1 前言

電動汽車振動噪聲的激勵源及傳遞路徑與內燃機汽車差異較大，電動汽車車身結構模態(tài)特性研究對整車NVH控制具有重要意義。

國內外研究人員針對電動汽車車身結構動態(tài)特性開展了大量研究。弓劍等[1]利用多目標優(yōu)化技術并基于應變能分析對車身模態(tài)和質量同時進行了優(yōu)化；黃祖嚴[2]通過搭建白車身模態(tài)試驗臺架開展了某電動汽車的模態(tài)試驗，并對其進行了動態(tài)特性評價；雷正保等[3]考慮某電動汽車車身碰撞時的動態(tài)特性進行了混合元拓撲優(yōu)化；徐陳運等[4]對基于鋁合金前端結構的白車身開展了模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗研究；Adl 等[5]利用多目標優(yōu)化方法對白車身進行了優(yōu)化設計。

目前，電動汽車白車身動態(tài)特性的研究手段主要為計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真技術和傳統(tǒng)的模態(tài)試驗技術。隨著輕量化技術的發(fā)展，高強鋼、鋼鋁復合材料、碳纖維等在車身中的應用逐漸增加，鉚接等新工藝和新技術的應用使模態(tài)試驗的驗證作用顯得更為重要。

傳統(tǒng)的模態(tài)試驗通過在待測結構表面布置加速度振動傳感器實現(xiàn)模態(tài)識別，測點數(shù)量受傳感器數(shù)量及數(shù)據采集硬件設備通道配置數(shù)量限制，測試效率有限；另外，傳感器的附加質量容易對輕薄或弱剛度結構樣件的測試結果產生負面影響[6]。激光測振是新興的非接觸式振動測試技術，在微小、精密、輕薄、高溫物體的振動探測領域有獨特技術優(yōu)勢，可以高效掃描多個測點，且不存在傳感器附加質量對樣件的影響，能夠測量表面瞬態(tài)響應、頻率及振型和應力分布等，已廣泛應用于航空發(fā)動機葉片振動特性測試等領域[7]。但在汽車領域，三維激光測振技術在車身等大型復雜三維結構的動態(tài)特性測試中的應用研究較少。

本文采用三維掃描式激光測振儀測量某電動汽車車身的固有頻率和振型，并將測試結果與采用加速度傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗獲得的振動特性進行對比。

2 測振原理與應用分析

激光測振技術以激光多普勒效應原理為基礎，被測結構振動時，激光測頭接收到的光波頻率發(fā)生變化，測量光波頻率的變化情況即可探測被測物體的振動速度[8]。激光波頻移fD的表達式為：

式中：v為物體振動的速度，λ為激光的波長。

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

式中：r1、r2分別為兩束干涉光的光程。

激光測振儀能測量位移和速度，其中位移解調結果適用于低頻運動測試，速度解調結果適用于高頻運動測試。

三維掃描式激光測振儀的核心結構包括3臺獨立的高精度精密激光干涉儀。掃描時，信號發(fā)生器發(fā)出猝發(fā)掃頻（Burst Chirp）或猝發(fā)隨機（Burst Random）信號驅動激振器工作，在掃描過程中，計算機控制3 束不同方向的激光始終聚焦在一點，由激光測振儀收集經目標散射返回的激光，干涉產生正比于目標振動速度的多普勒頻移信號，經模數(shù)（A/D）轉換后，經過數(shù)據采集及數(shù)據處理后，將3個激光多普勒測振儀在激光束方向上測得的振動數(shù)據直角變換并分解到3 個坐標方向，同時完成測量數(shù)據處理及多區(qū)域掃描數(shù)據的拼接，進而擬合并輸出三維振型。測振系統(tǒng)可以在掃描過程中完成幾何建模、信號激勵、振動數(shù)據采集和模態(tài)結果識別。

三維掃描式激光測振儀可以直接測量振動速度，是獲取結構振動模態(tài)和工作變形分析的有效手段。通過三維激光掃描儀自帶的三維測距功能和幾何建模功能，在掃描測振的同時測量所有測點的三維相對坐標，構建三維幾何模型。所有的振動數(shù)據和幾何坐標都可以體現(xiàn)在被測物體的正交坐標系中。

復雜結構件的測試需要先進行各單面的振動測試，再根據坐標轉換將所有測試點拼接縫合，從而實現(xiàn)完整三維結構的振動特性測試。

3 測試系統(tǒng)搭建

本文的白車身模態(tài)測試激光測振系統(tǒng)原理如圖1所示。激光測振系統(tǒng)由激光數(shù)據采集及控制裝置、信號發(fā)生器、3 臺獨立的激光測振儀、功率放大器、激振器和力傳感器組成。

圖1 激光測振原理

為滿足白車身自由支撐狀態(tài)下的試驗要求，采用4 個空氣彈簧分別支撐車身縱梁底部前、后方4個支撐點，通過改變空氣彈簧的氣壓調整白車身的狀態(tài)，使系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率遠小于第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 個激振器作為激勵裝置，通過信號發(fā)生器產生2 路猝發(fā)隨機信號，經功率放大器放大后分別控制2個激振器激勵白車身。

本文采用的Polytec PSV-500 激光測振儀的最大振動速度為30 m/s，頻率測量范圍為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°。試驗過程中，3臺獨立高精度激光干涉儀同時工作，由計算機控制保證在掃描過程中3束激光始終聚焦在目標測點的同一位置。

針對結構復雜、體積較大的測試樣件，受激光測振儀掃描角度及測試空間的限制，需分批實現(xiàn)多區(qū)域掃描，每批次掃描區(qū)域間設置公共點用于空間坐標轉化并統(tǒng)一坐標系，對多區(qū)域幾何和振動數(shù)據進行拼接，完成幾何建模和數(shù)據采集，每個側面進行一次測量。掃描完成后，后處理軟件自動完成多區(qū)域掃描數(shù)據的拼接轉化。

4 結構模態(tài)參數(shù)識別

白車身模態(tài)測試時，設置分析頻率帶寬為256 Hz，頻率分辨率為0.125 Hz，數(shù)據平均采樣次數(shù)為30次，為了與傳統(tǒng)模態(tài)試驗結果進行對比，在車身骨架部位共布置75個測點，激光頭依次對所有測點完成掃描測振。

為便于結果對比，避免模態(tài)分析算法導致的誤差，同時驗證激光測振儀測試數(shù)據的兼容性，統(tǒng)一在LMS Test.Lab軟件中進行模態(tài)分析。

利用LMS Test.Lab 軟件對激光測振儀獲得的數(shù)據進行模態(tài)識別，利用PloyMAX 模態(tài)分析方法對振動響應信號進行模態(tài)分析，生成模態(tài)穩(wěn)定圖，如圖2所示。結合指示函數(shù)指標，從模態(tài)穩(wěn)定圖中識別出200 Hz 頻帶內白車身的前8 階主要模態(tài)，傳統(tǒng)模態(tài)試驗方法和三維激光測振方法獲得的前8階模態(tài)結果如表1所示。

表1 白車身模態(tài)測量結果對比

圖2 模態(tài)穩(wěn)定圖

由表1 可知，2 種方法測得的白車身前8 階模態(tài)的固有頻率相對誤差不超過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)振型對比

5 結束語

本文采用三維激光測振方法進行了電動汽車白車身前8 階固有頻率和振型的測試，并與采用加速度振動傳感器的傳統(tǒng)模態(tài)試驗結果進行對比，結果表明，2種方法測得的白車身前8階模態(tài)的固有頻率相對誤差不超過1.3%。

相較于傳統(tǒng)模態(tài)試驗方法，三維激光測振方法測試效率更高，成本優(yōu)勢明顯，整體和局部模態(tài)可以在無附加質量影響的條件下進行，針對電動汽車白車身模態(tài)頻率主要集中在100 Hz 以下的情況，可以通過增加測點密度的方式提高振型的清晰度。同時，三維激光測振技術存在受光學特性限制、只能測量被測結構外表面的振動、對內部結構及被遮擋區(qū)域的振動測試效果不理想等問題，且激光掃描頭視角范圍有限，對于大尺寸樣品需通過分批多次測量實現(xiàn)。在實際應用中，可根據具體場景選擇合適的模態(tài)測試方法。

轉自：汽車材料網

來源：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：文章版權歸原作者所有，本文僅供交流學習之用，如涉及版權等問題，請您告知，我們將及時處理。