1. 试验目的

获得白车身的模态参数（固有频率、阻尼比、振型），为白车身有限元模型的优化设计提供参考。

2. 试验系统

试验系统由试验激振系统、数据采集系统和模态分析处理系统3大部分组成。其中试验激振系统包括信号发生模块、功率放大器和激振器；数据采集系统包括加速度传感器、力传感器、信号放大和智能采集系统。常用的激励信号包括瞬态冲击信号、正弦信号、随机信号、周期信号等。当试验开始激振器激励系统结构时，由于激励信号源的信号较弱，需要经过功率放大器将信号放大，推动激振器进行激振。经常用到的传感器为压电式三向加速度传感器。功率放大器的作用是增强传感器所产生的微弱信号，以便送至信号分析采集仪进行测量，中间连接线是各部分之间通讯正常的重要保障。试验系统所需设备如表2-1所示：

表格 2‑1实验系统所需设备表

系统		设备 数量
实验激振系统		吊具 1
	激振发生器 2
	功率放大器 2
	空气弹簧 4
数据采集系统		三向加速度传感器 15
	单向力传感器 4
	阻抗头 2
模态分析处理系统		采集系统相配套的模态分析处理软件 -

3. 试验方法

白车身模态是指仅仅只有车身，没有其它任何内饰或其它零部件，并且处于自由状态下的一种模态测试方式。

在试验的过程中我们需要对整车坐标X、Y、Z加以定义，规定：

（1）从汽车的车头到车尾的方向为X；

（2）从汽车主驾驶座椅到副驾驶座椅的方向为Y；

（3）从汽车地板到顶棚的方向为Z。

图 3‑1整车坐标示意图

当在粘贴传感器时应注意两个关键点：

（1）传感器坐标方向一定要和整车坐标方向垂直；

（2）传感器灵敏度在输入电脑时一定要注意单位的选择，切勿输入错误。

3.1 确定测点分布

在试验时，总共需布置100~200个试验测点。测点的选取应遵循以下几点：

（1）测点要整体描绘出试件的形状，一般悬在刚度较大、最能反映结构模态的位置。

（2）测点要尽可能清楚全面地反映车身0到100Hz的整体振动模态，同时要包括所有结构横梁连接点。

（3）测点应均匀对称分布在试件两侧，且数目不宜过少，如若数目偏少导致试验结果偏差较大。

（4）若测点布置于斜面上，需要对测点的X、Y、Z方向进行欧拉变换，否则会影响模态振型的识别结果。

（5）为了避免无法识别某一阶的模态参数，测点应避免选择的各阶振型的节点上。

3.2 建立几何模型

当将整个车身建成一个组件时，在模态软件中输入一定数量（如30个）的测点坐标之后，先进行连线操作，不然输入的测点过多，会导致分不清哪些点需要与哪些点相连。太多的测点会引起视角上的混乱。尽量使用已确定的测点位置来生成结构，或者某些测点无法进行测量，而生成结构又是必须的，那么可以通过软件中的合成功能实现，通过附近两个测点进行线性插值得到。生成结构时，结构上有一定的节点（用于表示结构）顺序，因此在测量时，注意测点号与这些节点的顺序一致，那么在施加约束时可以批处理。

图 3‑2白车身线面几何模型示意图

3.3 支撑方式的选择

为了能够真实的测量出实际结构输入和输出特性的试验数据，白车身支承方式的选择是非常重要的一点。通过对模态分析理论的学习可知：“在不同的边界条件下，同一结构将会计算出不同的数学模型，得到的模态参数将不尽相同，试验结果则直接影响模态测试的精度”。

目前通常采用的支撑方式有两种：固定支承和自由支承。

（1）固定支撑

把白车身上选择的某些点与地面联结，规定联结点的速度导纳为零，在模态分析时，可以适当的删去坐标，对理论的分析即可完成。在这里，规定的零速度导纳是一种近似的假设。例如汽车的前舱盖，它的连接方式及工作方式近似于根部的固定支撑方式，像这一类试件与已知导纳的简单构件联结在一起，将修改后的部件，再拿来做试验。之后，运用CAE软件进行后期的消除附加部件的影响处理。由于地面支撑不能通过连接体的引入，而引起局部刚度的加强。固定支撑的优势在于可以重复拆装试验构件，短时间内对试验数据的重复性进行校核。

（2）自由支撑

用弹性绳吊起白车身或者用空气弹簧支撑其白车身，近似得到自由支撑边界条件。对于不是很大的试件，采用这种支承的附加刚度和阻尼均很小，虽然会引起刚体模态，但试件的弹性模态受到的影响是可以忽略的。使用自由支撑的条件：“要求能够保证其自身刚体共振频率远低于第一阶弹性体共振频率（一般要求小于第一阶频率的10%～20%）”。自由支撑的缺点是在测量小阻尼试件时，悬架系统会产生附加的阻尼。

本试验拟采用的是自由支撑，用四个空气弹簧支撑起白车身如下图3-3所示。空气弹簧的气压为2.5个大气压强刚体模态为3Hz，远远低于一阶模态的32.4Hz，可以近似的认为是自由支撑。空气弹簧支撑示意图如图3-3所示。

图 3‑3空气弹簧支撑示意图

3.4 确定激励方式

目前国内外结构动态特性试验广泛采用宽频激励技术，如脉冲激励、阶跃激励、快速正弦扫描激励、猝发随机信号激励及正弦慢扫描激励。其中脉冲激励和多种随机信号激励最为常用。

现如今模态试验具有导向性趋势的试验方法往往是采用多通道输入的试验方法，此方法的优点是可以更好的把输入能量平均分配到整个试件当中。这种方法对于拥有较大结构的试件就显得尤为重要。此外，此测试方法还可以有效的避免由激励点恰巧选在某阶模态节点位置上所造成该阶模态丢失的情况。相对于包含有重根的试件结构而言，只有采用多通道输入的试验方法才能检测出这些重根。

对于激励信号的选择，本试验要求：

（1）信号需含有足够的频率成分；

（2）有足够的能量；

（3）足够的抗干扰能力。

根据本试验的要求，我们选择猝发随机信号为该试验的激励信号。猝发随机信号在开始阶段是纯随机信号，过一段时间的衰减后降低为零，系统的响应信号可以在信号采集时间结束之前减小为零或足够小。碎发随机信号具有以下特点：

（1）碎发随机信号的功率谱尽管不像其他随机信号平直，但是也没有显而易见的波动，产生的能量能够在很宽的频率范围内均匀的分布。

（2）碎发随机信号包括了周期信号的所有优点，它可以尽可能的降低或者避免能量损失带来的误差，可以计算出非线性系统最可靠的线性近似。

（3）对系统试件进行猝发随机信号激励时，再两次数据采集的间隙，即测试系统从上一次数据采集完的静止状态至下一次数据采集开始的启动状态是不需要等待时间的，使用该激励信号激励试件至少可以快2-3倍。

（4）与其他随机信号相比，碎发随机信号的最大的优点在于拥有良好的信噪比和峰值有效值，频带更加容易控制。这些因素是完全符合车身结构试验对激励信号的要求。

选择了正确的激励信号之后，就要选择激励方式了。本试验拟采取激振器激励方式。

激振器是附加在某些机械和设备上用以产生激振力的装置，是产生机械振动的重要部件。激振器能使被激物件获得一定形式和大小的振动量，从而对物体进行振动和强度试验，或对振动测试仪器和传感器进行校准。激振器还可作为激励部件组成振动机械，用以实现物料或物件的输送、筛分、密实、成型和土壤砂石的捣固等工作。按激励型式的不同，激振器分为惯性式电动式、电磁式、电液式、气动式和液压式等型式。激振器激励的主要优点是可以采用多种激励信号，并且一次可以采集多个响应点的输出信号，主要缺点是由于在车身上粘贴传感器，会带来附加质量的问题。

激振器的激励点的选择应遵循一下两点：

（1）选在刚度较大且便于激振的地方；

（2）应避开结构模态节点或者支撑点，因此不宜选在对称的平面上。

激振器至少2个，且相距尽量远，激振器方向尽量保证车身机构各方向都有足够激励，可以通过测试激励位置的互易性来调试信号以获取理想的激振位置。一般选择前后悬架安装位置。激振发生器布置示意图如图3-4所示。

图 3‑4激振发生器布置示意图

3.5 传感器选型

激振器推力杆上的传感器尽量选择阻抗头，这样方便进行互易性检查。不需要额外再粘贴加速度传感器。

相对而言，激励器法进行白车身模态试验，测点的加速度响应不会超过2g，因此，可选用PCB356A16型三向加速度传感器。如果该型号传感器不够，可混用356A26、356A25等型号的三向加速度传感器。与传感器相连的信号传输线要处于免受扭力、拉压力作用的位置，以保证试验数据采集的准确度。

3.6 数据采集

这一步又分为预采集和正式采集。预采集是为了确定合理的参数，包括采样频率、采集仪量程设置、采样时长、如果是锤击法需要确定触发、如果是激振器法需要确定激励信号、确定参考点位置等。将设备仪器按照一定的数序连接好后，由预先设定好的激振器激励范围输入到软件当中进行试验前的预激励。同时检查各个通道的原点特性、线性特性、互易性、各输入力信号之间的相关特性等。观察和激励点位置最远处位置的响应点的频响函数。如若信号较大或者较小时，都要调整激励点的位置。

进行了相应的检查之后，就可以正式采集了。正式采集完一组数据后，应立即从时域和频域检查测量数据，以防止某些测点测量数据出现问题。如果某些测点数据存在问题，应立即重测这些测点。分批测量时还应检查各批数据的一致性。

3.4

3.7 数据分析

使用模态测试分析软件处理采集数据，生成模态振型图。

3.5

3.8 结果验证

最后是验证结果，对得到的模态结果进行验证，验证的目的是对模态参数估计得到结果的正确性进行检验。模态模型验证可以按照三种级别进行，如下：

第一级验证相当直观，不涉及任何数学工具。对振型进行视觉检查（这时经验就显得尤为重要了），或者把实测得到的频响函数与从模态参数识别过程中综合得出的频响函数进行比较，这些都是这一级模态模型验证的典型方法。

第二级验证是利用某些数学工具来检验估计出来的模型的质量。比如模态判定准则（MAC），模态参预（MP），互易性，模态超复杂性，模态相位共线性，平均相位偏移，模态置信因子（MCF）等等。

第三级验证是个部工具验证：可以使用计算模型对试验模型进行验证，如相关性分析。

图 3‑6白车身模态试验MAC矩阵各响应点的数值示意图

3.9 其它注意事项

（1）导线两端都需要编号。

（2）试验过程中严禁触碰车身或踩踏试验导线。

（3）移动和粘贴传感器的动作力度要小，以免引起车身运动过大导致力传感器与结构脱开。

4. 总结

由于白车身结构的复杂性，模态比较丰富、密集。这就要求在进行模态试验数据采集时，要特别注意支承方式、激励方式、激励点的选择，以及测点的布置等影响模态分析结果的因素；保证采集的数据真实反映白车身的特性。运用各种参数识别方法提取模态参数，并且通过相互校核，保证获取的参数能准确反映白车身的动态特性。结合研究目的，为进一步的分析和修改奠定基础。