卓建明（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

某客车车身结构模态与声腔模态分析

卓建明
（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

以某客车白车身为研究对象，采用模态试验的方法，测得在自由状态下的结构模态；同时采用HyperMesh软件建立车身有限元模型，通过求解得出声腔模态。综合车身结构模态、声腔模态结果对客车车身结构特性进行评价。

客车车身；结构模态；声腔模态；测试；仿真

车身是汽车振动与噪声传递的通道。客车车身结构为复杂的薄壁空间结构，来自于路面激励、发动机振动等引起的车身壁板振动而辐射出来的结构低频噪声在车内噪声中占主要地位。因此，车身系统在整车NVH特性的研究中占有很重要的地位[1]。

在客车车身设计之初，对白车身结构模态、声腔模态进行分析，通过掌握车身结构、车内声腔模态频率和振型，在设计过程中根据各系统激励频率、车内声腔模态频率等合理匹配车身结构模态，避免车身结构振动导致共振，达到合理设计车内噪声振动特性。本文以某客车白车身为研究对象，采用模态试验的方法，测得在自由状态下的结构模态，同时采用HyperMesh软件建立车身有限元模型，通过求解得出声腔模态。综合车身结构模态、声腔模态测试结果，分析其对整车噪声振动的影响，对客车车身结构特性进行评价。

1 结构模态试验

1.1 试验模态分析方法

试验模态分析是通过现场试验的方式将采集得到的结果进行一系列的计算分析，最终获得模态参数的过程，而模态参数获取的准确性十分重要。现在广泛应用的模态分析方法（LSCE法[2]）是一种时域分析方法，在处理频率较高且模态密集的系统时易于产生虚假模态，其稳态图较混乱，模态定阶较难，效果较差，难以取得较理想的结果。LMS公司开发的PolyMAX法是一种全新的频域方法，该方法既适用于弱阻尼也适用于强阻尼密集模态系统，即便是未得到充分激励的模态也能良好地识别出来。本文通过采用PolyMAX模态分析方法，获取车身结构模态参数。

1.2 模态测试过程

在某白车身上布置了178个测点，并建立起如图1所示的几何模型[3]。采用6个空气弹簧分别在空气悬架气囊安装位置将车身骨架支撑起来，空气弹簧的刚度通过调节气压的大小进行控制。使一阶弹性模态的频率是最高刚体模态频率的3～5倍，此时白车身近似处于自由状态。本次试验试件刚体模态最高频率在4.285 Hz，弹性模态的最低频率在12.26 Hz左右，满足试验条件要求[4-5]。

图1 白车身测试几何模型

试验采用白噪声作为激励信号，经功率放大器后由激振器对车身前后两个激励点进行激励，激励的大小应该能激发出测量频带内的模态。白噪声信号属于纯随机激励信号，每组试验25次作平均后可消减测试中所引起的各种噪声干扰。采样频率范围为0～128 Hz，频率分辨率为0.25 Hz。试验过程中对各测点在X、Y、Z三个方向的加速度进行分批次拾振。

1.3 模态测试结果

试验测量的相干性系数曲线如图2所示，试验数据分析带宽取为2～50 Hz，在分析带宽范围内相干系数都在0.9以上，说明输入和输出信号之间存在很好的线性关系，试验满足要求，测试系统是正确可靠的[6]。

图2 相干性系数曲线

应用多参考最小二乘频域法进行模态参数识别，在拟合的频率响应曲线上建立稳态图，如图3所示。图中横轴为频率轴，左纵轴为频率响应函数轴，通过识别“s”较多的频率值作为车身结构的估计模态频率，再查看估计模态频率值对应的模态振型以最终确定[7]。白车身结构模态的前六阶模态频率和模态振型描述见表1。

图3 模态试验稳态图

表1 车身结构模态频率测试结果

2 声腔模态仿真分析

2.1 声腔有限元模型的建立

声腔模态的仿真计算存在以下几条假设：车内流体是可压缩的，同时是连续和均匀的；没有声扰动的时候，介质是静态的；声音在传播过程中，介质的稠密和稀疏过程是绝热的；介质中传递的是小振幅声波，即声压远小于静态声压[8]。

基于以上假设，通过HyperMesh有限元分析软件导入车身结构模型，提取车厢内部与空气接触的表面，以形成一个密闭的声学空腔，同时在不影响计算精度的前提下对一些局部结构进行简化[9]。对模型进行网格划分，整体上网格大小采用40 mm×40 mm，网格类型以四边形为主三角形为辅，共计651 300个单元，574 200个节点。同时选择25℃的空气流体参数作为计算模态分析的空气参数，此温度下空气密度为1.03 kg/m3，体积模量为1.235 14×105 N/m2。

2.2 声腔模态分析结果

密闭车厢内的空腔系统声学特征，表现为拥有固有频率和振型的声腔模态。通过HyperMesh软件自带的Optistruct求解器算出前三阶声腔模态，如表2所示。其中模态一的声腔振型如图4所示。一般空腔越长频率越低，表现为声压沿车室纵向分布的纵向声学模态振型。

表2 声腔模态计算结果

图4 声腔一阶模态振型计算结果

3 综合分析评价

本文测试对象为中型客车，一般都安装四缸柴油机，怠速工况下的发动机转速范围为600～850 r/min，发动机二阶激励频率为20.0～28.3 Hz。测得车身结构模态频率20.8 Hz、23.3 Hz、25.7 Hz，刚好处于发动机二阶激励频率范围内，容易激励车身结构模态引起共振，因此车身结构弹性体模态要避开怠速工况下的发动机激励频率。

车内声腔模态纵向一阶模态频率为19.34 Hz，其节线处于声腔中间位置且垂直于整车前后方向，声压有逐渐向两端增大的趋势，车厢内呈现两端声压大、中间小的特征。车内声腔模态纵向二阶模态频率为38.09 Hz，此频率下的模态有两个节线，其节点偏离中间位置且垂直于整车前后方向，车厢内的声压有由节点向两端增大的趋势。车内声腔模态纵向三阶模态频率为57.06 Hz，此频率下的模态有3个节点，其节线分布在整车前中后且垂直于整车前后方向。同时以上三阶声腔模态振型左右对称。根据以上声腔模态振型特征，可合理设计布置车内座椅。

白车身状态下测到振型为前后左右摆动模态频率20.8 Hz，根据文献[1]大量数据规律总结，整车状态下的车身模态相对白车身降低1～3 Hz，接近车内声腔模态纵向一阶模态频率19.34 Hz，在发动机激励下很容易出现车身结构模态与声腔模态的耦合共振，增大车内低频噪声[10]。因声腔模态频率不易改变，需要通过修改车身结构来合理设计车身结构模态，以避开车内声腔模态频率[11]。

4 结束语

在强迫振动状态下，车内振动噪声的总响应取决于各个模态的激励方式，因此车身结构模态、声腔模态是整车噪声振动控制的重要指标。本文通过测试车身结构模态、计算仿真声腔模态，来评价预测整车状态下的噪声振动性能，为整车噪声振动的开发设计提供参考。

[1]庞剑，谵刚，何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[2]沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯.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.

[3]麻海舰，周鋐.利用白车身振动模态试验对车身动态设计的评价与分析[J].噪声与振动控制，2007，27（4）：58-60.

[4]束元，周毅，周鋐.基于模态分析的某客车白车身结构改进[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2012（5）：687-690.

[5]沈光烈，林圣存.基于有限元法的大型客车模态分析与结构改进[J].公路与汽运，2012（6）：1-4.

[6]朱壮瑞，孙庆鸿，孙凌玉，等.基于模态试验的客车白车身动力学模型修正研究[J].汽车工程，2001，23（2）：127-129.

[7]谢小平，韩旭，吴长德，等.基于PolyMAX方法的某轿车白车身实验模态分析[J].汽车工程，2009，31（5）：440-443.

[8]庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京：机械工业出版社，2015.

[9]鲍春燕，雷刚.LF520车室声腔模态分析[J].重庆工学院学报（自然科学版），2008，22（10）：14-16.

[10]刘文华，夏汤忠，刘盼，等.车身声腔及结构仿真分析[J].汽车科技，2011（6）：23-25.

[11]马天飞，高刚，王登峰，等.基于声固耦合模型的车内低频结构噪声响应分析[J].机械工程学报，2011，47（15）：76-82.

修改稿日期：2017-04-06

Analysis of Structure Modes and Acoustic Modes for a Bus Body

Zhuo Jianming
（Xiamen King-Long United Automotive Industry Co.,Ltd，Xiamen 361023，China)

This paper takes the white body ofa bus as the research object,uses the modaltestmethod to measure the structuralmodes in the free state,and establishes the body finite elementmodelby using Hypermesh software to obtain the interioracoustic modes by solving.Then the structure features ofthe bus body are evaluated through compositing the results ofstructure modes and acoustic modes ofthe body.

busbody;structure mode;acoustic mode;test;simulation

U463.82+2

A

1006-3331（2017）04-0046-03

卓建明（1988-），男；主要从事整车NVH研究工作。