iSolver案例分享：汽車前副車架模態(tài)分析案例

0. 引言

iSolver為一個完全自主的通用結(jié)構(gòu)有限元軟件，對標(biāo)國際主流結(jié)構(gòu)CAE商業(yè)軟件Abaqus、Ansys、Nastran，支持結(jié)構(gòu)分析的常用功能，線性及材料非線性的精度和Abaqus沒有誤差，效率和Abaqus相當(dāng)，iSolver自帶友好的三維可視化前后處理界面，也可作為一個輕量化插件集成到Abaqus/FEMAP或者自主軟件中。本帖以一單層球面網(wǎng)殼模態(tài)分析為例，將iSolver求解器和Abaqus、Ansys、Nastran、Midas計算結(jié)果、進(jìn)行對比，驗證iSolver的求解可靠性。

1. 問題描述

汽車的前副車架是連接車身和車輪的中間裝置，起支撐、隔振以及提高懸架剛度的作用。汽車前副車架是汽車各大總成的載體，是重要的受力部件。前副車架工作時要承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪切力，在實(shí)際行車過程中，副車架還要受到來自路面的激勵和發(fā)動機(jī)的激勵，設(shè)計中除了要有足夠的強(qiáng)度、足夠的抗彎剛度和合適的扭轉(zhuǎn)剛度保證汽車對路面不平度的適應(yīng)性外，合理的振動特性也是十分重要的，以避免汽車在使用過程中各部件之間產(chǎn)生共振，導(dǎo)致某些部件的早期損壞，降低汽車的使用壽命，影響乘客駕乘的舒適性。因此，前副車架模態(tài)要求在汽車設(shè)計中是非常重要的。前副車架的模態(tài)與發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速下的激勵頻率很接近時，副車架與發(fā)動機(jī)的激勵頻率發(fā)生共振，整車便會產(chǎn)生轟鳴聲，影響整車的NVH值，降低汽車的使用壽命，影響乘客的舒適性。而如何科學(xué)地定義前副車架的模態(tài)目標(biāo)值是研究的重點(diǎn)。

本例中，為了研究副車架的模態(tài)和iSolver求解器計算精度，計算副車架自由狀態(tài)下的副車架前五階柔性模態(tài)。

2. 副車架有限元建模

以某量產(chǎn)車型的沖焊結(jié)構(gòu)副車架為例，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，rbe2抓取硬點(diǎn)，模型包含54302個節(jié)點(diǎn)，56422個殼單元，其中三角形單元占比為5.8%。模型材料為鋼材，副車架有限元模型和材料參數(shù)如下圖1和表1所示。

圖1 副車架有限元模型

表1 材料屬性

材 料	E/MPa	μ	密度ρ t/mm3
鋼材	210000	0.3	7.85e-9

3. 副車架自由模態(tài)分析與對比

自由模態(tài)是副車架剛度特性的基本指標(biāo)之一，根據(jù)模態(tài)振型可以幫助工程師確定剛度關(guān)注點(diǎn)、疲勞關(guān)注部位以及懸置布置位置等。通過iSolver計算副車架前五階柔性模態(tài)。

圖2 iSolver模態(tài)計算設(shè)置

iSolver模態(tài)頻率結(jié)果和MSC Nastran商用有限元軟件結(jié)果對比：

表2 模態(tài)頻率結(jié)果對比

模態(tài)階數(shù)	iSolver /Hz	MSC Nastran /Hz	相對誤差
1	142.7	143.8	-0.77%
2	249.7	249.6	+0.04%
3	321.7	322.2	-0.16%
4	395.3	396.8	-0.38%
5	454.2	454.4	-0.04%

以上結(jié)果對比可見，iSolver與MSC Nastran求解器計算的模態(tài)頻率結(jié)果基本一致，最大誤差僅為-0.77%。

iSolver模態(tài)頻率結(jié)果和MSC Nastran商用有限元軟件結(jié)果對比：

1）第一階柔性模態(tài)振型對比

圖2 副車架第一階（142.7Hz）柔性扭轉(zhuǎn)模態(tài)-iSolver

圖3 副車架第一階（143.8Hz）柔性扭轉(zhuǎn)模態(tài)-MSC Nastran

2）第二階柔性模態(tài)振型對比

圖4 副車架第二階（249.7Hz）柔性彎曲模態(tài)-iSolver

圖5 副車架第二階（249.6Hz）柔性彎曲模態(tài)-MSC Nastran

3）第三階柔性模態(tài)振型對比

圖6 副車架第三階（321.7Hz）柔性模態(tài)-iSolver

圖7 副車架第三階（322.2Hz）柔性模態(tài)-MSC Nastran

4）第四階柔性模態(tài)振型對比

圖8 副車架第四階（395.3Hz）柔性模態(tài)-iSolver

圖9 副車架第四階（396.8Hz）柔性模態(tài)-MSC Nastran

5）第五階柔性模態(tài)振型對比

圖10 副車架第五階（454.2Hz）柔性模態(tài)-iSolver

圖11 副車架第五階（454.4Hz）柔性模態(tài)-MSC Nastran

由此可見，iSolver與MSC Nastran求解器計算的模態(tài)振型結(jié)果也是基本一致，總的來說，固有頻率和振型計算結(jié)果幾乎吻合。

4. 總結(jié)

本例中計算了汽車副車架的自由狀態(tài)下的模態(tài)，其分析結(jié)果對于汽車設(shè)計具有非常重要的意義，特別是其一階扭轉(zhuǎn)和二階彎曲模態(tài)的頻率和振型，幫助避免與發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速產(chǎn)生共振，以及有效設(shè)計懸置安裝位置。

本例中，iSolver求解器與MSC Nastran商用軟件結(jié)果基本一致。iSolver軟件在本例上有非常高的的求解精度。