（载运工具运用工程专业论文）车辆驾驶室结构振动噪声预估与控制的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的不断提高和车辆制造技术的不断进步，人们 对车辆乘坐舒适性要求也越来越高。车内噪声水平成为衡量汽车档次 高低的重要指标。降低车辆内部的噪声的关键是在设计阶段要准确预 估车内声场特性进而对车身结构进行低噪声优化设计。本文在此方面 进行了一些研究探索。 本文以某5 0 型拖拉机模型驾驶室为研究对象，分析预估其内部 声场特性进而采取相应降噪措施。首先用a n s y s 建立该模型驾驶室 的有限元模型，运用a n s y s 进行理论模态分析；接着运用试验模态 分析技术对模型驾驶室实物进行模态试验；然后进行有限元动态响应 计算，在有限元计算基础上运用边界元方法编写边界元计算程序对车 内声场进行理论预估分析；最后对驾驶室实物模型进行激振和噪声测 量实验，在单元影响度分析基础上对模型驾驶室进行降噪实验，比较 结构改进前后内部声场变化情况。 本文的研究内容，概括了有限元理论与计算、a n s y s 有限元分 析与计算、模态分析试验技术、边界元理论、m a t l a b 编程、影响度 分析理论。并且对许多关键性问题进行了较深入的探讨，例如a n s y s 建模技术、模态分析、边界元、影响度理论等。本文对车内声场分析 预估进行了比较系统完整的研究，因此对车辆低噪声结构优化设计具 有一定的借鉴作用。 关键词：有限元，模态分析，边界元，影响度 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dc o n s t a n t p r o g r e s so ft e c h n o l o g yi nv e h i c l e s ，p e o p l er e q u i r eh i g h e ra n dh i g h e rt o a u t o m o b i l ec o m f o r t a b l e n e s s t h ei n t e r n a ln o i s el e v e lb e c o m e st h e i m p o r t a n ti n d e x o fw e i g h i n gt h eg r a d el e v e lo ft h ea u t o m o b i l e t h ek e yt o r e d u c et h ei n t e r n a ln o i s e1 e v e l i st h a tw es h o u l de s t i m a t et h ea c o u s t i cf i e l d a c c u r a t e l ya n dt h e ng oo nl o wn o i s eo p t i m i z a t i o nd e s i g nt ob o d y s t r u c t u r e d u r i n gt h ec o u r s eo fd e s i g n i n g w o r ko ft h i st h e s i si ss o m er e s e a r c ht o e x p l o r ei nt h i sr e s p e c t t h i st h e s i sr e g a r d sm o d e lo fd r i v e l sc a b i nm o d e lo fs o m et y p e5 0 t r a c t o ra st h er e s e a r c ho b j e c t f i r s t l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e d r i v e r sc a b i nm o d e l i sc r e a t e da n dt h e nm o d a ia n a l y s i si sc a r r i e do nw i t h t h ea n s y s ；s e c o n d l y , t h em o d a le x p e r i m e n ti ss c h e d u l e d ；t h i r d l y , t h e b e m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) p r o g r a mt o e s t i m a t et h ei n t e r n a l a c o u s t i cf i e l do f t h ev e h i c l ei sw r i t t e nb a s i n go nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ；f i n a l l y , t h en o i s er e d u c t i o ne x p e r i m e n ti s c a r r i e do nt h eb a s i so fi n f i u e n c ed e g r e eo fe v e r ye l e m e n to ft h em o d e l t h ec o m p a r i s o no fi n t e r n a la c o u s t i cf i e l db e t w e e nt h eo r i g i n a ls t r u c t u r e a n dt h ei m p r o v e ds t r u c t u r ec a nb ef i g u r e do u t r e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d e so ff e mt h e o r ya n d c a l c u l a t i o n 、a n s y s a p p l i c a t i o n i n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n 、m o d a la n a l y s i st e c h n o l o g yo f t h et e s t i n g 、b e mt h e o r ya n d c a l c u l a t i o n 、m a t l a bp r o g r a m m i n g 、i n f l u e n c ed e g r e e t h e o r y s o m e k e yf a c t o r ss u c ha se s t a b l i s h m e n to ff e mm o d e lo fa n s y s 、m o d a l a n a l y s i s 、b e m 、i n f l u e n c ed e g r e et h e o r yh a v eb e e nd i s c u s s e dd e e p l yt h i s t h e s i sp r e s e n t st h ew h o l ep r o c e d u r eo ft h ep r e d i c t i o no fi n t e m a la c o u s t i c f i e l d ，s oi th a sc e l t a i nr e f e r e n c ef u n c t i o nt ov e h i c l es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n d e s i g ni nl o wn o i s e k e y w o r d s ：f e m ，m o d a la n a l y s i s ，b e m ，i n f l u e n c ed e g r e e y8 2 6 9 5 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密团 学位论文作者签名：武诺虚 2 5 年s 月j 日 指导教师签名：蹉磊终 口，年，月， 曰 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：垂娅遣 上。够年岁月胁曰 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的与意义 车内噪声水平是车辆舒适性的一个重要指标，也是衡量车辆质量的一个重要 参数。国外车辆车内噪声普遍比国产车辆车内噪声低，因此降低车内噪声对提高 国产车的竞争力具有重要意义。车内噪声主要分为发动机噪声、气流噪声、车体 振动噪声、悬挂系统噪声及其他零部件噪声5 个方面。车辆行驶中发动机高速运 转时发动机噪声通过防火墙、底盘等传入车内形成车内噪声：高速行驶时气流噪 声通过车体缝隙传人车内形成车内噪声：汽车在颠簸路面行驶产生的车身共振或 高速行驶时开启的车窗产生共振在车内产生噪声；行驶时汽车悬架系统产生的噪 声以及轮胎产生的噪声都会通过底盘传入车内形成车内噪声：由于车内空间狭 窄，噪声不能有效地被吸收而互相撞击有时还会在车内产生共鸣现象。在我国的 一些车辆中，尤其是一些货车、拖拉机、工程机械的驾驶室内，经常以车身壁面 振动产生的噪声为主。所以，研究车辆驾驶室的振动性能及其与内部噪声的关系 对降低车辆内部噪声具有重要的意义。 表1 1 车内噪声允许值d b ( a ) 车辆出厂日期一 1 9 9 8 矩1 9 9 8 年 车辆类型 l 燃料种类1 月1 日前1 月1 日起 轿车汽油 8 78 5 微型客车、货车汽油 9 08 8 n r _ 4 3 0 0 r m i n 9 49 2 轻型客车、货车 汽油 i l l 4 3 0 0 r r a i n 9 79 5 越野车 柴油 1 0 09 8 中型客车、货车汽油 9 79 5 大型客车 柴油 1 0 31 0 1 n 1 4 7 k w1 0 51 0 3 注：n 按生产厂家规定的额定功率。 江苏大学硕士学位论文 农用运输车加速行驶车外噪声和驾驶员工作位置处噪声限值应符合表1 - 2 规定。 表1 - 2 农用运输车噪声允许值d b ( a ) 加速行驶驾驶员操作 机型 车外噪声位置处噪声 装多缸柴油机四轮农用运输车 苎$ 4 三9 0 三轮农用运输车 ：三8 5：9 2 装单缸柴油机四轮农用运输车 注：农用运输车噪声测量按m t7 2 3 5 一1 9 9 4 中第1 3 章的规定进行。 降低车内噪声的关键是在设计阶段能对车室的动态特性以及车内声场特性 进行准确预估分析。本课题旨在对车室振动以及车内噪声预估方面进行探讨，并 对车身结构单元对内部声场的影响进行分析，进而有的放矢地为车身结构进行低 噪声优化设计提供依据。 1 2 车内降嗓研究综述 车内噪声指车辆行驶时乘坐室内存在的各种噪声。车内噪声按噪声产生机理 可分为空气声和固体声两大类。这两类噪声在车室内部经过车室壁面多次反射形 成混响声进一步提高噪声级。空气声主要是由外部声源( 发动机和地盘) 传透车 室壁板以及通过各种孔洞、缝隙进入车室内部而形成的；固体声是由于车室壁板 本身在受到发动机、传动系、路面等传来的激励作用产生结构振动而在车室内部 形成的。研究表明，一般在车室的密封性良好的情况下，固体声，也就是由结构 振动产生的噪声以及混响声往往占主导地位。对于拖拉机、货车、工程车辆以及 农用运输车等，由于其发动机振动较大，工作环境路况比较恶劣等因素使得车体 结构振动比较厉害，固体声在车内噪声中往往占优势，特别是对于轰鸣声这类低 频噪声在上述车辆中很严重 1 】【2 】。固体声严重不仅与外界激励作用有关还与车室 本身结构动态特性有关。由于拖拉机等工程车辆驾驶室多数是由角钢和钢板组成 的焊接件，其动态特性十分复杂，模态频率非常密集，声辐射效率也较高，其辐 射噪声的频谱中具有明显的振动激励的频率特征，共振现象经常发生。 车内噪声控制技术又分为被动控制技术( 无源控制) 和主动控制技术( 有源 控制) 两大类。 传统的噪声控制( 无源控制) 方法主要包括对声源、传递途径和接受者三个 2 江苏大学硕士学位论文 方面的控制。无源控制噪声的途径主要有减弱声源强度、隔绝传播途径和吸声处 理三个方面。声源大小直接影响车内噪声，减弱声源的途径主要有：1 ) 对发声 部件采用消声器，对振动部件采用减振器；2 ) 结构设计使固有频率相互错开并避 开激励频率；3 ) 消除泄漏气流的间隙，采用改进密封元件，增加密封压力；4 ) 通过 改变车身的形状和尺寸，避免产生空腔共鸣的频率等来降低空腔共鸣噪声。隔绝 传递途径主要是增加隔声结构。车室隔声结构一般根据阻尼减振、隔声和吸声等 多项要求，在不同部位适当组合吸声防振材料而构成。隔声结构的选择同时应考 虑所隔噪声的特点、隔声材料、结构性能和成本。通常采用双层壁结构，并在两 层壁之间填充黄麻纤维、毛毡、聚氧脂泡沫、玻璃棉等吸声材料，进一步提高隔 声效果。但车身隔声要求与汽车轻量化是相互矛盾的，为了克服因汽车轻量化设 计而引起的车身隔声性能下降，可采用优化轴承结构、改善减振器性能、改进车 身结构动态特性的优化设计和对车身涂敷防振材料等措施来弥补。吸声的主要方 法是在车室壁板上使用能减少反射声的吸声材料，可有效降低车室混响作用，从 而达到控制车内噪声的目的。车室顶棚、底板和侧壁内饰衬垫应尽量使用本身具 有吸声性能的材料，同时隔声与吸声措施应综合考虑，以实现用最少的材料，最 简单声措施应综合考虑，以实现用最少的材料，最简单的结构来控制车内噪声。 目前在汽车上使用的吸声材料主要有：1 ) 多空性吸声材料，其机理是当声波进入 材料表面空隙，引起空隙中空气和材料微小纤维的振动，达到吸声目的。这类材 料主要有玻璃棉、毛毡、聚氨酯泡沫塑料等。2 ) 开孔壁吸声材料，主要是为了 提高中低频噪声的吸声效果，在材料上开孔，孔背后保存一定量空气层，使其产 生共振而消耗能量。现阶段被动控制噪声技术的研究主要是研究开发新型隔声、 吸声阻尼材料的。国内外许多学者正在开发智能材料和结构来隔绝振源与车身间 的固体声传播。 有源噪声控$ 4 ( a c t i v en o i s ec o n t r o l ，简称a n c ) 方法是近年来发展起来的一 种全新的噪声控制方法。与传统的降噪技术相比，它突出的优势在于对低频噪声 控制效果好及对原系统的附加质量小，因此近年来主动噪声控制在降低低频噪声 中得到了广泛应用。有源噪声控制是在指定区域内人为地、有目的地产生一个次 级声信号去控制初级声信号，以达到降噪目的的技术，依据的原理是两列声波干 涉相消原理。若次级声源产生与初级声源的声波幅值相等、相位相反的声波，则 江苏大学硕士学位论文 与该区域内的原始声场相互抵消就达到了降噪的目的。该项技术早在3 0 年代由 德国物理学家l u e g 提出并申请了专利【3 。沙家正1 4 ) 等人从1 9 7 9 年开始对管道有 源降噪进行研究；马大猷 5 】等人对封闭空间的声场形式等作了探讨：清华大学、西 安交通大学和西北工业大学的有关学者对有源降噪及其工程应用方面作了大量 工作，但目前国内尚没有研究出适用的车内有源降噪控制系统。随着物理学、电 声学、工程学、数字信号处理、自动控制、人工智能、系统科学、自适应技术、 神经网络技术、模糊控制等技术的发展使得噪声有源控制技术在汽车降噪方面的 应用会越来越广泛。 1 3 噪声声辐射预估的研究 在构件声辐射研究中，数值方法日益受到重视。最常用的三类数值方法是有 限差分法、有限元法以及边界积分方程法。 有限差分法是最早的一种数值方法，它的主要思想是将微分方程化为差分格 式，用场中离散点的数值逼近所求参量。这种方法对于结构外形较为规则的物体， 如粱、板等的计算较为有效【6 】，而对于复杂结构计算精度不高。 有限元法是应用局部的近似解来建立整个定义域的解的数值计算方法。它具 有适应性强、能对各种外形的结构得出较为合理的计算效果的优点。早在1 9 6 5 年，g l a d w e l l 就将有限元法用于物体声辐射计算，但仅限于简单几何形状的物 体盯1 。而后，c r a g g s 8 1 应用高次元讨论了规则形状物体的声学有限元，并得出了 高精度结果，但由于计算量太大，他又用简单的单元讨论了任意形状结构的声学 有限元【9 】。s h u k u 1 0 l 用有限元法讨论了任意形状房间内的声场特性，尤其讨论了 汽车车室内的声压分布特性。p e t y d n 】首次用等参元讨论了非规则形状物体的声 模态，并与试验结果取得了吻合。k a g a w a i 投时论了具有吸收壁面的轴对称声场 特性。在国内，沈壕，孙洪生【1 3 】应用有限元法求解波动方程，计算出了不规则形 状房间的简正频率，通过二维模型的计算，证明了房间的不规则性对室内扩散声 场没有影响。邵宗安 i 等应用有限元法和模态分析技术对车身结构振动和车内噪 声问题进行了研究。 边界元法是继有限元法之后发展起来的又一新的数值计算方法，它以边界积 分方程为基础，结合有限元法网格离散的优点，仅需结构边界信息，求解变量少， 4 江苏大学硕士学位论文 数据准备少，且对于无限域问题和随时间变化的问题特别有效。国内外许多学者 用边界积分方程法讨论了任意形状振动物体的声辐射特性，研究其发声机理，为 低噪声结构设计提供了依据。从6 0 年代起，c h e r t o c k 1 5 1 、s c h e n c k 【1 6 1 乘i m e y e r 1 7 l 就利用边界积分方程法计算了物体振动表面的声辐射和声指向特性。 k o o p m a n n 1 8 】讨论了机械结构的声功率计算。t c l b o c m a i l 【1 9 】讨论了各种不同外形物 体的声指向特性。t 锄a l ( a 口o 】讨论了结构的声耦合问题。在国内，赵健等以轴 对称封闭面为例，利用边界元法计算了在任意频率下，已知表面振速分布的辐射 声场。束永平f 2 2 】计算了某型叉车油泵齿轮箱在主要峰值频率处的表面辐射声场。 苏清祖【玎培还利用边界元法与声强测量技术对汽车变速器的噪声进行了预估。 除了上述方法之外，国内有许多学者对驾驶室内部声辐射研究还提出了一些 新的研究方法。噪声预估为噪声控制提供依据，因此噪声预估的准确性对噪声控 制来说具有十分重要的意义。国内外学者对噪声预估的理论研究主要集中在预估 算法的研究上，工程研究主要是在测出结构表面振动响应的情况下预测辐射噪声 值。朱桂华等【2 4 】应用统计能量分析方法以某工程机械模型驾驶室为研究对象，将 其周围环境简化为扩散声场，建立了其在扩散声场中声传递的统计能量分析模型， 导出了驾驶室内声级及驾驶室外2 内声级衰减量的计算公式，对其室内声级以及 外2 内声级衰减量的理论预估和试验结果进行了研究，并研究板件结构驾驶室的 振动能量及固体声的传递，分析了该结构的振动功率流特点，并计算了板件振动 向室内辐射的噪声。研究结果表明，在所分析的频带内，在4 0 0h z 以上，理论预估 结果与测试结果最大误差为2 7 d b ，满足工程需要；在4 0 0h z 以下的低频段内，误 差较大。张胜勇掣2 5 】针对振动体声辐射问题提出并讨论了一种新型的计算方法一 分布源边界点法，并以简单声源为例进行了有效验证。吉林工业大学宋传学、孙 惠春、李红英1 2 6 1 根据神经网络理论建立了单一工况下由发动机悬置点振动信号预 测车内特定点低频噪声神经网络模型，并针对驾驶员耳旁噪声进行了实验研究。 他们对广西柳州汽车厂乘龙轻型客车做了实验研究，结果表明单一工况下，带动 量项自适应b p 神经网络模型在频域上具有较高的预测精度。考虑到机械振动在 音频范围内大多具有明显的随机性，而普通边界元法不能计算这类具有随机边界 条件的结构声辐射问题，刘钊，陈心昭【27 j 提出了一种将边界元法与统计方法相结 合的统计边界元方法，并导出了求解随机振动物体辐射噪声声场的计算公式，统 江苏大学硕士学位论文 计边界元方法是对普通边界元法的改进。邓晓龙、张宗杰、刘少彦【2 8 1 采用有限元 与边界元相耦合的方法对6 1 0 8 柴油机油底壳辐射噪声进行了研究，建立了该型号 发动机油底壳辐射噪声预测模型，开发了相应的计算程序，在多点激励条件下，对 油底壳进行了噪声预测。试验结果表明该方法有较高的计算精度，为发动机低噪 声优化设计打下了基础。 1 4 本课题的主要研究内容 由上述可知，许多科技工作者在结构振动噪声的计算和预估方面进行了大量 的研究，并取得了许多成就，但是在车内噪声的预估方面还不够理想，大多数是 依据表面振动来预估噪声，计算和分析结果对降噪方法的指导性也不是很直接。 本课题试采用有限元和边界元相结合的方法直接依据振动激励预估车内声场以 及对在单元影响度分析基础上的降噪方法进行初步探索。本文主要研究内容如 下： 1 建立模型驾驶室的a n s y s 有限元模型，运用a n s y s 有限元软件对模型进 行理论模态分析，获得模型驾驶室的有限元模态参数： 2 对模型驾驶室进行模态试验，用信号分析软件对模型驾驶室进行模态分 析由此识别出模型驾驶室模态参数，验证有限元建模准确性，为后续计算分析打 下基础； 3 根据模型驾驶室有限元模型进行结构的动态响应计算，获得结构的动态 响应参数； 4 在模态分析与动态响应计算结果的基础上运用边界元方法进行编程计算 模型驾驶室内部声场以及表面单元对内部声场的影响度； 5 对模型驾驶室进行激振和噪声测量实验，验证边界元编程的准确性； 6 根据壁面单元对内部声场的影响度采取相应降噪措施，分析降噪效果。 本课题所研究的过程与相互关系可用图1 - 1 表示； 6 江苏大学硕士学位论文 图1 1 本课题研究流程图 7 江苏大学硕士学位论文 2 1 有限元理论 第2 章有限元建模 21 1 有限元简介 有限单元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。它最初 是在2 0 世纪5 0 年代作为处理固体力学问题的方法出现的”q 。有限元方法虽然起源 于结构理论，但近年来由于它的理论与公式逐步得到改进和推广。不仅在结构理 论本身范围内由静力分析发展到动力问题、稳定问题和波动问题，由线弹性发展 到非线弹性和塑性，而且该方法已经在连续体力学的些场问题中得i 应用，例 如热传导、流体力学、电磁场等领域中的问题。由于有限元法的通用性，它已成 为解决各种问题的强有力和灵活通用的工具。在有限元计算程序的编制方面也有 较大韵发展。不少国家为此投入了很大精力编制了大型通用的计算机程序，其中 比较常用的有a n s y s 、s a p 、a d i n a 、a s k a 、n a s t r a n 等商业化软件。a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用软件，经过市场 筛选成为市场占有率最高的有限元分析软件之一。a n s y s 具有强大的前处理能 力( 几何建模能力、两格划分能力、参数设置功能和与e a d 软件的无缝集成能力) 、 强大的加载求解能力( 直接求解法、波前求解法、迭代求解法、j c g 法等) 、强 大的后处理能力( 列表输出、图形显示、动画模拟等) 、良好的开放性( a n s y s 二次开发) 。s a p 是由美国伯克莱加利福尼亚大学研制，该程序可处理空间衍架、 刚架、平面应变、平面应力、轴对称、等参元、薄板、薄壳、三维固体、厚壳、 管单元等问题。它的功能主要有信息处理、静力分析、动力分析、绘图、带宽优 化、计算几何刚度等。a d i n a 是由美国麻省理工学院机械工程系研制，可处理 非线性问题、与温度有关的问题。单元库中有梁、平面、板壳、三维块体、轴对 称、厚板壳等单元。a s k a 是由德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所研制 的自动动力分析系统，具有4 2 种单元。n a s t r a n 是由美国国家航空与宇航局研 制，可供各种结构分析之用。它的功能包括热应力分析，瞬态载荷与随机激振的 动态响应分析、实特征值与复特征值计算以及稳定性分析，同时还具有一定的非 动态响随分析、实特征值与复特征值计算以及稳定性分析，同时还具有定的非 b 江苏大学硕士学位论文 2 1 有限元理论 第2 章有限元建模 2 1 1 有限元简介 有限单元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。它最初 是在2 0 世纪5 0 年代作为处理固体力学问题的方法出现的 2 9 1 。有限元方法虽然起源 于结构理论，但近年来由于它的理论与公式逐步得到改进和推广，不仅在结构理 论本身范围内由静力分析发展到动力问题、稳定问题和波动问题，由线弹性发展 到非线弹性和塑性，而且该方法已经在连续体力学的一些场问题中得到应用，例 如热传导、流体力学、电磁场等领域中的问题。由于有限元法的通用性，它己成 为解决各种问题的强有力和灵活通用的工具。在有限元计算程序的编制方面也有 较大的发展。不少国家为此投入了很大精力编制了大型通用的计算机程序，其中 比较常用的有a n s y s 、s a p 、a d i n a 、a s k a 、n a s t r a n 等商业化软件。a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于体的大型通用软件，经过市场 筛选成为市场占有率最高的有限元分析软件之一。a n s y s 具有强大的前处理能 力( 几何建模能力、网格划分能力、参数设置功能和与c a d 软件的无缝集成能力) 、 强大的加载求解能力( 直接求解法、波前求解法、迭代求解法、j o g 法等) 、强 大的后处理能力( 列表输出、图形显示、动画模拟等) 、良好的开放性( a n s y s 二次开发) 。s a p 是由美国伯克莱加利福尼亚大学研制，该程序可处理空间衍架、 刚架、平面应变、平面应力、轴对称、等参元、薄板、薄壳、三维固体、厚壳、 管单元等问题。它的功能主要有信息处理、静力分析、动力分析、绘图、带宽优 化、计算几何刚度等。a d i n a 是由美国麻省理工学院机械工程系研制，可处理 非线性问题、与温度有关的问题。单元库中有梁、平面、板壳、三维块体、轴对 称、厚板壳等单元。a s k a 是由德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所研制 的自动动力分析系统，具有4 2 种单元。n a s t r a n 是由美国国家航空与宇航局研 制，可供各神结构分析之用。它的功能包括热应力分析，瞬态载荷与随机激振的 动态响应分析、实特征值与复特征值计算以及稳定性分析，同时还具有一定的非 8 江苏大学硕士学位论文 线性分析能力，适用于各种计算机系统。计算机向微型化发展为有限元法在微机 上应用创造了有利条件。有限元计算程序的速度问题随着电子计算机芯片的迅速 发展基本上得到解决，容量问题可通过软件研制方面采用覆盖技术、虚拟内存方 法、分块求解方法来弥补不足。有限单元法基本上是随着电子计算机发展而迅速 发展起来的现代数值计算方法。我国在上个世纪6 0 年代初期已将矩阵分析用于解 决飞机结构的强度问题，但由于电予计算机工业的落后有限元法的发展受到一定 的影响。在2 0 世纪7 0 年代初，有限元法才开始在国内航空工业、造船工业、机械 工业、水利工程、建筑工程、石油化工等领域得到应用与推广。 有限元法作为一种计算方法已经达到了成熟的程度，它的应用与电子计算机 紧密相关，它的计算质量与速度取决于计算机的贮存容量和运算速度，先进的计 算机将有利于有限元法的发展。 2 1 2 有限元方法基本步骤啪1 有限元法分析的具体步骤是：一、离散化，即划分单元或网格；二、施加 载荷，描述约束：三、计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程；四、求解 结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程；五、求解线性代数方程组，得出各 节点位移，由节点位移求各单元节点力：六、显示处理计算结果。 在上述各步骤中，第一、二步可以划入前处理过程，第六步可以称为 后处理，其余几步则是主要的计算过程。困此上述步骤也可以归纳为如图2 1 所 示几个主要过程： 臣亘 二堕! 至m 翌 图2 1 有限元法求解步骤 1 离散化 将原来连续的单元体，假想地分割成为一个离散的结构，这一离散化的结构 由有限多个形状简单的构件构成，这些有限大小的构件称为有限单元或简称单 元，相邻单元在节点处连接在一起，因此有限元法的计算模型实际上是一个仅在 节点处连接，仅靠节点传力的有限个单元的集合体。单元的形状和数目可以根据 计算精度的要求和使用的计算机的性能等合理选择。 9 江苏大学硕士学位论文 2 单元分析 单元分析的主要目的是建立单元刚度矩阵 后r ，根据刚度矩阵便可进一步 求得单元节点力与节点位移的关系。单元刚度方程的矩阵形式可表示如下： 矿灶 钟 6 ) 。 ( ：1 ) 其中： f 广一单元节点力矩阵 后 婶一单元刚度矩阵 6 广一单元节点位移矩阵 由此可见，单元刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之问的关系。 3 整体分析 相应的，体分析的目的就是将单元刚度矩阵组合为整体刚度矩阵，组合整体 刚度矩阵一般使用刚度集成法。首先，把单无刚度矩阵扩大成单元的贡献矩阵， 然后，把各单元的贡献矩阵迭加，即可得到整体刚度矩阵。事实上，在用计算机 实现上述过程时，起节省存储容量，两个步骤通常是交叉进行的。 4 计算求解 引入支承条件，便可对上式进行求解，得出各节点位移，再由节点位 移求得各节点应力，从而完成应力分析工作。 2 2a n s y s 有限元建模 2 2 1a n s y s 建模要点 a n s y s 有限元模型是有限元分析的基础，有限元模型的质量直接影响到有 限元分析的准确性。由于有限元计算结果的质量决定于模型的质量，有限元建模 在很大程度上更象一种艺术，而不仅仅是- - f l 科学。为使模型更加有效，要注意 以下几个要点： 1 单元选择 选择单元时要考虑单元的能力( 如是否支持各向异性材料等) 、单元的计算 时间要求( 基本上是一个单元的自由度越多，所需的计算时间越多) 、以及单元 l o 江苏大学硕士学位论文 的计算精度，实际车身主要是由板件和钣金件构成，二维单元最适合于对其进行 模拟； 2 网格密度 网格密度与有限元计算所需的时间以及计算的精度有着直接的关系，因此确 定网格密度是有限元建模很重要的一个方面。一般来说，随着网格密度的增加， 计算的准确度也会随之增加，但所需的计算时间也会增加。确定合适的网格密度 要考虑多方面的因素，其中包括：应变梯度、载荷类型、边界条件、使用的单元 类型、单元形状、以及预期的计算准确程度； 3 网格过渡 网格过渡可以是一个复杂的问题，也可以简单的应用于某一特定区域的网格 优化，连接不同形式的单元。要避免在应力变化大的区域使用网格过渡； 4 网格连接 网格连接是汽车车身有限元建模分析的一个难点问题。这主要是由于车身零 件间的连接方式( 如焊接连接方式、螺栓连接方式等) 的模拟很难和实际连接情 况相符。网格连接的主要方式有：共用节点、过渡单元或采用应用软件提供的特 定方式。 总之，有限元计算模型必须具有足够的准确性，要能反映车身和车架的实际 结构。既要考虑实际结构与所建模型的一致性，又要考虑支撑情况和边界约束条 件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致性。另外计算模型要具有良好的经 济性。复杂的计算模型一般具有较高的准确性，但计算模型并不总是越精确就越 复杂。复杂的计算模型的建立相应地会花费更多的时间、人力、物力去进行前处 理、数据准备工作、数据计算和后处理，从而使计算周期加长，费用大大增加。 2 2 2 本课题模型驾驶室a n s y s 建模过程与参数选择 本课题所研究的拖拉机模型驾驶室为钢板和角钢的组合结构，具体地说就是 钢板与钢板之间是通过角钢和螺栓相联结的。a n s y s 软件是由美国a n s y s 公司 开发的进行工程分析的软件。它能满足汽车、电子、宇航、化学等领域有限元分 t 昕( f e a ) 的需要，并能方便地用于声场和结构耦合的计算，是目前用于有限元分析 的比较完善的软件之一。本文利用a n s y s 前处理程序经过单元类型选择、添加 江苏大学硕士学位论文 实体常数、材料参数确定、几何建模、单元生成( 网格划分) 这几个步骤建立驾 驶室有限元模型。 1 选择单元类型 车身结构中大部分零件都是由钢板件冲压而成，因此可采用板壳单元进行结 构的离散化。同薄板一样，板壳理论是基于克希霍夫假设，但其变形不同，除了 弯曲变形外，还有中面的变形。因而，壳体中的内力包括弯曲内力和中面内力， 而且相互影响，导致描述它的微分方程更复杂。将壳体曲面划分为有限个单元， 一般来说，他们都是曲面单元。但是当单元逐渐细分时，用平面组成的一个单向 或双向折板来近似壳体的几何形状，就能取得良好的效果。若在壳体上找到同一 平面的四个点，就可以采用矩形平面壳单元。其受力可以分为两类：像薄膜一样 承受平面内的应力：像薄板一样承受弯曲应力。薄壳的分析计算中，其中面是曲 面，其变形状态除了扭转变形之外，还存在中面的拉、压和剪切变形。因此，薄 壳单元元中的内力包括弯扭应力和中面内力两部分。s h e l l 6 3 是一种典型的壳 单元，其单元结构如图2 2 所示。该单元由4 个节点组成，每个节点存在6 个自 由度，它们分别是x 、y 、z 三个方向上的平移自由度，绕x 、y 、z 轴的转动自 由度。一个s h e l l 6 3 壳单元有2 4 个自由度。而且每个节点上的厚度都可以不相 等，这种参数的设置能构成一个变截面的壳单元。 图2 2s h e l l 6 3 单元结构 考虑到本课题研究对象为主要由板件和角钢构成的组合结构，所以在选择单 元类型时除了选用四节点壳单元( s h e l l 6 3 ) 之外还需选取梁单元。梁单元用于 生成三维结构的一维理想化单元模型，与实体单元和壳单元相比，梁单元求解效 童 江苏大学硕士学位论_ 文 率高。b e a m l 8 8 和b e a m l 9 9 粱单元提供了更强大的非线性分析能力、更出色 的截面数据定义功能和可视化特性。其中，b e a m i s $ 单元具有三个应力分量， 一个轴向分量。两个剪应力分量。在横截面上，横向剪应变是常量，剪切能是横 自剪力的函数，剪力在横截面上按照预定的剪应力分布系数重新分布，使得输出 的横向剪力值是有效的。b e a m l 8 8 是2 节点c n o d s ) 梁单元，每个节点有6 个自由度， 包括3 个线位移自由度x 、y 、z 和3 ，卜x 、y 、z 方向的旋转自由度。其截面参数定 义如图2 3 所示； 图2 - 3 角钢越面参数定义 2 添加实馋常数 实际模型驾驶室壁板厚度为1 5 咖，所以定义壳单5 觅( s h e l l 6 3 ) 厚度为 00 0 1 5 ， 3 材料参数确定 驾驶室模型的材料参数如下表所示： 1 ， 江苏大学硕士学位论文 表2 1 驾驶室模型材料参数 材料钢板 弹性模量e ( g p a ) 2 1 0 泊松比vo 3 热膨胀系数q 6 5 e - 6 壁厚( m m )1 5 角钢厚度( r a m ) 3 4 几何建模 几何建模可以在c a d 软件中建立，也可以在a n s y s 中建立几何模型，由于 模型驾驶室结构比较简单，在a n s y s 中建模便于后续有限元分析。本课题模型 驾驶室的几何形状如图2 4 所示。 图2 _ 4 拖拉机驾驶模型外形图 5 单元生成与网格划分 完成实体建模之后，要想进行后续的有限元分析工作，必须要建立有限元模 型。有限元模型是用有限数目的微小单元去模拟真是的物理系统。在本课题中采 用s h e l l 6 3 壳单元和b e a m l 8 8 梁单元对模型进行网格划分，为施加载荷和求解 l 番 江苏大学硕士学位论文 做好准备。 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的网格划分功能。包括四种网格划分 方法：延伸划分、映象划分、自由划分和自适应划分。网格划分过程包括三个步 骤：单元类型定义；网格密度控制；生成网格。网格划分在有限元分析中是非常 关键的个环节，只有在实践中不断地总结提高才能取得较为满意的效果。网格 划分的精度与质量对有限元分析的准确性影响重大。网格划分时应遵循以下基本 原则： ( 1 ) 网格数量 网格数量的多少，直接影响着计算规模的大小，在一定程度上也影响着计算 结果的精确程度。因此，确定网格数量多少时必须将两个因素综合考虑。 ( 2 ) 网格密度 在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。 在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地反映数据变化规 律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型 规模，则应划分相对稀疏的网格。 ( 3 ) 单元形状 单元最佳形状是正多边形或正多面体。 ( 4 ) 良好的剖分过渡性。 单元之间过渡应相对平稳，否则将影响计算结果的准确性甚至使有限元计算 无法计算下去。 ( 5 ) 网格剖分的自适应性 在几何尖角处、应力温度等变化大处网格应密，其他部位应较稀疏，这样可 保证计算解精确可靠。 目前主要的网格划分方法主要分为两大类：自由网格划分：映射网格划分( 又 分为面映射网格划分和体映射网格划分) 。对于较简单的模型可采用自由网格划 分，此时只能进行交互式的方法。本课题模型驾驶室结构比较简单故采用自由网 格网格方法，采用交互式方式进行网格划分。 ( 一) 单元选择如图2 5 所示： 江苏大学硕士学位论文 ( 二) 网格密度控制 图2 5 网格划分时单元选择 图2 6 网格密度控制 江苏大学硕士学位论文 ( 三) 网格生成 图2 7 网格生成选择设置 对于不同类型、不同要求的复杂几何模型，要想得到合适的划分网格，必须 综合考虑单元类型、建模方法、力学模型、承载、耗费机时、最后结果要求等多 种因素。对于许多工程问题需要不断摸索、总结和验证，才能保证建立高质量、 高效率的有限元模型。 经过上述一系列步骤之后，最终获得本课题研究对象拖拉机驾驶模型的有限 元模型，该初步模型还要进行准确性验证。该有限元模型共有3 2 2 个单元( 其中 包括2 4 0 个四变形单元$ n 8 0 个三角形单元) 和3 2 4 个节点。结构的三维有限元模型 如图2 - 8 所示： 江苏大学硕士学位论文 2 3 本章小结 图2 培拖拉机驾驶室模型有限元模型 本章首先介绍了有限元发展历史与现状，然后阐述了有限元法的基本思想方 法与步骤，接蔫介绍了有限元在车辆上的应用情况，最后对有限元建模进行探讨。 在应用a n s y s 建模时应对单元类型合理选择，须对网格划分进行仔细研究。 合适的单元类型可以准确反映建模对象的结构特性，反之会影响后续有限元分析 的准确程度。网格划分时的密度控制也是建模的关键的环节，网格密度大小的控 制与精确度要求与实际计算机条件相匹配。本章所建立的有限元模型是后续分析 的基础。 1 8 江苏大学硕士学位论文 第3 章驾驶室模型模态分析 3 1 模态分析理论理论基础 模态分析的经典定义是：将线性定常系统微分方程组中的物理坐标变换为模 态坐标，使方程组解耦，成为一组阻模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便 求出系统的模态参数。模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展 起来的。虽然机械阻抗的概念早在2 0 世纪3 0 年代就已形成，但发展成为今天这样 较为完整的理论与方法却经历了较长的岁月。模态分析理论吸取了振动理论、信 号分析、数据处理、数量统计及自动控制理论，结合自身内容的发展形成了一套 独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。自动控制理论 中的传递函数( 或频率响应函数) 概念的引入，对模态分析理论的发展起着很大 的推动作用。传递函数反映系统的输入与输出之间的关系，反映系统的固有特性， 是系统在频域中的一个重要特征量，亦是频域中识别模态参数的依据。 设有一个n 自由度线性系统，其运动微分方程为： m i x ) + c 】( x + 暖 x = ( f ( 3 1 ) 其中： m 】、 c 】、( k 】分别为系统的质量、阻尼及剐度矩阵， x 、 上) 、( 羔 及( f ) 分别为系统各点的位移、速度、加速度响应向量殛激励力向量”1 。f m 】、 【k 】通常为实系数对称矩阵，而【c 】则为非对称矩阵，因此方程( 3 1 ) 是一组耦台 方程，当系统自由度很大时，求解十分困难。能否将上述耦合方程变成非耦合的 独立方程组。这就是模态分析所要解决的任务。 模态分析方法就是以无阻尼的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐 标，使微分方程解耦，变成各个独立微分方程。 设系统的初始状态为零，对方程( 3 1 ) 两边进行拉氏变化，可得： ( s2 【m l + s ： c 】+ k 】) x ( s ) = 【7 4 s j 】 x ( s ) = f ( s ) ) ( 3 2 ) 其中x ( s ) 与f ( s ) 分别为系统各点位移响应与激励力的拉氏变换。 z ( s ) 】反映了系统 的动态特性，故称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵，其逆阵 江苏大学硕士学位论文 h ( s ) 】- 【z ( s ) _ l = ( s2 【m i + s c i + k 】) 一1 ( 3 3 ) 称为广义导纳矩阵，又成为传递函数矩阵。由式(