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基于nastran的车架mobility分析研究 |
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作者：奇瑞汽车股份有限公司 孙学军 张静宜 |
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摘 要：随着车辆的普及和人民生活水平的提高，人们对车辆振动、噪声和舒适性（NVH）性能的要求越来越高。Mobility 主要对系统中主要反映了系统的中、高频的振动、噪声传递性能进行考察。文章运用振动理论知识对本文运用振动理论知识对Mobility 分析原理进行理论解析，给出悬置系统隔振率的计算方法和Mobility 目标值的设定方法。运用Hyperwork 软件对某车身悬置点和某车架进行Mobility 分析，由分析结果看出车辆的实际使用表明了Mobility分析的正确性。
关键词：车辆设计 Mobility NVH 性能 有限元分析
1、引言
车架是整个汽车的基体，汽车绝大多数部件和总成（如发动机、传动系统、悬架、转向、驾驶室、货箱和操纵机构）都是通过车架来固定其位置的。车架的功用是支承、连接汽车的各零部件，并承接来自车内、外的各种载荷。
Mobility 是指在单位力作用下，作用点沿力作用方向的速度随力作用频率的变化，它反映零部件的局部动态刚度特性，与Mobility 密切相关的一个概念是动刚度，动刚度是指单位位移作用下，作用点沿位移作用方向的力随位移作用频率的变化。Mobility 主要用来对系统的中、高频的振动、噪声传递性能进行考察。通过对车架进行Mobility 分析可以反映动力总成、排气系统和传动轴等悬置点的动态刚度特性及振动噪声传递性能。
本文首先对Mobility 的理论基础进行研究，从理论上给出悬置系统设计准则，然后通过两个Mobility 分析实例详细的阐述了Mobility 在车辆设计中的运用。
2.理论基础
Mobility 是指在单位力作用下，作用点沿力作用方向的速度随力作用频率的变化，它反映零部件的局部动态刚度特性。Mobility 主要用来对系统中、高频的振动、噪声传递性能进行考察。
2.1 Mobility 与动刚度
与Mobility 密切相关的一个概念是动刚度，动刚度是指单位位移作用下，作用点沿位移作用方向的力随位移作用频率的变化。
单自由度系统，系统微分方程为：
图1 所示为动刚度和mobility 的关系曲线图。
图1 动刚度、Mobility 关系曲线
2.2 Mobility 与隔振
在实际使用的车辆中动力总成通过悬置安装在车架上，在这个由车架、悬置、动力总成构成的系统中悬置的作用就是降低从动力总成传递到车身上的力。
力的传递率TR 定义为：
当悬置的动刚度远小于车架和动力总成连接处的动刚度时，可以有效隔振，即：当悬置的Mobility 远大于车架和动力总成连接处的Mobility 时，可以有效隔振，车架和动力总成连接点相对与悬置越刚，隔振效果越好。由于Mobility 会随着频率而变化，所以需要在整个工作频率下对其进行考核。
振动噪声控制理想的要求有20dB 以上的力传递损失
降低20dB 相当于力传递率是0.1，TR=0.10 相当于能量损失99%。如果车架和动力总成的动刚度相同， 并且其是悬置的18 倍以上， 则可达到20dB 的力传递损失：
不妨设：Mb=Mp，则：Mb=Mk/18。
2.3 Mobility 目标值的确定
从上述理论分析可以看出在能够满足工程要求的基础上，悬置系统中隔振元件的Mobility 设计的越高越好，而车身、车架等隔振元件连接件的Mobility 设计的越小越好。但在工程实践中由于成本控制及其他各种因素的制约，悬置系统应该设计在一个合理的范围内比较合适。据工程实践积累，认为悬置系统Mobility 的目标值应考虑以下因素：
根据标杆车和竞争车型的数据来确定；
根据隔振效果的要求来确定Mobility 数值；
根据隔振垫（悬置）的Mobility 来确定连接件Mobility。
3.基于 nastran 的mobility 分析
3.1 分析方法
Mobility 分析了激励点和输出点为同一点的速度随频率变化的频率响应分析，在nastran中用基于模态的频率响应分析方法即SOL111 卡片和直接频率响应分析方法即SOL108 卡片进行分析。使用SOL111 分析较快，为大家通用，下面的分析过程都以SOL111 为例进行阐述。
3.2 悬置点集设置
对要计算的悬置点的节点设置为一个节点集。
例如：对发动机前左悬置点设置成节点集SET 1
SET 1=10001
3.3 定义载荷
首先，用DAREA 卡片定义一个力作用方向的单位数值，例如：DAREA 101 10001 1 1.；
其中：101 表示DAREA 编号，10001 表示节点号，第一个“1”表示x 方向，第二个“1”表示作用数值的大小；
然后，用TABLE1 卡片定义载荷作用范围，例如：TABLED1 1 1. 1. 100. 1.；
其中：第一个“1”表示TABLED1 的标号，第二个“1”表示载荷施加的起始频率，第三个“1”表示在起始频率时载荷的放大倍数，“100”表示终止频率，第四个“1”表示终止频率时载荷的放大倍数；
第三，用RLOAD1 卡片或RLOAD2 将DAREA 和TABLED1 组装起来，例如：RLOAD1 101 101 1；
其中：第一个“101”表示RLOAD1 的编号，第二个“101”表示DAREA 的编号，“1”表示TABLED1 的编号。
这三个卡片中，DAREA 定义载荷数值，TABLED1 定义载荷作用范围及放大倍数，RLOAD1 将二者组合在一起。
第四，用DLOAD 卡片将前面定义好的载荷封装起来，该卡片可以将一个工况下的多个载荷进行封装。
例如：DLOAD 1101 1.0 1. 101，其中“1101”表示DLOAD 的编号，第一个“1.0”表示全局放大系数，第二个“1.”表示后面定义载荷的放大系数，“101”表示封装载荷标号，即前面定义的RLOAD1 的编号。
3.4 定义阻尼
使用TABDMP1 卡片定义结构阻尼大小，例如：TABDMP1 2 G 0. 0. 1. 0.04 100. 0.04 ，其中“2”表示TABDMP1 编号，G 表示结构阻尼，第一个“0”表示0Hz 频率，第二个“0”表示0Hz 频率时结构阻尼为0，“1”表示1Hz 频率，第一个“0.04”表示1Hz 时结构阻尼为4%，“100”表示100Hz，第二个“0.04”表示100Hz 时的结构阻尼为4%，该卡片整体表示为从1Hz 开始到100Hz 的结构阻尼为4%；
3.5 计算迭代次数定义
使用FREQ1 卡片定义计算迭代次数，例如：FREQ1 1 0. 1 80
其中第一行的“1”表示FREQ1 编号，“0”表示计算起始频率，“1”表示每隔1Hz 计算一次，“80”表示计算80 次，即：计算到80Hz。
3.6 定义模态频率求解范围
使用EIGRL 卡片定义基于模态法进行频响分析时频率求解范围。例如：EIGRL 1 0.0 400. ，其中“1”表示EIGRL 的编号，“0.0”表示模态计算的起始频率，“400”表示模态计算的终止频率。
3.7 定义输出参数及求解工况
如下所示定义分析工况和输出参数。
SUBCASE 1
DLOAD=1101
DISP(PRINT,PUNCH,SORT1,PHASE)=1
VELO(PRINT,PUNCH,SORT1,PHASE)=1
ACCE(PRINT,PUNCH,SORT1,PHASE)=1
3.8 定义控制卡片
下列求解参数可以在整体控制卡片中进行定义，也可以在各个子工况中进行定义。
ECHO = NONE
METHOD = 1
FREQ = 1
SDAMPING = 2
RESVEC=BOTH
其中，ECHO = NONE 表示不输出。METHOD = 1 中“1”表示前面定义的EIGRL 的编号，表示采用模态法进行计算；FREQ = 1 中“1”表示前面定义的FREQ1 的编号，表示频响分析迭代次数；SDAMPING = 2 中“2”表示前面定义的TABDMP1 的编号，表示整个计算频率范围内的阻尼均为TABDMP1 定义的阻尼；RESVEC=BOTH，前文已介绍，表示考虑残余模态对频响分析的影响。
3.9 定义参数
在PARAM 中定义参数如下：
PARAM POST -2
PARAM AUTOSPC YES
其中PARAM POST -2 表示计算结果输出文件为op2 文件格式；
PARAM AUTOSPC YES 表示自动添加约束。
3.10 输出求解
上述定义完成后，即可将文件输出为NASTRAN 的*.dat 或*.bdf 文件进行求解。
4、应用实例
4.1 车架Mobility 分析
综合考虑车身各悬置点处隔振元件的Mobility 和隔振效果的要求，对某车架的Mobility进行分析计算。
分析的边界条件：
在车身与车架悬置点、发动机悬置点、悬挂系统悬置点等分别沿X、Y、Z 三个方向施加1N 随频率（10-700HZ）变化的动载荷。其中发动机左右悬置2 个悬置点，采用局部坐标系加载，载荷大小同上。车架处于完全自由状态；考察各悬置点三个方向的速度在10Hz 到700Hz范围内随频率的变化量。
图2 所示为车架某些悬置点Mobility 分析结果曲线，图中直线为定义的目标值，曲线为计算所得mobility 值。
分析结果表明目标车某些悬置点的动态刚度特性满足NVH 性能要求，而动力总成悬置点的Mobility 分析结果远大于标杆车的分析结果。经过几轮的改进分析，动力总称悬置点的Mobility 值显著下降，满足目标。
图2 车架悬置点Mobility 分析结果
4.结论
1、Mobility 是衡量车辆悬置系统隔振性能的一个重要指标，对Mobility 的评价理论进行分析，并提出了目标值设定的方法；
2、运用nastran 卡片对mobility 分析过称进行定义；
3、运用nastran 对某车架悬置点进行Mobility 分析，并与目标值进行比较，经过几轮的改进分析车架各悬置点的动态刚度特性基本都能满足NVH 性能要求。
参考文献：
1. MSC Nastran 2007 r1 Quick Reference Guide
2. 庞剑，谌刚，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.2006.6
3. 林逸、马天飞、姚为民等.汽车NVH 特性研究综述[J].汽车工程.2002,(3):177-186
4. 冯国胜,杨绍普.车辆现代设计方法[M].北京:科学出版社,2006.
5. Nova M,Tamburro A·Noise and Vibration Reduction for Small/Medium Car Market Segment:an Innovative Approach for Engineer-ing Design and Manufacturing·I·Mech·E Seminar Publication,C524/124/97(end)
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(4/5/2011) |
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