NVH

NVH、振动测量和模态分析入门

共振、阻尼

Views:  times Updated on January 24, 2024 Posted by elmagnifico on January 18, 2024

Foreword

从一个产品发生共振,影响产品的稳定性,探索如何解决这个问题,想着先测量出来共振的点,然后加强结构。继而发现仅仅测量知道了共振结果,但是对于设计者来说并不知道如何改进设计,还需要有理论上的指导(仿真),进一步提高优化结构的效率,这直接引入了一个之前不曾接触过的领域——NVH。

NVH

NVH,Noise,Vibration,Harshness,针对噪声、振动、平顺性进行分析的领域,主要还是汽车制造领域用的比较多,航空和一些零部件、电机等等领域,也是他们经常分析的内容。

到了NVH那就不仅仅是测量,还有设计,仿真,需要从理论到实验,最终落地的一整套流程来完善和提高设计水平。对于汽车、电机、大型航空件,他们的材料等性能是比较明确的,结构的线性程度也比较高,再加上企业本身实力雄厚,支撑NVH绰绰有余。但是对于小企业来说,做NVH整套方案就比较困难了,成本过高,而且很多使用的材料、结构都是非线性的,本身测量的难度就比较大。

其次,在汽车、电机、航空领域产品的迭代速度没有那么快,往往是2-3年才会迭代一次产品,那么给结构和NVH的时间就很充裕,可以反复验证。对于快速迭代的消费品来说,NVH就更不合适了,结构变动的成本就很高,而迭代速度那么快,NVH往往跟不上节奏。

基础概念

共振,系统受到外界激励产生的响应表现为大幅度的振动,此时外界激励频率与系统的固有振动频率相同或者非常接近。共振是结构或材料在一特定频率下发生大幅度自然振动,这个特定的频率被称为结构的共振频率,通常一个结构有很多个共振频率。这里还有一个前提,是结构的阻尼非常小,只有在这个前提下才是结构本身的共振频率,而如果阻尼比较大,那么其实阻尼+结构本身的共振频率=你测量到的振幅非常大的频率。所以固有频率又分为无阻尼固有频率有阻尼固有频率

  • 无阻尼固有频率对应的是刚度/质量的平方根
  • 有阻尼固有频率为无阻尼的固有频率乘以(1-阻尼比平方)的平方根。

现实中说的固有频率基本都是指有阻尼的固有频率

共振往往会给结构带来不可预料的后果,实际操作中往往都需要优化结构避开可能的激励频率

一些行业普遍认同的观点,如在汽车行业,一般要求是距固有频率有3,4Hz的间隔或者15-20%的距离,就认为是避开了共振

一般说空间中的坐标有x,y,z,这就是三阶,实际上描述一个刚体还有3个旋转角度,就是六阶。这都是我们为了简化、方便计算而抽象出来的。实际一个连续体具有无穷多阶,而有限元分析是有限的,我们也只能离散到有限阶去仿真模拟这个物体。同时每一阶都有自己的固有频率,一般来说研究的都是低阶的固有频率(基频),他们的频率比较低,容易和外界激励引起共振

  • 动刚度,是指结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力,动刚越大抗形变越强,越不容易共振

  • 静刚度,是结构在特定的静态激扰下抵抗变形的能力
  • 频响函数,是响应与激励之比,表征的是结构的固有属性。他是随频率变化的,与外部激励无关,模态测试测量的就是频响函数。其实就是输出/输入
  • 传递函数

振型

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图中是一个二阶模态振型 ,1,3,5是节点(反共振峰),2,4是反节点(共振峰),如果要抑制共振,应该加强哪里?实际上2和4

同样的,如果做模态分析时,测量节点应该选择在哪里?要选除了1、3、5以外的位置,因为他们是节点,对于外部激励响应非常低,振幅很低,不适合作为模态测量点。但是实际操作中其实并不知道这个节点在哪里,所以会选择多个点,最终看结果。

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可以看到随着频率升高,出现了4个区间振幅非常大

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这四个区间可以简单的归类为4阶模态,如果测量点够多,就可以看到每阶模态具体的变形是什么样的,这就是振型

模态分析

模态分析是研究结构动力特性的一种方法,模态是指机械结构的固有振动特性,每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。分析模态参数的过程就是模态分析。

  • 固有频率,同一个结构,测试点不同,但是结果是一样的
  • 阻尼比,同上
  • 模态振型,不同测量点是不同的

模态分析又分为计算模态分析(仿真),实验模态分析,工作模态分析

  • 实验模态分析EMA,在外部激励的情况下进行分析
  • 工作模态分析OMA,没有外部激励,直接测量结构在工作状态的情况下进行模态分析,多适用于大型结构、无法简单的通过施加激励进行测量的
  • 工作变形分析ODS,类似OMA,但是此时测量的不是模态振型,而是结构的形变形式,他其实不涉及分析,是直接将数据进行可视化显示

模态分析有四大基本假设,分别为线性假设、时不变性假设、可观测性假设和互易性假设。我们总是希望结构模态分析能全部满足这些假设,但是现实情况是,很难全部满足。可能结构全部满足,但是由于测量设置等因素会一定程度上破坏这些假设。

  • 线性假设,假设结构是具有线性的,即激励的幅度不同不会影响频响函数,一般来说做模态分析之前,先要验证结构的线性假设,然后才能继续

  • 时不变性假设,其实就是说结构的特性不随时间改变而改变,实际上其实是会变的,只要时间跨度不大,我们就认为他不变了而已。同时还有一个就是接触式传感器本身的质量会影响到结构本身,同时由于传感器其实不是无限多的,实际测量的时候传感器本身也要移动来移动去,从而形成了一个时变的结构,这就需要布置传感器的时候尽量分散布置,而不是集中在某一侧,造成更大误差。同时还有温度影响,也会导致结构本身特性有轻微改变。

模态分析能做什么:

  1. 振动诊断
  2. 控制噪声辐射
  3. 识别设计中薄弱的部分
  4. 健康检测
  5. 验证有限元模型

激励

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力锤激励,方便,快捷,但是力过大会产生结构非线性干扰

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激振器激励,部署安装比较复杂,但是激励可控

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设备

两种不通的激励方式引出的不同的设备采集方式

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传感器

传感器设备比较简单,一般分为接触式和非接触式两种

加速度测振

接触式一般都是加速度计、陀螺仪、IMU

  • 接触式好处是一些位置不是很大振动,接触式是可以跟随轻微移动的,测量点是非常稳定的

加速度计厂商就比较多了,国内各种卖加速度计的,精度要求不是特别高的话,基本都是可以的。

由于本身传感器有质量,所以这个东西实际上能做到非常轻的很少很少。

激光测振

非接触式是激光,激光中又分为红外激光和氦氖激光。

  • 激光的好处是一些高温、旋转、不适合直接接触的测量物体,但是如果被测物体会移动,那么测量点是不稳定的,同时单轴激光只能测量单轴的

  • 红外激光的好处是功率可以输出很高,可以远距离测量,对物体表面没有要求

  • 氦氖激光的好处是可以穿透水面等一些介质,直达测量物体,但是它本身对于物体表面有一定要求

激光测振设备又有单点式和扫描式的,简单说单点式只能测量一个点,换一个位置需要手工调节,同时由于是激光,所以只能单轴测量,要三轴测量需要额外增加激光头。

扫描式的则就简单了,直接对整个结构选定区域进行大范围扫码,当然也是离散的点的形式,但是测量的量一下就提高了很多,缺点还是只能单轴,如果要三轴测量,设备价格就非常高了。

这里面单点式的价格最便宜,扫描式的最贵,多轴则*n,实际上可以用到模态分析的基本应该是扫描式,单轴的话工作量太大了,不适合。单点式的比较适合做工作模态或者工作形变分析,成本比较低。

厂商

激光测振领域目前可以快速联系到的就这几家:

  • 舜宇智能光学
  • Polytec
  • OptoMet

国产的价格相对低一些,国外的贵一点,只是激光采集这里其实大差不差。激光测振方面布局基本都差不多,每款产品都是对标的东西。

数据采集设备

数据分析的设备就非常多了

m+p、西门子LMS、Brüel & Kjær、各个数据采集设备商也有自己的采集设备

数据分析软件

BK Connect

m+p

LMS

价格

接触式的设备由于是各个厂家的,再加上传感器、激励源、数采+分析软件,是互相解耦的,一个东西就对应一家供应商,所以成本可以做的相对比较低,大概40w左右就能建立一套基本可用的设备。

非接触式的由于激光比较贵,大概单点式的激光设备就20w了,而扫描式的在100w左右,国外厂商这个价格可能要*2。

拿来做模态分析,单点激光是不太够用的,最好是扫描式的激光,3D扫描式的最好

设计流程

下面就是我理解的NVH加入以后,整体结构的设计流程

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其他名词

CFD,Computational Fluid Dynamics,流体动力学,广泛用于流体模拟,动力学仿真

CAE,ComputerAided Engineering,计算机辅助工程,指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等。CAE软件可作静态结构分析,动态分析;研究线性、非线性等问题

Summary

拓展一个新领域,引入NVH体系到实际设计生产中,还是挺麻烦的,投入成本很高,收益却又不明显

Quote

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