本文利用MSC.Nastran有限元分析軟件和MSC.Patran前后處理軟件，微型貨車車身進(jìn)行了FEA建模，并進(jìn)行了車身模態(tài)的理論計(jì)算分析，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(duì)比，對(duì)比結(jié)果證明了理論分析和試驗(yàn)分析的一致性非常好，這說明了此部分的分析工作完全可以利用計(jì)算機(jī)來代替試驗(yàn)室的大量同類試驗(yàn)工作，并且可以在還沒有設(shè)計(jì)樣車的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行。

 

                                           前言

    在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，預(yù)先掌握所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性，從動(dòng)態(tài)角度對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足動(dòng)態(tài)要求，是非常重要的。獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率和振型，可以從兩個(gè)方面得到，一種方法是通過對(duì)實(shí)際樣車進(jìn)行試驗(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(duì)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，再返回去修改設(shè)計(jì)，通過幾輪樣車制造和大量的試驗(yàn)分析，最終也能得到一個(gè)較為滿意的產(chǎn)品，但周期長(zhǎng)費(fèi)用高。理論計(jì)算分析方法可以在沒有實(shí)際樣車而只有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的情況下，得出所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各階模態(tài)，預(yù)測(cè)出產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性，從而能減少樣車的制造次數(shù)與試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用和縮短開發(fā)周期。

    由于汽車車身結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的板殼結(jié)構(gòu)，不可能應(yīng)用簡(jiǎn)單的力學(xué)公式直接計(jì)算，而必須把其結(jié)構(gòu)離散化，利用有限元方法的計(jì)算分析，才能得出結(jié)果分析結(jié)果。

    本文利用有限元方法，采用MSC.Patran軟件離散并建立了微型貨車車身（以下稱為白車身）的有限元模型，利用MSC.Nastran求解該模型，得出了白車身的各階自由振動(dòng)頻率和振型，并和試驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行了對(duì)比。

 

幾何模型和有限元模型

 

2.1幾何模型

在建立白車身的幾何模型時(shí)，直接利用CAD的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并根據(jù)FEM計(jì)算的需要和要求，進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化之后而得到。由于車身CAD設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在部分零件的3D數(shù)據(jù)之間，存在用于讓位的料縫縫隙，對(duì)于料縫縫隙，進(jìn)行了幾何上的協(xié)調(diào)。建立幾何模型時(shí)，忽略車身上用于裝配其他部件的螺釘、螺母、零件中面與面之間的較小的倒圓和倒棱以及對(duì)力學(xué)結(jié)構(gòu)影響較小的一些沖壓筋、孔和一些工藝結(jié)構(gòu)，忽略車身中非重要結(jié)構(gòu)的小零件。對(duì)重要零件進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，盡量保持和原始CAD設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一致，在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化較少，以便真實(shí)反映零件的結(jié)構(gòu)特征。

由于車身在結(jié)構(gòu)上是由多個(gè)零件組成的，在建立幾何模型時(shí)，根據(jù)零件名稱建立零件組，每一個(gè)組中放一個(gè)零件。經(jīng)過簡(jiǎn)化和進(jìn)行合理的省略之后，該白車身由45個(gè)對(duì)稱零件，21個(gè)非對(duì)稱零件和7根鋼管橫梁，總計(jì)118個(gè)零件經(jīng)焊接組裝而成。因此在建立幾何模型時(shí)，劃分了70個(gè)零件組來分別存放這118個(gè)零件，得到零件獨(dú)立的幾何模型。

2.2 有限元模型

由于微型汽車車身主要是由鈑金沖壓件和等半徑等厚度的鋼管橫梁經(jīng)過點(diǎn)焊和CO2保護(hù)焊焊接后組成，因此用殼體單元Quard4和部分Tria3來模擬車身零件的薄板鈑金結(jié)構(gòu)和橫梁的鋼管結(jié)構(gòu)。

在建立車身的幾何模型時(shí)，需要點(diǎn)焊的地方，加上硬點(diǎn)，點(diǎn)焊焊點(diǎn)采用兩種方式處理：①幾何上完全協(xié)調(diào)，消除了料縫的地方，使兩個(gè)零件相同位置硬點(diǎn)處的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同節(jié)點(diǎn)化，使之連為一體；②部分有料縫的地方，采用MPC連接兩個(gè)硬點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)。CO2保護(hù)焊縫用MPC連接相應(yīng)位置處的節(jié)點(diǎn)來模擬CO2焊縫。

完成后的有限元模型規(guī)模：?jiǎn)卧獢?shù)190662，MPC數(shù) 310，節(jié)點(diǎn)數(shù)192868。

分析結(jié)果

 

 

3.1 理論計(jì)算分析結(jié)果和試驗(yàn)分析結(jié)果

理論和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析僅考慮了白車身自身的質(zhì)量和剛度,分析計(jì)算了白車身的自然模態(tài)頻率和振型。理論分析頻率范圍為0～80Hz, 試驗(yàn)分析頻率范圍為0～100Hz，各階模態(tài)的理論和試驗(yàn)分析結(jié)果如表1所示。

表1  白車身模態(tài)的理論計(jì)算和試驗(yàn)分析結(jié)果

 

3.2 主要振型圖

白車身有限元理論模態(tài)分析結(jié)果的前幾階模態(tài)振型圖，如圖1～4所示。

圖1 一階模態(tài)振型（縱向彎曲）

圖2 二階模態(tài)振型（扭轉(zhuǎn)）

圖3 三階模態(tài)振型（橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)組合）

圖4 五階模態(tài)振型

（整車扭轉(zhuǎn)、駕駛室和風(fēng)窗對(duì)角扭轉(zhuǎn)變形）

 

分析結(jié)果討論

 

4.1 有限元模型精度驗(yàn)證

有限元模型必須有較高精度，這樣其分析結(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。從表1的理論和試驗(yàn)分析結(jié)果可知，理論和試驗(yàn)分析的前三階模態(tài)是非常一致的，其前3階模態(tài)的對(duì)比分析結(jié)果如表2所示。

表2  前3階模態(tài)對(duì)比

在4階以上模態(tài)，分析表1的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在階次錯(cuò)位的情況下，其頻率和振型是一致的，即理論模態(tài)的第5階以后和試驗(yàn)?zāi)B(tài)的第7階以后，各階模態(tài)在頻率和振型上是一致的。

理論分析在30～40Hz段沒有模態(tài)，試驗(yàn)分析在該段有2個(gè)局部模態(tài)，其原因有兩方面，其一是模型的簡(jiǎn)化造成局部模態(tài)的改變；其二是試驗(yàn)誤差和數(shù)據(jù)處理誤差造成的虛假局部模態(tài)。而有限元模型建立時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)未作大的簡(jiǎn)化，分析方法采用的是LANCZOS算法，這基本可以判斷理論計(jì)算的結(jié)果是可信的，試驗(yàn)時(shí)在30～40Hz段出現(xiàn)的局部模態(tài)是試驗(yàn)誤差和數(shù)據(jù)理誤差造成的。去掉這兩個(gè)局部模態(tài)，則理論和試驗(yàn)是基本一致的，并且計(jì)算精度較高。

4.2 模型規(guī)模和計(jì)算精度

有限元模型必須具備一定的規(guī)模，其計(jì)算結(jié)果才有較高的分析計(jì)算精度，本文對(duì)白車身的模態(tài)分析應(yīng)用了兩各不同規(guī)模的有限元模型進(jìn)行了分析。其結(jié)果如表3所示。

表3 不同規(guī)模模型計(jì)算結(jié)果（Hz）

☆模型1是本次計(jì)算分析所用模型，分析軟件是MSC.Nastran；模型2使用的分析軟件是ANSYS。

從表3可以看出，對(duì)同一輛車，由于建模時(shí)簡(jiǎn)化規(guī)模不同，其有限元模型的規(guī)模是不一樣的，其計(jì)算結(jié)果也有較大的差別，表2和表3的數(shù)據(jù)表明，要獲得高精度的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算模型必須具備一定的規(guī)模，規(guī)模較小時(shí)計(jì)算誤差較大。

4.3 車身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析

汽車行駛時(shí)要承受各種來自外界和內(nèi)部激勵(lì)源的激勵(lì)，其中主要的激勵(lì)來自路面對(duì)車輪的沖擊和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，研究汽車的動(dòng)態(tài)特性，能有效地分析其舒適性和疲勞壽命。設(shè)計(jì)汽車時(shí)，車身的固有頻率必須要有效地避開其激勵(lì)頻率，防止其發(fā)生共振。分析汽車的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，最好用整車的固有頻率來分析，白車身的固有頻率不是嚴(yán)格意義上的整車固有頻率，但比較接近，當(dāng)在白車身模型上加上貨廂、發(fā)動(dòng)機(jī)、前橋固定橫梁等其他部分時(shí)，汽車的整車固有頻率將會(huì)略為提高。

汽車在激勵(lì)作用下，其振動(dòng)是各階模態(tài)振動(dòng)的綜合反映，起主要作用的是前幾階的整體模態(tài)，因此應(yīng)著重分析前幾階頻率。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)汽車在正常路面上以低于150km/h的速度行駛時(shí)，路面對(duì)汽車的激勵(lì)頻率低于21Hz，所以汽車車身的第一階固有頻率應(yīng)高于21Hz，以不低于25Hz為好。根據(jù)上述結(jié)果分析，地面的激勵(lì)將不會(huì)使整車發(fā)生共振。

白車身的整體模態(tài)頻率分別是25.178Hz、27.409Hz、29.131Hz、43.772Hz，其他模態(tài)是局部模態(tài)，局部模態(tài)是結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)，一般不會(huì)嚴(yán)重影響的使用。

汽車在怠速、正常行駛和加速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不一樣，其對(duì)汽車的激勵(lì)頻率也不一樣。被分析車輛使用發(fā)動(dòng)機(jī)的基本轉(zhuǎn)速參數(shù)為：①怠速850±50 r/min；②額定功率5300±50 r/min，因此發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)汽車的激勵(lì)頻率為：

怠速時(shí)激振頻率：f=（850±50）/60×2=28.33±1.67 Hz。

正常行駛時(shí)激振頻率：f=（5300±50）/60×2=176.67±1.67 Hz。

正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率已經(jīng)遠(yuǎn)大于汽車的整體模態(tài)頻率，不會(huì)引起汽車的共振。但怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率和白車身主要的前三階整體模態(tài)頻率非常接近，即使整車的整體固有頻率比白車身的整體固有頻率略微提高，在怠速時(shí)也很容易引起車身的共振，影響舒適性與汽車的疲勞壽命。

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