定激勵方式

目前國內外結構動態特性試驗廣泛采用寬頻激勵技術，如脈沖激勵、階躍激勵、快速正弦掃描激勵、猝發隨機信號激勵及正弦慢掃描激勵。其中脈沖激勵和多種隨機信號激勵最為常用。

現如今模態試驗具有導向性趨勢的試驗方法往往是采用多通道輸入的試驗方法，此方法的優點是可以更好的把輸入能量平均分配到整個試件當中。這種方法對于擁有較大結構的試件就顯得尤為重要。此外，此測試方法還可以有效的避免由激勵點恰巧選在某階模態節點位置上所造成該階模態丟失的情況。相對于包含有重根的試件結構而言，只有采用多通道輸入的試驗方法才能檢測出這些重根。

對于激勵信號的選擇，本試驗要求：

（1）信號需含有足夠的頻率成分；

（2）有足夠的能量；

（3）足夠的抗干擾能力。

根據本試驗的要求，我們選擇猝發隨機信號為該試驗的激勵信號。猝發隨機信號在開始階段是純隨機信號，過一段時間的衰減后降低為零，系統的響應信號可以在信號采集時間結束之前減小為零或足夠小。碎發隨機信號具有以下特點：

（1）碎發隨機信號的功率譜盡管不像其他隨機信號平直，但是也沒有顯而易見的波動，產生的能量能夠在很寬的頻率范圍內均勻的分布。

（2）碎發隨機信號包括了周期信號的所有優點，它可以盡可能的降低或者避免能量損失帶來的誤差，可以計算出非線性系統最可靠的線性近似。

（3）對系統試件進行猝發隨機信號激勵時，再兩次數據采集的間隙，即測試系統從上一次數據采集完的靜止狀態至下一次數據采集開始的啟動狀態是不需要等待時間的，使用該激勵信號激勵試件至少可以快2-3倍。

（4）與其他隨機信號相比，碎發隨機信號的最大的優點在于擁有良好的信噪比和峰值有效值，頻帶更加容易控制。這些因素是完全符合車身結構試驗對激勵信號的要求。

選擇了正確的激勵信號之后，就要選擇激勵方式了。本試驗擬采取激振器激勵方式。

激振器是附加在某些機械和設備上用以產生激振力的裝置，是產生機械振動的重要部件。激振器能使被激物件獲得一定形式和大小的振動量，從而對物體進行振動和強度試驗，或對振動測試儀器和傳感器進行校準。激振器還可作為激勵部件組成振動機械，用以實現物料或物件的輸送、篩分、密實、成型和土壤砂石的搗固等工作。按激勵型式的不同，激振器分為慣性式電動式、電磁式、電液式、氣動式和液壓式等型式。激振器激勵的主要優點是可以采用多種激勵信號，并且一次可以采集多個響應點的輸出信號，主要缺點是由于在車身上粘貼傳感器，會帶來附加質量的問題。

激振器的激勵點的選擇應遵循一下兩點：

（1）選在剛度較大且便于激振的地方；

（2）應避開結構模態節點或者支撐點，因此不宜選在對稱的平面上。

激振器至少2個，且相距盡量遠，激振器方向盡量保證車身機構各方向都有足夠激勵，可以通過測試激勵位置的互易性來調試信號以獲取理想的激振位置。一般選擇前后懸架安裝位置。激振發生器布置示意圖如圖3-4所示。

圖 3?4激振發生器布置示意圖

3.5 傳感器選型

激振器推力桿上的傳感器盡量選擇阻抗頭，這樣方便進行互易性檢查。不需要額外再粘貼加速度傳感器。

相對而言，激勵器法進行白車身模態試驗，測點的加速度響應不會超過2g，因此，可選用PCB356A16型三向加速度傳感器。如果該型號傳感器不夠，可混用356A26、356A25等型號的三向加速度傳感器。與傳感器相連的信號傳輸線要處于免受扭力、拉壓力作用的位置，以保證試驗數據采集的準確度。

3.6 數據采集

這一步又分為預采集和正式采集。預采集是為了確定合理的參數，包括采樣頻率、采集儀量程設置、采樣時長、如果是錘擊法需要確定觸發、如果是激振器法需要確定激勵信號、確定參考點位置等。將設備儀器按照一定的數序連接好后，由預先設定好的激振器激勵范圍輸入到軟件當中進行試驗前的預激勵。同時檢查各個通道的原點特性、線性特性、互易性、各輸入力信號之間的相關特性等。觀察和激勵點位置最遠處位置的響應點的頻響函數。如若信號較大或者較小時，都要調整激勵點的位置。

進行了相應的檢查之后，就可以正式采集了。正式采集完一組數據后，應立即從時域和頻域檢查測量數據，以防止某些測點測量數據出現問題。如果某些測點數據存在問題，應立即重測這些測點。分批測量時還應檢查各批數據的一致性。

3.4

3.7 數據分析

使用模態測試分析軟件處理采集數據，生成模態振型圖。

3.5

3.8 結果驗證

最后是驗證結果，對得到的模態結果進行驗證，驗證的目的是對模態參數估計得到結果的正確性進行檢驗。模態模型驗證可以按照三種級別進行，如下：

第一級驗證相當直觀，不涉及任何數學工具。對振型進行視覺檢查（這時經驗就顯得尤為重要了），或者把實測得到的頻響函數與從模態參數識別過程中綜合得出的頻響函數進行比較，這些都是這一級模態模型驗證的典型方法。

第二級驗證是利用某些數學工具來檢驗估計出來的模型的質量。比如模態判定準則（MAC），模態參預（MP），互易性，模態超復雜性，模態相位共線性，平均相位偏移，模態置信因子（MCF）等等。

第三級驗證是個部工具驗證：可以使用計算模型對試驗模型進行驗證，如相關性分析。

圖 3?6白車身模態試驗MAC矩陣各響應點的數值示意圖

3.9 其它注意事項

（1）導線兩端都需要編號。

（2）試驗過程中嚴禁觸碰車身或踩踏試驗導線。

（3）移動和粘貼傳感器的動作力度要小，以免引起車身運動過大導致力傳感器與結構脫開。

4. 總結

由于白車身結構的復雜性，模態比較豐富、密集。這就要求在進行模態試驗數據采集時，要特別注意支承方式、激勵方式、激勵點的選擇，以及測點的布置等影響模態分析結果的因素；保證采集的數據真實反映白車身的特性。運用各種參數識別方法提取模態參數，并且通過相互校核，保證獲取的參數能準確反映白車身的動態特性。結合研究目的，為進一步的分析和修改奠定基礎。