基于 LMS Virtual.Lab的动态吸振器设计

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　　摘 要：动态吸振器是一种典型的主动振动控制系统，在汽车振动控制中得到广泛应用。在某车型开发过程中，对动力总成右悬置车身连接点进行IPI(Input Point Inertance)分析时，发现在特定频率下该连接点具有较大的振动峰值。由于考虑该峰值由车身全局模态引起，考虑成本等因素，建议采用动态吸振器进行主动控制。通过使用Virtual.lab 的模态修改功能模块，对动态吸振器进行了安装位置、质量等分析和设计，得到相对最优的设计方案。该设计方案能够在项目开发早期有效的指导设计部门对吸振器进行布置和结构设计等工作。

　　关键词：振动 IPI 动态吸振器

　　1 前言
　　近年来，随着人们对汽车乘坐舒适性要求越来越高，振动控制技术也逐渐引起重视，振动控制技术在汽车工业都得到了广泛的应用。根据对外部能量的要求，可以把结构振动控制划分为两种主要方式，即被动控制和主动控制。被动控制不需要外部提供能量，仅针对被控结构的运动产生相应的控制力，不增加被控结构和控制装置中的能量，也不需要特别安装传感器和作动器，空间占用小，设计和使用都比较简单，且性能可靠。因此，在结构控制中实际普遍使用的还是以被动控制居多。但和被动系统相比，主动系统具有更卓越的控制效果。

　　动态吸振器是一种典型的主动振动控制系统，在汽车主动控制中得到广泛应用。它是一个包含质量块、弹簧和缓冲器的振荡系统，通常都被连接在被控结构振动位移最大的位置，频率经过调整和结构的固有频率相近。当外激励频率与被控结构固有频率相近时，振动能量可以从被控结构转移到吸振器，从而抑制结构的振动。

　　本文通过在某车型开发过程中，对动力总成右悬置车身连接点进行IPI(Input Point Inertance)分析时，发现在特定频率下该连接点具有较大的振动峰值。通过直接频响分析，该峰值由车身整体结构模态引起，所以采用结构优化的方法衰减峰值需要增加大量成本，而采用动态吸振器进行主动控制具有成本低和效果明显的优点。通过使用Virtual.lab 的模态修改功能模块，对动态吸振器进行了安装位置、质量等分析和设计。该设计结果能够在项目开发早期很好的指导设计部门对吸振器进行布置和结构设计等工作。

　　2 模态修正理论
　　不考虑外力和阻尼力的自由振动系统Laplace 方程如：

　　其中， [M] 、[K]分别表示系统质量和刚度矩阵， [X ] 表示位移矢量，并且质量刚度矩阵为对称矩阵。

　　根据系统模态特征向量关于质量和刚度矩阵的正交性，该方程可以被对角化，将方程转化到模态坐标系。如：

　　其中，

　　并且[Φ]-[ψ 1...ψ n]为系统模态特征向量。

　　当系统质量刚度矩阵发生改变，系统方程可以写为：

　　这些质量刚度矩阵可以被重新进行特征值解耦，从而得到新的特征值矩阵和新的特征向量。

　　3 IPI 分析

　　IPI主要用于评估车身与动力总成、底盘连接点动刚度特性，它定义为连接点加速度响应与单位激励力的频响函数关系。如图1所示为某车型车身右悬置安装点IPI分析结果，从图中可以看出，在100Hz频率段附近该点对单位激励力存在较大的加速度响应峰值，即在实车状态动力总成激励容易在该频率段引起右悬置较大的振动，进而引起车内振动噪声峰值问题。


　　图 1、右悬置IPI 分析结果


　　对在右悬置安装点对白车身施加100Hz 单位激励力，计算得到白车身直接激励频响结果，其中结构变形和应变能分布如图2 所示。从图中可以看出，100Hz 附近振动响应峰值为白车身全局模态引起，局部修改对降低峰值效果不明显，而采用动态吸振器进行主动振动控制对抑制振动峰值具有明显效果。


　　图 2、右悬置100Hz 直接频响应变能图

　　动态吸振器设计一般需要考虑吸振器调谐频率、吸振器质量及安装位置三个因素，其中调谐频率由结构的共振峰值频率决定，而吸振器质量和安装位置需要通过优化分析得到，本文以下通过LMS Virtual.lab 模态修正预测模块对该吸振器进行设计和优化。


　　4 动态吸振器位置优化

　　图 3、动态吸振器位置设计方案


　　由于设计的动态吸振器主要针对右悬置IPI 响应峰值，所以吸振器安装位置方案考虑以右悬置安装纵梁为主，对左悬置安装点附近也进行了尝试，方案设计如图3 所示。通过在图中所示位置分别添加调谐频率为100Hz 并且质量为1kg 的动态吸振器，通过Virtual.lab 对车身结构模态结果进行模态修正预测计算，得到新的车身模态结果，并重新分析右悬置IPI 曲线，得到如图4 所示所有方案的右悬置IPI 对比结果。


　　图 4、不同位置添加1kg(100Hz)动态吸振器右悬置IPI 对比结果

　　从图 4 对比结果可以看出，方案2 即在右悬置前添加动态吸振器在整个频率段具有相对最优的结果，特别在100Hz 频率段附近很好的抑制了结构的振动，具有较好的主动振动控制效果。由于需要考虑减重，并且要求该吸振器在其他频率段不会引起新的较大的峰值，需要对吸振器质量进一步优化。

　　5 动态吸振器质量优化

　　动态吸振器质量越大，吸收结构的振动能量就越大，所以一般较大的动态吸振器质量一定频段会具有相对较好振动抑制效果。但考虑到成本和对其他频段的影响，需要对质量进行优化，以达到最佳的性价比。同样，选取从0.5kg 到2kg 之间几种质量的动态吸振器，使用Virtual.lab 的模态修正预测功能对在右悬置前添加不同质量的100Hz 动态吸振器后的车身IPI 结果进行分析和对比，对比结果如图5 所示。


　　图 5、添加不同质量(100Hz)动态吸振器右悬置IPI 对比结果

　　从对比结果可以看出，0.5kg 和2kg 的动态吸振器虽然在100Hz 频率段附近具有很好的主动振动控制效果，但在其他频段激起了更大的振动峰值，而1kg 左右的动态吸振器在整个频率段具有相对较好的效果，所以，动态吸振器质量选取1kg 左右为宜。

　　6 NTF 验证

　　悬置是动力总成激励将振动传递到车身的主要路径，所以悬置处的振动峰值通常会一起车内较大的噪声峰值。因此，有必要对右悬置添加动态吸振器后的噪声灵敏度效果进行分析和验证。如图6 所示为添加动态吸振器前后通过在右悬置施加垂向扫频单位载荷，进一步通过白车身结构与车内声腔振动耦合计算得到的车内声压响应结果对比。该结果虽然不能完全代表准确的右悬置激励到车内声压的灵敏度情况，但通过相对值的对比，可以看出添加该动态吸振器对100Hz 频率附近的噪声灵敏度峰值具有很好的衰减效果，并且对其他频段声压灵敏度没有显著的影响。


　　图 6、添加动态吸振器前后右悬置NTF 对比结果

　　7 结论
　　根据以上的分析，Virtual.lab 的模态修正预测功能可以非常方便的进行动态吸振器的设计和优化。针对右悬置的IPI 峰值，通过设计不同位置、不同质量的动态吸振器，最后得到在右悬置前添加1kg 左右100Hz 的动态吸振器对振动和噪声峰值都具有较好的抑制作用。
　　以上分析结论对指导动态吸振器的设计具有重要作用，但最终的动态吸振器选择需要通过试验进一步验证。
　　[参考文献]
　　[1] 庞剑等编著，“汽车噪声与振动—理论与应用”, 北京理工大学出版社, 2006年.

　　[2] 杜冬，“动力吸振器控制算法研究及在舰船设备减振中的应用”，上海交通大学工学博士论文，2007年.



转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_9b7a170a0100xx5l.html