基于LMS Virtual.Lab的汽車內飾車身模態(tài)識別應用

    在汽車工程應用中，整備車身模態(tài)頻率和振型直接反映車身的動態(tài)性能，特別重要的是內飾車身（TB）級模態(tài)頻率的高低直接影響到其NVH性能。在某些模型中很難直接通過觀察模態(tài)振型動畫而準確識別出整車的一階重要模態(tài)即彎曲模態(tài)和扭轉模態(tài)，這些模態(tài)的高低在汽車項目分析的工作中尤其重要，會直接影響到整車的NVH性能。

2.模態(tài)識別理論

    模態(tài)分析是以振動理論為基礎、以模態(tài)參數(shù)為目標的分析方法。進一步說，振動結構模態(tài)分析是研究一般結構的系統(tǒng)物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關系，并通過一定手段確定這些系統(tǒng)模型的理論及其應用的一門學科。計算模態(tài)分析實際上是一種理論建模過程，主要是運用有限元法對振動結構進行離散，建立系統(tǒng)特征值問題的數(shù)學模型，用各種近似方法求解系統(tǒng)特征值和特征矢量。體現(xiàn)在CAE有限元模態(tài)分析上，就是模態(tài)計算結果的后處理即模態(tài)振型動畫顯示。

    模態(tài)識別是以模態(tài)參數(shù)模型為基礎，以模態(tài)參數(shù)為目標的系統(tǒng)識別。模態(tài)參數(shù)模型，以模態(tài)頻率、模態(tài)矢量（振型）和衰減系數(shù)為特征參數(shù)的數(shù)學模型，完整描述一個振動系統(tǒng)。因為模態(tài)參數(shù)較物理參數(shù)更能從整體上反映系統(tǒng)的動態(tài)固有特性，所以有進行模態(tài)參數(shù)識別是進行系統(tǒng)識別的基本要求，也是進行物理參數(shù)識別的基礎，許多問題實際上只做到模態(tài)識別即可達到目的，模態(tài)識別是模態(tài)分析的主要任務。模態(tài)識別主要是模態(tài)矢量（振型）的識別，分為頻域模態(tài)參數(shù)識別和時域模態(tài)參數(shù)識別，以頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）為基礎的參數(shù)識別稱為頻域模態(tài)參數(shù)識別；以時域信號（脈沖響應函數(shù)）為基礎的參數(shù)識別稱為時域模態(tài)參數(shù)識別。也就是常用的FRF與強迫脈沖單位力響應的模態(tài)識別方法，本文用于TB級模態(tài)識別是應用的強迫脈沖單位力響應的模態(tài)識別方法即以單位脈沖力激勵車身的到的響應進行分析的方法。

3.有限元模態(tài)識別方法

    目前在子系統(tǒng)與整車上普遍應用的模態(tài)識別方法，主要有以下四種方法：

    1. 直接觀察模態(tài)振型動畫識別重要模態(tài)；

    2. 子系統(tǒng)或板金結構局部截取分析；

    3. 頻率響應函數(shù)FRF(Frequency Response Function)；

    4. 強迫脈沖單位力響應函數(shù)（Forced Response Function）。

    方法一為直接觀察op2結果，對于解耦較好的結構完全可以憑動畫識別主要模態(tài)振型；

    方法二為子系統(tǒng)在局部振型出現(xiàn)識別干擾時，應用效果最好；

    方案三為導入op2結果文件LMS Virtual.Lab的Noise-vibration模塊中的FRF分析即可；

    方法四為導入op2結果文件LMS Virtual.Lab的Noise-vibration模塊定義脈沖單位力，應用Forced Response中的Modal-based Forced Response Case進行分析。在子系統(tǒng)中，在識別發(fā)動機懸置支架一階模態(tài)與轉向系統(tǒng)橫向模態(tài)和垂向模態(tài)等，根據實際情況應用前三中方法即可。

    方法四主要應用于白車身、內飾車身和整車的重要模態(tài)的識別即彎曲模態(tài)和扭轉模態(tài)的識別，由于其結構較子系統(tǒng)復雜，解耦程度較子系統(tǒng)難度高，識別重要模態(tài)較為困難，這些模態(tài)的識別對整車NVH性能的提升起著重要的作用。以下舉例內飾車身（TB）彎曲模態(tài)與扭轉模態(tài)的識別案例來說明該方法的應用。

4. 內飾車身模態(tài)識別的應用案例

    4.1 方法描述

    把TB計算結果op2導入LMS Virtual.Lab中，選擇Noise-vibration中的systerm analysis進行基于模態(tài)結果的強迫響應（Modal-based Forced Response Function）的四點法分析。該方法減少其它局部模態(tài)耦合的影響從而準確提取車身的典型模態(tài)即整車的一階彎曲和一階扭轉模態(tài)。具體方法是在車身的前縱梁前端靠近吸能盒和縱梁后端對稱位置選取四個點，如圖1所示。加載的載荷為0-100Hz脈沖垂向（Z向）單位力載荷，以前端和后端加載同向載荷查找彎曲模態(tài)，以對角線加載同向載荷另一對角線方向加載反方向的荷載查找扭轉模態(tài)，載荷和方向如下表1所示。 

圖1 模態(tài)識別加載位置示意圖

表1 載荷和方向

    彎曲模態(tài)與扭轉模態(tài)的識別是基于TB模態(tài)振型，輸入為0-100Hz垂向（Z向）單位激振載荷，響應為0-100Hz step0.1，結果為加速度輸出。使用New Function Display觀察實部（Real）或幅值（Amplitude）曲線識別模態(tài)，實部曲線有正負值，可反映出響應加速度的運動方向的不同，響應曲線峰值較高且四點同向，模態(tài)識別為彎曲模態(tài)，響應曲線峰值較高且對角線點同向臨點異向為扭轉模態(tài)；幅值曲線只有正值，響應曲線的峰值為識別標準。結合兩個曲線、對應的模態(tài)振動畫共同識別模態(tài)，查找出彎曲、扭轉模態(tài)。

    4.2 模態(tài)識別案例

    舉例兩個案例，在編輯阻尼上，案例一基于編輯阻尼的模態(tài)結果，案例二基于無阻尼的模態(tài)結果，借以研討其編輯阻尼的必要性。

    案例一

    如圖2所示，(a)為彎曲模態(tài)識別工況結果曲線，上曲線為幅值曲線，下曲線為實部曲線，在51Hz左右看到四個節(jié)點的響應都出現(xiàn)峰值且同向，對應模態(tài)振型動畫，判定50.4H為一階扭轉模態(tài)；(b)為扭轉模態(tài)識別工況結果曲線，在40.5Hz左右看到兩個明顯的峰值，四個節(jié)點的響應都出現(xiàn)峰值，兩個前點或兩個后點的響應值都是反向的。對應模態(tài)振型動畫，判定40.55HZ為一階扭轉模態(tài)。

圖2 模態(tài)識別曲線圖

    案例二

    采用在模態(tài)編輯中不編輯阻尼的方法來進行模態(tài)識別，不編輯阻尼可使結果曲線峰值容易識別，盤查實部結果曲線完成判別。如圖3所示，(a)為彎曲模態(tài)識別工況結果曲線，上曲線為幅值曲線，下曲線為實部曲線，在31.40Hz左右看到四個節(jié)點的響應都出現(xiàn)峰值且同向，對應模態(tài)振型動畫，判定31.40HZ為一階扭轉模態(tài)；(b)為扭轉模態(tài)識別工況結果曲線，在37.42Hz左右看到兩個明顯的峰值，四個節(jié)點的響應都出現(xiàn)峰值，兩個前點或兩個后點的響應值都是反向的。對應模態(tài)振型動畫，判定37.42HZ為一階扭轉模態(tài)。

圖3 模態(tài)識別曲線圖

5.總結

    本文闡述了模態(tài)參數(shù)識別的理論，總結了汽車子系統(tǒng)和整車級模態(tài)識別方法與應用。對于白車身級以上的結構較子系統(tǒng)復雜、解耦程度較子系統(tǒng)難度高、識別重要模態(tài)較為困難的模型，應用強迫脈沖響應函數(shù)進行模態(tài)識別，這些模態(tài)的識別對整車性能的控制起著重要的作用。以兩個內飾車身模態(tài)識別為例，該方法識別重要模態(tài)時有無編輯阻尼為對比，編輯阻尼的響應曲線圓滑，沒編輯阻尼的響應曲線尖銳。對于不同的結構，在判斷響應曲線模態(tài)特征上，根據具體情況選擇應用這兩種方法。