屠翔宇，严　莉，朱志勇，杨文华

（1.上海交通大学 振动、冲击、噪声研究所，上海 200240；2.亚普汽车部件股份有限公司，江苏 扬州 225000）



汽车燃油箱模态仿真分析及试验验证

屠翔宇1，严莉1，朱志勇2，杨文华2

（1.上海交通大学 振动、冲击、噪声研究所，上海 200240；2.亚普汽车部件股份有限公司，江苏 扬州 225000）

汽车刹车时燃油箱内油液晃动产生的噪声会通过空气以及车身结构传递到车厢内，使驾驶员和乘客感到不适。了解油箱的振动特性有助于研究油箱的噪声传递特性。利用Hyper Mesh有限元软件对某型号油箱进行模态仿真分析，计算油箱的自由模态，得到油箱前5阶模态的固有频率和振型。对油箱进行模态试验分析，将所得结果与仿真分析的结果对比，固有频率和振型的吻合验证了油箱有限元模型的正确性。根据模态振型，挑选出油箱表面的典型振动测点，为后续油箱振动测试实验提供依据。

振动与波；燃油箱；模态分析；固有频率；模态振型

汽车刹车时燃油箱内油液晃动产生的噪声会通过空气以及车身结构传递到车厢内，使驾驶员和乘客感到不适［1］。燃油晃动噪声主要包括油箱内油液拍打油箱壁面产生的噪声和油箱内油液晃动产生的噪声两种类型，两类噪声的本质都是油液晃动激励油箱壳体使之以振动的形式向外辐射噪声［2］。为了研究燃油晃动噪声的传递特性，需要了解油箱本身的振动特性。工程上通常采用有限元模型来研究振动问题，油箱的有限元模型较为复杂，且考虑到实际加工误差，有限元模型的正确性有待验证。

模态分析是以振动理论为基础的分析方法，是机械与结构动力学中重要的分析方法，在工程振动领域有着广泛的应用。文中对某款型号的油箱进行了有限元模态仿真分析和模态试验分析［3-5］，验证了油箱有限元模型的正确性，确定了油箱前5阶模态的固有频率和振型，这为燃油晃动噪声传递特性的分析提供了基础。分析模态振型，确定油箱的主要振动位置，为后续与油箱相关的振动声学实验研究中振动测点的选择提供了依据，并通过油箱敲击实验验证了油箱辐射声与所选择测点振动的关系。

1　模态分析基础

模态分析是将线性时不变系统的振动微分方程组中的物理坐标通过坐标变换转换为模态坐标，使原有的微分方程组解耦，并用模态坐标及模态参数描述变换后的独立方程组。模态分析的目标是确定系统的模态参数，为系统的结构振动分析、故障诊断、动力特性的优化提供依据［6-7］。

根据研究模态分析的方法和手段不同，可以将模态分析分为模态仿真分析和模态实验分析。模态仿真分析方法主要是通过有限元软件分析，从几何特性和材料特性的参数出发，用有限元法离散结构振动系统，通过求解系统特征值确定模态质量、模态刚度、模态阻尼、模态向量等模态参数。通常设计中，计算模型和物体的实际结构有误差，模型材料参数与实际也有误差，通过有限元软件仿真计算出的结果不一定完全准确。因此，一般要对结构进行模态实验分析，可以正确确定结构的振动特性。通过模态实验结果与仿真结果的对比分析可以确定结构有限元模型是否正确，并根据实验结果对仿真分析模型进行修改完善。

2　油箱模态仿真分析

使用的有限元分析软件是Hyper Mesh，利用该软件完成油箱的有限元网格划分以及结构模态计算的工作。

2.1有限元模型的建立

将在CATIA软件中建立的油箱三维模型导入到Hyper Mesh有限元软件中。由于油箱的形状结构非常复杂，为了便于有限元网格的划分，对油箱的有限元模型进行了如下简化处理：

（1）油箱上面的油泵安装孔、注油通气管道、注油管孔等对计算精度影响不大，予以忽略；

（2）将油箱视为一个整体，并忽略其板间焊缝、圆角等特征；

（3）将油箱视为厚度均匀的封闭箱体，忽略其壁厚变化。油箱属于薄壁结构件，整体上厚度较为均匀，故对油箱模型进行2D单元网格划分，网格类型为四边形与三角形的混合类型。整个油箱有限元模型由67 816个壳单元、65 837个节点组成，见图1。

将油箱的尺寸特征和材料属性赋予划分好的网格单元。油箱的平均厚度5 mm。油箱材料为复合多层板材料，设置材料属性，密度取为945 kg/m3，弹性模量取为1 237 Mpa，泊松比取为0.4。

图1　油箱有限元模型

运用Opti Struct求解器计算油箱的自由模态。用Hyper View观察模态分析结果。前6阶为油箱的刚体模态，油箱的模态从分析结果的第7阶开始。由于载荷的频率一般较低，对油箱运动起主导作用的是前几阶模态，文中关注油箱的前5阶模态。

2.2有限元分析结果

根据有限元模型进行自由模态的计算，得到油箱模态的固有频率和振型。前5阶模态的固有频率见表1，模态振型图见图2。

表1　油箱前5阶模态固有频率

图2　油箱前5阶模态仿真振型图

油箱前5阶模态固有频率范围为37.5 Hz～85.1 Hz。由油箱的前5阶模态振型图可以看到，油箱的主要振动区域在上下两个面上。

3　油箱模态试验分析

在进行油箱模态仿真分析时，由于油箱的结构形状较为复杂，为了方便网格的划分，对它的有限元模型作了一些简化处理。同时考虑油箱的材料为高分子复合材料，实际生产过程中其力学参数未必与理论值完全一致，这些因素可能导致模态仿真分析的结果出现误差。因此，需要对油箱进行模态试验分析，并和仿真分析的结果进行对比验证。油箱模态试验分析是对油箱壳体进行激励，测量激振力和油箱表面的振动响应，由激振力和响应求得频响函数矩阵，再进行模态识别确定其模态参数。

3.1试验设计

考虑到油箱的体积较大，需要布置的振动测点较多，采用单点激励多点拾取的方法进行模态测试试验，即对油箱某一固定点进行激励，采集多个振动测点的响应信号。

对油箱的自由模态进行测试，将油箱用四根橡皮绳悬挂在刚性支架上。油箱随橡皮绳振动的频率为1 Hz～2 Hz，远远低于油箱第1阶模态的固有频率，所以可以认为用橡皮绳固定的油箱处于自由状态。由于油箱本身质量较大，用橡皮绳悬挂并不算稳定，故不往油箱内添加油液，直接对空油箱进行模态测试，结果与空油箱的有限元仿真结果进行对比验证。

试验的信号采集仪器为LMS 32通道数据采集前端，与之配对的软件为LMS Test.Lab。采用激振器作为激励源，配备功率放大器。激振器顶杆前端为力传感器。油箱表面振动测点布置三向振动加速度传感器。试验仪器的连接示意图见图3。

图3　油箱模态试验仪器连接示意图

实验之前要选好振动测点和激励点的位置。振动测点的选择要求能够反映油箱几何构型，且避开油箱的振动节点。在油箱上挑选好点的位置并贴标签纸做好记号。一共在油箱壳体表面选取了119个测试点。

图4　油箱模态试验现场图

3.2试验结果分析

由模态试验得到油箱的前5阶模态的固有频率，并与仿真结果比较，见表2。可以看到前4阶模态固有频率的误差百分比都在10%以内，第5阶误差为12.9%，总体上模态仿真分析与测试的结果比较吻合，两者相互验证说明了模态分析结果的正确性。

油箱测试模态振型图见图6。可以看到油箱振动较大的区域主要在上下两个表面，这与仿真的结果一致，且前5阶模态测试振型与仿真振型的主要振动区域大致一致。模态实验的结果与仿真结果的一致也说明了油箱有限元模型的正确性，为后续对油箱进行声学振动相关的仿真分析提供了基础。

表2　油箱前5阶模态固有频率的仿真值与实测值

图6　油箱前5阶测试模态

4　油箱典型振动测点选择与验证

根据油箱模态振型的仿真和试验的结果对比，挑选振动响应较大的位置作为典型振动测点，为后续油箱振动声学实验的测点选择提供依据。挑选的5个振动测点见图7。

图7　油箱振动测点选择示意图

根据模态实验挑选出的振动测点，设计力锤敲击实验验证油箱辐射声与这些测点振动的相关性，以此判定振动测点选择的正确性。

实验地点在半消声室内。将油箱放置在刚性台架上，与台架用减振垫隔开。油箱表面5处振动测点位置布置三向加速度传感器，并在油箱的前、右、后、左以及上方布置传声器，传声器位置距离油箱50 cm。用力锤敲击油箱表面使之发声，传声器和加速度传感器分别记录声压和油箱振动信息。实验现场见图8。

图8　油箱力锤敲击实验

计算油箱表面各测点振动加速度和受声点声压的相干系数，见图9。可以看到在200 Hz以下的频段，油箱噪声声压和振动测点加速度相干系数大都在0.8以上，说明油箱向外辐射的噪声与这些油箱测点位置的振动完全相关，因此可以用这些测点可以代表油箱的振动情况研究油箱声学问题。

5　结语

图9　油箱振动测点加速度与受声点声压相干系数

为了研究汽车燃油箱的振动特性，对油箱作了模态仿真分析和模态试验分析。将油箱的三维数据模型导入到Hyper Mesh有限元处理软件，计算自由模态，得到油箱前5阶模态的固有频率和振型。然后对油箱进行模态试验，得到油箱的试验模态，并与仿真分析的结果对比。油箱模态分析可以得到以下结论：

（1）油箱模态仿真分析与实验分析一致的结果验证了油箱有限元模型的正确性，为油箱振动问题的有限元分析提供了依据。

（2）根据模态振型，从油箱上下两个表面挑选振动响应较大的位置作为典型振动测点，为后续油箱振动声学实验的测点选择提供依据，并通过油箱敲击实验验证了测点选择的正确性。

［1］林逸，马天飞.汽车HVH特性研究综述［J］.汽车工程，2002，24（3）：177-181.

［2］董彧.汽车燃油箱降噪的稳健设计优化［D］.上海：上海交通大学，2011.

［3］张峰，杨鸿，杨岩.发动机机油盘自由模态分析及试验验证［J］.噪声与振动控制，2015，35（1）：15-17

［4］杨猛，徐新喜，白松，等.涡旋压缩机模态试验与有限元分析［J］.噪声与振动控制，2013，33（6）：48-51

［5］梁君，赵登峰.模态分析方法综述［J］.现代制造工程，2006，08：139-141.

［6］傅志方，华宏星.模态分析理论与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2000.

［7］HELEN WARD.模态分析理论与试验［M］.白化同，郭继忠译.北京：北京理工大学出版社，2001.

Modal SimulationAnalysis and Experimental Verification of Automotive Fuel Tanks

TU Xiang-yu1，YANLi1，ZHU Zhi-yong2，YANG Wen-hua2

（1.Institute of Vibration，Shock and Noise Research，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.YAPPAutomotive Parts Co.Ltd.，Yangzhou 225000，Jiangsu China）

The sloshing noise in the fuel tank after braking can transfer into the car through the air and structure，making drivers and passengers uncomfortable.Learning the vibration performance of the tank is helpful for study of the transmission characteristics of the fuel tank sloshing noise.In this paper，the Hyper Mesh code is applied to the modal simulation analysis of the tank.The first five-order natural frequencies and modals are obtained.Test results obtained through the experimental modal analysis are compared with the simulation results，and the accuracy of the modal simulation analysis is verified.According to the modal shapes，typical vibration measurement points are picked out for the follow-up tank vibration measurement tests.

vibration and wave；fuel tank；modal analysis；natural frequency；modal shape

TB532；TK417+.127；O241.82

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.019

1006-1355（2016）04-0088-04

2015-12-08

屠翔宇（1991-），男，江苏省扬州市人，硕士生，主要研究方向为汽车NVH。

严莉，女，博士。E-mail:yanli@sjtu.edu.cn