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【没有图纸】车辆乘坐室结构动态响应分析,没有,图纸,车辆,乘坐,结构,动态,响应,分析
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I 车辆乘坐室结构动态响应分析 摘要 ： 随着生产和科学技术的高速发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展，为了使这些产品和设备安全可靠的工作，其结构系统必须具有非常良好的静、动态特性。 轮式机动车辆以下简称“车辆” ,包括汽车、拖拉机、装载机、铲运机等的应用日益广泛 , 对其行驶过程中动态响应的研究也愈加深人。 本文中是以某型小轿车乘坐室模型为研究对象，将其简化为实体结构， 研究 其动态特性。将乘坐室模型离散为有限数量的具有质量和弹性特性 的单元，建立乘坐 室 的有限元模型。对结构的振动响应进行有效的分析。是结构的固有特性。如果结构的任何一个固有频率被激励，那么都会发生共振现象，从而形成共振、较高的动态响应和噪声。 在结构模态分析的基础上，计算在与动力舱连接部位施加激励时的结构响应。分析乘坐室的结构响应特性，为进一步进行舱体结构的声振优化设计打下基础。 关键词： 车辆 乘坐室模型； 有限元模型； 结构模态分析 of is to in to a to of of is on a of to a to a of a of of of It is If of of is a a On of by to 录 摘要 . I . 录 . 绪论 . 1 究的意义和工程应用背景 . 1 文研究的主要内容 . 1 2 结构振动理论基础 . 2 构振动的研究概况 . 2 自由度结构的振动特性分析 . 2 励力作用下一般结构的振动响应分析 . 3 3 车辆乘坐室结构分析的基本工作原理 . 5 限元动态分析基本原理 . 5 态分析的基本原理 . 5 响应分析的基本原理 . 6 限元建模的基本准则 . 7 4 算方法 . 8 . 8 . 8 5 车辆乘坐室结构模态分析 . 9 义工作文件名和标题 . 9 体建模 . 9 义材料性能参数 . 11 建几何模型、划分网格 . 12 态分析 . 16 态结果分析 . 19 结 . 23 6 车辆乘坐室结构谐响应分析 . 25 动机对车辆乘坐室的激励谐响应 . 25 动机对车辆乘坐室结构激励谐响应结果分析 . 29 平路面对车辆乘坐室的激励谐响应 . 42 平路面对车辆乘坐室的激励谐响应结果分析 . 42 7 结论 . 57 作总结 . 57 参考文献 . 58 致谢 . 59 1 1 绪论 究的意义和工程应用背景 随着生产和科学 技术的高速发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展，为了使这些产品和设备安全可靠的工作，其结构系统必须具有非常良好的静、动态特性 1。 轮式机动车辆以下简称“ 车辆” , 包括汽车、拖拉机、装载机、铲运机等的应用日益广泛 , 对其行驶过程中动态响应的研究也愈加深人 2。 为确保车辆最良好的驾驶性能 , 使之既舒适又安全 , 同时为进一步提高车辆的设计水平 , 不少专家学者对车辆的动态特性和由道路不平度引起的动态响应进行了许多研究 , 并已取得成果。 建立了系统的动态有限元模型 , 应用随机振动理论、有限元技术和功率谱密度方法 ,对车辆在行驶过程中由于路面不平引起的动态响应进行了研究 , 并将计算结果同用其它力学模型和不同计算方法所得到的结果进行了分析比较 , 目的在于为轮式机动车辆动态响应的模拟计算提供一种实用方法 2。 经专家学者的研究评述，指明了其特点和使用范围。普遍的六种方法是：振型叠加法5状态空间法、复模态法、直接积分法、一阶常微分方程组初值问题的数值解法和时域有限元法 3。 文研究的主要内容 本文中是以某型小轿车乘坐室模型为研究对象，将其简化为实体 结构， 研究 其动态特性。 研究的主要内容和方法主要包括以下几个方面： （ 1） 将乘坐室模型离散为有限数量的具有质量和弹性特性 的单元，建立乘坐室 的有限元模型。 （ 2） 对结构的振动响应进行有效的分析。 是结构的固有特性。如果结构的任何一个固有频率被激励，那么都会发生共振现象，从而形成共振、较高的动态响应和噪声。 （ 3） 在结构模态分析的基础上，计算在与动力舱连接部位施加激励时的结构响应。 （ 4） 分析乘坐室的结构响应特性，为进一步进行舱体结构的声振优化设计打下基础。 2 2 结构振动理论基础 构振动的研 究概况 近十年来，随着有限元 (9、边界元 (13等数值方法的不断发展，加上数字计算机的计算能力的不断加强，为解决复杂振动问题提供了强有力的手段。从 60年代中期以来，振动测试和信号分析技术有了重大突破和进展，这又为振动问题的实验、分析和研究开拓了广阔的前景 16 自由度结构的振动特性分析 对于自由度为 M x C x K x F t （ 这里 x 、 x 、 x 、 别是各质量的加速度、速度、位移以及作用于系统的外力列矩阵。 对式（ 通过模态分析法进行求解的。 模态分析方法分为实模态分析和复模态分析。 无阻尼多自由度线性振动系统的运动微分方程可表示为 M x K x F t (其中 M 与 K 都是 M 设为正定。 当 (i=1， 2， 3)时，方程可表示为 0M x K x (式 (特征方程为 2d e t 0 其中 是系统做简谐振动的角频率。 (结构的主振型方程可由下式表示 2 0 e i =1， 2， ， n ( 无阻尼线性系统的主振动都是谐振动。每个主振动有其固有的频率i，在每个主振动中，各个位移分量振幅的相对大小与相位由主振型应的有 n 个谐振动的振幅分布； 当有某特定阻尼情况时，还对应地有振动的 3 励力作用下一般结构的振动响应分析 对于一般结构，统一的运动方程为 ,M W D W F x t ( 式中 D W是空间坐标的线性微分算子。 采用模态分析法求解该运动方程。当结构做无阻尼自由振动时，运动方程为 0M W D W (设式 (足给定边界条件的简谐振动解为 , x t W x e (n 谐振动的角频率，有无限个特征值； W(x) 于特征值有无限个，所以特征函数也为无限个，于是自由振动稳态解为 , x t A W x e (特征方程满足以下方程： 2 0n n x M W x (现在假设线性系统被激振动的解可以被分解为许多具有模式分布形式的解的线性组合，即假设解为 , x t W x q t ( 将 (代回到 (并考虑到 (关系，结合特征函数的正交性关系，同时假设结构上一点 ,j j jX x 求解可得到： 0001n j t P e W X (这里，单频力被记为 00, t P X X e ， 0 22001 2n n n nH j 最后可得： 00 0, n i n j n W X t P ( 4 0n i n j W X 作用一个集中的单位 强度的单频力时，产生在任意 的第 n 阶简谐模式的位移分量，也是 处力作用在 的 n 阶模态的单频响应函数：是点 0n i n j nn W X 作用单频力情况下 的位移响应，即点力作用下结构位移的单频响应函数。 5 3 车辆乘坐室结构分析的基本工作原理 限元动态分析基本原理 有限元方法具有以下优点： (1)分析形状十分复杂的、非均匀的各种实际工程结构； (2)在计算中可以模拟各种复杂的材料本构关系、载荷和条件； (3)进行结构的动力分析； 态分析的基本原理 结构离散化以后，在运动状态中各结点的动力平衡方程如下： i d P t F ( 式中： 惯性力向量， 阻尼力向量， 动力载荷向量， 弹性力向量。 弹性力向量可用结点位移 和刚度矩阵 K 表示如下： ( 式中，刚度矩阵 K的元素 结点 j 的单位位移在结点 i 引起的弹性力。根据达朗贝尔原理，可用质量矩阵 M和结点加速度 22t表示惯性力 2 2t ( 式中：质量矩阵 M的元素 结点 j 的单位加速度在结点 i 引起的惯性力。 阻尼力向量 用阻尼矩阵 C和结点速度 t 表示 t ( 式中：阻尼矩阵中的元素 结点 j 的单位速度在结点 i 引起的阻尼力。 将式 (式 (入到式 (得到运动方程 2 2M C K P (令 t ， 22t 。 则运动方程可写为如下形式： 6 M C K P t (在式 (令 P(t)=0，得到自由振动方程。 0 (设结构做如下简谐运动： c o s t (把上式代入式 (可得到齐次方程 2 (或 2( ) 0 (在有振动时，结构中各结点的振幅 不全为零，所以式 (括号内矩阵 行列式之值必须等于零，由此得到结构的固有频率方程，即： 2 0 ( ( 2 的 出结构的 1 2 3 n (响应分析的基本原理 常使用的直接积分法有有限差分法和纽马克法；在此基础之上，用振型 i的线性叠加来表示处于运动状态中的结构位移向量 ： 12121. t t t （ 用 前乘式 (两边，由于振型的正交性，等式右边的 i j 时均为零，只剩下 i= ： p j jj j JM t M m t (式中： 由此得到： 7 (i和的初始值可表示如下： 00 ( 00 ( 现在考虑式 (求解，把式 (入到式 (，得到： 1 1 1n n ni i ii i ii i K P t ( 对于粘性阻尼系统，令 C M K，同时令 2 2i i i ，i为第 上式两边乘以 并考虑振型的正交性，可得： 2 12 Ti i i i i i （ i=12 n） （ 方程 (一个由 在形式上与单自由度体系的运动方程相同。求解方程组 (把得到的 i t代入式 (即得到所需解答。 限元建模的基本准则 具体应满足下述准则： （ 1） 变形协调条件。若用协调单元，元素边界上亦满足相应的位移协调条件。 （ 2） 满足边界条件和材料的本构关系。 （ 3） 刚度等价原则。 （ 4） 超单元的划分尽可能单级化并使剩余结构最小。 8 4 算方 法 功能模块 处理 、 分析计算 和 后处理模块。 在结构振动和声学计算分析时主要是使用前处理分析模块 (振动模态分析、谐响应分析等进行计算求解，然后在后处理分析模块 (进行结果后处理。 （ 1） 前处理 前处理是指创建实体模型及有限元模型。 （ 2） 加载和求解 加载和求解主要是在 计算方法 启动 以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在 开输出窗 口可以看到 （ 1） 前处理模块 击实用菜单中的 “进入 个模块有实体建模和网格划分。 1） 实体建模 顶向下与自底向上。 2） 网格划分 伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。 3） 求解模块 击快捷工具区的 出 击实用菜单项中的 入分析求解模块 。 结构静力 、 结构动力学 、 结构非线性 、 动力学 、 热 、 电磁场 、 流体动力学 、 声场 、 压电 等分析。 9 5 车辆乘坐室结构模态分析 义工作文件名和标题 1） 选择 令，出现 话框，在【 / 入栏中输入工作文件名 将 置为 击【 钮关闭该对话框。 图 义工作文件名 2） 选择 令，出现对话框，输入 击【 图 输入工作文件名 体建模 点击菜单目录中的第一个 现对话框，点击 击【 10 图 定义单元类型 所用的单元类型为 3 单元。 单元具有弯曲以及膜应力分析能力。允许施加 面以及方向力作用。可以进行应力刚化分析以及大变形和大应变的分析。图中左下角 单元坐标系， I 节点处的 旋转坐标系， I 节点处的 图 63 号单元 1） 选 令，出现 击【 钮，出现 话框。 2） 在 选框中选择 3 单元，在 入栏中输入 1，单击【 钮，关闭该对话框。 11 图 单元类型列表”对话框 3） 选 令 ,出现 击【 钮，出现 话框，选 3，单击【 钮，出现 ,3 对话框，在 ，在 at )输入栏中输入 其他输入栏中输入 0，单击【 钮关闭该对话框。 义材料性能参数 壳体 材料为 45 钢 ，材料密度 =78003m ,泊松比 性模量 1） 选 令，出现 话框。 图 材料参数对话框 2） 在 12 再【 栏输入 7800；双击 【 栏输入 【 栏输入 闭对话框。 图 数定义对话框 建几何模型、划分网格 在本研究中一律采用了 式对车辆乘坐室壳体进行了自由式网格划分。 1） 选 令，出现 话框，选 其状态从 为 击【 图 节点数显示对话框 2） 选 令，出现 话 13 框，在 of 面的 3 个输入栏中分别输入 1、 1、 1，其余采用默认设置，单击【 图 标位置对话框 3） 选 n S 命令，出现 n 话框。 4） 在 入栏中输入 1，在 X、 Y、 Z in S 输入栏中分别输入 0， 0， 0，单击【 图 建关键点对话框 根据车身的图纸和实际的几何形状，经测量，某轿车乘坐室长 度 5）参照第 3）、 4）步的操 作过程，依次在 示窗口生成以下关键点编号极坐标： 2（ 0， 0， 3（ 0， 4（ 0， 0）； 5（ 0， 6（ 7（ 0， 8（ 14 9（ 0， 10（ 11（ 0， 12（ 13（ 0， 14（ 0， 0）； 15（ 0）； 16（ 6） 选择 次连接各关键点（ ,生成模型线框结构如下图所示。 图 框模型 7） 选择 y 线框模型生成板模型如下图所示。 15 图 模型 8） 选择 出 择自动划分网格工具 动划分出板单元网格如下图所示 图 体单元划分网格 9） 选择 其保存为： 16 态分析 模态分析方法：（ 1）降阶法；（ 2）子空法（ （ 3）非对称法（ （ 4）阻尼法（ （ 5）分块 （ （ 6）快速动力法（ 它具有求解精度高，计算速度快的特点。因此本文求解也采用这种方法求解自由振动模态，频率指定范围为 0 200意频率范围宁肯指定大一点也不要小，这样保证模态提取不会丢失。 1） 选择 令，出现 话框，选择分析类型为 图所示，单击【 闭对话框。 图 析类型对话框 2） 选择 令，出现 照图 对其进行设置 17 图 态分析对话框 单击【 钮，出现 话框，在 入栏中输入0，在 入栏中输入 200，单击【 闭该对话框。 图 率设置对话框 3） 选择 n 令，点击乘坐室底部边框，对其施加约束时，点击【 单击【 钮关闭对话框。 4） 选 令，选所有实体。 18 5） 选 S 命令，出现 话框，同时出现 /话框，单击 令。单击【 开始求 解。 6） 求解完成时，出现 示框，单击【 令。 7） 查看求解结果，选 令， 显示前 10 阶的模态频率，如图所示： 图 加约束后的模态频率 8） 选择 y 令，出现 话框，在 入栏 中输入 1，单击【 钮关闭该对话框。 9） 选 令，出现 话框，在 to be 选 击【 窗口显示变形形状， 10） 选择 y 令，出现 话框，在 入栏中输入 1，单击【 钮关闭该对话框。 19 11）参照以上步骤的操作过程，显示车辆乘坐室第二阶模态振型。重复以上操作依次得出310 阶的模态。 态结果分析 图 一阶模态振型 图 二阶模态振型 20 图 三阶模态振型 图 四阶模态振型 21 图 五阶模态振型 图 六阶模态振型 22 图 七阶模态振型 图 八阶模态振型 23 图 九阶模态振型 图 十阶模态振型 结 1） 相同模态的出现，这是由于 壳体结构的周期性对称所致，例如模态 2， 3有相同的频率， 24 在接下来的图中分别给出了相应的模态形状，人们可以看到它们具有相同的形状，只是在相互成 90的平面内变形，正因为如此，我们常常把它看成一个模态。 2） 特征模态判断，因为所关心的频率范围为 200以 1 10模态都在其范围内，即特征模态数有 10阶，模态振型如图所示。 3） 模态描述，如图所示 图 态振动变形 25 6 车辆乘坐 室结构谐响应分析 动机对车辆乘坐室的激励谐响应 1） 选择 令，出现 话框，选择分析类型为 图所示，单击【 闭对话框。 2) 选择 令，出现 话框，在【 拉菜单中选择 n，在【 单中选择 他采取默认设置。 图 态响应设置对话框 3） 单击【 钮，出现 话框，在【 入栏中输入 10，其余选项采用默认设置，单击【 钮。 4） 选择 令，出现 话框，在【 、 200，在【 of 入栏中输入 50，在【 or 项中选择 图所示，单击【 钮关闭该对话框。 图 率设置对话框 26 5） 选择 B/令，出现话框，在【 栏中选中 th 项，其余选项采用采用默认设置，如图所示，单击【 钮关闭该对话框。 图 率输出对话框 6） 选择 n 令，出现 ， 取菜单，用鼠标选取 汽 车底部边缘线，单击【 钮， 出现 ， 话框，选择 击【 钮关闭对话框。 7） 选择 n 现 ，用鼠标在 示窗口选择位于汽车发动机部位 230 节点，单击【 钮，出现 ，在 of 拉菜单中选择 项，在【 of 入框中输入 击【 钮关闭该对话框，如图所示 27 图 荷设置对话框 图 动机部位（节点 230）施加载荷 8） 选择 S 命令，出现 话框，同时出现 /口，单击其上的 令，关闭该窗口，单击话框上的【 钮， 求解计算。 9） 求解结束时，出现 示框，单击【 10）从主菜单命令中选择 11）选
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