基于LMS Virtual.Lab的汽车内饰车身模态识别应用

    在汽车工程应用中，整备车身模态频率和振型直接反映车身的动态性能，特别重要的是内饰车身（TB）级模态频率的高低直接影响到其NVH性能。在某些模型中很难直接通过观察模态振型动画而准确识别出整车的一阶重要模态即弯曲模态和扭转模态，这些模态的高低在汽车项目分析的工作中尤其重要，会直接影响到整车的NVH性能。

2.模态识别理论

    模态分析是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。进一步说，振动结构模态分析是研究一般结构的系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。计算模态分析实际上是一种理论建模过程，主要是运用有限元法对振动结构进行离散，建立系统特征值问题的数学模型，用各种近似方法求解系统特征值和特征矢量。体现在CAE有限元模态分析上，就是模态计算结果的后处理即模态振型动画显示。

    模态识别是以模态参数模型为基础，以模态参数为目标的系统识别。模态参数模型，以模态频率、模态矢量（振型）和衰减系数为特征参数的数学模型，完整描述一个振动系统。因为模态参数较物理参数更能从整体上反映系统的动态固有特性，所以有进行模态参数识别是进行系统识别的基本要求，也是进行物理参数识别的基础，许多问题实际上只做到模态识别即可达到目的，模态识别是模态分析的主要任务。模态识别主要是模态矢量（振型）的识别，分为频域模态参数识别和时域模态参数识别，以频响函数（传递函数）为基础的参数识别称为频域模态参数识别；以时域信号（脉冲响应函数）为基础的参数识别称为时域模态参数识别。也就是常用的FRF与强迫脉冲单位力响应的模态识别方法，本文用于TB级模态识别是应用的强迫脉冲单位力响应的模态识别方法即以单位脉冲力激励车身的到的响应进行分析的方法。

3.有限元模态识别方法

    目前在子系统与整车上普遍应用的模态识别方法，主要有以下四种方法：

    1. 直接观察模态振型动画识别重要模态；

    2. 子系统或板金结构局部截取分析；

    3. 频率响应函数FRF(Frequency Response Function)；

    4. 强迫脉冲单位力响应函数（Forced Response Function）。

    方法一为直接观察op2结果，对于解耦较好的结构完全可以凭动画识别主要模态振型；

    方法二为子系统在局部振型出现识别干扰时，应用效果最好；

    方案三为导入op2结果文件LMS Virtual.Lab的Noise-vibration模块中的FRF分析即可；

    方法四为导入op2结果文件LMS Virtual.Lab的Noise-vibration模块定义脉冲单位力，应用Forced Response中的Modal-based Forced Response Case进行分析。在子系统中，在识别发动机悬置支架一阶模态与转向系统横向模态和垂向模态等，根据实际情况应用前三中方法即可。

    方法四主要应用于白车身、内饰车身和整车的重要模态的识别即弯曲模态和扭转模态的识别，由于其结构较子系统复杂，解耦程度较子系统难度高，识别重要模态较为困难，这些模态的识别对整车NVH性能的提升起着重要的作用。以下举例内饰车身（TB）弯曲模态与扭转模态的识别案例来说明该方法的应用。

4. 内饰车身模态识别的应用案例

    4.1 方法描述

    把TB计算结果op2导入LMS Virtual.Lab中，选择Noise-vibration中的systerm analysis进行基于模态结果的强迫响应（Modal-based Forced Response Function）的四点法分析。该方法减少其它局部模态耦合的影响从而准确提取车身的典型模态即整车的一阶弯曲和一阶扭转模态。具体方法是在车身的前纵梁前端靠近吸能盒和纵梁后端对称位置选取四个点，如图1所示。加载的载荷为0-100Hz脉冲垂向（Z向）单位力载荷，以前端和后端加载同向载荷查找弯曲模态，以对角线加载同向载荷另一对角线方向加载反方向的荷载查找扭转模态，载荷和方向如下表1所示。 

图1 模态识别加载位置示意图

表1 载荷和方向

    弯曲模态与扭转模态的识别是基于TB模态振型，输入为0-100Hz垂向（Z向）单位激振载荷，响应为0-100Hz step0.1，结果为加速度输出。使用New Function Display观察实部（Real）或幅值（Amplitude）曲线识别模态，实部曲线有正负值，可反映出响应加速度的运动方向的不同，响应曲线峰值较高且四点同向，模态识别为弯曲模态，响应曲线峰值较高且对角线点同向临点异向为扭转模态；幅值曲线只有正值，响应曲线的峰值为识别标准。结合两个曲线、对应的模态振动画共同识别模态，查找出弯曲、扭转模态。

    4.2 模态识别案例

    举例两个案例，在编辑阻尼上，案例一基于编辑阻尼的模态结果，案例二基于无阻尼的模态结果，借以研讨其编辑阻尼的必要性。

    案例一

    如图2所示，(a)为弯曲模态识别工况结果曲线，上曲线为幅值曲线，下曲线为实部曲线，在51Hz左右看到四个节点的响应都出现峰值且同向，对应模态振型动画，判定50.4H为一阶扭转模态；(b)为扭转模态识别工况结果曲线，在40.5Hz左右看到两个明显的峰值，四个节点的响应都出现峰值，两个前点或两个后点的响应值都是反向的。对应模态振型动画，判定40.55HZ为一阶扭转模态。

图2 模态识别曲线图

    案例二

    采用在模态编辑中不编辑阻尼的方法来进行模态识别，不编辑阻尼可使结果曲线峰值容易识别，盘查实部结果曲线完成判别。如图3所示，(a)为弯曲模态识别工况结果曲线，上曲线为幅值曲线，下曲线为实部曲线，在31.40Hz左右看到四个节点的响应都出现峰值且同向，对应模态振型动画，判定31.40HZ为一阶扭转模态；(b)为扭转模态识别工况结果曲线，在37.42Hz左右看到两个明显的峰值，四个节点的响应都出现峰值，两个前点或两个后点的响应值都是反向的。对应模态振型动画，判定37.42HZ为一阶扭转模态。

图3 模态识别曲线图

5.总结

    本文阐述了模态参数识别的理论，总结了汽车子系统和整车级模态识别方法与应用。对于白车身级以上的结构较子系统复杂、解耦程度较子系统难度高、识别重要模态较为困难的模型，应用强迫脉冲响应函数进行模态识别，这些模态的识别对整车性能的控制起着重要的作用。以两个内饰车身模态识别为例，该方法识别重要模态时有无编辑阻尼为对比，编辑阻尼的响应曲线圆滑，没编辑阻尼的响应曲线尖锐。对于不同的结构，在判断响应曲线模态特征上，根据具体情况选择应用这两种方法。