汽车仪表台振动特性计算机辅助分析.doc

合肥工业大学硕士学位论文汽车仪表台振动特性计算机辅助分析姓名：夏云峰申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：王其东20090301 汽车 仪 表 台振 动 特 性 计 算机 辅 助 分 析摘要关 键词：有 限元 分 析刚柔 耦 合仪 表 台转 向 柱 与 仪 表 横 梁总 成 振 动 特 性 ； 籌 籿 或 其他 教 育 机 构的 学 位 或 证 书 而 使 感谢合肥工业 大 学 ，在 这 里 我不 仅获 得了 很多专业 知识 ，也学 到 了 很多做人 的道 理。 】 析 内容中非常 重 要的 部 分 ，本文正 是 以汽车 仪表 台 、 转 向 柱与仪表 横 梁 为研究 与有限元 方 法 相比 ， 边界 元 方 法 降 低 了 求 解问 题的维数 ， 能方 便 地处 理 无界 区 域 问 题， 并 且 在计算机上 也可 以 轻松地生 成 高效 率 的网 格 单元 ， 但计算速度 较 慢。对 于汽车车身 结 构 和车室内 部空 腔 的声 固 耦 合 系 统 也可 以 采用 边界 元法 进行分析 ， 由 于边界 元 法 在处 理 车室内 吸声 材料 建 模方 面 具 有独 特 的优 点 ，因此 正 在得 到越来 越广泛 的应 用。以 空 间 声 学 和统 计力 学 为 基 础 的统 计能量 分析 方 法 是 将 系 统 分解为 多 个 子系 统 ， 研究 它们之间 能量 流 动和模态响应 的统 计特 性 。它适 用 于结 构 、 声 学 等系 统 的动力 学 分析 。对 于中 高频 以 上 钠 礜 特 性 预测 ， 如 果 采用有限元 或 边界 元 方 法 建 立模型 ， 将 大大增 加 工 作 量 而 且 其 结 果 准 确度 也不 高，因此 这 时 采用 统 计能量 分析 方 法 是 比 较 好的选 择 。多 体 系 统 动力 学 方 法 将 系 统 内 各 部件抽 象为 刚 体 或 柔 性 体 ， 研究 它们在大 研究 目的和意 义 国内外 研 究 现 状性进 行 了 富有成效 的 研 究 衩 拦 仄 倒 镜 腂 柱 与 仪表 横 梁 进 行 了 阅艿难芯 浚 云涮峁烁慕 饧 鸞 缓罄 碩 计之初就将 阅 茏魑 R幌钪匾5纳杓浦副 辏 L岣 哒 档腘水 平 做出了重要的 贡 献 【】 。 在国 内有 像 奇 瑞 汽 车 公司的 田 冠男，杨晋 ，谢然，徐 有 忠 对 汽 仪表 台 、 转 向 柱 与 仪表 横 梁 有限 元分 析 ， 、， 一一泊松 比。栉 余 能 也是 一个 正 定 函 数 。篺 魕魕 足 一一单 元刚度 矩 阵集成 的 整体刚度 矩 阵； 结构 的 固 有 频率 是 结构 在 受 到干 扰 是 容易 发 生 共振的 频率 ， 结构 在 固 有 频率 下的 变 形 称为 主 振动 模 态， 也 称振型。 固 有 频率 和 振型的 计算 是 计算 一 个特征值 问题 。 特 征值 对 应 固 有 频率 ， 特 征向量对 应 振型。 如果 在 分 析中 忽 略阻尼 ，特 征值 为 实数 悸 亲 枘 嵩 蛱 卣 髦 滴8词 。 实特 征值 分 析就是 求解 无 阻尼 、 无外 载 情况下运 动 方 程 的 特 征值 及 特 征向量。异的 ， 即 矩 阵 系 数 的 行列式 为 卜国 或 籄 式 中 元 。是 一 定 的 ， 但 大 小可 以 任 意。 这意味 着 振型的 振幅 是 任 意的 ， 但 振型的 形 状 是 式 中由 式 得 到瑞 利 商 ：政， 核 茏 勾 虚 ! 二 二 一 对 简 谐 运 动 馐瞧德 氏煊 治龅 幕 ， 假 定 一 个简 谐 形 式 的 解 ：缸 耐 一 綧 】【 】 足】 鵠 缈 国 一 矽 】 蟆 縶 孝 鵠 縖 】 矽 国 【 九 膨】【 卜一 模 态 阋 质 量矩 阵 ；嗍 椤 縖 矽 】一 一 模 态 阋 刚 度 矩 阵 ； 鵠 用一 一 模 态力 向量。式 中 一 缈 ， 磊 国 灰坏 趇 阶 模 态质 量；份 额单 自由 度 系 统 。 单 个模 态的 响应 计算 出 来 ， 物理 响应 可 由 模 态响应 求和 得 模 态频率 响应 中 的 阻尼 一 国 ， 磊 白 觯 诎 国 毒 舢骸!3窵第 二 步求解 域离 散 化： 将求解 域近似 为 具有 不 同有 限 大 小和 形 状 且彼 此相 连 的 有 限 个单 元组 成的 离 散 域， 习 惯 上 称为 有 限 元网 络 单 元划 分 。 显然 单 元越 小 缭 较 则离 散 域的 近似 程 度 越 好 ， 计算 结果 也 越 精确， 但 计算 量及误 差 都 将增 大 ， 因 此 求解 域的 离 散 化是 有 限 元法 的 核 心 技 术之一 。第 三步确定 状 态变 量及 控 制 方 法 ： 一 个具体 的 物理 问题 通 常 可 以 用一 组包 含 问题 状 态变 量边 界 条 件 的 微 分 方 程 式 表 示 ， 为 适 合有 限 元求解 ， 通 常 将微分 方 程 化为 等价 的 泛 函 形 式 。 仪表 台、 转 向 柱 与 仪表 横 梁 有 限 元模 型建 立活 性 和友好的用 户界 面。 在 煊 颍 琀 最 著名的特点 是它 所 具有 的矢 量 图和截 面云 图等 表 现结果 。 严重 时会导 致 有限 元模型 无法求解或 结果 失真 。 一 痓 圈网 格 单 元划 分完 成 后，有时模型 的各 部 分之 间 并 不 都是连续 的，它 们 之 间 仪 表台 单 元部 分信 息如 下： 一单 元 总数 软 件 简介 以下是 甆 一些功 能 的简单 介绍：性 边界 哟 侍 ， 窍 咝 运 蔡 治 觯 非 线 性 单 元 。 振型 描述刚 体振动刚 体振动刚 体振动刚 体振动刚 体振动刚 体振动由 上 表 可 见 ， 由 于 计 算 的 是没有约 束 的 自 由 模 态 ， 所 以 前六 阶计 算 霞 醣篙 牵 ； 黜 ： 黝 第 十六 阶振型共 振。 摩， 勺咿弋窿咿构 件 在轴 向拉伸和 压 缩 时， 危 险 点 处 于单 向应 力 状 态， 其 强 度 条件 为度 条件 不 仅容 易 建 立， 而 且切实 可行 。然 而 工 程 中许 多 构 件 的 危 险 点 处 于复 杂 应 力 状 态。对 任 一 种 复 杂 应 力 状 一致 。矗 多刚 体 系 统 动 力 学 的 研 究对象是 由任 意 有 限 个刚 体 组成的 系 统 ， 刚 体 之 间 以某种形式的 约 束连 接， 这些 约 束可 以是 理 想 完整 约 束、非完整 约 束、定常 或 非定常 约 束。研 究这些 系 统 的 动 力 学 需要建 立非线 性运动 方程、能量 表达 式、运动学 表达 式等 。多柔体 系 统 动 力 学 的 研 究对象是 由大 量 柔体 或 者刚 体 和 柔体 组成的 系 统 。 ，一 厶：其中 。萍 磊 ，朗 日乘子的 动 力 学 方程： 灰 桓仗錵的 质 量， 系 的 不 同 可以分 为绝 对 描 述 和相 对 描 述 两 中类型 。 绝 对 描 述 是 指 系 统 中每 一个物体的 位 形 都在 指 定的 某 个 惯 性 坐 标 系 中确 定。 相 对 描 述 是 对 每 个 物体都选定一个 动参考 系 ， 物体的 位 形 是 相 对 于 自 己 的 动参考 系 确 定的 。 本节 将 介绍拉 角 伲 ， 痧 幢 硎 荆 暧 胵 琿： ， 琿小】 D 晔 来 表 目办第 鼋诘 愕 囊 贫 杂 啥 鹊 哪 卣 笞 涌 椋 模 态振 幅式 中： 表 示 局部 坐 标 系 的 角 速度 向 量； 曰 表 示 将 欧拉 角 对 时间 求一阶 导 丁 隆苖， 孝 善矩 阵， 采 用 吉 尔 刚 性 积 分 方法 可以实 现 高 效 求解 。在 有限 元 分 析 中， 分 析 对 象划分 的 网 格 节 点 ， 是 相 对 于 对 象本身的 某 一惯性 坐 标 。 为了 描 述 方便 ， 一般 将 惯 性 坐 标 固 定连在 物体的 一端， 并 将 坐 标 的 一个 轴 线 与物体的 轴 线 重 合 。 将 有限 元 分 析 的 柔 体加 入 多 体系 统 中， 需 将 柔 体作相 对 的 位 移， 即需 将 柔 体分 析 的 有限 元 方程 乘 以转换 矩 阵， 从 而 实 现 由 局部 坐标 向 整 个 模 型 的 惯 性 坐 标 的 转换 。 而 有限 元 模 型 的 通用 结 构分 析 方程 ， 一般 是 在 有限 元 分 析 对 象的 局部 坐 标系 下 建立的 。 方程 中的 变 量是 相 对 于 局部 坐 标 的 坐 标 元 素 。 为了 实 现 有限 元 分析 方程 与多 体系 统 动力 学分 析 方程 的 统 一， 可以通过 多 体理论 中坐 标 转换 矩 阵口 ， 实 现 有限 元 分 析 方程 向 多 体系 统 动力 学的 转换 。 对 于 形 如 上式 的 有限 元 方程 ， 其 惯 性 坐 标 下 的 刚 度 、 阻 尼 、 质 量矩 阵， 是 由 局部 坐 标 系 的 响 应矩 阵乘 以当 单 元 的 位 移不 大 时， 采 用 惯 性 坐 标 描 述 方程 应是 简 单 可行 的 方法 ， 因为 求解 的 每 一步， 从 局部 坐 标 向 惯 性 坐 标 系 转换 的 相 关 矩 阵也 必 须 更 新 ， 但惯 性坐 标 系 下 的 矩 阵不 需 要 重 新 形 成 ， 从 而 提 高 了 系 统 的 求解 效 率。 如 果假 定柔 体的 变 形 应力 在 材料 的 线 性 变 化 范 围 内 ， 则 柔 体的 总位 移便 可通过 在 局部 坐 标 系中的 相 邻的 单 元 变 形 叠加 得 到 。 关 于 集 成 了 有限 元 模 型 的 多 体系 统 的 求解 是 在多 体模 型 的 基 础 上， 预先 求得 柔 性 体与多 体系 统 的 作 用 点 的 力 、 力 矩 、 位 移、速度 、 加 速度 等 边 界 条件 ， 柔 性 体以此 边 界 条件 求出 变 形 与力 、 力 矩 ， 与多 刚体模 型 的 结 果进 行 对 比 ， 如 果误 差较 大 ， 可进 入 下 一步求解 ， 此 时以柔 性 体的变 形 或 力 、 力 矩 为己 知 条件 ， 求得 系 统 对 此 作 用 点 相 应的 力 、 力 矩 或 位 移。 直到 误 差达 到 规 定的 范 围 。 ， 卅 。 位 丸 式 中： 厶一一从 整 体坐 标 原 点 到 局部 坐 标 系 的 位 置 矢量； ！縭 是 局 去 善 善柔性 多体 系统 或刚 柔耦合动 力 学建 模 ， 应 该 从 分 析 力 学和连 续介 质力 学的基 本 原理出发 ， 找 出多刚 体 系统 动 力学和结 构 动 力学所 作的 假 设 或理想 条 件 在柔性 多体 系统 中的 不 合理性 ， 然后 建 立较 高 近 似的 刚 柔耦合动 力 学的 理论， 这样不 仅 能 得到正确反 映这 种耦合的 动 力刚 度项 ， 而 且 还能 揭 示 这 种耦合效 应 是否 对系统 动 力学性 质还具有 其 它 影 响 。 户 界 面的数据 前 后处 理 模块及 作 大 范 围 运 动 柔 性 构 件 专 用的离 散 计 算 模块。优化仿 真 计 算 的核心模块， 提高计 算 精 度和 计 算 效 率 。 发 、试验等 方 面的 经 验，利用 该 模块 ，工程 师 可 以 快速 建 造高精 度的 整车虚 拟样 机模型 瞪 怼 堋 低 场 O蚧 埂 贫 低 车 并 进行仿 真，通过 动 画 直 观 地 显 示 在 各种 试验工况 下整车动 力学响 应，并 输 出 标 志平 顺 性、操 纵稳定 性、安 全 性、制 动 性的 特 征 参数，从 而 减 少 对 物理样 机的 依赖，而 仿 真时 间 只 是物理样 机试验时 间 的 几 分 之一 。 建 相 应的 子 系 统 和读 入已有 的 子 系 统 。当 所 有 的 子 系 统 都建 立 好 以 如 何 相 互 连 接 和作 用 。在 建 立 分 析整车模型 的 过 程 中， 疌 的 建 模顺 序 是自 下而 上的 ，所有 的 分 析模型 都是建 立 在 子 总 成 基础上，而 子 总 成 又 是建 立 在 模板 的 基础上，模板 是整个 模型 中最 基本的 模块 。然而 模板 又 是整个 建 模过 程 中最 重 要 的 部 分 ，分 析总 成 的 绝大 部 分 建 模工作 都是在 模板 阶段 完成 的 。在 这 一 阶段 ，设 计人员主要 完成 以 下工作 。度和轮 胎的 刚度等 数学模型 ；数据 交换的 输 入和输 出 信号 器 ； 整车 刚柔 耦 合 模 型的 建 立 图 仪 表 台 柔性 体 模 型图 僖 潜硖筰茹器；茹毫 度 功率谱曲 线 肌州帆 删 蚰 仪 表 香善茜振动加速 度 曲 线圈 琱 仪 表潞振动加速度曲 线 仪表 台 垂直 加车 速 本 章 主要整车 的参 数方 面 研 究 对汽 车 仪表 台 振 动 特性的影响 ， 首先通 过 在表 前 悬架 刚 度 增加 前 后计算结 果 表 前 悬架 阻 尼 增加 前 后计算结 果调 整前 仪表 台 垂调 整后仪表 台 垂直加 速度 均方 根直加 速度 均方 根 表 空 载和 满 载前后计 算 结果调 整 前仪 表 台 垂直加 速 度均 方根 来 确 定 系 统 的 位 置 ，用 动 能与 功 等纯代 数 量来 描 述 系 统 的 运 动 量与 相 互 作 用 ，并 用 拉格郎日 方 程 或与 之 等价 的 一 些 变 分 原理 来 描 述 系 统 的 运 动 规律 。对于 复杂 系 统 而 言 ，这 一 方 法具 有 很大 的 优 越 性。拉格郎日 方 程 是一 组 关 于 刀个广义坐 标 的 二 阶 常微 分 方 程 。采 用 这 一 方 法列写 方 程 时，不 必 取隔离 体，也不 必 考虑理 想约束 的 反力。它 建 立方 程 时有 定 的 格式。首先 选 定 独 立的 广义坐 标 ，然 后 写 出 广义坐 标 小 的 功 能表 达 式，再次 求 出 广义力，最 后 列出 拉格郎曰 方 程 。本 文应 用 拉格郎日 方 程 来 建 立系 统 的 运 动 微 分 方 程 组 。根 据 以上分 析和 已 有 参数 ，建 立五自由度 半 车 模 型 ，在 建 立该模 型 时做 了建 立带 仪 表 台 的 五自由度 半 车 动 力学 模 型 如图 所 示 ：图 五自由度 半 车 动 力学 模 型 鸯 綜】 綤】 伊 嗍 ：一 毛一 彩 一 一 曲 轴旋 转角 速度灵 敏 度 分析 是 一 种度 量 ，评 价因 设计变 量 或参 数 的 改变 而引起结 构 响 应特性变 化 率的 方 法。 结 构 系 统灵 敏 度 的 研究 是 一 个 很 特别 的 领 域，是 当 前 计算力学和 结 构 工程 领 域的 主 要 研究 方 向之 一 实际上 在确 立结 构 优 化 、可 靠 性评 估和参 数 识 别 时 ，结 构 灵 敏 度 分析 是 一 个 主 要 的 先 决 条 件 。 结 构 动 态 响 应灵 敏 度 计算是 结 构 动 力 学优 化 ，结 构 振 动 优 化 的 基 础 。实际上 ，当 系 统结 构 和 运 动 条 件 一 定 时 ，其 可 靠 性指 标 是 元件 参 数 的 函 数 。因 此 需 要 讨论 系 统参 数 对 其 特性的 影 响 ，通 常 用 灵 敏 度 来 表 示参 数 对 系 统特性的 影 响 ，所 谓 灵 敏 度 为 由 参 数 变 化 引起系 统某 一 特征 量 变 化 与 参 数 变 化 量 之 比 ，参 数 引起的 变 异愈 大 则灵 敏 度 愈 高，在建 立一 个 数 学模 型 时 ，我 们 希 望 模 型 的参 数 灵 敏 度 小 。 这 样 ，即使 参 数 不能 精确 知 道 ，我 们 还 可 以 应用 模 型 去分析 和预测 系 统的 行 为 ，特别 是 对 那 些 不易 精确 定 出 的 参 数 ，其 灵 敏 度 越 小 ，模 型 的价值 就越 大 ，而在另 一 方 面 ，当 我 们 要 从 试验 数 据中获 得 系 统的 参 数 值 时 希 望选择 测 量 值 ，使 其 输 出 值 对 参 数 比 较 灵 敏 ，这 样 才 能 比 较 精确 的 辨 别 相应的 系统参 数 ，对 于 一 个 系 统，可 以 通 过 试验 的 合 理 设计，选择 适当 的 输 入 和 合 适的输 出 ，使 测 量 数 据对 系 统参 数 有 较 高的 灵 敏 度 ，在应用 最 优 控制解决 实际应用问题 。 灵 敏 度 分析 非常 重 要 ，因 为 理 论 上 求 出 的 最 优 控制解，仅 在精确 参 数 情况 下 才 正确 。 而参 数 值 与 模 型 中不同 时 ，可 能 使 特性变 坏，为 非最 优 解。 因 此 ，要 分析 最 优 解对 参 数 的 灵 敏 度 ，如 果 此 灵 敏 度 较 低 则最 优 解的 实用 意 义 较 高。系 统参 数 的 灵 敏 度 分析 对 于 控制理 论 的 实际应用 有 着重 要 意 义 。我 们 先 分析 参 数 对 系 统状 态及 输 出 变 量 的 影 响 ，首 先 定 义 两 个 灵 敏 度 向量 ， 则有 ：在汽车的 设计中，往 往 是 某 些 刚度 参 数 已经 根 据经 验 或由 于 设计要 求 已经确 定 在一 定 的 小 范 围 内 。 设计人 员 的 工作 有 很 大 部 分是 对 参 数 进 行 修 改。 而开发 同 系 列 的 不同 车型 时 ，往 往 只 有 少 数 的 参 数 需 要 修 改。 为 了快 速的 确 定 修 改的 方 向，预测 修 改后可 能 造 成的 结 果 ，我 们 需 要 了解各 参 数 灵 敏 度 。 汽车参 数的 变 化 引起汽车自 由 振 动 的 固 有 频 率的 变 化 ，参 数 在某 一 定 值 附件 的 小 范 围 内变 化 时 ，固 有 频 率变 化 的 大 小 与 参 数 变 化 的 大 小 的 比 值 称为 汽车参 数 灵 敏 度 。在工程 实践 中，可 以 假 设参 数 与 频 率都是 连续可 微 的 。 等： 芸汽车 的 车 轮 刚 度， 悬架刚 度和 仪 表 台 连接 支撑的 刚 度都 会 对 汽车 仪 表 台 振动 产 生 影 响 ， 利用 参 数 灵 敏 度分 析方 法 可 以 对 计算 出这 些 参 数 对 仪 表 台 振 动 影响的 大 小。 本章 小结 工 作总结了 阅芊治 觥 抡婕 扑 惴 治 鲆 潜 硖 恼 穸 匦 裕 L岣 哒 档 腘 性能提供 改 进 措旌 。本 文结 合 企 业 实 际 课 题， 主要完 成 了以下 几个 方 面 的 内 容 ： 紫 冉 潜 硖 O 蛑 胍潜 砗 崃 旱 腃 模 型导 软 件 ，对 其进 行 有限 元网格单元的 划分 ， 并 为 建