該帖是本人收藏的一份論文，分享給大家看看

作者：高中美 閔鵬 安杰 聶成剛

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摘 要： 本文在有限元軟件HyperWorks中建立了車架的有限元模型，并通過OptiStruc求解器進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，將理論模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果進(jìn)行了對比，對比結(jié)果證明了理論分析和試驗(yàn)分析基本一致，說明有限元模型是正確合理的，是對車架進(jìn)一步進(jìn)行理論計(jì)算的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：HyperWorks 車架 模態(tài)分析有限元

1 前言

重型汽車車架是一個(gè)無限多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，在外界的時(shí)變激勵(lì)下將產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)外界激振頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將產(chǎn)生共振。共振將會(huì)使得乘員感覺不舒服，帶來噪聲和早期疲勞破壞。因此，合理的車架模態(tài)對提高整車的整車的可靠性和NVH性能等有十分重要的意義。在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，預(yù)先掌握所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足動(dòng)態(tài)特性要求，對車輛的動(dòng)態(tài)特性是非常重要的。可以從兩個(gè)方面獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率和振型，一種方法是通過試驗(yàn)的方法，對樣車進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，識(shí)別出結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率和振型，另一種方法是通過理論分析計(jì)算，分析計(jì)算出結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)和振型。試驗(yàn)方法的局限性是必須在設(shè)計(jì)樣車制造出來之后，才能進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過對實(shí)際樣車的試驗(yàn)分析，得出產(chǎn)品的基本動(dòng)態(tài)特性，如果不能滿足設(shè)計(jì)需求，需要重新設(shè)計(jì)，然后再生產(chǎn)樣車試驗(yàn)。如此往復(fù)多次，才能得到一個(gè)較為滿意的產(chǎn)品。但是產(chǎn)品開發(fā)周期長費(fèi)用高，不能夠迅速推出產(chǎn)品，占領(lǐng)市場，對企業(yè)發(fā)展不利。理論計(jì)算分析則可以在設(shè)計(jì)的初始階段，不需要生產(chǎn)樣車，通過計(jì)算分析就能夠得到產(chǎn)品的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，這樣就很大程度上節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，并縮短研發(fā)周期。

本文利用有限元方法，采用HyperWorks軟件離散并建立了重型汽車車架的有限元模型，利用求解器計(jì)算，得出了車架的前十階自由模態(tài)頻率和振型，并和試驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行了對比。

2有限元模型建立

在有限元模型前處理軟件HyperMesh中對車架進(jìn)行幾何清理，并做網(wǎng)格劃分。車架主要由沖壓鋼板組成，通過鉚釘、螺栓進(jìn)行連接。根據(jù)分析的需求，對車架以及各支架部件進(jìn)行了必要的簡化和處理，車架縱梁以及橫梁與連接板采用殼單元，螺栓與鉚釘采用剛性單元，對于鑄造件采用四面體單元進(jìn)行離散。模型共劃分單元402788個(gè)，節(jié)點(diǎn)178504個(gè)。其有限元計(jì)算分析模型（如圖1所示）。

3模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)

3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

對于多自由度線彈性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程可以用矩陣的形式表達(dá)為：

式中：M、C和K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，y(t)為系統(tǒng)的響應(yīng)位移矢量，x(t)為系統(tǒng)受到的激勵(lì)力矢量。

如果結(jié)構(gòu)阻尼很小，對系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)影響不大，則在進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析時(shí)通常忽略方程式(1)中的阻尼力項(xiàng)，這時(shí)求解其特征值可以得到系統(tǒng)的實(shí)模態(tài)，即模態(tài)振型所表示的各自由度的相對運(yùn)動(dòng)是同相或反相的。而如果結(jié)構(gòu)阻尼較大，則不能忽略阻尼力的影響，求出的是系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)。模態(tài)振型各自由度之間的相對運(yùn)動(dòng)存在相位差，其大小是由模態(tài)阻尼比決定的[1]。

3.2有限元模態(tài)分析

理論僅考慮了車架自身的質(zhì)量和剛度，計(jì)算了車架的前五階模態(tài)頻率和模態(tài)振型。具體結(jié)果如表1所示。

車架的理論計(jì)算模態(tài)振型（如圖2所示）。

圖2 車架有限元分析模態(tài)振型

3.3 模態(tài)試驗(yàn)

車架的模態(tài)試驗(yàn)主要由以下四部分組成：被試車架、激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)。其中激振系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器和激振器。拾振系統(tǒng)包括加速度傳感器、力傳感器、電荷放大器和信號采集系統(tǒng)。模態(tài)分析和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要采用LMS Test.Lab分析軟件。

為了保證車架的主要頻率和振型都能夠被充分激發(fā)出來，進(jìn)行車架模態(tài)試驗(yàn)時(shí)采用多點(diǎn)激振、多點(diǎn)拾振的方法。選取0-200Hz頻率的白噪聲作為激振信號，對車架垂向和橫向兩個(gè)方向進(jìn)行激振，其中兩個(gè)激振器分別安裝在車架前部橫梁處和車架的中部縱梁底部，具體實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

圖3 車架模態(tài)試驗(yàn)時(shí)激振器激振位置

由于要得到車架的自由模態(tài)頻率和模態(tài)振型，希望車架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是完全自由而不受任何約束作用的，這就要求支撐對試件的作用力是一個(gè)平衡結(jié)構(gòu)重量的常數(shù)。而在振動(dòng)時(shí)引額外引起的彈性力、慣性力、阻尼力等都很小，均可略去不計(jì)。支撐件本身的質(zhì)量、阻尼可以做的很小，但是需要它產(chǎn)生較大的靜載荷又具有很小的剛度是十分困難的。理論與實(shí)踐表明當(dāng)結(jié)構(gòu)——支撐件系統(tǒng)的固有頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率之比小于1/5時(shí)，這時(shí)測試得到的結(jié)構(gòu)固有頻率的誤差很小，其影響可以忽略不計(jì)[2]。

為滿足上述要求，一般常用的方法有：橡皮繩懸掛、充氣輪胎支撐、彈簧支撐等方法。采用這樣的方法可以使得支撐——結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率很低。在本次試驗(yàn)中，車架前后各采用兩個(gè)充氣內(nèi)胎來支撐如圖4所示。

圖4 車架的支撐方式

通過以上試驗(yàn)方式測得車架的固有頻率與振型如表-2所示。

車架的，模態(tài)試驗(yàn)振型如圖5所示：

      a）車架一階振型                          b）車架三階振型                       c）車架四階振型

圖5 車架模態(tài)試驗(yàn)振型

4 結(jié)論

有限元模型必須有較高精度，其分析結(jié)果才是可信的，其分析結(jié)論才能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中實(shí)際使用。

從以上的理論計(jì)算和試驗(yàn)分析結(jié)果可知，第二階試驗(yàn)?zāi)B(tài)則沒有在試驗(yàn)中測出，分析其原因，由于在試驗(yàn)過程中，車架的前后方向通過充氣輪胎內(nèi)胎進(jìn)行支撐，由于車架較重，導(dǎo)致支撐輪胎的外邊緣向上翻起，限制了車架的橫向自由度，其次是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測試處理誤差造成的。除了第二階模態(tài)沒有測試出來之外，其它幾階理論與試驗(yàn)?zāi)B(tài)是一致的。使用OptiStruct求解器得出的理論模態(tài)頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率的誤差在10%以內(nèi)，計(jì)算精度較高，完全滿足工程設(shè)計(jì)的需求。車架有限元模型可以用來做進(jìn)一步的計(jì)算分析，分析車輛的力學(xué)特性，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 馬天飛，王登峰，劉文平.重型商用車駕駛室白車身的模態(tài)分析與試驗(yàn)研究.汽車工程，2009，（VO1.31)NO.7.

[2] 高云凱.汽車車身結(jié)構(gòu)分析.北京理工大學(xué)出版社，2006.