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运用整车振动测量、实验模态分析及线性动力学计算等方法对车辆地板总成的振动特性进行分析研究，确认柴油机的二阶往复惯性力是系统的激励源，地板总成的固有频谱与振源频率在某些转速范围内有交集，引起车辆地板总成的异常振动。经实验模态分析的验证，建立了车辆地板的计算模型。在此基础上改进了地板总成的结构，使其固有频谱避开了振源频谱，改善了振动特性。该实验和计算方法对解决类似的工程问题具有参考价值。
某车辆的动力源是直列四缸柴油机，车辆的变速箱体与其纵向刚性连接，变速箱体的左右两侧分别与车辆的地板刚性连接。当柴油机转速提至2 000～2 400转/分时，车辆地板有明显的振感。由内燃机原理可知，直列四缸柴油机动力学特性是旋转惯性力、旋转惯性力矩、一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩以及二阶往复惯性力矩均为零，但二阶往复惯性力不为零，其值与柴油机的往复质量和转速平方的乘积成正比。通过对整车的振动测试，确认了柴油机的二阶往复惯性力对地板的振动激励作用，再利用实验模态分析、线性动力学计算等方法对车辆地板进行了振动特性分析，并验证了计算模型的有效性，据此提出了符合工程实际需求的改进方案。
一、整机振动测试
利用VTCL DSP软件系统、DELL计算机、UA300系列数据采集器、TS5863电荷放大器和TS1115三向加速度传感器等构建了振动测试系统。
为了获取柴油机至车辆地板的振动传递特性，在柴油机底座、车辆地板位置分别布置了三向加速度传感器，同步记录不同转速下的振动数据。检测数据经处理、整理后如图1所示。在柴油机二阶往复惯性力的激励下，地板测点在不同转速下在2、4、6阶的频率处出现峰值，其中2阶频率峰值出现在2 000转/分转速附近，4阶频率峰值出现在2 400转/分转速附近，6阶频率基本未出现峰值。所以在以下的试验分析和模拟计算中将截至频率设定为200赫兹（柴油机最高空转转速2 550转/分时，4阶频率为170赫兹）。
二、前支撑试验模态分析和模拟计算
为了在模拟计算中所设置的边界条件符合地板总成的实际振动特性，首先对车辆变速箱体与地板主要结构件——前支撑的装配结构进行实验模态分析，获得其固有频率。同时用SolidWorks将变速箱体（简化）、前支撑进行三维建模和装配，并通过其插件Simulation的线性动力学计算，获得其模拟计算的固有频率谱。
图2 前支撑试验模态分析响应数据
实验模态测试系统是在整机振动测试系统中接入了型号为LC-02A的振动锤，用于对被测系统的激励输入。试验模态分析过程在这里不赘述，其加速度响应如图2所示，其中左上角的照片是试验现场，4个峰值是其固有频率。
用Simulation对三维模型进行线性动力学计算过程也不赘述，计算的加速度响应如图3所示，左上角的照片是模型的有限元网格图，4个峰值是其固有频率，这是通过线性动力学计算后，用其内置的虚拟传感器测得的，其测点位置与实验模态分析时的实物传感器测点位置相同。
在实验模态测试时，用力锤对被测系统施以脉冲激励力，而在线性动力学计算中是用0～200赫兹的谐波扫频激励的，所以图2、图3中的纵坐标方向加速度幅值是不吻合的，这并不影响相关内容的分析。
图3 Simulation模拟计算数据
将上述试验模态分析得到的结果与计算结果进行比对，数据如表1所示，相对误差的最小值是0.36，最大值是6.16，符合工程分析的要求。
通过上述分析说明，该模型所采用的简化箱体模型、组合件的装配方式、约束方式及材料特性选择等分析的边界条件与实际实验模型基本吻合，这为下一步地板总成件的分析打下了基础。
三、地板总成试验模态和模拟计算
地板总成的实验模态分析方法与第二部分的相关描述一致。线性动力学分析的方法将在第四部分中叙述。分析结果如表2所示，4阶频率的相对误差最小值是0.5，最大值是6.91，符合工程分析的要求，这为通过计算模型提出改进方案打下了基础。
四、地板总成振动特性的改进
用SolidWorks将地板总成建模和装配后，打开Simulation插件，选择线性动态分析（谐波）功能，设置：解算器类型FFEPlus、高频率限制为200赫兹、频率数15、网格类型为实体网格、所用网格器是基于曲率的网格、节点总数47 534、单元总数23 991、激励的加速度方向和大小、约束方式以及零部件材料特性等参数。
有限元网格划分如图4所示，计算结果如图5所示。
图4 改进前的地板总成网格划分
图5 改进前的地板总成振动特性
图5中的纵向彩色线条是柴油机最高空转转速的2阶频率85赫兹，以此为界，左边有75.61赫兹振动峰值，对应在2 100转/分转速附近的2阶振动，右边有140.32、163.08、192.2赫兹3个谱峰，分别对应2 100转/分转速附近的4阶、2 400转/分转速附近的4阶、2 000转/分转速附近的6阶振动频率。4张小图片分别对应其旁边的固有频率的振动加速度云图，从云图的色彩分布基本能判断出其振动形态。在此模型下计算得到的频率结果与图1实测的振动峰值频率的结果也基本吻合。
从上述分析可以看出，原地板总成结构在200赫兹的频率范围内存在4个固有频率，频率密集度较高，在遇到激励后易发生共振。
由于地板总成与振动源的刚性连接方式不可改变，改善振动特性方法就是提高其固有频率和减少其固有频率个数。
通过各种方案的反复计算和比较，最终选择了在地板背面90度拐角处加 n型的筋板，如图6所示，左边是改前的结构，右边带红圈部分是改后结构。改进后的地板总成的线性动力学计算结果如图7所示。
图6 地板总成改进前后的结构变化
图7 地板总成改进后的振动特性
从图7可以看出，地板总成的固有频率已移至纵向彩色线条的右边，且第一峰值频率提升至110.85赫兹，计算频率范围内仅有两个谱峰。当柴油机在其主要工作区2 000～2 400转/分运行时，地板总成的振动舒适性会有很好的改善，可以达到改进的目标要求。
五、结语
通过上述整车振动测试、前支撑及地板总成实验模态分析和线性动力学计算可以确认。
（1）车辆地板的振动源是柴油机的二阶往复惯性力。
（2）车辆地板总成的四阶固有频率与柴油机主要工作区的转速激励频率有交集，引起其异常振动。
（3）在地板局部加筋，使地板总成的最低固有频率从75 赫兹提升至110赫兹，在0～200赫兹范围内，固有频率阶数从4降至2，避开了激励频率区间。
（4）通过用实验模态分析方法来校验线性动力学计算方法的工程有效性，并利用该模型来改进结构的振动特性，可较大幅度地提升解决实际工程问题效率和准确性。
某车辆的动力源是直列四缸柴油机，车辆的变速箱体与其纵向刚性连接，变速箱体的左右两侧分别与车辆的地板刚性连接。当柴油机转速提至2 000～2 400转/分时，车辆地板有明显的振感。由内燃机原理可知，直列四缸柴油机动力学特性是旋转惯性力、旋转惯性力矩、一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩以及二阶往复惯性力矩均为零，但二阶往复惯性力不为零，其值与柴油机的往复质量和转速平方的乘积成正比。通过对整车的振动测试，确认了柴油机的二阶往复惯性力对地板的振动激励作用，再利用实验模态分析、线性动力学计算等方法对车辆地板进行了振动特性分析，并验证了计算模型的有效性，据此提出了符合工程实际需求的改进方案。
一、整机振动测试
利用VTCL DSP软件系统、DELL计算机、UA300系列数据采集器、TS5863电荷放大器和TS1115三向加速度传感器等构建了振动测试系统。
为了获取柴油机至车辆地板的振动传递特性，在柴油机底座、车辆地板位置分别布置了三向加速度传感器，同步记录不同转速下的振动数据。检测数据经处理、整理后如图1所示。在柴油机二阶往复惯性力的激励下，地板测点在不同转速下在2、4、6阶的频率处出现峰值，其中2阶频率峰值出现在2 000转/分转速附近，4阶频率峰值出现在2 400转/分转速附近，6阶频率基本未出现峰值。所以在以下的试验分析和模拟计算中将截至频率设定为200赫兹（柴油机最高空转转速2 550转/分时，4阶频率为170赫兹）。
二、前支撑试验模态分析和模拟计算
为了在模拟计算中所设置的边界条件符合地板总成的实际振动特性，首先对车辆变速箱体与地板主要结构件——前支撑的装配结构进行实验模态分析，获得其固有频率。同时用SolidWorks将变速箱体（简化）、前支撑进行三维建模和装配，并通过其插件Simulation的线性动力学计算，获得其模拟计算的固有频率谱。
图2 前支撑试验模态分析响应数据
实验模态测试系统是在整机振动测试系统中接入了型号为LC-02A的振动锤，用于对被测系统的激励输入。试验模态分析过程在这里不赘述，其加速度响应如图2所示，其中左上角的照片是试验现场，4个峰值是其固有频率。
用Simulation对三维模型进行线性动力学计算过程也不赘述，计算的加速度响应如图3所示，左上角的照片是模型的有限元网格图，4个峰值是其固有频率，这是通过线性动力学计算后，用其内置的虚拟传感器测得的，其测点位置与实验模态分析时的实物传感器测点位置相同。
在实验模态测试时，用力锤对被测系统施以脉冲激励力，而在线性动力学计算中是用0～200赫兹的谐波扫频激励的，所以图2、图3中的纵坐标方向加速度幅值是不吻合的，这并不影响相关内容的分析。
图3 Simulation模拟计算数据
将上述试验模态分析得到的结果与计算结果进行比对，数据如表1所示，相对误差的最小值是0.36，最大值是6.16，符合工程分析的要求。
通过上述分析说明，该模型所采用的简化箱体模型、组合件的装配方式、约束方式及材料特性选择等分析的边界条件与实际实验模型基本吻合，这为下一步地板总成件的分析打下了基础。
三、地板总成试验模态和模拟计算
地板总成的实验模态分析方法与第二部分的相关描述一致。线性动力学分析的方法将在第四部分中叙述。分析结果如表2所示，4阶频率的相对误差最小值是0.5，最大值是6.91，符合工程分析的要求，这为通过计算模型提出改进方案打下了基础。
四、地板总成振动特性的改进
用SolidWorks将地板总成建模和装配后，打开Simulation插件，选择线性动态分析（谐波）功能，设置：解算器类型FFEPlus、高频率限制为200赫兹、频率数15、网格类型为实体网格、所用网格器是基于曲率的网格、节点总数47 534、单元总数23 991、激励的加速度方向和大小、约束方式以及零部件材料特性等参数。
有限元网格划分如图4所示，计算结果如图5所示。
图4 改进前的地板总成网格划分
图5 改进前的地板总成振动特性
图5中的纵向彩色线条是柴油机最高空转转速的2阶频率85赫兹，以此为界，左边有75.61赫兹振动峰值，对应在2 100转/分转速附近的2阶振动，右边有140.32、163.08、192.2赫兹3个谱峰，分别对应2 100转/分转速附近的4阶、2 400转/分转速附近的4阶、2 000转/分转速附近的6阶振动频率。4张小图片分别对应其旁边的固有频率的振动加速度云图，从云图的色彩分布基本能判断出其振动形态。在此模型下计算得到的频率结果与图1实测的振动峰值频率的结果也基本吻合。
从上述分析可以看出，原地板总成结构在200赫兹的频率范围内存在4个固有频率，频率密集度较高，在遇到激励后易发生共振。
由于地板总成与振动源的刚性连接方式不可改变，改善振动特性方法就是提高其固有频率和减少其固有频率个数。
通过各种方案的反复计算和比较，最终选择了在地板背面90度拐角处加 n型的筋板，如图6所示，左边是改前的结构，右边带红圈部分是改后结构。改进后的地板总成的线性动力学计算结果如图7所示。
图6 地板总成改进前后的结构变化
图7 地板总成改进后的振动特性
从图7可以看出，地板总成的固有频率已移至纵向彩色线条的右边，且第一峰值频率提升至110.85赫兹，计算频率范围内仅有两个谱峰。当柴油机在其主要工作区2 000～2 400转/分运行时，地板总成的振动舒适性会有很好的改善，可以达到改进的目标要求。
五、结语
通过上述整车振动测试、前支撑及地板总成实验模态分析和线性动力学计算可以确认。
（1）车辆地板的振动源是柴油机的二阶往复惯性力。
（2）车辆地板总成的四阶固有频率与柴油机主要工作区的转速激励频率有交集，引起其异常振动。
（3）在地板局部加筋，使地板总成的最低固有频率从75 赫兹提升至110赫兹，在0～200赫兹范围内，固有频率阶数从4降至2，避开了激励频率区间。
（4）通过用实验模态分析方法来校验线性动力学计算方法的工程有效性，并利用该模型来改进结构的振动特性，可较大幅度地提升解决实际工程问题效率和准确性。