|
汽车与公路设备 |
|
| 按行业筛选 |
|
|
| 按产品筛选 |
|
|
| |
|
查看本类全部文章 |
| |
|
|
|
|
基于MSC.NASTRAN的车架悬置安装点频响分析与结构改进 |
|
|
作者： |
|
摘 要：针对某微车在开发过程中，车内在210Hz—240Hz 频带出现的噪声过大的问题，利用有限元分析，对发动机悬置安装点进行频率响应分析，考察安装点在激励方向上容易产生共振的频率范围。得到了在低频范围内与试验结果基本一致的分析结果。通过此方法，可以方便的控制车架的固有特性，从而对车架设计方案进行全面的评价和改进。
关键词：车架；频率响应；结构改进
1 概述
车架是整车承载的主体。发动机等动力部件通过悬置固定其上。发动机燃烧、发动机和转动系统旋转部件的不平衡、路面激励，以及其他部件的相对运动都会产生动态作用力，直接或间接的传到车架上，引起车身的振动，并通过结构辐射噪声到车内。对于微车，其主要频率范围一般是几十赫兹到几百赫兹。
进年来，MSC.NASTRAN 有限元分析软件已经应用于对车架结构的频率响应预测和研究。针对某微车在开发过程中，在210Hz—240Hz 频带出现的噪声过大的问题。本文利用MSC.NASTRAN 有限元分析软件对车架上悬置安装点的频率响应进行分析，并通过结合试验，我们发现改变发动机的怠速转速，对车身的振动幅值并无明显的改善，排除了发动机的影响，见图1 所示，找出了纵梁的结构不连续是产生问题的原因，并进一步对车架进行了优化，得到了符合设计要求的车架结构，成功的大幅度降低了车内的噪声。
图1 改变怠速转速，振动幅值并无明显的改善
2 悬置安装点的频率响应有限元分析
2.1 结构的频率响应
结构的频率响应分析是用来计算结构在稳态振动激励下响应的方法，在频率响应分析中，激励载荷在频域中显式定义，对应于每一个加载频率外载都是已知的。频率响应分析的振动载荷本质上为正弦曲线，在简单情况下，这种载荷通过指定特定频率下的幅值来定义。稳态振动响应与载荷以相同的频率出现，由于系统阻尼的影响，响应在时间上可能移位，响应移位又称相位移位，因为载荷峰值与响应峰值不再同时出现，相位移位的例子如图2 所示。
图2 相位位移
从频率响应分析中得到的重要结果通常包括节点位移、速度、加速度以及单元力及应力。
计算得到的响应是幅值及对于外载的相位，用复数表示，其实部和虚部在复平面内为响应向量的分量，如图3 所示。
图3 复平面
其中，
在频率响应分析中，有两种不同的数值方法供选择：直接法和模态法。直接法根据外载频率求解耦合的运动方程；模态法则是利用结构的振型缩简和解耦运动方程，对各个模态响应进行叠加得到一特定外载频率的解。不同方法的选取取决于问题的本身。
2.2 结构的频率响应的评价
通常，我们常对系统强迫振动时频率响应函数的幅值进行研究来对频率响应予评价，即系统的幅频特性。
单自由度系统在简谐激振作用下的运动方程写成指数形式为：
式中F 为激振力幅，ω为强迫振动圆频率。
假定解的形式为 x=Xejωt 带入运动方程可得其强迫振动解。
很明显，强迫振动位移X 与激励力F 成正比，令比例因子
H[ω]称为单自由度振动系统位移输出对力输入的频率响应函数，也称为位移导纳函数，对位移导纳函数求导即得速度导纳函数。
对部分结构频率响应分析所考察的正是速度导纳，即考察点的速度响应量与作用力的复数比值。
2.3 分析模型的建立
本文采用HYPERMESH 作为前处理有限元软件，直接读入CATIA 完成的CAD 模型进行网格划分，主要包括白车身、悬置支架及悬置软垫等主结构。最后的有限元模型约73 万单元。
为保证分析结果的精度，整车采用10mm 网格，局部比较复杂的结构和安装点采用更细的网格细化，有限元网格以四边形壳单元为主，三角形壳单元占单元总数的2.4%，以及少数体网格，严格保证所有单元的质量要求，包括雅克比、长宽比、翘曲度、倾斜度、锥度、单元内角等。
正确的给单元赋予材料属性，包括弹性模量、泊松比、密度。
2.4 分析结果
基于建立的整车模型，利用在频响分析具有相对优势的MSC.NASTRAN 软件，以单位频段的载荷对考察纵梁上的悬置进行加载，并在纵梁悬置安装点部位考察相应的响应。
通过分析发现，车架的悬置安装点附近的动刚度振动过低，特别是Z 向上的响应过低，是引起在210HZ—240HZ 出现频带噪声过大的主要原因。见图4 所示。
图4 纵梁上悬置安装点在三个方向上的响应
3 结构优化
经过调查发现，悬置支架安装点处纵梁结构的不连续可能是导致问题产生的原因。经过改进纵梁的结构，增加了加强板和隔板，见图5 所示。
后再对相同位置分析发现，纵梁上悬置安装点在210Hz—240Hz 频段激励时，三个方向上的响应已大幅降低，见图6 所示。证明了纵梁结构的不连续，是导致纵梁频带响应过大出现频带噪声的主要原因。
图6 改进后纵梁上悬置安装点在三个方向上的响应
4 试验验证
根据优化结果，对原车的纵梁处结构进行了改进，试验人员对该车改进前、后的驾驶员右耳噪声和中排座椅噪声进行测试，如图7、图8 所示，经测试发现，优化后的驾驶室内噪声明显比之前降低，并且与仿真结果非常一致，说明基于MSC.NASTRAN 仿真结果所提出的改进方案是十分有效的。
图7 驾驶员右耳噪声OVERALL
图8 驾驶员右耳噪声OVERALL
5 结论
车架是整车承载的主体。发动机及路面激励，以及其他部件的相对运动都会产生动态作用力，直接或间接的传到车架上，引起车身的振动，并通过结构辐射噪声到车内。好的车架设计对减小车辆的振动、车内的噪声及乘客的舒适性都有很重要的意义。因此对汽车车架等关键点的频率响应分析是很有必要的。
通过MSC.NASTRAN 分析软件对车架上的关键点进行频率响应分析，可以得到其在一定频段下的响应情况。针对容易产生共振的频段对结构形状进行了优化，并对优化后的结果进行了分析，得到符合设计要求的车架结构形状。
参考文献
[1]. R.W.克拉夫，J.彭津.1981.结构动力学.北京：科学出版社
[2]. 隋允康，杜家政，彭细荣，MSC.NASTRAN 有限元动力学分析与优化设计实用教程，科学出版社，2004
[3]. 庞健，谌刚，何华，汽车噪声与振动——理论与应用，北京理工大学出版社，2005
[4]. 谢军，陈南，翟羽健等. IVECO40-10 轻型客车车架建模与动态特性分析研究[J].应用力学学报，1999，3，16（1）：136~139
|
|
| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/10/2011) |
| 作者简介： |
刘彬彬，男，中国安徽241009
电话：15855965518，
手机：15855965518，
刘彬彬，2006年进入奇瑞汽车股份有限公司，工程师
...
(更详细的作者介绍) |
|
| 文章点评
| 
查看全部点评
投稿
进入贴吧 |
|
佳工网友 王华
(Email)
于10/23/2012 3:22:00 PM评论说：
很好，很受益！非常不错(电话：15855965518)
|
对 汽车与公路设备 有何见解？请到 汽车与公路设备论坛 畅所欲言吧！
|
