泡沫铝填充汽车车架的抗振性研究

144材料导报B研究篇2012年5月下第26卷第5期泡沫铝填充汽车车架的抗振性研究于英华，宋海，吴雪娜，谈海南辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新123000摘要为探讨满足汽车自身轻量化、环保、舒适和安全方向发展需要的新途径，以某汽车为例，初步设计了泡沫铝填充结构车架，并应用有限元分析软件ANSYS对其进行了静态与动态分析。结果表明，该新型结构车架在满足自身性能要求下，其动态特性明显提高，从而抗振性得到提高。关键词泡沫铝车架动态特性中图分类号U4656文献标识码AANT。VIBRATIONSTUDYABOUTAUTOMOBILEFRAMEOFFOAMALUMINUMFILLINGYUYINGHUA，SONGHAL，WUXUENA，TANHAINANSCHOOLOFMECHANICALENGINEERING，LIAONINGTECHNICALUNIVERSITY，FUXIN123000ABSTRACTFORDISCUSSINGTHENEWWAYTOATTAINTHEDEVELOPMENTFORLIGHTWEIGHTANDENVIRONMENTALPROTECTION，COMFORT，SAFETYREQUIREMENTSOFCARTAKINGACARFOREXAMPLE，PREPARATORYDESIGNONAFRAMESTRUCTUREFILLINGWITHFOAMALUMINUM，ANDUSINGTHEFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYSTODOTHESTATICANDDYNAMICANALYSISTHERESUITSSHOWTHATTHENEWSTRUCTUREFRAMEINTHEIROWNPERFORMANCEREQUIREMENTSCANOBVIOUSLYIMPROVEITSDYNAMICCHARACTERISTICS，SOASTOIMPROVETHEANTVIBRATIONPROPERTYKEYWORDSFOAMALUMINUM，FRAME，DYNAMICCHARACTERISTICS汽车车架是整个汽车的装配基础，承受着所有的负载，传递所有的驱动力和制动力。传统的车架材料一般由优质合金钢板冲压而成，其质量和刚度很大，受到振动时容易发生共振而影响其乘适性。泡沫铝材料具有轻质、减振、吸声、高比强度、高比刚度等特点142，将其填充到车架中既可以减轻车架质量又能起到抗振作用。本研究初步提出了一种泡沫铝填充车架结构，以泡沫铝为填充材料，环氧树脂为粘接剂，将泡沫铝填充到某汽车车架空心梁中，形成泡沫铝填充结构的车架，并分析研究其抗震性。1车架有限元模型的建立车架由2根纵梁、6根横梁和前副杆组成，焊接成为刚性结构，车架体由厚度为3MM钢板压制而成。其中主要尺寸如下纵梁长3800MM，车架宽1350MM，轴距2480MM_5J。由于实际车架的几何模型较为复杂，因此建模时对其进行简化，去掉孔、槽等细小的几何特征，在ANSYS中直接建立模型，以保证其模型精度。本研究采用的泡沫铝为上海汇众有限公司生产，其制造技术成熟，可以满足研究要求。依据现有车架资料进行仿真，车架体材料选用16MN钢，采用SOLID45单元，其弹性模量为EX一210MPA，泊松比一03，密度07800KGM。泡沫铝选用SOLID95单元，根据汇众有限公司提供的资料，其弹性模量EX1210MPA，泊松比一031，密度P540KGM。设置上述单元材料参数并对模型进行网格划分，得到的有限元模型如图L所示，共32916个单元，16229个节点。图1车架有限元模型FIG1THEFINITEELEMENTMODELOFFRAME2静力学分析21载荷施加与边界约束车架作为汽车整体密不可分的一部分，是整个汽车的装配载体和承载基体，它的主要作用是支撑连接汽车上的各个辽宁省教育厅科学技术研究创新团队资助项目LT2010045；中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目MTKJ2010290于英华女，1965年生，博士，教授，主要从事先进制造技术、机械制造中检测的自动化与智能化、新材料性能与应用等方面的研究EMAILXUVICKY199128163EOM泡沫铝填充汽车车架的抗振性研究于英华等145总成或零部件，将它们组成一个完整的基体。车架受到车身及附件的作用力如图2所示。图2车架的受力图FIG2THEFORCEDIAGRAMOFFRAME2个F1的合力为车身压力，F2为发动机重力，F3、F4为蓄电池和乘客的重力，F5为油箱及油的重力。其中F1为均布力，为3186N。其它力为集中力，分别为F2588N、F31500N、F41910N、F5411N。各力按车架上各总成的安放位置施加在车架上。车架为一薄壁梁几何结构，其正常工作时，车轮所受的激振通过悬架和板簧传到车架上，因此需要在边界悬架板簧与车架连接处施加约束，如图2所示在模型中4个圆圈部位施加约束，约束该4处节点6个方向上的自由度。22结果分析对车架有限元模型施加约束和载荷，并进行求解L_7，得出填充前后车架在弯曲工况下的应变图，如图3所示。图3填充前后车架的应变图FIG3THESTRESSSTRAINDIAGRAMSOFFRAMEWITHOUTFILLINGANDAFTERFILLING填充前与填充后的车架在弯曲工况下的最大应力点均出现在车架的横梁与纵梁的交界处，因其受约束影响而出现了应力集中状况。从图3可以得出，未填充泡沫铝结构车架的最大变形量为0434MM，填充泡沫铝结构车架的最大变形量为0185MM。由此可见，填充泡沫铝后的车架在静载荷作用下变形量降低，车架的静态性能得到提高。3模态分析模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态都具有其特定的固有频率、阻尼比和振型。下面对泡沫铝填充前后的车架进行对比分析研究。采用ANSYS中的BLOCKLANCZOS法进行求解_8，其约束和载荷条件与静态分析中相同，并施加预应力。在ANSYS中指定扩展模态为4阶，起始的频率范围为O1000HZ。为节省篇幅，仅列出填充泡沫铝车架的前4阶模态振型图，如图4所示。表1为计算得到的2种车架的各阶固有频率。表1泡沫铝填充前后车架的固有频率TABLE1THECOMPARISONOFFILLEDANDUNFILLEDFRAMEFREQUENCY图4第一、二、三、四阶振型图FIG,4THELSTORDERTO4THORDERVIBRATIONMODEMAPS由表1可知，填充泡沫铝后的汽车车架与填充前的车架相比，其各阶固有频率均有提高。对于振动来说，系统受到一次扰动所获得的动能为11T一，彤一7“A一2RANA厶厶式中A为最大振幅，_厂。为固有频率，7J为振动速度。可见当外来扰动的能量一定时，提高固有频率，可减少系统的振幅。由此可见，填充泡沫铝后汽车车架的动态性能明显提高。4谐响应分析对于一个振动环境，当激励的频率达到系统的固有频率时，系统将发生共振。此时系统的响应最大，谐响应分析就是给系统一个持续的周期载荷，分析系统中产生的持续周期L46材料导报B研究篇2012年5月下第26卷第5期响应，确定结构承受随时问周期变化的载荷的稳态响应。为模拟车辆在路面行驶所受的地面振动作用，分别在4个车架边界悬架板簧与车架连接处施加Y方向幅值为5000N的简谐力，频率分析范围为01400HZ，比较填充前后两种结构的动态性能。经谐响应分析，由于车架中部第二梁承载乘客，此处的振幅对乘适性影响很大，故选取该梁中部位置的节点，查看其随振动频率变化的位移情况，如图5、图6所示。表2谐响应分析幅值TABLE2THEAMPLITUDECOMPARISONOFTHEHARMONICANALYSIS昌吕呈匣80F_0400800L20016002000频率HZ图5填充泡沫铝车架在Y方向频率幅值响应图FIG5THEAMPLITUDEFREQUENCYRESPONSEPLOTOFFIIJEDFRAMEINTHEYDIRECTION010O80O61哑004O020FI|L400800L200I6002000频率HZ图6未填充泡沫铝车架在Y方向频率幅值响应图FIG6THEAMPLITUDEFREQUENCYRESPONSEPLOTOFUNFILLEDFRAMEINTHE5DIRECTION南图6可以看出，未填充泡沫铝的汽车车架，当频率为1200HZ时车架在Y方向上的响应位移达到最大，最大振幅为008996MM。在图5中，当激振力的频率在400HZ时泡沫铝填充车架在Y方向的响应位移达到极大值，最大振幅为007435MM，与未填充泡沫铝的车架相比，幅值降低。并且Y方向为汽车运行时受路面激振力的方向，更是衡量汽车行驶是否平稳的主要方向，通过比较填充前后车架在方向的最大振幅可知，填充后的车架抗震性更好，更加符合汽车的舒适性使用要求。由表2可知，填充泡沫铝后的车架在、Y、Z方向的响应振幅要比填充前的车架小很多，由此可见填充泡沫铝的车架具有更好的动态性能。5结论1通过模态分析得出，填充泡沫铝后车架同有频率提高，振动减少，动态性能提高。2通过谐响应分析得出，填充泡沫铝后的车架在受到地面的激振时，振幅下降。3从静态分析可以看出，填充泡沫铝后，车架梁的强度和刚度提高。因此可以对梁进行优化设计，降低梁的厚度，从而实现汽车轻量化，减少汽车能耗。参考文献1HUQINGHAN胡清寒THEFOAMALUMINUMMATERIALOFAPTLYINGTOMORELIGHTWEIGHTVEHICLES适用于更轻量化车辆的泡沫铝材料_JAUTOMOBILETECHNMATER汽车丁艺与材料，20085282KRETZR，HOMBERGSMETERE，EIPPERKMANUFACTURINGANDTESTINGOFALUMINIUMFOAMSTRUCTURALPARTSFORPASSENGERCARSDEMONSTRATEDBYEXAMPLEOFAREARINTERMEDIATEPANEL；METALFOAMSANDPOROUSMETALSTRUCTURESPROCEEDINGSOFTHE1STINTERNATIONALCONFERENCEBREMEN，1999233ALANHBROTHERS，DAVIDCDUNANDMECHANICALPROPERTIESOFADENSITYGRADEDREPLICATEDALUMINUMFOAMJMATERSCIENGA，2008，489124394CHENGTAO程涛，XIANGYU向宇，ETA1APPLICATIONOFALUMINIUMFOAMINAUTOMOTIVEINDUSTRY泡沫铝在汽车工业中应用JLIGHTMETALS轻金属材料，20098715YUYINGHUA于英华STUDYONMECHANICALBEHAVIORANDAPPLICATIONOFFOAMEDALUMINUMEPOXYRESINCOMPOUNDMATERIAL泡沫铝环氧树脂复合材料力学行为及应用研究DFUXIN阜新LIAONINGTECHNICALUNIVERSITY辽宁丁程技术大学，200776陈家瑞汽车构造M北京机械工