汽车车身整体模态及其噪声振动控制

1.模态与模态分析

模态是一个物体结构固有的特征。对线性系统来说，模态是结构固定不变的特征，与外界的输入和输出没有关系。物体的模态参数包括模态振型、模态频率、模态阻尼等。车身被视为一个线性结构，因此它的模态参数包括车身模态振型、模态频率和模态阻尼。

结构的模态参数可以通过计算方法获得，也可以通过试验方法获得。车身模态也是通过这两种方法得到的。

计算模态分析是指通过计算而获得结构模态参数的方法。首先，将系统的振动微分方程中的物理坐标转换成模态坐标，使在物理坐标下相互耦合的方程组转变成在模态坐标下一系列相互独立的方程。然后，在解耦的模态坐标下，得到系统的模态频率和模态振型。模态振型是指某个频率下，不同位置的相对位移构成的虚拟的“振动形状”。车身模态计算分析通常采用有限元方法。连续的车身结构通过网格划分，被分解成有限个离散的单元，然后在软件中建立质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，进行迭代运算，最后得到系统的各阶模态频率和对应的模态振型。通过计算得到的模态称为计算模态。

试验模态分析是指通过直接测量实物而获取模态参数的方法。对车身模态测试来说，首先将它用柔软的绳子吊起或者用空气弹簧支撑起，形成所需要的边界条件。然后，用激振器激励车身的某些部位，同时测量不同部位的加速度响应和激励力的输入响应，通过信号处理和参数识别，便得到了系统的模态振型和模态频率。通过试验得到的模态称为试验模态。

模态分析是研究结构动态特征一种非常重要的方法，在车身噪声与振动控制中广泛应用。通过模态分析识别出车身的主要模态频率和振型，就可以预测在外界载荷激励下的响应，为解决汽车噪声与振动问题提供依据。

2.模态的种类

与刚度的分类一致，车身模态也有三种分类方法：

第一种方法是按照模态振型来分。车身模态的振型有弯曲、扭转、呼吸、复杂的复合形式等，对应的模态为弯曲模态、扭转模态、呼吸模态、复合模态等。

第二种方法是按照车身结构来分。对应于白车身、内饰车身和整车车身，车身模态分为白车身模态、内饰车身模态和整车模态。

第三种方法是按照整体车身与局部结构来分。车身模态可以分成车身整体模态和局部模态。白车身模态、内饰车身模态和整车车身模态都包括弯曲模态和扭转模态，它们是车身的整体模态。局部模态是指车身上板结构的模态（如前壁板模态、顶棚模态、地板模态）和附件模态（如转向柱模态、支架模态）。(www.xing528.com)

在车身整体模态中，一阶弯曲模态和一阶扭转模态最重要。一是因为它们的频率低，接近发动机的激励频率和路面的激励频率，同时与其他相连系统的频率也比较接近，因此容易产生共振；二是因为这两个模态对低频噪声与振动响应的贡献非常大。

白车身模态是车身整体模态研究的基础。白车身模态分析与控制比较简单，结构修改相对容易，能反映出车身最本质的特征。内饰车身模态和整车模态是以白车身模态为基础的，它们之间有一定的关联。内饰车身和整车车身比白车身重，它们之间的弯曲刚度变化不大，因此内饰车身和整车车身的弯曲模态频率大大低于白车身的弯曲模态频率。内饰车身和整车车身的扭转刚度比白车身的扭转刚度高，它们的扭转模态频率比白车身降低，但是没有弯曲模态降低那么多。一般来说，控制好白车身模态，也就控制好了内饰车身和整车车身的整体模态。

3.车身模态的重要性

车身模态分析在汽车噪声和振动的研究中起着非常重要的作用。具体来说，车身模态分析可以解决以下问题：

①了解车身结构的动态特征，设计出与市场需求相适应的车身。低于市场需要的欠设计将使汽车在市场上缺乏竞争力，远高于市场需求的设计会造成成本上升、售价上升，同样失去市场竞争力。

②为车身与其他系统解耦提供依据。其他系统（如动力总成、排气系统等）都与车身相连，这些系统必须与车身解耦，否则很容易发生共振。确定了车身的模态后，就为其他系统的模态设计提供了依据。

③为整车模态与局部模态解耦提供依据。车身除了整车模态外，其他局部模态（如前壁板、顶棚、转向系统等）模态的制定也非常重要，否则会产生板结构与整车结构共振。

④预测噪声与振动响应。噪声或者振动响应是由许多不同模态的响应叠加而成的，提供模态分析，可以得到整体响应，同时分辨出主要贡献的模态。

⑤为噪声与振动控制提供依据。模态振型为其他系统或者部件的布置提供了线索，比如将激励源对车身的激励点、集中重量等放置在车身的节点上，会降低车内的噪声与振动响应。同时，汽车的很多噪声振动问题与车身模态有关，如车内轰鸣声、车身共振等。分析了车身模态特征后，才能识别出具体噪声振动源和传递路径，从而为分析车身噪声与振动的原因提供依据。

车身刚度是在静态下得到的，而模态则是表征车身结构动态性能的重要参数。模态参数取决于车身的刚度、重量分布和阻尼等因素。上述5个方面说明了车身结构的模态频率和振型对整车NVH性能的影响非常大，因此模态分析是车身NVH最核心的内容之一。