1 前言

電動(dòng)汽車振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源及傳遞路徑與內(nèi)燃機(jī)汽車差異較大，電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)特性研究對(duì)整車NVH控制具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展了大量研究。弓劍等[1]利用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)并基于應(yīng)變能分析對(duì)車身模態(tài)和質(zhì)量同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化；黃祖嚴(yán)[2]通過(guò)搭建白車身模態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展了某電動(dòng)汽車的模態(tài)試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性評(píng)價(jià)；雷正保等[3]考慮某電動(dòng)汽車車身碰撞時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了混合元拓?fù)鋬?yōu)化；徐陳運(yùn)等[4]對(duì)基于鋁合金前端結(jié)構(gòu)的白車身開(kāi)展了模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗(yàn)研究；Adl 等[5]利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)白車身進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前，電動(dòng)汽車白車身動(dòng)態(tài)特性的研究手段主要為計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真技術(shù)和傳統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)。隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)鋼、鋼鋁復(fù)合材料、碳纖維等在車身中的應(yīng)用逐漸增加，鉚接等新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用使模態(tài)試驗(yàn)的驗(yàn)證作用顯得更為重要。

傳統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)通過(guò)在待測(cè)結(jié)構(gòu)表面布置加速度振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)模態(tài)識(shí)別，測(cè)點(diǎn)數(shù)量受傳感器數(shù)量及數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備通道配置數(shù)量限制，測(cè)試效率有限；另外，傳感器的附加質(zhì)量容易對(duì)輕薄或弱剛度結(jié)構(gòu)樣件的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響[6]。激光測(cè)振是新興的非接觸式振動(dòng)測(cè)試技術(shù)，在微小、精密、輕薄、高溫物體的振動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以高效掃描多個(gè)測(cè)點(diǎn)，且不存在傳感器附加質(zhì)量對(duì)樣件的影響，能夠測(cè)量表面瞬態(tài)響應(yīng)、頻率及振型和應(yīng)力分布等，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)特性測(cè)試等領(lǐng)域[7]。但在汽車領(lǐng)域，三維激光測(cè)振技術(shù)在車身等大型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中的應(yīng)用研究較少。

本文采用三維掃描式激光測(cè)振儀測(cè)量某電動(dòng)汽車車身的固有頻率和振型，并將測(cè)試結(jié)果與采用加速度傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)獲得的振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比。

2 測(cè)振原理與應(yīng)用分析

激光測(cè)振技術(shù)以激光多普勒效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，被測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，激光測(cè)頭接收到的光波頻率發(fā)生變化，測(cè)量光波頻率的變化情況即可探測(cè)被測(cè)物體的振動(dòng)速度[8]。激光波頻移fD的表達(dá)式為：

式中：v為物體振動(dòng)的速度，λ為激光的波長(zhǎng)。

激光測(cè)振儀利用激光多普勒干涉儀計(jì)算頻移，激光多普勒干涉儀基于光的干涉原理，使光強(qiáng)分別為I1和I2的兩束相干光重合，相干后光的強(qiáng)度為：

式中：r1、r2分別為兩束干涉光的光程。

激光測(cè)振儀能測(cè)量位移和速度，其中位移解調(diào)結(jié)果適用于低頻運(yùn)動(dòng)測(cè)試，速度解調(diào)結(jié)果適用于高頻運(yùn)動(dòng)測(cè)試。

三維掃描式激光測(cè)振儀的核心結(jié)構(gòu)包括3臺(tái)獨(dú)立的高精度精密激光干涉儀。掃描時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出猝發(fā)掃頻（Burst Chirp）或猝發(fā)隨機(jī)（Burst Random）信號(hào)驅(qū)動(dòng)激振器工作，在掃描過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制3 束不同方向的激光始終聚焦在一點(diǎn)，由激光測(cè)振儀收集經(jīng)目標(biāo)散射返回的激光，干涉產(chǎn)生正比于目標(biāo)振動(dòng)速度的多普勒頻移信號(hào)，經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理后，將3個(gè)激光多普勒測(cè)振儀在激光束方向上測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)直角變換并分解到3 個(gè)坐標(biāo)方向，同時(shí)完成測(cè)量數(shù)據(jù)處理及多區(qū)域掃描數(shù)據(jù)的拼接，進(jìn)而擬合并輸出三維振型。測(cè)振系統(tǒng)可以在掃描過(guò)程中完成幾何建模、信號(hào)激勵(lì)、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和模態(tài)結(jié)果識(shí)別。

三維掃描式激光測(cè)振儀可以直接測(cè)量振動(dòng)速度，是獲取結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)和工作變形分析的有效手段。通過(guò)三維激光掃描儀自帶的三維測(cè)距功能和幾何建模功能，在掃描測(cè)振的同時(shí)測(cè)量所有測(cè)點(diǎn)的三維相對(duì)坐標(biāo)，構(gòu)建三維幾何模型。所有的振動(dòng)數(shù)據(jù)和幾何坐標(biāo)都可以體現(xiàn)在被測(cè)物體的正交坐標(biāo)系中。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的測(cè)試需要先進(jìn)行各單面的振動(dòng)測(cè)試，再根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將所有測(cè)試點(diǎn)拼接縫合，從而實(shí)現(xiàn)完整三維結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性測(cè)試。

3 測(cè)試系統(tǒng)搭建

本文的白車身模態(tài)測(cè)試激光測(cè)振系統(tǒng)原理如圖1所示。激光測(cè)振系統(tǒng)由激光數(shù)據(jù)采集及控制裝置、信號(hào)發(fā)生器、3 臺(tái)獨(dú)立的激光測(cè)振儀、功率放大器、激振器和力傳感器組成。

圖1 激光測(cè)振原理

為滿足白車身自由支撐狀態(tài)下的試驗(yàn)要求，采用4 個(gè)空氣彈簧分別支撐車身縱梁底部前、后方4個(gè)支撐點(diǎn)，通過(guò)改變空氣彈簧的氣壓調(diào)整白車身的狀態(tài)，使系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率遠(yuǎn)小于第1 階彈性體模態(tài)頻率。在車身縱梁左前和右后部位局部剛度大的位置布置2 個(gè)激振器作為激勵(lì)裝置，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2 路猝發(fā)隨機(jī)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后分別控制2個(gè)激振器激勵(lì)白車身。

本文采用的Polytec PSV-500 激光測(cè)振儀的最大振動(dòng)速度為30 m/s，頻率測(cè)量范圍為0～100 kHz，工作距離范圍為0.125～100 m，掃描角度范圍為50°×40°，角度分辨率為0.2°。試驗(yàn)過(guò)程中，3臺(tái)獨(dú)立高精度激光干涉儀同時(shí)工作，由計(jì)算機(jī)控制保證在掃描過(guò)程中3束激光始終聚焦在目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的同一位置。

針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大的測(cè)試樣件，受激光測(cè)振儀掃描角度及測(cè)試空間的限制，需分批實(shí)現(xiàn)多區(qū)域掃描，每批次掃描區(qū)域間設(shè)置公共點(diǎn)用于空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化并統(tǒng)一坐標(biāo)系，對(duì)多區(qū)域幾何和振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，完成幾何建模和數(shù)據(jù)采集，每個(gè)側(cè)面進(jìn)行一次測(cè)量。掃描完成后，后處理軟件自動(dòng)完成多區(qū)域掃描數(shù)據(jù)的拼接轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別

白車身模態(tài)測(cè)試時(shí)，設(shè)置分析頻率帶寬為256 Hz，頻率分辨率為0.125 Hz，數(shù)據(jù)平均采樣次數(shù)為30次，為了與傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在車身骨架部位共布置75個(gè)測(cè)點(diǎn)，激光頭依次對(duì)所有測(cè)點(diǎn)完成掃描測(cè)振。

為便于結(jié)果對(duì)比，避免模態(tài)分析算法導(dǎo)致的誤差，同時(shí)驗(yàn)證激光測(cè)振儀測(cè)試數(shù)據(jù)的兼容性，統(tǒng)一在LMS Test.Lab軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。

利用LMS Test.Lab 軟件對(duì)激光測(cè)振儀獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，利用PloyMAX 模態(tài)分析方法對(duì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析，生成模態(tài)穩(wěn)定圖，如圖2所示。結(jié)合指示函數(shù)指標(biāo)，從模態(tài)穩(wěn)定圖中識(shí)別出200 Hz 頻帶內(nèi)白車身的前8 階主要模態(tài)，傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法和三維激光測(cè)振方法獲得的前8階模態(tài)結(jié)果如表1所示。

表1 白車身模態(tài)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖2 模態(tài)穩(wěn)定圖

由表1 可知，2 種方法測(cè)得的白車身前8 階模態(tài)的固有頻率相對(duì)誤差不超過(guò)1.3%。以第4階模態(tài)振型為例，如圖3所示，兩者同一固有頻率下的模態(tài)振型基本一致。

圖3 2種方法第4階模態(tài)振型對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用三維激光測(cè)振方法進(jìn)行了電動(dòng)汽車白車身前8 階固有頻率和振型的測(cè)試，并與采用加速度振動(dòng)傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，2種方法測(cè)得的白車身前8階模態(tài)的固有頻率相對(duì)誤差不超過(guò)1.3%。

相較于傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法，三維激光測(cè)振方法測(cè)試效率更高，成本優(yōu)勢(shì)明顯，整體和局部模態(tài)可以在無(wú)附加質(zhì)量影響的條件下進(jìn)行，針對(duì)電動(dòng)汽車白車身模態(tài)頻率主要集中在100 Hz 以下的情況，可以通過(guò)增加測(cè)點(diǎn)密度的方式提高振型的清晰度。同時(shí)，三維激光測(cè)振技術(shù)存在受光學(xué)特性限制、只能測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)外表面的振動(dòng)、對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及被遮擋區(qū)域的振動(dòng)測(cè)試效果不理想等問(wèn)題，且激光掃描頭視角范圍有限，對(duì)于大尺寸樣品需通過(guò)分批多次測(cè)量實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體場(chǎng)景選擇合適的模態(tài)測(cè)試方法。

轉(zhuǎn)自：汽車材料網(wǎng)

來(lái)源：期刊-《汽車工程師》

作者：孔劍 許玉成 陸尚杰 王賀（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學(xué)習(xí)之用，如涉及版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)您告知，我們將及時(shí)處理。