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重型汽车车架有限元模态分析与试验模态分析比较
作者:高中美 闵鹏 安杰 聂成刚    来源:Altair
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汽车与公路设备展厅
乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ...
摘 要:本文在有限元软件HyperWorks中建立了车架的有限元模型,并通过OptiStruc求解器进行模态计算,将理论模态分析结果与试验模态分析结果进行了对比,对比结果证明了理论分析和试验分析基本一致,说明有限元模型是正确合理的,是对车架进一步进行理论计算的基础。
关键词:HyperWorks 车架 模态分析有限元

1 前言

重型汽车车架是一个无限多自由度的振动系统,在外界的时变激励下将产生振动。当外界激振频率与系统的固有频率接近时,将产生共振。共振将会使得乘员感觉不舒服,带来噪声和早期疲劳破坏。因此,合理的车架模态对提高整车的整车的可靠性和NVH性能等有十分重要的意义。在汽车产品设计开发过程中,预先掌握所设计产品的动态特性,使所设计的产品满足动态特性要求,对车辆的动态特性是非常重要的。可以从两个方面获得产品结构的固有振动频率和振型,一种方法是通过试验的方法,对样车进行模态试验,识别出结构的各阶模态频率和振型,另一种方法是通过理论分析计算,分析计算出结构的各阶模态和振型。试验方法的局限性是必须在设计样车制造出来之后,才能进行试验分析。通过对实际样车的试验分析,得出产品的基本动态特性,如果不能满足设计需求,需要重新设计,然后再生产样车试验。如此往复多次,才能得到一个较为满意的产品。但是产品开发周期长费用高,不能够迅速推出产品,占领市场,对企业发展不利。理论计算分析则可以在设计的初始阶段,不需要生产样车,通过计算分析就能够得到产品的各项动态性能指标,这样就很大程度上节省开发费用,并缩短研发周期。
本文利用有限元方法,采用HyperWorks软件离散并建立了重型汽车车架的有限元模型,利用求解器计算,得出了车架的前十阶自由模态频率和振型,并和试验模态进行了对比。

2 有限元模型建立

在有限元模型前处理软件HyperMesh中对车架进行几何清理,并做网格划分。车架主要由冲压钢板组成,通过铆钉、螺栓进行连接。根据分析的需求,对车架以及各支架部件进行了必要的简化和处理,车架纵梁以及横梁与连接板采用壳单元,螺栓与铆钉采用刚性单元,对于铸造件采用四面体单元进行离散。模型共划分单元402788个,节点178504个。其有限元计算分析模型(如图1所示)。

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图1 车架有限元模态计算分析模型

3 模态分析与模态试验

3.1 模态分析理论基础

对于多自由度线弹性系统,其运动微分方程可以用矩阵的形式表达为:

Mÿ(t)+C ẏ (t)+Ky(t)=X(t) (1)

式中:M、C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,y(t)为系统的响应位移矢量,x(t)为系统受到的激励力矢量。

如果结构阻尼很小,对系统的模态参数影响不大,则在进行计算模态分析时通常忽略方程式(1)中的阻尼力项,这时求解其特征值可以得到系统的实模态,即模态振型所表示的各自由度的相对运动是同相或反相的。而如果结构阻尼较大,则不能忽略阻尼力的影响,求出的是系统的复模态。模态振型各自由度之间的相对运动存在相位差,其大小是由模态阻尼比决定的[1]。

3.2 有限元模态分析

理论仅考虑了车架自身的质量和刚度,计算了车架的前五阶模态频率和模态振型。具体结果如表1所示。

表1 理论分析结果
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车架的理论计算模态振型(如图2所示)。

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图2 车架有限元分析模态振型

3.3 模态试验

车架的模态试验主要由以下四部分组成:被试车架、激振系统、拾振系统、数据分析与处理系统。其中激振系统包括信号发生器、功率放大器和激振器。拾振系统包括加速度传感器、力传感器、电荷放大器和信号采集系统。模态分析和数据处理系统主要采用LMS Test.Lab分析软件。

为了保证车架的主要频率和振型都能够被充分激发出来,进行车架模态试验时采用多点激振、多点拾振的方法。选取0-200Hz频率的白噪声作为激振信号,对车架垂向和横向两个方向进行激振,其中两个激振器分别安装在车架前部横梁处和车架的中部纵梁底部,具体实验如图3所示。

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图3 车架模态试验时激振器激振位置

由于要得到车架的自由模态频率和模态振型,希望车架结构的振动是完全自由而不受任何约束作用的,这就要求支撑对试件的作用力是一个平衡结构重量的常数。而在振动时引额外引起的弹性力、惯性力、阻尼力等都很小,均可略去不计。支撑件本身的质量、阻尼可以做的很小,但是需要它产生较大的静载荷又具有很小的刚度是十分困难的。理论与实践表明当结构——支撑件系统的固有频率与结构的固有频率之比小于1/5时,这时测试得到的结构固有频率的误差很小,其影响可以忽略不计[2]。

为满足上述要求,一般常用的方法有:橡皮绳悬挂、充气轮胎支撑、弹簧支撑等方法。采用这样的方法可以使得支撑——结构系统的固有频率很低。在本次试验中,车架前后各采用两个充气内胎来支撑如图4所示。

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图4 车架的支撑方式

通过以上试验方式测得车架的固有频率与振型如表-2所示。

表2 车架模态试验结果与分析结果比较
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车架的,模态试验振型如图5所示:

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图5 车架模态试验振型

4 结论

有限元模型必须有较高精度,其分析结果才是可信的,其分析结论才能在产品设计中实际使用。

从以上的理论计算和试验分析结果可知,第二阶试验模态则没有在试验中测出,分析其原因,由于在试验过程中,车架的前后方向通过充气轮胎内胎进行支撑,由于车架较重,导致支撑轮胎的外边缘向上翻起,限制了车架的横向自由度,其次是实验数据的测试处理误差造成的。除了第二阶模态没有测试出来之外,其它几阶理论与试验模态是一致的。使用OptiStruct求解器得出的理论模态频率与试验模态频率的误差在10%以内,计算精度较高,完全满足工程设计的需求。车架有限元模型可以用来做进一步的计算分析,分析车辆的力学特性,为设计提供理论依据。

5 参考文献
[1] 马天飞,王登峰,刘文平.重型商用车驾驶室白车身的模态分析与试验研究.汽车工程,2009,(VO1.31)NO.7.
[2] 高云凯.汽车车身结构分析.北京理工大学出版社,2006.
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