（车辆工程专业论文）油泵托架可靠性分析研究.pdf

摘要 摘要 某型车用油泵托架总成在使用过程中发生断裂，并且在随机振动试验中也发 生开焊。论文以该油泵托架为研究对象，运用有限元方法和试验模态理论，对托 架结构进行了动态特性分析和动力响应分析。并在此基础上提出改进方案，改进 后的油泵托架成功地通过了随机振动试验。 首先建立了托架总成的c a e 有限元模型，并确定其边界条件。为了建立油泵 托架这种结构复杂的装配体的有限元模型，本文尝试了多种建模的手段和技巧， 最终通过合理的简化模型、恰当处理零件之间的连接关系、利用有限元计算方法 准确模拟多个橡胶减振垫的刚度、利用模态试验结果修正模型参数等方法建立了 能够如实反映原结构的几何特性与力学特性的有限元模型。 以对油泵总成进行的自由支撑和固定支撑模态试验为基础，修正并验证了所 建的有限元模型，准确确定了结构的固有频率和振型。 为了分析油泵托架的断裂原因，本文对其进行了随机振动分析，利用随机振 动分析得到的动应力结果进行了基于高斯分布和m i n e r 线性累积损伤定律的随 机疲劳计算，并以s - n 曲线为依据进行了寿命估计。计算结果与随机振动试验结 果相符。对结构中的动应力分析结果表明，托架底部的焊接部位存在应力集中， 在振动中产生较大的动应力，是致使托架发生疲劳断裂的最主要的原因。 根据上述分析计算结果，本文提出了结构改进的方法，改进后托架通过在底 部增加圆滑过渡的凸台结构和增开两个卸载槽而有效的消除了焊接部位应力集 中的状况。为了验证改进后托架结构的动力性能，本文建立了改进后的油泵托架 的有限元模型，并利用该模型对改进后的油泵托架进行了模态分析和随机振动分 析以及疲劳损伤计算。通过对比改进前与改进后托架的计算结果可知，二者的固 有频率基本变化不大，但在相同的随机激励作用下，改进后托架的动应力明显小 于改进前托架中的动应力。对改进后托架进行的疲劳寿命计算以及随机振动试验 均证明了改进后托架可以满足使用要求。 本文还分别对改进前和改进后的油泵托架进行了谐响应分析，确定结构承受 不同频率的正弦激励时的响应情况，确定了结构的动刚度。 关键词：可靠性疲劳寿命有限元分析实验模态分析动力响应分析 a b s t r a c t as t u d yo n af u e lp u m pb r a c k e ti sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r 皿eo r i g i nf u e lp u m p f a i l e di nb o t hw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dr a n d o mv i b r a t i o nt e s t as e r i e so fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa n dd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa r ec a r r i e do u t0 1 1t h ef u e l p u m p b r a c k e tb yu s i n gt h ef e a 伍i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) a n dm o d a l a n a l y s i sm e t h o & b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s e t s ，t h ep a p e rg i v e sas t r u c t u r em o d i f ys c h e m e ，a n dt h en e w r u e lp u m pb r a c k e th a ss u c c e e d e di nt h er a n d o mv i b r a t i o nt e s t mc a ef i n i t ee l e m e u tm o d e lo ft h ef u e lp u m pb r a c k e ti ss e tu pa n dt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sf i r ec o n f i r m e d d u et ot h ef u e lp u m pb r a c k e ti sac o m p l e x 髂s e m b l y ，t h i sp a p e rb u i l d saf e am o d e lw h i c hc a nr e f l e c tt h er e a ls t r u c t u r ea n d d y n a m i cc h a r a c t e rw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs u i t a b l es h o r tf o r mw h i c hc a l ld e a lw i mt h e r e a lc o n n e c t i o nb e t w e e ne v e r yp a r ta n ds i m u l a t et h er u b b e rw a s h e r so ft h es t r u c t u r e c o r r e c t l y b a s e do nt h ef r e ec o n d i t i o na n df i x e dc o n d i t i o nm o d a lt e s tt c s n l t t h ef i n i t e e l e m e u tm o d e li sm o d i f i e d n 圮i m p r o v e dm o d e lc a nm e e tt h et e s tr e s u l tv e r yw e l l a n dt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d ea r cd e t e r m i n e da tt h e s a i n et i m e i no r d e rt om a k es u r et h ec r a c k e dr e a s o nt h i sp a p e rt a k eas p e c t r u ma n a l y s i so n t h eb r a c k e ta n du s i n gs - nl i f ec u r v et om a k eaf a t i g u el i f ec a l c u l a t i o nb yt h ea n a l y s i s r e s u l t s t h em a i nc r a c k e dr e a s o ni st h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no ft h ew e l d e dp o s i t i o n w h e r ep r o d u c el a r g es t r e s sw h e nr e c e i v ear a n d o ml o a d a c c o r d i n gt ot h e s ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h ep a p e rg i v e sas t r u c t u r em o d i f ys c h e m e w h i c hc a nr e d u c et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ne f f e c t i v e l y i no r d e rt ov a l i d a t et h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h ei m p r o v e df u e lp u m pb r a c k e t ，t h en e wf e am o d e li ss e tu pa n d t h em o d a la n a l y s i sa n dt h es p e c t r u ma n a l y s i sa r ec a r r i e do u t c o m p a r i n gw i t ht h e r e s u l t so fo r i g i nf u e lp u m pb r a c k e = ta n di m p r o v e df u e lp u m pb r a c k e t , t h en a t u r a l f r e q u e n c yh a so n l yl i t t e rc h a n g eb u tt h ed y n a m i cs t r e s so ft h ei m p r o v e df u e lp u m p b r a c k e ti so b v i o u s l yl o w e rt h a nt h es t r e s so ft h eo r i g i nf u e lp u m pb r a c k e tw h e nt h e y a r ci nt h es a l n ec o n d i t i o no fp o w e rs p c t r l l m i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ei m p r o v e d f u e lp u m pb r a c k e tc a nm e e tt h er e q u e s tb yb o t ht h ef ec a l c d a t i o na n dt h er a n d o m v i b r a t i o nt e s t f u r t h e rm o r e ，t h ep a p e ra l s om a k e st h eh a r m o m cr e s p o n s ea n a l y s i so nt h eo r i g i n a n dt h ei m p r o v e df u e lp u m pb r a c k e ti no r d e rt om a k es t i r et h ed y n a m i cs t i f f n e s sa n d t h es t r u c t u r er e s p o n s ew h e nr e c e i v et h eh a r m o u i cl o a dw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c y k e yw o r d s ：r e l i a b i l i t y ，f a t i g u el i f e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ， d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 与昂 签字日期：卯6 年廖月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期；加占年 导师签名：算同象 签字日期：，口年z 月，j 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 自1 8 8 6 年德国人卡尔苯茨制造出世界上第一辆汽车以来，汽车工业经过 一百多年的发展，从一种“作坊”式的手工制造业发展成为大规模的社会化大生 产。汽车正日益成为现代生活必不可少的一种工具。在发达国家，汽车的普及已 经达到很高的程度，即使在发展中国家，汽车也开始进入家庭，甚至成为一种时 尚。我国汽车工业的建立是以长春第一汽车制造厂的建成投产为标志的，经历了 4 0 多年的风风雨雨，已经形成了一个比较完整的工业体系。近十年来我国汽车 工业的发展速度很快，但整车和零部件的设计、制造水平与发达国家相比，还有 很大的差距，必须在消化吸收国外先进技术的基础上，形成自己的开发能力。 在发达国家，计算机辅助设计与制造技术得到了广泛的应用，使汽车的开发 周期缩短，研发成本大幅降低，设计水平全面提高。如通用汽车公司采用c a e 技术开发新轿车，设计周期由原来的2 4 个月缩短到1 4 个月，零部件的设计时问 则由六个月缩短到一个月。美国福特汽车公司过去每开发一个新车型，都要用 1 2 0 辆车进行碰撞试验，采用c a e 技术后，只需7 0 辆试验车，降低研发成本约 2 5 0 0 万美元，同时大大缩短了开发周期。发达国家汽车工业的c a d c a e 技术应 用范围，已从二维发展到三维，从线性发展到非线性，从静态发展到动态，从零 部件发展到整车。可以说，c a x 技术在汽车产品开发过程中所发挥的作用已经无 法取代。 目前，c a e 技术在汽车产品开发中，主要应用于以下三个方面： 1 结构强度和刚度的分析：主要用于对车架和车身的强度刚度分析、齿轮 的弯曲应力和接触应力分析、发动机零件的应力分析。 2 汽车被动安全性方面的应用：利用有限元法进行汽车碰撞过程的模拟计 算。由于模拟计算可以节省昂贵的实车碰撞试验经费，国内、外汽车公司普遍采 用这一方法。 3 汽车动力学仿真分析：采用多体( 刚体和柔体) 动力学分析方法进行汽 车动力学仿真，可在研究阶段预测整车的动力学性能。 在汽车和发动机零件设计中，不能仅考虑零件的静载荷、静特性，还必须考 虑动载荷、动特性。在实际工程结构的设计工作中，动力学设计和分析是必不可 少的一部分。几乎现代所有工程结构都面临着动力学问题。在航空航天、船舶、 汽车等行业，动力学问题更加突出。承受动载荷的结构一般来说在整个机械结构 中占有重要的地位，它们的损坏大多是由于共振引起较大振动应力而引起的。由 于它们所受外界激振力比较复杂，更要求对这些关键部件进行完整的动力设计和 分析。一个著名的例子是美国塔科马海峡吊桥( g a l l o p i n gg e r t i e ) ，在最初设 第一章绪论 计时没有充分的考虑到承受变化风力时桥是否可以保证安全，只是考虑到桥梁是 否能够承受足够的稳态载荷。在1 9 4 0 年1 1 月7 日，也就是在它刚建成4 个月后，受 到风速为4 2 英里d , 时的载荷时发生了倒塌。这个例子充分说明了静力分析只能 确保一个结构可以承受稳定载荷的条件，但这些还远远不够，尤其在载荷随时间 变化时更是如此。因此传统的经验、类比、仿制、静态设计方法并不能胜任汽车 和发动机零件这类承受动载荷的零部件的设计工作。 本文研究的对象是某车用发动机燃油泵托架总成，该托架在使用过程中出现 断裂现象。在可靠性试验中，出现法兰盘与支架的连接处发生开焊现象。本文应 用有限元技术对该油泵托架进行了动力学分析，分析了断裂的原因，找出原结构 中的设计缺陷，并对改进方案进行了分析验证。 1 2 有限元方法和软件 有限元分析是计算机辅助设计的基本组成部分，由于它提供了更快捷和低成 本的方式评估设计的概念和细节，因此，人们越来越多地应用有限元仿真的方法 代替样品原形的试验。例如，在汽车设计领域中，对初期设计概念和最终设计细 节的评估，碰撞的仿真代替了整车的试验；如布置判定气囊释放的加速计和气囊 释放的释放过程、内部缓冲装置，以及选择材料和满足碰撞准则的构件截面。在 许多制造领域中，可以进行加工过程的仿真，从而加速了设计过程，例如金属薄 板成型、挤压和铸造。在电子工业中，为了评估产品的耐久性，仿真分析代替了 跌落试验。 有限元法是近4 0 年来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的一种数值方 法。它具有极大的通用性和灵活性，可以用来求解各种复杂边界问题。它运用 离散化方法将一个真实连续体划分为由有限多个特定形状的单元组成的离散体， 通过寻找与原连续体场问题的等价的泛函变分形式，得到一组代数方程组，对其 求解而获得近似解。有限元法的基本思想是离散化，这一概念早在4 0 年代就己被 提出，但由于当时计算条件的限制，没有引起重视。5 0 年代，美国的r w c l o u g h 教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在1 9 6 0 年首次提出了“有限单元 法”这个名称。从此以后，有限元方法在国际上得到蓬勃发展。6 0 年代后期，一 些数学家们开始对有限元法进行研究，使有限元法的发展有了坚实的数学基础。 1 9 6 5 年，o c z i e n k i e w i c z 和y k c e u n g 宣布，有限元法适用于所有能按变分形式 进行计算的场问题，把有限元法的应用扩展到更广阔的领域。 有限元法最先被应用于航空工程，经过迄今约半个世纪的发展，它已日趋 成熟实用，现在己被迅速地推广应用到机械、建筑、汽车与船舶等众多工程技术 领域，并从固体力学领域扩展到流体、电磁、声学以及振动等多学科。有限元法 2 天津大学硕士学位论文 研究对象广泛，不仅可以解决杆系结构分析问题，而且能进行平面、空间连续体、 板壳及各种复杂组合结构的计算；不仅可以分析结构的弹性性能，而且能应用于 弹塑性等复杂力学性能问题；不仅适用静力分析，而且适用于动力分析。有限 元法已经在许多领域取得了巨大的进展，利用它成功地解决了一大批重大意义的 实际问题。由于有限元法的一个独特优点是可以求解结构形状和边界条件都相当 复杂的力学问题，所以有限单元法出现后，立刻就应用于机械、汽车、航空等各 行业中，成为一种有效的新的理论计算方法。近4 0 年来，随着电子计算机的飞速 发展，有限元法的应用范围不断扩大，先后应用于机械工程和汽车工程构件等的 计算分析中，应用十分广泛，并取得了许多实际效益。可以毫不夸张地说，有限 元法己经成为计算机辅助设计分析( c a d c a e ) 中的一部分，渗透到各大机械、汽 车等的设计中，成为机械设计与分析中一种必不可少的工具。 有限元法的最大特点是能够适应各种复杂的边界形状和边界条件，这是因 为它有丰富的单元类型和节点几何状态描述形式来模拟结构。常用的单元类型 有：一维的杆单元、梁单元、弹簧单元；二维的平面剪力单元、薄板弯曲单元、 薄壳单元；三维的块体单元等。不同的单元可以方便地组合在一起实现对复杂结 构的模拟。例如带加强筋的壳体，可将壳体和加强筋分别划分为壳单元和粱单元。 这种情况在差分法和边界元法中则很难处理。另外，通过对节点位移状态的描写， 有限元法可以模拟各种边界支承条件和连接条件。例如，通过规定节点在各个自 由度方向上是否可动，以区分固定、铰接、滑动连接等边界条件；用节点之间的 主一从控制关系，来表示刚度相差悬殊的各部分连接关系1 ”。 有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。它所以 能得到迅速的发展和广泛的应用，除了高速计算机的出现与发展提供了充分有利 的条件以外，还与有限元法本身的所具有的优越性分不开的，其中主要有： 1 ) 可完成一般力学中无法解决的对复杂结构的分析问题。 2 ) 引入边界条件的办法简单，为编辑通用化的程序带来了极大的简化。 3 ) 有限元法不仅适应于复杂的几何形状和边界条件，而且能应用于复杂的 材料性质问题。它还成功地用来求解如热传导、流体力学以及电磁场、生物力学 等领域的问题。它几乎适用于求解所有关于连续介质和场的问题。 有限元法不仅在理论和方法上比较成熟，而且拥有数量众多的应用软件。国 际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大 功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。 该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分 析系统。目前，世界各地的研究机构和大学发展了一批规模较小但使用灵活、价 第一章绪论 格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国 的s y s t u s 、美国的a b q u s 、a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等公司的产品。下表卜1 介绍了一些有限元软件的情况叫。 表卜1 有限元分析软件功能介绍 zl c c 【工】 t 2 nu j 3 -z 譬 z 【 t c 口 c 3 【工_ h l h h o 吕 z c ，。 z o 羔 t c oe hh - t c z j 凸- t c 比较项目o z z l t c l u t c = 杆元、梁元 平面膜元 = 维换体元 单元轴对称环元 类型 板弯曲元 壳元 边界元 流体元 线弹性均质 线弹性非均质 材料 非线性弹性 粘弹性蠕变 特性 塑性 大变形 土力学材料 前后网格自动生成 处理 自动编节点号 等功图形显示 能 子结构解法 4 天津大学硕士学位论文 z 【口 盏 芒 【工一 u -。 分析功能 蚤 器 参口 墨 臣 l t c 叠 盆趸 童 u d 【工 譬 静态 动态、过渡过程 谐波响应分析 结构稳定性 o 断裂力学分析 热传导分析 非线性结构分析 塑性分析 o 注：表中表示能够利用，表示不能利用 本文选用了a n s y s 软件，a n s y s 软件的主要特点有： 1 多物理场解析 a n s y s 可以用来分析多种类型的问题。包括结构、热、电磁场、静电、流体、 c f d 和耦合场分析。每种分析类型又包括几种特定的分析类型，如结构分析可包 括静力分析和动力分析；热分析中包括稳态分析和瞬态分析等。 2 非线性计算 非线性计算是a n s y s 的突出的特点。程序可求解静态和瞬态非线性问题。在 非线性分析中，使用基于n e w t o n - r a p h s o n 法的迭代过程，用一系列的线性近似 逐渐收敛于实际上的非线性解 3 耦合场的分析 当考虑到结构、受热、流体、电、电磁场等多物理场的影响时，可以通过耦 合场单元直接实现或通过序贯场分析间接实现。 4 设计优化 a n s y s 设计优化是通过产生一系列设计而获得最优设计的计算机技术。可用 于任何分析类型，借助设计优化可以实现多方面的优化设计，如形状、应力、频 率、温度、磁势或离散量等。 5 开放性 a n s y s 软件不仅提供了易于使用的a p d l 参数化设计语言，而且还具有用户 子程序功能，它允许用户在程序内部扩充专用算法，从而增强了程序的灵活性。 此外a n s y s 程序已于其他软件集成在一起，增强了a n s y s 的分析应用能力。 第一章绪论 1 3 课题研究思路及主要内容 本文以试验和有限元计算两种手段，对油泵托架结构进行了动态特性分析， 利用试验数据验证了理论分析的结果，本文的研究思路可以用以下框图表述： 改进前托架的有限元计算 提出改进方案 建立改进后托架的有限元模型 改进后托架的有限元计算 改进前与改进后托架 计算结果的比较分析 结合以上研究思路，本文主要开展了以下的研究工作： 1 在油泵托架及其结构总成三维实体模型的基础上，建立了改进前和改进后 的托架有限元分析模型，并且确定其边界条件。 2 分别用试验模态技术和有限元技术对油泵托架进行动态特性分析，并对试 验和计算结果进行比较和分析，得到托架结构固有频率和振型，确定了系统的阻 尼特性。 3 计算改进前和改进后的托架对于随机激励的响应，确定托架结构的动态强 度并且进行疲劳损伤计算。对托架随机振动数值计算结果和随机振动试验测试结 果进行了对比分析。 4 利用有限元技术，对改进前和改进后托架进行谐响应分析，得到托架动刚 度。 5 对改进前、后油泵托架的有限元计算结果进行对比分析和方案评价。 6 天津大学硕士学位论文 第二章油泵托架总成有限元模型的建立 2 1 油泵托架结构简介 油泵托架起到支撑油泵，固定油管、电线、过滤网等零件的作用。托架总成 主要由法兰盘、支架主体、油泵、油管等零部件组成。法兰盘上有五个螺栓孔， 用于固定托架。法兰盘与支架主体的底部焊接在一起；托架上端两个用于固定油 泵的圆形零件通过两个螺栓与支架主体相连。另外托架上还有三个橡胶垫，整个 结构如图2 - i 所示。 图2 1 油泵托架结构图及支架位置示意图 2 2 有限元模型建立的基本方法和原则 建立有限元模型是有限元分析中的首要问题，也是分析成败的关键。有限元 模型不仅包括物理原型的几何结构，而且包括材料性能、实常数、边界条件以及 其它用来表征这个物理系统的参数，必须准确定义这些系统参数，才能得到正确 的分析结果。 建立有限元模型有多种途径，本文是先在u g 中完善实体模型“1 ，然后导入 h y p e r m e s h 中进行网格的划分，最后导入a n s y s 中做进一步的完善工作，最终在 a n s y s 中完成有限元模型。 油泵托架总成有限元模型的建立原则为： ( 1 ) 为了保证计算的正确性和准确性，模型必须如实反映托架结构的几何 特性和力学特性； ( 2 ) 在保证计算精度的条件下，适当简化模型； ( 3 ) 合理选择单元类型，减少输入数据量，减少计算时间； 7 第二章油泵托架有限元模型的建立 ( 4 ) 合理控制单元大小及单元质量。 2 3 模型的简化方法 油泵托架的结构复杂，为适应有限元分析，有必要对其进行简化。简化的 原则是必须忠实于托架结构的主要力学性能，去掉对力学性能影响不大的零件和 特征。 主要的简化措施如下： 因为油管之间是用橡胶软管联结的，所以对托架整体的动态性能影响不 大。在原来三维实体模型的基础上，把所有电线、油管、过滤网、软管等对托架 力学性能影响不大的部件都去掉。 去掉所有对力学性能影响不大的小孔，小凸台等特征。 由于螺栓联结的部位不是受力最大的地方，螺栓联结的强度、刚度等问题 也不是本研究考虑的重点，所以螺栓联结的部件处理为一个实体。 用点质量单元模拟油泵，点质量单元定位在油泵的质心。 用弹簧单元模拟橡胶垫，弹簧刚度与橡胶减振垫的刚度相当。 在u g 中简化后的托架三维实体模型见图2 2 。 2 4 有限元单元的选取和单元质量的控制 8 天津大学硕士学位论文 把在u g 中简化后的实体模型利用i g e s 接口导入到h y p e r m e s h 中，在 h y p e r m e s h 中划分网格。h y p e r m e s h 是一个高性能的有限元前后处理器，用它可 以建立有限元和有限差分模型、观察计算结果和进行数据分析。本文主要使用了 h y p e r l e s h 强大的划分网格、检查并改善单元质量的功能”。 油泵托架的主体结构选用了三维实体单元s o l i d 4 5 ，s o l i d 4 5 单元是8 节点 六面体单元“4 ；油泵和涡轮两个部件各自用在其质心位置的点质量单元m a s s 2 1 模拟；橡胶减振垫用弹簧单元c o y i b i n l 4 模拟；法兰盘上的五个固定螺栓用梁单 元b e a m l 8 8 模拟，其自由端与法兰盘刚性连接1 。 h y p e r m e s h 软件提供了非常方便实用的检查单元质量的方法，一般选择在创 建二维单元之后进行单元质量检查，然后再利用这些二维单元创建三维单元。根 据经验和所需的精度要求，确定控制单元质量的原则，见表2 l 。对于质量不符合 要求的单元，h y p e r t e s h 软件还提供了非常灵活的手工修改工具，可以帮助用户 有效地改善单元质量。经过手工修改后，全部单元达到表2 一l 的质量控制标准。 表2 - 1 单元质量控制原则 2 5 实常数的确定 点质量单元和梁单元的实常数可以通过测量实物直接得到，如下表2 - 2 。 表2 - 2 点质量单元和梁单元的实常数 单元类型实常数 油泵 m a s s 2 1 0 3 6 k g 涡轮 m a s s 2 1 0 0 9 k g 五个固定螺栓 b e a m l 8 8横截面半径为2 7 姗的圆 模拟橡胶刚度的c o , b i n l 4 弹簧单元的实常数的确定，需要在初步分析的基 9 第二章油泵托架有限元模型的建立 础上，根据模态试验的结果进行修正。关于橡胶减振垫刚度的初步计算方法和用 模态试验结果进行修正的过程见本文2 8 节。最后确定的弹簧单元实常数见表 2 - 3 。 表2 - 3 弹簧单元实常数 根部弹簧单元端部径向弹簧单端部轴向弹簧单 弹簧单元牛 ( 共5 个)元( 共4 个)元( 共2 个) 实常数( n r a m ) 1 0 51 2 1 0 61 木：表中所指弹簧单元位置参见图2 - 4 。 2 6 模型各部分的连接 油泵托架结构各零件之间主要采取焊接和螺栓连接两种连接方式。 目前，在有限元计算中对焊接工艺的模拟主要有公共节点法、公共单元法和 刚性杆连接法三种比较常见的成熟方法。公共节点法是指将焊点位置两个零件上 对应的单元节点合并起来，使不同零件上的单元共用同一节点，从而模拟焊点。 公共单元法是指在焊接处两个零件共用同一单元，这种方法的优势是可以通过定 义公共单元的材料特性来模拟焊接处的金属材料特性，因此，这种方法可以实现 对焊点的精确模拟，但需要对焊点作专门的材料试验，工作量巨大，需投入较多 的时间和费用。刚性杆连接法是指在焊接的部位采用一个无质量的刚性杆单元将 对应位置的两个节点连接起来，使这两个节点具有完全相同的自由度，从而模拟 焊点，这种方法会导致局部刚度增大，模拟的精度不及前两种方法“钔q “1 。 综合考虑以上三种方法的优缺点，选择了公共节点法，因为这种方法不仅最 为简单，而且精度较高，又不需额外的试验费用。具体操作时，在h y p e r m e s h 中 划分网格时，将焊接位置各个零件对应的网格划分一致，导入a n s y s 中后，采用 a n s y s 软件的合并重合节点( m e r g ei t e m s n o d e s ) 的方式模拟焊点。 支架上部和中部的螺栓连接由于不是考察问题的重点，为了简化问题，将 螺栓去处，螺栓连接的两部分处理为一个整体。 2 7 边界条件 参看图2 - 3 。单元a ( 共5 个) 是用c o m b i n l 4 弹簧单元模拟托架底部的橡胶 垫；单元b ( 共5 个) 是用b e a m l 8 8 梁单元模拟托架总成固定螺栓；节点a 是单 元a 的末端；节点b 是单元a 和单元b 的公共节点。在节点a ( 共5 个) 处，约 束所有的自由度；在节点b ( 共5 处) 处，约束除z 方向移动自由度的所有自由 度。 l o 天津大学硬士学位论文 图2 - 3 边界条件 2 _ 8 橡胶减振垫刚度的确定 2 8 1 橡胶减振垫刚度的初步计算 橡胶属于超弹性材料，超弹性材料可以承受十分大的弹性变形，因为是纯弹 性变形，所以超弹性材料的变形是保守行为，与加载路径无关。对于橡胶这种超 弹性材料而言，一般认为是不可压的，不可压材料在静水压力下不产生变形，其 泊松比一般在0 4 8 至0 5 之间。本次研究中，选取橡胶泊松比为0 4 9 9 6 7 。 超弹性材料一般用一个弹性势能函数表示其特性，该函数是一个应变或变形 张量的标量函数，而该标量函数对应变分量的导数就是相应的应力分量。在a n s y s 程序中，假定超弹性材料是各向同性的，在每个方向都有完全相同的材料特性。 根据应变不变量写出来的应变能密度函数如下； w = f f l o ( 厶一3 ) 十口o l ( l 一3 ) 五= 名+ 正+ 霉 l ：土+ 上+ 上 。 五如五 其中i 。和i 。是应变恒量；x - ， 。，x 。是 变形率；a 。和a o 。是材料常数，称为 m o o n e y r i v l i n 常数叶。 不同的橡胶m o o n e y - - r i v l i n 常数也不同， 通常需要通过单轴拉伸、等双轴拉伸和剪切三 个试验来生成m o o n e y - - r i v l i n 常数。此处应用 一 了 a n s y s 5 7v e r i f i c a t i o nm a n u a l 的常数 图2 - 4 橡胶减振垫示意图 来进行计算嗍。得到的橡胶刚度可以保证数量 级的正确，然后根据模态试验结果进行修正。 第二章油泵托架有限元模型的建立 托架总成中，总共有三个橡胶减振垫，分别把它们分别称为橡胶1 、橡胶2 和橡胶3 ，如图2 4 所示。 定义橡胶的m o o n e y - - r i v l i n 常数为：c 1 0 = 0 2 9 3 m p a ，c o i = o 1 7 7 m p a h 2 0 。用 h y p e r 5 8 超弹性单元“”建立橡胶块的有限元模型，分别计算三个橡胶减振垫各个 方向的刚度值。橡胶1 三个方向的计算结果见图2 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) ；橡胶2 两 个方向的计算结果见图2 - 5 ( d ) 、( e ) ；橡胶3z 方向的计算结果见图2 - 5 ( f ) 。 ( a ) 橡胶1 的z 方向受力变形图( b ) 橡胶1 的y 方向受力变形图 ( c ) 橡胶1 的x 方向受力变形图( d ) 橡胶2 的z 方向受力变形图 ( e ) 橡胶2 的x 方向受力变形图 ( f ) 橡胶3 的z 方向受力变形图 图2 5 橡胶减振垫受力变形图 天津大学硕士学位论文 根据有限元计算结果，可以得到橡胶减振垫的各个初步刚度数值。见表2 - 4 。 表2 - 4 橡胶减振垫的各个初步刚度数值 x 方向刚度( n m )y 方向刚度( n m )z 方向刚度( n m ) 橡胶垫1 7 5 2 2 0 7 6 9 2 31 1 2 2 2 5 0 橡胶垫2 1 5 0 6 0 01 5 0 6 0 07 4 9 4 0 0 橡胶垫3 6 2 1 5 0 0 0 2 8 2 利用模态试验结果修正橡胶垫的刚度数值 上述表2 - 4 的刚度数值是由一些经验数值计算而得，是不准确的。为了把误 差降到最小，需要根据模态试验( 参见本文3 2 节) 的结果对其进行修正。首先 以自由支撑模态试验确定的固有频率为基准，通过试算来确定橡胶垫1 和2 ( 参见 图2 - 4 ) 的精确刚度，此时橡胶减振垫3 对整体特性影响不大，所以暂时不考虑橡 胶垫3 。这样可以简化问题。得到橡胶垫1 和2 的精确刚度后，再进行固定支撑模态 求解，此时只有橡胶垫3 ( 参见图2 - 4 ) 的刚度没有最后确定，因此只需以固定支 撑模态试验确定的固有频率为基准，调整橡胶垫3 的刚度，通过试算来确定橡胶垫 3 的精确刚度。最后确定的三个橡胶垫的刚度数值见表2 3 。 2 9 改进前油泵托架有限元模型的建立 按照上述方法，结合模型的简化原则，建立油泵托架的有限元模型，共有 1 4 2 2 2 个s o l i d 4 5 实体单元( 2 6 8 1 0 个节点) ；2 个m a s s 2 1 点质量单元；1 1 个 c o m b i n l 4 弹簧单元；5 个b e a m l 8 8 梁单元。改进前油泵托架的有限元模型如图 2 6 所示。 ( a ) 点质量单元( b ) 弹簧单元 第二章油泵托架有限元模型的建立 ( c ) 弹簧单元与梁单元( d ) 根部网格划分较细 图2 - 6 改进前托架的有限元模型 2 1 0 本章小结 1 、模型的简化必须能够反映结构的主要动特性，对一些次要部件和非功能件 可以忽略和简化。 2 、对划分的有限元网格要进行单元质量检查，避免畸形网格和单元之间的穿 透现象，提高计算的精度。 3 、部件之间的连接关系必须谨慎的处理，要如实反映实际结构。 4 、可以利用弹簧单元对结构中存在的橡胶垫进行模拟，弹簧单元的刚度与橡 胶垫的刚度相当。 1 4 天津大学硕士学位论文 第三章试验与计算模态分析 3 1 引言 模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，是系统辨别方法在工程振 动领域中的应用。结构的振动特性包括：自然频率、振型和振型参与系数( 即 在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动) 。模态分析是所有动力学分析 类型最基础的内容，是进行其他动力学分析的基础。由于结构的振动特性决定结 构对于各种动力载荷的响应情况，所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行 模态分析。通过模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动；使工 程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；有助于在其它动力 分析中估算求解控制参数( 如时间步长) 1 。 为了获得模态参数，可以有计算模态分析和试验模态分析两种方法。计算模 态分析是指使用系统的模态矩阵作为变换矩阵，将系统以物理坐标表达的振动微 分方程组变换为模态坐标，使方程组解藕，从而可单独求解各方程，再利用振动 叠加原理求得模态参数的方法。本文运用有限元计算的方法取得模态参数，用有 限元法对振动系统离散化，然后通过近似计算方法求得系统的固有频率和振型。 试验模态分析是理论模态分析的逆过程，是指通过试验将采集的系统输入与输出 信号经过参数识别获得模态参数的方法。模态分析可以在频域中进行，也可以在 时域中进行，最终的目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、 振动故障诊断及预报以及结构动力特性的优化设计提供理论依据“一。 对于大型、复杂或技术要求较高的机械系统，通常同时使用解析和试验模态 分析，两种方法可以相互检验和补充，既能对各模态参数的真伪做出较为准确的 定性判别，又能对其数值做出较为准确的定量确定。这种在相互修正的基础上得 到的模态参数，具有更高的可靠性和有效性删“”脚。 3 2 试验模态分析 分别采用“自由支撑”和“固定支撑”两种方式对改进前托架结构进行模态 试验。这样做的目的一方面是全面弄清托架结构的动态特性，另一方面是为了可 以从简单到复杂的修改和验证有限元模型。 3 2 1 自由支撑模态试验 采用橡皮绳悬挂试件，并保证悬挂体系与试验结构的主要振动方向正交，相 当于给系统增加了柔软约束，刚体模态频率不再是零。 模态分析实验系统主要由三部分组成：激励系统、传感系统、分析仪及计算 机。采用锤击激励作为模态实验的激励装置；传感系统包括i c p 力传感器、压电 第三章试验与计算模态分析 加速度传感器及其相应的电荷放大器及滤波器，主要任务是完成力信号、加速度 信号的采样；分析系统采用比利时l m s 公司的s c a d a s i i i 和t e s t l a b 5 a 。本次 试验使用的仪器型号及用途见表3 - 1 。 表3 - 1 模态试验仪器设备 名称型号制造厂用途 p c bp i e z o t r o n i c s 力锤 0 8 6 c 0 4产生激励信号 公司 江苏联能电子技术 压电式加速度传感器 c a y d 一1 0 7 拾取响应信号 有限公司 江苏联能电子技术放大压电式加速度 电荷放大器 y e 5 8 5 3 a 有限公司传感器信号 智能信号采集处理分 s c a d a si i i 比利时l m s 公司 数据处理和交换 析仪 传函处理、模态参 微机 d e l lm 6 0 戴尔 数识别 试验仪器的布置如图3 - 1 ： 图3 - 1 燃油泵托架模态实验系统布置图 1 一试样( 燃油泵托架)2 一力锤3 一加速度传感器4 一力传感器 5 一y e 5 8 5 3 a 电荷放大器6 一智能信号采集处理分析仪 7 一装有l m s - t e s t l a b 软件的p c 机 下图3 2 为自由模态试验时的现场照片。 1 6 天津大学硕士学位论文 图3 - 2 自由支撑模态试验 考虑到油泵托架的体积和质量都较小，如果采用固定敲击点、在不同测试点 测量的方式会增加较大的传感器附加质量，因此采用了固定加速度传感器位置， 移动锤击点的方式。对油泵托架这类中小型结构的模态分析，采用这种方式就可 获得满意的效果。在托架上共布置了l o 个测试点。设定采样频率为2 0 4 8 h z 。为 了提高测试精度和统计可靠性，需对每个测点重复采样，然后再进行平均，消除 信号中寄存的随机噪声，本次试验采样次数设定为1 0 次，采样数据由多次触发 采样数据组合而成，以便进行平均处理。 图3 3 和图3 4 分别是试验得到的原点( 激励和响应共点且同向) 和托架中 部一点的幅频特性与相频特性图。 图3 5 是激励力的自功率谱密度。从图中可以看到，力谱比较平滑，一直到 9 0 0 h z 左右，力谱的衰减不到3 d b 。图3 - 6 是响应