（载运工具运用工程专业论文）客车振动特性的分析与研究.pdf

客车振动特性的分析与研究 摘要 客车在怠速或行驶时因路面不平、车速变化，车轮、发动机和传动系统的 不平衡等外部和内部的激振作用，容易产生整车和局部的强烈振动。本文以某 型客车为研究对象，通过调研国内外汽车振动特性分析方法及振动特性诊断技 术，研究振动原理及振动分析方法。 首先，利用有限元法对客车进行了动态特性分析，研究了发动机激励对客车 振动的影响。建立客车有限元模型，对整车进行了自由状态下的模态分析，对 客车底架前段和后段进行子结构模态分析；在模态分析的基础上进行谐波响应 分析，分别考虑发动机竖向和横向激励两种工况，研究发动机输出的简谐力引 起的车身位移响应，以考察车身各部位的振动情况。 其次，根据随机振动理论，利用经过拟合的路面谱，建立客车的四自由度 半车模型，对动力学方程进行仿真研究，分析客车系统在随机激励下的响应， 探讨悬架刚度及车速对客车行驶平顺性的影响。 最后，对该型客车进行多工况整车行驶振动试验，获得了不同的发动机转 速对应的各测点的自功率谱，得到客车异常振动的原因是发动机在特定转速下 与该车车身骨架及后段车架发生共振而引起的。 关键词：整车振动，模态分析，谐波响应分析，随机振动，振动试验 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c o a c h a b s t r a c t v i b r a t i o no fv e h i c l ew o u l db eg e n e r a t e dw h e ni ti sd r i v i n go ri d l ed u et or o a d r o u g h n e s s ，s p e e dc h a n g e s ，i m b a l a n c eb e t w e e nw h e e l s ，e n g i n ea n dt r a n s m i s s i o n s y s t e ma n do t h e re x t e r n a la n di n t e r n a le x c i t a t i o n t a k i n gac o a c ha st h er e s e a r c h o b je c t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dv i b r a t i o nt h e o r ya n dm e t h o d so fv i b r a t i o na n a l y s i s t h r o u g hs t u d y i n gt h ea n a l y s i sm e t h o do fv e h i c l ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d v i b r a t i o nd i a g n o s i st e c h n i q u e se x t e r n a la n di n t e r n a l f i r s t l y , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o a c hi sa n a l y z e db a s e do nf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dt h ee n g i n ev i b r a t i o ne x c i t a t i o no nt h ec o a c hv i b r a t i o ni sr e s e a r c h e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h ec o a c hi se s t a b l i s h e d t h ef r e e s t a t em o d a la n a l y s i s o ft h ec o a c ha n dt h em o d a la n a l y s i sf o rs u b c o n s t r u c t i o no ft h eu n d e r f r a m ea r e b o t hc a r r i e do u t h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i si sc a r r i e do u tb a s e do nt h em o d a l a n a l y s i sc o n s i d e r i n gs e p a r a t e l yt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a le x c i t a t i o no ft w oe n g i n e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h ev i b r a t i o no fv a r i o u sp a r t so ft h ec o a c hi ss t u d i e dt h o u g h d i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo ft h eb o d yc a u s e db yt h eh a r m o n i cp o w e ro fe n g i n e s e c o n d l y , ah a l f - c a rm o d e lw i t hf o u rd e g r e e so ff r e e d o mi se s t a b l i s h e dw i t h t h er o a ds p e c t r u ma c c o r d i n gt or a n d o mv i b r a t i o nt h e o r y a n a l y s i so fr e s p o n s eo f c o a c h - b o d yu n d e rr a n d o me x c i t a t i o ni sc a r r i e do u tt h o u g hs i m u l a t i n gt h ek i n e t i c e q u a t i o n t h ei m p a c to fs u s p e n s i o n ss t i f f n e s sa n dt h es p e e do nt h ep a s s e n g e r r i d i n gc o m f o r ti sr e a c h e d f i n a l l y , m u l t i - s t a t ev i b r a t i o nt e s t i n go fc o m p l e t ev e h i c l ei sc a r r i e do u t ， a u t o - p o w e rs p e c t r u mo fd i f f e r e n ts p e e do fe n g i n ea r eg o t t h er e a s o no fa b n o r m a l v i b r a t i o ni st h a tt h ee n g i n eu n d e rp a r t i c u l a rs p e e dr e s o n a t e sw i t hv e h i c l eb o d y f r a m ea n dt h er e a rf r a m e k e y w o r d s ：v i b r a t i o no fv e h i c l e ，m o d a la n a l y s i s ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ， r a n d o mv i b r a t i o n ，v i b r a t i o nt e s t 插图清单 图l 。1 汽车振动问题2 图1 2 汽车振动研究方法2 图1 3 振动测量与分析系统3 图2 1a n s y s 程序的组织结构8 图2 2 某型客车车身骨架几何模型1 1 图2 3 某型客车车身骨架有限元模型1 4 图3 11 6 阶模态振型。2 0 图3 2 底架前段有限元模型2 l 图3 3 底架前段有限元模型2 1 图3 - 4 底架后段主要振型2 2 图3 5 底架前段主要振型2 3 图4 1 完全法分析步骤2 5 图4 - 2 缩减法分析步骤2 5 图4 3 模态叠加法分析步骤2 5 图4 4 发动机z 向激振响应分析的边界条件和激励2 6 图4 5z 向激励节点2 3 3 5 2 处响应曲线2 7 图4 6z 向激励节点2 3 8 4 0 处响应曲线2 7 图4 7z 向激励节点3 4 8 8 0 处响应曲线2 8 图4 8z 向激励三特征点x 向响应对比2 8 图4 9z 向激励三特征点y 向响应对比。2 9 图4 1 0z 向激励三特征点z 向响应对比2 9 图4 - 1 1 发动机y 向激振响应分析的边界条件和激励3 0 图4 1 2y 向激励节点2 3 3 5 2 处响应曲线3 0 图4 1 3y 向激励节点2 3 8 4 0 处响应曲线3 l 图4 1 4y 向激励节点3 4 8 8 0 处响应曲线31 图4 1 5y 向激励三特征点x 向响应对比3 2 图4 1 6y 向激励三特征点y 向响应对比3 2 图4 1 7y 向激励三特征点z 向响应对比3 3 图5 1 任意激励下的时域与频域转换图3 5 图5 2 路面纵断线曲线3 6 图5 3 路面激励曲线3 8 图5 - 4 路面激励功率谱图3 9 图5 5 单自由度振动系统3 9 图5 - 6 衰减振动曲线4 0 图5 7 二自由度振动模型4 1 图5 8 平面四自由度振动模型4 3 图5 - 9 四自由度系统振型图4 6 图5 1 0 四自由度振动微分方程模拟框图。4 8 图5 1 1 车身垂向加速度功率谱密度4 9 图6 1 试验现场照片5 3 图6 24 挡不同车速下各测点自谱5 5 图6 3 第1 次5 挡不同车速下各测点自谱5 6 图6 4 第2 次5 挡不同车速下各测点自谱5 6 图6 5 第2 次5 挡1 3 5 0 r p m 转速下各测点自谱5 6 图6 - 6 第2 次5 挡1 4 0 0 r p m 转速下各测点自谱5 7 图6 7 第2 次5 挡1 5 0 0 r p m 转速下各测点自谱5 7 图6 8 第2 次5 挡1 6 0 0 r p m 转速下各测点自谱。5 7 图6 - 9 第2 次5 挡各种转速下连续加速各测点自谱5 8 图6 1 0 后轮架起原地行驶试验各测点自谱5 8 列表清单 表2 1 几何模型类型9 表2 2 有限元模型类型9 表2 3 材料参数1 1 表3 1 对称系统特征值求解法1 7 表3 2 车身骨架固有频率( 1 5 0 h z ) 1 9 表3 3 底架前后段模态参数2 2 表4 1 谐波响应分析方法2 4 表4 2 车身特征点的振动幅值( i 姗) 3 3 表4 3 激励频率4 7 h z 时的响应值( r a m ) 。3 4 表5 1 路面不平度8 级分类标准3 7 表5 2 某型客车基本参数。4 5 表5 3 三种车速下五组悬架刚度值对应的车身响应峰值( m s 2 ) 。4 9 表6 1 整车振动测试测点5 2 表6 24 挡不同车速下测试记录5 4 表6 3 第1 次5 挡不同车速下测试记录5 4 表6 4 第2 次5 挡下不同车速测试记录5 4 表6 55 挡下连续加速行驶记录5 5 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导。f 进行的研究1 ：作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金胆王些态堂 或其他教育机构的学何或证托而使 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已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：王髟酥i 签字日期：z 口p 年砰月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥县曼王些太堂 有关保留、使用学何论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被商阅或借阅。本人 授权 佥起王些左堂 可以将学何论文的全部或部分论文内容编入有天数据库进 j ：检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学何论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权移) 学位论文作者签名： 王晓禾7 签字日期：2 矽年驴中月巧曰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电活： 邮编： 致谢 本研究及学位论文是在我尊敬的导师一一张代胜教授的亲切关怀和悉心指 导下完成的。张老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风 以及独特的人格魅力深深地感染和激励着我。张老师宽以待人，严以律己的作 风和豁达的胸襟，是我今后工作和学习的楷模。张老师对我论文撰写工作自始 至终都倾注了大量的心血，对我论文的选题、试验、修改直至定稿都给予了精 心的指导。在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在完成论文和课题期间，特别感谢陈朝阳教授与谭继锦老师在我做课题和 论文期间给予的帮助。尤其是陈老师深厚的专业理论使我受益匪浅l 在此，我还要感谢在一起愉快度过研究生生活的各位同门，正是由于你们 的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特 别感谢林伟、蒋成武、孙立军、陈娜、姚伟、李传博、储昭淼等同学对本人在 学习、研究和生活上的帮助! 最后，我要向我的家人表示深深的谢意。你们的理解、支持、鼓励让我更 加上进，你们的情感永远都是催我上进的不竭的动力源泉! 作者：王晓利 2 0 10 年0 4 月 第一章绪论 1 1 引言 研究的结构若为弹性体，则该结构在外力作用下不仅产生刚体运动，还会 产生由自身弹性而引起的，在平衡位置附近的，微小弹性往复运动，这种往复 运动通常称为振动【1 】。结构的振动可分成自激振动与受迫振动两大类。自激振 动是由于物体自身受力、运动、做功等引起的振动；若物体受外在振动源的激 励，引起的振动是受迫振动。当振源的振动频率与受迫振动体的固有频率相接 近时，就会产生共振。车架、车身振动和整车共振均是受迫振动。 汽车是由多个具有固有振动特性的子系统组成的复杂的多自由度“质量一 刚度一阻尼 振动系统。这些子系统振动，如汽车纵向角振动、车身的垂直振 动和侧倾振动等，包括制动系统、转向系统、悬架系统的振动，都存在着问题 【2 刁】。同时由于人体本身就是一个复杂的振动系统，对这些振动的反应就非常复 杂。这些不同形式的振动及相互耦合，是影响汽车行驶平顺性、舒适性、安全 性及汽车零部件使用寿命的主要原因。 所以，要改善汽车的整体性能，就必须对汽车的整车振动特性进行深入研 究。随着市场竞争的日趋激烈和人们对汽车舒适性要求的提高，有关汽车整车 振动性能方面的研究工作也越来越受到重视【4 。6 】。 1 2 研究背景 噪声、振动与舒适性，它给汽车使用者的感受是最直接、最表面的。在汽 车制造市场竞争日益激烈的今天，它也就成为衡量汽车制造质量的一大关键因 素。异常振动不仅对驾、乘人员的身体健康造成危害，而且也易造成汽车主要 承载零件的疲劳破坏，影响汽车的使用寿命、可靠性和行驶安全性。有统计资 料显示【1 7 1 ，各大公司有近2 0 的研发费用消耗在解决汽车的振动问题上。 振动所要研究的问题主要有以下几个方面： ( 1 ) 模态分析：结构振动中模态分析的理论与试验的研究。 ( 2 ) 工具开发：利用振动原理，研究并开发新型的振动源和振动工具。 ( 3 ) 振动隔离：在振源不可能完全消除的前提下，研究如何减小振动对结 构的影响。如悬架的设计就是为了减小客车在不平路面上行驶时传递到车身的 振动。 ( 4 ) 动态性能分析：对结构的动态性能进行分析，同时研究结构件的疲劳 寿命、刚强度等问题。 ( 5 ) 在线控制：利用振动信号检测设备工作状况，诊断故障。如发动机故 障进行的振动监测和诊断。 对于般的汽车振动问题，根据参考资料【2 】，可以用图1 1 加以说明。对 汽车振动问题的研究，就是在给定工况的“输入 下使得汽车系统振动的“输 出 不超过一定界限，以保证乘坐舒适性。 图i - i 汽车振动问题 目前，研究汽车振动的方法主要有三种，如图1 2 所示。 图i - 2 汽车振动研究方法 ( 1 ) 试验方法【3 1 ，即工程测试的方法。它通常包括两个方面的工作：一是 直接测量振动系统的响应，并进行分析，以了解其振动特性，这称为振动分析； 二是利用已知的振源去激振研究对象，并测取振动响应，以了解系统特性，这 称为系统识别。具体步骤如下： 选取激振源，即选择测试工况： 对振动结构进行分析，研究振动测点，以布置传感器； 测取振动信号，并进行处理； 分析测试结果，作出结论。 其中，振动信号完整的测量与分析过程如图卜3 所示。 2 图1 - 3 振动测量与分析系统 ( 2 ) 理论方法，即解析方法。它主要是通过建立系统动力学模型的运动微 分方程组，通过求解传递函数，得到系统的响应来达到分析振动问题的目的。 具体步骤如下p 】： 建立系统的动力学模型：实际的振动系统越复杂，建立的模型越复杂， 越接近实际情况，也越能进行逼真的模拟，但分析也往往越困难；模型简单， 分析容易，但得到的结果可能不精确。因此总是根据所研究的内容及目的，在 模型简化和逼真模拟两者之间折中； 建立运动微分方程：隔离振动系统中的每个物体，进行受力分析，由牛 顿第二定律或达朗贝尔原理建立运动微分方程； 求解方程，得到响应规律：即得到振动系统的相关物理量如位移、速度、 加速度等随时间f 的变化规律，还可以求出系统的固有频率、振动模态，并通 过f f t 变换等将响应由时域转换到频域，以求对系统进行更全面的分析。 ( 3 ) 试验与理论相结合：利用试验的方法识别系统，建立系统特性模型， 或利用理论分析的方法来预测系统的响应，再通过试验验证理论分析的结果。 其中，弹性体动力学方法与刚柔混合动力学方法时目前振动研究最常用的 理论方法。刚体模型认为系统由是刚性结构组成，不考虑自身的变形，将每个 结构独立出来分别建立刚体模型再组合的整体叫多刚体模型；弹性模型认为系 统由系统由具有变形能力的弹性结构组成，微小变形时做线性弹性系统考虑， 实际上弹性系统的变形一般都是非线性的。刚柔混合动力学研究方法即在建立 模型时按照实际情况将系统简化成刚性与弹性模型相混合的模型。例如在建立 汽车振动模型时，将车身弹性模型、悬架及轮胎的刚性模型通过一定的方式组 合成整车刚柔混合模型。也可以在建立系统的多刚体动力学模型之后，将分析 的目标结构进行柔化处理，来建立刚柔混合的动力学模型。 同时，在计算机技术大力发展，c a d c a e c a m 一体化进程加快的基础上， 有限元分析在汽车振动分析中也得到了广泛的应用。分析内容已由部件到整车、 由粗略到精确发展，其应用也进入实用化阶段。有限元分析无论是对汽车概念 设计阶段的方案分析、工程设计阶段的校验分析，还是对既有汽车车身实施精 确分析以实现再设计，都有其重要的作用。为了缩短设计周期，提高产品的性 能与质量，可以利用它预测和仿真汽车在设计和制造过程中产生的各种问题， 从而节省大量资金l l 叽1 1 】。 本课题就是在上述背景下提出的，目的是研究客车在发动机特定转速( 车 速) 下出现的异常振动问题，经过先期分析与研究，已经采取了一些改进措施， 但该型车振动问题没有从根本上解决，也没有明确振源所在，未能解释该车振 动现象，因此需要进一步深入开展相关测试与分析工作。 1 3 国内外研究概状 一汽车振动特性研究的历史 ( 1 ) 2 0 世纪初，振动研究的关键是确定结构固有频率和振型【l2 。1 9 0 5 年， e i n s t e i n 分析研究随机振动现象时可是利用概率方法与微分方程理论。1 9 2 3 年， 美国控制论之父w i e n e r 把b r o w n 运动正式看做随机过程来研究。当时，受到 数学、力学理论、计算手段及试验方法和设备等方面的限制，人们只能把汽车 简化为两自由度模型。这模型认为独立的考虑车身前后两部分的振动，模型简 单，容易求解，计算量小，但只能分析车身和车轮的垂直振动，而且分析结果 精度不高。 ( 2 ) 3 0 年代，振动研究开始发展到非线形振动【1 3 - 1 4 1 。由于航天技术的高速 发展，随机理论极为广泛的应用在各个工程中。此时人们开始把汽车简化为二 分之一车身的平面模型，自由度也达到3 到5 个。该模型精度高于二自由度模 型，它能够反映车身的垂直振动和纵向角振动以及路面不平度激励输入。 ( 3 ) 6 0 年代，有限元法开始应用于汽车振动领域。它成功的将无限多自由 度的连续结构振动问题转变为有限多自由度的振动问题【l5 1 。但是，受限于当时 有限元法的发展程度，在作比较精确的分析时，往往需要求解上万个自由度的 问题，计算过程产生很多累积误差，影响计算精度，因而此时有限元法在汽车 振动中的应用有一定的局限性。1 9 6 5 年，c o o l e y 提出的快速傅立叶变换，使数 据处理的速度大大增加。 ( 4 ) 8 0 年代，汽车振动的研究得到长足的进步。为了全面反映垂直振动、 纵向角振动及侧向角振动，并反映出路面通过各车轮、悬架将不平激励传递给 车身得到的响应，人们将整车简化为三维立体模型，自由度也从7 个到1 5 个， 这个模型能够比较全面、真实的反映汽车振动的实际状况【1 6 】。 4 =汽车振动特性研究的现状 国外对汽车振动的研究起步较早，包括对汽车系统的模态分析和试验、振 动的优化与控制及振动分析的各种问题。主要体现在： ( 1 ) 随机振动理论成为车辆工程中可靠性设计不可缺少的理论依据。 ( 2 ) 平稳随机激励和调制型非平稳随机激励下，线性系统的频域和时域分 析方法发展比较成熟。 ( 3 ) 对于非线性系统，发展了一些近似解法，包括有限元法、有限差分法、 特征函数法、随机步行法和等效线性法。这些方法奠定了研究和解决汽车的振 动和噪声问题的理论基础。 近年来，振动理论和计算机技术不断发展、深入和完善，人们又开始研究 高速汽车的操纵性及稳定性、汽车高速旋转轴振动的故障诊断理论及方法、磁 流变液减振控制、利用新型高分子化合物粘弹性材料制品进行减振和降躁等新 的课题。 国内对汽车振动的研究起步较晚，目前国内汽车振动的研究包括： ( 1 ) 建立整车的多自由度运动微分方程来研究整车振动特性，振源输入全 面考虑路面激励、传动系激励和发动机激励的影响； ( 2 ) 利用m a t l a b 、a n s y s 、a d a m s 等软件编制计算机程序对整车振动 进行模拟计算、仿真分析、结果评价及优化设计，以求改善汽车的整车振动特 性。 目前最常见的整车振动分析模型主要有三种： 两自由度的四分之一汽车振动分析模型【1 7 1 ：若车身的质量分配系数接近 于1 ，则认为车身前后部的振动是相互独立的，就可以建立四分之一整车的两自 由度模型。早期大多采用这种模型来研究有关悬架参数和座椅特性参数优化的 匹配问题。目前，在许多有关主动和半主动悬架研究的文献中，也普遍采用这 种模型来验证控制理论和控制装置的正确性和有效性。不过这种模型自由度较 少，又忽略了车身的纵向角振动和侧向角振动。因此，一般用于粗略的定性分 析研究中。 平面五自由度的二分之一汽车振动分析模型【l8 】：如果汽车相对于纵垂面 完全对称，且左右车轮下的路面不平度变化完全一样，则可将汽车简化为二分 之一整车的平面五自由度模型。该模型反映了车身的垂直振动和纵向角振动， 前轮和后轮的路面不平激励输入。五自由度模型分析得到的结果精度高于二自 由度模型，因此，在汽车振动预测、平顺性模拟分析、悬架参数优化设计等研 究中，平面五自由度模型得到更广泛的应用。 三维整车多自由度振动分析模型。要全面反映车身的垂直振动、纵向角振 动及侧向角振动，并反映出路面通过各个车轮将不平激励传递给车身这一特点， 就应将汽车简化为三维立体模型。该模型将四个车轮所受的路面激励的差异、 相关程度以及车身的侧倾对车身振动的影响都考虑进来，这就比较真实地反映 了汽车振动的实际状况。采用这种模型，还能将前后悬架结构形式的不同组合 情况表示出来。 为了能够更精确地分析汽车振动，有的文献中采用了更复杂的车辆振动模 型。如为了研究和减小驾驶员座椅的振动，就需要进一步考虑驾驶室本身的三 维振动以及驾驶室振动与其他振动的耦合，从而将整车简化为十五个自由度的 模型。但是，随着汽车振动模型复杂程度的增加，计算时所需的初始参数也大 大增加。如果所有的初始参数不能比较准确的得到，反而会降低计算结果的精 度。因此，有学者指出，在建立车辆振动模型时，不必过分追求模型的复杂程 度。 三 汽车振动研究的方向【1 9 】 ( 1 ) 模型的仿真分析：利用具有强大分析功能的有限元分析法，画出精确 的模型，设置确切的参数，分析汽车重要部件的振动问题，并通过仿真软件对 汽车进行仿真分析； ( 2 ) 非线性振动：实际的构件都是非线性的，而很多研究往往假设系统是 线性的，必然造成一定的误差。随着振动理论的不断深入，也应深入研究汽车 振动的非线性问题，包括振动的分岔及混沌现象； ( 3 ) 测试结果的精确性：利用先进精确的测试仪器对汽车振动进行全面的 测试，充分认识汽车的实际振动特性： ( 4 ) 控制方法的选择：汽车的原始振动是很难避免的，因此，为了减振可 采取振动的被动、半被动及主动控制方法来达到减振的目的。 1 4 研究目的和意义 由于社会的不断进步和生活水平的持续提高，人们对汽车乘坐舒适性有了 更高的要求，而影响与评价乘坐舒适性最主要的因素是车身的振动和车内噪声 环境【z 。另一方面，由于近年来国内汽车制造业的迅猛发展，竞争日趋激烈， 各汽车制造公司加强研发力量，试图开发出高性能、经济、乘坐舒适性好的产 品，使自己公司在激烈的市场竞争中长盛不衰。此外，汽车在怠速或行驶时强 烈的整车振动，会使车上的零部件磨损加快，甚至有松动脱落的危险而威胁到 汽车的使用寿命、安全性和可靠性。因此，对汽车乘坐舒适性及其评价方法的 研究十分重要。对客车而言，研究和治理客车振动和噪声在提高客车产品质量、 满足消费者和市场需求方面，甚至是保护环境上都有重大意义。 振动特性研究的目的在于探究这些振动产生的原因、分析其运动规律，了 解振动对系统的影响，寻求控制、消除振动或利用振动的方法，最后达到系统 能够可靠地工作，并且具有良好的动态性能。本课题通过理论研究和试验研究 相结合的办法，目的在于研究客车的整车振动特性，开展整车有限元建模及动 6 态特性分析，建立动力学模型运动微分方程进行仿真分析，了解该车结构的基 本动态属性，并通过整车行驶振动试验，得到多工况下车身各测点的功率谱密 度，为判断振源，分析振动原因，提出解决方案建立基础。 1 5 研究内容 ( 1 ) 调研国内外汽车振动特性分析方法及振动特性诊断技术，为本款车型 的振动分析提供参考资料。了解动态性能分析包括结构模态分析、谐波响应分 析的原理，介绍随机振动原理、各种动力学模型及对应的运动微分方程； ( 2 ) 建立客车整车有限元模型：在a n s y s 有限元分析软件中以梁单元 b e a m l 8 8 为主进行建模，车身骨架结构中的不规则截面钢管和变截面梁也采用 梁单元来处理。同时，采用板壳单元s h e l l 6 3 来处理一些对结构影响比较大的钢 板； ( 3 ) 在建立的有限元模型基础上，进行车身自由状态下的模态分析：利用 模态分析结果对整车动态性能进行评价，并且分别对客车底架的前段和后段进 行子结构模态分析，研究行驶和怠速时客车整车共振的原因； ( 4 ) 在模态分析的基础上，对该车有限元模型进行了两种工况下的发动机 简谐激励谐波响应分析。根据谐波响应计算结果，对发动机激励下的整车结构 的动态性能进行分析和评价，从中找到解决整车共振问题的方案； ( 5 ) 从建立符合实际的客车振动力学模型入手，建立了四自由度客车动力 学模型，利用经过拟合的路面不平度激励，分析了客车系统在随机激励下的响 应，并运用m a t l a b 对动力学模型进行编程仿真研究； ( 6 ) 通过对两种档位下不同车速的整车行驶振动试验，寻找客车在特定车 速下异常振动的原因，为解决方案的提出提供试验基础。 1 6 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景、目的意义及国内外研究的历史、现状与 发展方向。然后全面说明了研究和治理客车振动和异响的实践意义与发展前景。 最后简要概括了本文的研究内容。 7 第二章客车车身有限元建模 2 1 软件简介 a n s y s 软件是广泛应用于各个科学和工业领域的大型通用有限元分析软 件，该软件可以在p c 机到工作站甚至巨型计算机上运行，在其所有的产品系 列和工作平台上都能兼容。它实现了与多数c a d 软件进行数据的共享和交换， 是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。在a n s y s 公司相继收购了i c e m 、 c f x 、f l u e n t 、c n t u r yd y n a m i c s 、a a v i dt h e r m a l 等世界著名的有 限元分析程序制造公司，并且将他们的产品和a n s y s 整合之后，a n s y s 实际 上已经成为世界上最通用、有效的商用有限元分析软件。 a n s y s 软件主要包括三个部分【2 1 。2 3 】：前处理模块( p r e p 7 ) ，求解模块 ( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t i 与p o s t 2 6 ) ，这也是最重要的三个模 块。其组织结灼加图1 所示 图2 - 1a n s y s 程序的组织结构 使用者可以方便地在前处理模块中构造有限元模型，其主要功能包括：材 料类型、参数定义以及建立有限元模型。模型完成后，可以在求解模块中进行 力学分析和有限元求解，通过定义分析类型和分析选项、施加载荷和指定载荷 步，然后开始有限元求解。计算完成后，在后处理模块中观察计算分析结果其 主要也包括两个部分：查看和检验整个模型或指定的部分模型在某一子步或时 间步的计算分析结果( p o s t i ) ；查看和检验模型的指定点在某一或所有时间 步内的计算分析结果( p o s t 2 6 ) 2 2 有限元实体建模方法 2 2 1 建模原则 在a n s y s 中建立模型【2 4 l 一般应遵循以下原则： 选择合理的单元类型，以减少数据的输入量与计算时间。一般根据分析 结构的几何形状，综合分析类型、载荷与约束等因素来确定单元类型。同一分 析结构中，不同类型的部件，要采用不同类型的单元。 支撑条件模拟的合理性。不恰当的支撑条件，会导致计算失败。车身常 见的支撑有：悬挂支撑、车身与车架之间的支撑。处理悬挂支撑的关键是要保 8 证车身承受的支撑反力与实际情况相同。 合理的单元数量。在保证计算目的和精度的前提下，控制单元数量。 焊缝模拟的有效性。由于客车车身骨架各构件大多是通过焊接装配的， 所以对焊缝的有效模拟是有限元分析的重要因素。 2 2 2 几何模型的确定 在a n s y s 中建模时，首先确定车身骨架几何模型。空间梁和空间壳( 板) 是其最主要的特征结构，常常利用线框模型( w i r e f r a m em o d e l ) ，表面模型 ( s u r f a c em o d e l ) 和实体模型( s o l i dm o d e l ) 来描述这些三维形体。如表2 1 所示。 表2 1 几何模型类型 模型类型建模方法 特点 线框模型 利用顶点与棱边描述几何形体模型简单、便于图形 处理、输入数据方便 表面模型 用有向棱边来定义物体的表模拟薄壁冲压件， 面，由面的包络构成物体计算精度较高 实体模型明确定义立体形状的实体部分信息上是比较完整 2 2 3 力学模型的选择 进行分析时，用一组离散化的单元组集来代替连续体机构，这种单元组集 体就称为结构的力学模型，这也是有限元分析的基本思想。 目前采用结构力学模型一般有两种【2 5 1 ：梁单元模型、组合模型。如表2 2 所示。 表2 - 2 有限元模型类型 模型类型建模方法优点缺点 用一组节点的梁单 模型前处理工作量不能为车架纵、横梁连 梁模型元组成的框架结构 不大，单元及节点数 接方案提供实用的帮 来描述车架结构 目少，计算速度快助，无法仔细分析车架 应力集中问题 同时采用梁单元和计算更为精确，对车前处理工作量大，计算 组合模型壳单元对结构进行身骨架设计有很大 时间比较长，不过目前 离散的作用得到一定解决 2 2 4 单元类型的选择 利用a n s y s 建模，必须定义单元类型。单元类型的选用对于分析精度有 9 重要的影响。a n s y s 单元库中有超过1 5 0 种不同的单元类型来模拟工程中的各 种结构和材料，适应各种分析的需要。客车的骨架一般由前后围、地板、左右 侧围和顶盖焊接而成。因此建立车身骨架和车架的计算模型，可采用空间梁单 元和空间薄壁梁单元模拟这些构件。本文选用三维梁单元中的b e a m l 8 8 与 s h e l l 6 3 单元对某型客车的结构进行离散。 a n s y s 前处理内置了1 1 种常用梁截面几何参数生成子程序，利用梁单元 定义梁的横截面类型时，可以通过指定关键点来确定梁截面的取向，从而更准 确的反映车身结构形式，真实再现截面形状，为有限元分析奠定基础。同时 a n s y s 还允许使用者通过自定义其他复杂截面形状和建立数据库，使繁琐的梁 截面参数的定义变得简单、实用性强。 2 2 5 模型的简化 建立有限元模型时，一方面要反映结构的工作情况，使计算结果与实际情 况足够接近，同时也要忽略次要细节，这样计算结果才能得以简化。客车有限 元建模的过程，是对客车结构装配连接关系与受力状态分析和简化的过程，是 突出主要结构或主要方面，忽略次要结构或次要方面的过程。因此建模的原则， 就是要了解结构的受力状态，考虑结构的布置和构造，并对结构受力状态的影 响因素进行分析。结构形状、约束状态、载荷数值在模型中得到再现才是最重 要的。再好的程序，再全面的考虑，分析结果也不可能以高于输入数据的精度 输出。实际操作中可以采取的简化处理措施主要有： 截面形状的简化。客车构件设计时不仅要考虑受力情况，还要顾及其他 部件的安装和使用要求，如乘客门的立柱要考虑乘客门的安装等。所以，可以 适当简化截面形状不规范的构件； 省略非承载构件。很多小构件只是为了满足安装、使用、或局部强度及 刚度的要求而设置，如前保险杠、装饰件等，通常情况下这些构件的变形和内 力分布影响很小，建模时可以忽略： 必要时把相邻节点合并，以减少方程阶数，提高求解的稳定性； 化曲梁为直梁。把侧围、顶盖中一些曲率较小的构件近似的看作由直梁 单元分段组成； 中心线距离很小，即紧密相连的两根或多根梁可以合并，用一根梁代替； 中心线之间的距离较大的空间叠交的两焊接梁，若平移其中一梁的中心 线会引起不可忽略的误差，则可以另加一个短梁来连接两梁； 对于有加强肋板或带凸缘的部件，有两种方法处理：一是原尺寸不变， 改变材料的弹性系数；二是改变原构件的板厚，而其他尺寸和弹性系数不变； 对于复杂的梁截面形状，可以利用a n s y s 梁截面的自定义功能。 此外，还可以对载荷类型进行简化。在结构计算中就有等效载荷的概念， l o 即将种复杂载荷用等效的均布载荷来代替。 2 , 3 车身有限元模型 23 1 几何横型的生成 本文根据某型客车的二维工程图纸直接建立车身的三维几何模型。现有的 图纸包括前后围、左右侧围、顶盖及底架，根据图纸提供的信息，构建三维模 型。整体坐标系的选择以通过前轴总成中心线的垂直平面与客车纵向对称面的 交线与车架上平面的交点为坐标原点；以客车前进的方向为x 轴的正方向；以 从原点垂直向上的直线为z 轴的正方向；由右手定则确定y 轴( 车辆坐标系) 。 这里采取自底而上的建模方法建立几何模型，印由关键点k 一线l 一面a 。 这些几何要素通过实地考察样车及该型客车的c a d 图纸分析获得。然后在 a n s y s 中建立几何模型。图2 - 2 是该型客车的几何模型图。 图2 - 2 某型客车车身骨架几何模型 2 32 有限元模型的建立 2 32 1 定义材料属性 该型客车的材料参数如表2 - 3 所示，其中所有数值都已换算为单位制( k g m m - - s ) 。车身骨架主要使用的材料是各向同性材料1 6 m n 。 表2 - 3 材料参数 名称l 弹性模量e xl 泊松比p r x xf 密度d e n s 2322 梁横截面的指定 a n s y s 允许两种方法来定义粱的截面属性 对于像工字形、矩形面、环形面等a n s y s 可以自动生成的、规则的、 常见的横截面，只要定义相关的几何参数，选择截面形状即可。这种情况下要 改变生成的有限元节点精度时，不需要重新进行网格划分，省时省力。 对一些形状复杂、不规则、a n s y s 无法自动生成的截面，就需要首先建 立该复杂截面的几何形状进而划分有限元网格后，生成特殊的a s c i i 文件，这 样在进行车身网格划分时，调入该特殊文件，就能生成特定的截面。不过，如 果要改变有限元节点的精度，就必须重新生成截面信息和重新划分网格。而且 在生成截面时，关键点的选择需要经验。不过这样建模能够更好地反映真实情 况，使仿真分析结果接近现实。a n s y s 的帮助文件提供了具体的自定义截面过 程及相关内容。 2 3 2 3 板单元参数的指定 a n s y s 中既可以参数化输入s h e l l 6 3 单元的厚度等参数，也可以采用界 面对话框的方式输入。本文中板单元参数输入采用界面对话框的方式输入，只 指定厚度参数。 2 3 2 4 网格的划分 网格划分是有限元分析计算中的重要环节，对于复杂结构问题，网格划分 所占的工作量比较大。网格划分的好坏直接影响到计算的精度和速度，甚至会 因网格划分不合理而导致计算不收敛。网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、 单元类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号以及几何元素等因素。 在有限元数值求解中，单元的等效节点力、刚度矩阵、质量矩阵等均用数值积 分生成，不同单元的刚度矩阵不同，采用数值积分的求解方式不同，单元选择 会因求解问题不一样而不同。因此在实际应用中，一定要采用合理的单元来模 拟求解。简单来看网格划分可理解为如下三个步骤：定义单元属性、定义网格 属性和划分网格。但实际上，网格划分要复杂得多，它是门实践性很强的技术。 在a n s y s 中采用自动生成网格功能时，可能会出现与想象中不一样的结 果。此时要查找原因，并加以处理。例如形成重节点( 同一坐标处有不同节点) ， 造成单元间互不相连；同位置定义了两遍单元；出现歪曲单元或扭曲单元等。 在这种情况下，为了将单元连接起来，需要将节点合并，否则加上载荷运算后， 该处就会分离开来。在查出重定义的单元后要将它删除掉。而当单元的内角大 于1 8 0 4 单