重型汽車車架有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析比較
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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(duì)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(duì)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(duì)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(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，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(duì)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(duì)比。
2 有限元模型建立
在有限元模型前處理軟件HyperMesh中對(duì)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(duì)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(duì)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）。
圖1 車架有限元模態(tài)計(jì)算分析模型
3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)
對(duì)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：
M?(t)+C y? (t)+Ky(t)=X(t) （1）
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(duì)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(duì)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(duì)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。
表1 理論分析結(jié)果 
圖2 車架有限元分析模態(tài)振型
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(hào)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(hào)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。
評(píng)論