模态论文机械模态分析方法在汽车工程中的应用.doc

机械模态分析方法在汽车工程中的应用前言振动现象是汽车行驶中无法避免的问题之一。而强烈的振动会造成结构的共振以及疲劳，从而引起结构破坏，引发安全问题，并且不合适的振动会对人的驾驶感受和乘坐舒适度引起极大影响，因此控制好汽车相关部件的振动不仅可以延长汽车的使用寿命，更可以使汽车的NVH性能得到大大提升，从而提高产品的市场竞争力。模态分析是有效对汽车振动进行控制的手段。为了避免类似共振、噪声过大等不良现象，确保汽车与传动系统路面激励等发生相互影响的可能性，从而可通过结构的合理设计避开共振频率。本文即就汽车工程中运用模态分析方法对汽车设计进行预测指导性的作用进行一简要阐述。1.基于Ansys软件的客车车架刚度及模态的分析与优化基于有限元法的车架设计流程为：根据设计任务书并参照同类车型车架确定初步的结构方案；建立车架的实体模型；对实体模型进行网格划分，建立车架的有限元计算模型（用于结构选型的概念性设计阶段，大多采用空间量单元模拟车架的纵横梁）；确定载荷和约束条件；计算车架的刚度、强度、振动模态等关键性能指标；分析计算结果，将其与设计要求对比，看是否符合要求；将初始结构参数作为设计变量，将一些关键性能指标作为状态变量，以质量最轻或体积最小为目标进行优化设计。在对车架进行初步选型之后，为了后续的优化设计，必须对车架进行参数化建模。选择合适的网格单元BEAM188号单元对车架模型进行网格划分，单元总数为312，节点总数为626，从而得到其有限元模型。确定边界条件：车架刚度有很多种，其中最重要的是车架的弯曲和扭转刚度。参照车架的刚度试验方法确定其边界条件。其计算示意图分别如下：图1 车架弯曲刚度计算示意图图2 车架扭转刚度计算示意图求解结果与分析：用Block Lanczos法提取自由振动时车架的前五阶固有频率，频率范围为0.0550Hz。如表一:表一 车架的前五阶固有频率并最终可求得改车架的弯曲刚度和扭转刚度，并与同类车架进行比较，分析其薄弱环节，以及对于整车的影响，进而对相关参数进行从新选择，优化车架设计，并最终设计出符合设计要求的最终选型，2.汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析驱动桥作为汽车四大总成之一，因位于动力传动系的末端，工作时它的受载情形相当复杂：在承受自身的减速器、差速器和半轴等组件重量的同时，同从动桥一起支承车架及其上的各总成质量；行驶时，还将承受由车轮传来的牵引力、制动力力、侧向力、垂向力并经悬架传给车架。因此对驱动桥的关键零件桥壳设计提出了严格要求，即满足足够的强度和刚度且质量小的基础上，应使其结构型式尽可能便于制造、拆装和调整。驱动桥桥壳工作受力情况复杂，而汽车的行驶条件如道路情况、气候条件及车辆的行驶状态等又是千变万化的，因此在设计过程中必须对桥壳的应力、变形、危险部位的应力、振动情况等进行计算和校核。有限元法已广泛应用到驱动桥桥壳没计中，通过对驱动桥桥壳的有限元计算，既可以分析驱动桥桥壳的强度及模态等情况，也可以比较各种设计方案，在满足强度和刚度要求的条件下，为结构的优化没计提出可行的措施和建议。驱动桥桥壳结构是一个极为复杂的组合结构，在实际结构的基础上有效地建立简化而正确的有限元模型，是保证有限元分析准确的首要条件。通常，在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。般包括几何建模、定义材料属性和实常数(要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数)，定义单元类璎，网格划分，添加约束与载倚等。由于汽车驱动桥桥壳结构形状较为复杂，包含许多复杂曲面，而般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限，难以快速方便地对其建模。因此，针对较复杂的结构，采用三维CAD软件如UG中建立兀何模型，然后在有限元分析软件ANSYS Workbench中通过输入接n读入实体模型。最后，在ANSYSWorkbench中完成其它分析过程。首先在UG中建立起驱动桥桥壳的三维模型，在建宅桥壳的有限元模型时，先对驱动桥桥壳实体作必要简化，对按承载件，均保留其原结构形状，以反映其力学特性，对非承载件进行一定程度的简化，如图3(a)所示。然后将模型导入到ANSYS中，进行网格划分，划分网格时选用具有较高刚度及计算精度的四面体10节点92号单元，将该零件划分为7612个节点，3765个单元，如图3(b)所示。图3 驱动桥桥壳的有限元模型在ANSYS Workbench软件中对该驱动桥桥壳完成上述有限元前处后，分别对结构的强度和振动模态进行仿真求解，求解完成后即可对结果进行分析和评价。首先可以计算出其结构强度如表2所示，是满足设计要求的，下面主要说明桥壳模态的计算。表2 驱动桥壳强度计算结果模态分析，就是采用试验分析或理论分析的方法来识别系统的模态参数。在结构动力学中，振动系统的特性可以用模态来描述，表征模态的各阶参数是振动系统的各阶固有频率、固有振型等。模态是振动系统特性的一种表征，它是构成各种结构复杂振动的最简单或最基本的振动形态，模态分析是进行各项动力分析的前提和基础，它为振动系统的动态设计和故障诊断提供厂数值依据。在ANSYS Workbench软件中计算得到的前6阶模态下的固有频率值，如表3所示。对应于前6阶模态固有频率的振型，如图4(a)图4(f)所示。由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶的振型对结构的动力影响比高阶振型大，因此低阶振型决定了结构的动态特性，从动画显示结果中更容易看出各阶振动的方向和相对幅值大小。表3 驱动桥壳前六阶固有频率汽车在凹凸不平的路面上行驶时，车辆主要承受非对称的荷载作用，此时易激发驱动桥桥壳结构的异向弯曲模态或者弯曲扭转组合模态，汽车振动系统承受路面作用的激励多属于(O-50)Hz的垂直振动，不会由路面激励引起桥壳的共振，驱动桥壳设计比较合理。对汽车驱动桥桥壳的仿真研究表明，通过利用CAD软件UG建立3D参数化模型进行转化建立汽车零部件的有限元计算模型，在CAE软件ANSYS Workbench中进行仿真计算和分析，可降低设计开发成本，减少试验次数，缩短设计开发周期，从而节省设计成本、提高产品质量，使得汽车在轻量化、抗振性、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非常重要的指导作用和实际意义。3.汽车整车状态下动力总成刚体模态试验研究汽车发动机常用往复活塞式发动机，它是由周期爆发的燃气压力产生的活塞往复运动，通过曲轴连杆机构转化为曲轴的旋转运动，对外输出功。由于发动机气缸做功的不连续性，发动机运动部件的不平衡惯性力对发动机机体具有强烈的冲击和宽频带激励作用。同时，发动机在工作工程中，由于实际工况和负荷的不断变化，反扭矩也在不断变化，从而对发动机造成一个扭矩激励作用。在以上两种激励作用下，发动机会产生随转速变化的振动。这种宽频带的振动与冲击无论对发动机的可靠性，还是对汽车的可靠性及乘坐舒适性都将造成极为不利的影响。目前，随着汽车和发动机朝着高速、轻量化、大功率方向发展，其振动噪声问题日趋严重。为了克服振动造成的各方面负面影响，人们采取了各种方法和途径来降低发动机和整车的振动。汽车发动机工作中产生的不平衡力、力矩及路面不平度是引起汽车振动的激振的主要激振源。为了减小发动机（动力总成）对整车振动和噪声的影响，一般是通过动力总成悬置连接在车架上的产生隔振效果。理想的动力总成悬置元件应满足多方面的要求。不但应该将发动机自身产生的振动与车架结构隔离，而且还必须对汽车在道路行驶中产生的扰动有满意的响应特性。它必须在汽车突然加速、制动、转向等非稳态干扰时激发的低频扰动范围内有较大的动刚度和阻尼，以便限制动力总成的过分弹跳和过大的位移。简单的说，理想的发动机悬置元件应该在低频范围有较大的动刚度和阻尼，而在高频范围有较低的动刚度。对悬置系统进行合理的设计和分析来控制动力总成激励力对整车的影响是整车NVH系统设计的重要组成部分。动力总成的动力学模型为了进行动力总成悬置系统的动力学分析，首先需要建立动力总成悬置系统的动力学模型。动力总成悬置系统的固有频率一般在 530Hz 之间，这一频率远低于动力总成的一阶弹性模态。因而在以悬置系统低频隔振分析为主要目标的处理过程中，可以将动力总成视为刚体，橡胶悬置元件简化为三向正交的弹性阻尼元件，建立系统 6 自由度的自由振动和受迫振动的动力学微分方程组。图4. 汽车动力总成刚体动力学模型图 4表示动力总成处于静平衡位置。以动力总成质心G0为坐标原点，设定沿动力总成曲轴方向并指向前方为X轴正方向，按照右手法则建立直角坐标系G0-xyz，如图所示。动力总成的振动可分解为随同它的质心G0点沿x、y、z的三个平动，和绕质心G0点的转动。在微振动条件下，其角位移可用绕x、y、z轴的转角x、y 、z表示。对动力总成液压悬置系统力学模型，设悬置系统受到的外力为Q(t)，根据动力学原理可建立动力总成悬置系统六自由度动力分析方程为Mq& + Cq& + Kq = Q(t) （1） 式中： q = xyzxyzT为六自由度坐标。动力总成刚体模态试验分析为了验证理论分析结果和评价隔振效果，必须进行动力总成的刚体振动模态试验，以验证设计正确性。本文应用LMS SC310动态测试硬件系统和TEST.LAB测试分析软件进行模态试验与模态参数识别。模态测试系统由三部分组成：电磁激振系统、传感器，LMS SC310数据采集和信号分析系统。激励系统主要包括信号源，功率放大器和激振器。其中信号源由LMS SC310源控制模块和软件产生。本试验采用猝发随机激励信号。传感器主要用于拾取激励力传感器和振动加速度传感器。力传感器和振动加速度传感器是ICP型，由LMS SC310信号适调模块进行信号调理和放大。LMS SC310数据采集和信号分析系统。力和加速度信号经LMS SC310数据采集模块和采集软件控制、分析获得各测点FRF频响函数和相干函数。为模态分析提供相应的数据。动力总成刚体模态试验过程主要包括以下几个方面：(1)几何建模：对于动力总成刚体模态试验，理论上至少要求八个测点组成一个长方体即可。在本次刚体模态试验上在发动机和变速箱上布置20个测点。应用比利时LMS国际公司TEST.LAB软件中的GEOMETRY模块进行建模。（2）激励点和激励方式：整车状态下动力总成和动力传动系模态试验激振点选取发动机缸盖右前上角斜向和变速箱与传动轴连接处斜向 2 点激振。对于以动力总成能量解耦设计为主要目标设计方案，在 Z 向和绕 X 轴转动等方向可能与其它方向解耦，如单方向激励，在其它方向可能产生的响应非常小，因此，对于动力总成刚体模态试验必需要多方向同时激振才能将六个刚体模态全部激发出来。同时激励点的选取应使激振力矩增大。在试验过程中，要选取多个激振点进行比较。（3）试验的支承方式：整车状态下动力总成刚体模态试验车辆放置在水平地面上，保持在水平面内。为了消除车架和悬架的模态影响，车辆用四个支点顶起。（4）测点：本试验共使用了两个力传感器和十个三向加速度传感器。力传感器测量激励信号；加速度传感器测量测点响应信号。由于测点较多，传感器数量有限，所以采取分组多次采集、最后集中处理的测量手段。激振器与力传感器之间用较细的柔性杆连接，以保证激振力产生引激励方向作用力。（5）动力总成刚体模态试验数据采集设置:采样频率有效带宽: 64Hz，谱线数：512，频率分辨率为0.125Hz。力信号和响应窗函数为HANNING窗以减少泄漏误差。力信号源为BIRST 随机，激振频率2-64Hz。为了减少测量随机误差，提高测试精度，对每次测量采样进行16次重复平均。（6）频响函数 FRF 的测量：为了获取全部模态参数及模态振型的信息，需要测量足够数量和精度的频响函数（FRF）。在测量二输入多输出频响函数时，采用自功率谱和互功率谱计算频响函数，根据 16 次平均次数，用 H1 估计法求得频响函数的最小二乘近似值。在试验过程中，确保相干函数接近 1。本试验中由 LMS 国际公司 SPECTRAL ACQUISITION 采集软件测试各测点频响函数。通过移动加速度传感器，测量全部测点的频响函数。监测各测点相干函数和频响函数。（7）模态参数识别：模态参数估计方法是采用比利时 LMS 公司 MODEL ANSLYSIS 分析软件中对于大阻尼系统识别精度高的 POLYMAX 分析软件。通过比LMS国际公司MODEL 试验结果：表4 整车状态下动力总成刚度模态与阻尼比图5 动力总成刚体模态Z向模态振型通过建立动力总成悬置系统刚体动力学模型和整车状态下模态试验得出了动总成悬置隔振系统的六阶固有频率、模态阻尼和模态振型。在应用比利时LMS国际公司模态测试系和分析软件基础上，探讨了整车状态下的动力总成模态试验方法和大阻尼结构模态分析和模态参数辨识方法。试验结果表明现代测试手段和模态分析技术相结合，LMS国际公司POLYMAX模态分析软件更适用于动力总成刚体模态大阻尼结构参数识别。试验结果为进一步的理论分析及改进动力总成悬置隔设计和减小汽车振动提供了可靠的数据。结束语本文主要举例说明了模态分析方法在现代汽车工业中的应用，三个例子分别从零部件、总成和整