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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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对由 . . 技术研究所 弗赖堡大学 03 D - 79110,德国弗赖堡 。我们 着 于一个人 如何 独立的 从 在 +上 实现 的 执行模型中提取所需的信息 ，而不用依靠特别的专业人士，我们将利用 与结构力学和热 力学 有限元模型 相关 的实例 来讨论 计算成本。 大型线性动态系统模型降阶已经是相当成熟的领域 1。许多论文（见参考文献 2） 指出 ，模型降价的优势已在各种科学和工程应用上被证实。我们目前的工作 是 集中讨论 工程师如何将该技术与现有的商业有限元软件相结合，以达到如下目的： 加快 对 瞬变电压、 谐 波 的 分析； 自动生成系统级仿真的紧凑模型； 在设计阶段纳入有限元程序包。 通常大规模动态系统模型降阶第一步如下 =u ( y=中 A 和 E 是系统矩阵， B 是输入矩阵， C 是输出矩阵。模型降阶的目的是产生一个低维 式以 逼近（ ， Y= (此式 描述了输入向量 因此 ,同一时间 降阶后 向量 对由偏 微分描述的用户模型方程进行空间离散化后，有限元程序包通常产生一个常微分方程系统。在这阶段，它有可能直接适用于模型降阶的方法 1。然而，从商业包装 过的 系统矩阵 里 提取却不是这样 ，我们将介绍我们是怎么用 3。 我们选择了市场矩阵形式来表示简化模型（ 4。我们假设在另一个包如 价模型在数学方面的运作是可行的 。 非线性系统矩阵 的维数高并且可降阶。 因此 ,实施一个模型降阶 的 算法通常取决于特定的 可降阶矩阵存储方案。我们讨论 了一个 C + +接口， 这 使我们能够完全忽略模型降阶求解 时的一些 微不足道的开销。 最后，我们分析了计算成本绩效和 用有限元分析软件 模型比原模型更准确。 业有限元软件 包含两个几乎独立的模块（见图 1） 6。第一个模块用于读取一阶动态系统 或二阶系统 二进制文件和装载有限元分析软件 +u. ( y=其中 M， 是三个系统矩阵。第二个模块适用于模型降阶算法式（ 或式（ 也就是说，它找到一个低维的 式 V， X = V Z + （ 以便让我们在误差范围内保证重现逼近原始状态向量的瞬态行为。 从 原方程的子空间投影 可以 发现，例如（ 我们有 T T T B, V ，我们支持三种方法来看待二阶系统。当仿照瑞利阻尼阻尼矩阵 E= M+ K，我们 可以 保存 为以 系数和作为参数的简化模型 7。在一般情况下， 我们 可以 把 二阶系统转换为一阶系统 ，或者用二阶阿诺尔迪算法 8。 入原系统矩阵 的 矩阵市场格式 4。大量的模型降阶基准已 由 定 9。 图 1 生成 第一个模块是相当困难的，因为商业有限元程序包中的大多数用户并不 是 有能力去提取动力系统式（ 式（ 因此，这不是一个简单的操作。 行为并不是完全一致的。例如，下面描述的信息是不适用流体动力学模块的 进制 以组装全局系统矩阵，记录文件格式，为 10。通过例子可以发现更多的 6。 为 部分解决带动完全求 解 ， 可以不通过真正的解决方案阶段， 评价矩阵的元素 。这让我们对一个给定的模型 拥有 有效 的 然而，这需要克服以下问题： - 利克雷边界条件 或等式约束的信息。他们应分别提取。 - 元素矩阵 有 贡献 的 载荷向量。如果应用的负载 是 节点力或加速度，这个信息也应该被单独提取。 - 这矩阵要 有必要 的组装 完整 矩阵 的 元素。 在解决方案阶段， 配 。当我们开始用 该文件不包含负载向量 （输入矩阵）。 而 从那时起，已经有许多变化。 荷向量，文件中的 完整的文件。 出装配 （相当于一个 就书 写完整的文件。现在也可以 把信息从完整文件转化为此 ， 自 它可以有效地使用完整的文件。然而，根据分析类型的完整文件可能包含原来的 非 刚度矩阵，而 不 是一个系统矩阵的线性组合。 当前版本 的 多的 构造 式（ 式（ 主要来源。我们已经开发的 含 如果不 使用完整的文件，这 将 是困难的，例如，在 有 加速负载的情况下提取载荷向量 ， 示 负荷向量 ， 当 有多个输入 时，如 输入式（ 式（ 时 用户应该： - 删除以前应用的负载， - 申请一个新的负载， - 生成矩阵。 为了 改进 这一过程 ， 第二个策略也被允许用户 不 删除以前的负载 ， 在这种情况下， 正在第一阶段结束 的 每一个新的负载向量 （ 包含所有先前的载体 ） 。 算法 在 克 雷洛夫空间的基础上，我们可以通过一个非常有效的计算 11,8，获得具有优良逼近性质的低维子空间（ 当前版本的 法 11，以支持多个输入，块大小等于输入数量。 每一步迭代 需要我们计算矩阵向量积为一阶系统，例如， （ 其中 量 ，该系统矩阵高维并且可降阶， 是一个不明确的计算 结果 。唯一可行的解决方案是解决如下的线性方程组的一个 h (这主要是为降低系统计算成本，这以后，与正交化过程中相关的额外费用也 将 计算在内。 这里有许多可降阶求解法以及许多可降阶矩阵的存储方案。我们的目标是 让 实现它们的方式不依赖于一个特定的求解模型降阶算法。此外，我们希望在运行时允许改变求解，就是允许运行时的多态性。因此，我们选择了虚函数 图 2有限元 设计模型 和系统仿真 机制， 这项开销可以忽略不计，我们 的例子都是紧凑型计算。 我们的做法就像 12 和 13 的做法 ,为了涵盖许多不同的场景，抽象的 紧凑型克雷洛夫子空间，向量存储在连续的空间。 目前，我们可以从 4直接求解并获得 支持 15,16，而 已被用来生成优化的 7。我们发现 达 500万自由度的矩阵因子可以直接用来求解，它们被存放在 4 使我们能够重复使用分解， 并取得良好的业绩。 3模型降阶算法 的成本 通过实验我们观察到的许多 阶模型以 30为秩就足以正确地描述原 高维系统 5。因此，为了简单起见，我们 要 限制这种情况下计算分析的成本。 降阶到秩为 30的方程组成的系统仿真时间是非常短的，我们可以忽略它。因此，在 有几个不同的 且 必要的输入函数情况进行仿真 （系统级仿真的情况下） 时 ，减少模型的优势 便 出了问题。 然而，在设计阶段，应减少模型生成的次数。用户 可能 会多次更改原始模型的几何形状或材料的性能，在这种情况下，降阶模型可能只使用一次。然而， 即使在这种情况下的模拟模型还原时间也小于原来的系统时间。这两种不同的情况已经在图 2中反映，下面我们考虑第二个案例。 表 0的 维数 节点 由 由 决 阵 因子 第一次降阶 到秩 30 4 267 20861 1445 93781 0360 265113 16 15 12 14 79171 2215638 304 230 190 120 152943 5887290 130 95 91 120 180957 7004750 180 150 120 160 375801 15039875 590 490 410 420 如果 我们有一个 可 直接求解 、 适用 于 维数为 30的解法来减少系统维数就足够了 。 降阶 模型的时间等于式（ 变秩为 30后 式（ 替代步骤所需的时间。表 1列出 的 一行对应的 值为 模拟 值 18，后三行对应的为券 丝结构 7。 每个案件都指定了其尺寸 和刚度矩阵非零元素的数目 ， 以 注意，在 中真实特定 的 ，因为它包括读 /写文件以及其他一些操作。 时间因子 由 0向量生成 14。后者主要是由式（ 决方案通过回代 得出的 。由于产生的第一和第三十届载体 的 差异低于 10我们可以说，正交成本相对较小。 请注意，多波 阶 模型总时间 的 两倍 多 。在同一时间，减少模型可以准确地再现瞬态和 谐波 所 模拟 出的 任何一个合理的频率范围内的原始模型。 谐波分析的仿真时间 由 一个复杂非线性系统所需的频率数量 所决定 。解决非线性系统 的 矩阵因不能被重新使用。为解决一个复杂的非线性系统 花费 两倍左右的时间比较昂贵。因此，我们 要降阶模型仿真时间 ， 谐响应频率 应 接近 这 个 估计频率 。例如，如果估计必要传递函数频率 为 10， 降阶 模型的速度大约比原有系统的仿真系统 快 10倍。 而瞬时 仿真情况更难以分析，因为这取决于一体化战略。原则上，上述模型还原时间可以说是相当于作为这个矩阵因子利用同样的策略 所 用时间 的 30倍 。然而，在 我们的经验 中 ， 为 达到表 1中的例子，一个准确的积分结果，或者需要至少 600个 同样间隔的时间步长或需要使用自适应的一体化计划， 而 再利用的因子频率是不可能的。在这两种情况下，降 阶 系统的仿真模型 速度 快十倍以上。这表明 降阶模式 也可以被看作是甚至可以在优化阶段采用 的 快速求解。 4结论 我们已经 发现 ，在非线性动力学系统（ 、 （ 情况下，现代模型降阶技术可以显着加快有限元瞬态谐波模拟。对于非线性系统， 在 非线性多项式型的情况下的理论成果 也有较大发展 前途 19。然而，在非线性的情况下，除了许多理论 问题 外 ，提取非线性系统（ 对于商业的有限元分析工具本身就是一个挑战。 鸣谢 运用有限元分析软件 系统 模型和 经 分别 由 T. J. 成了。 我们也愿意接受一个匿名的评论员提出的非常有益的意见和建议 。意大利研究理事会、中国北车、意大利特伦托的 盟省（赠款 供 了部分资金， 还要 对弗赖堡大学表示感谢。 参考 C. D. C. 用数学和计算机科学 ,11(5):1093 - 1121页 ,2001。 B. J. G. 。新传感器 ,11:3002年。 , R. K. A. 矩阵交换市场格式的初始设计。 ,5935,1996年。 , J. G. 算机辅助设计及系统仿真研究模型降阶对微机电系统 (有效作用。第 16届比利时数学网络和信息系统理论国际研讨会， 7月 5 - 9日 ,2004年。规模系统模型降阶。 6. E. B. J. G. 用大型通用有限元分析软件 对紧凑型模型的降 阶。用户手册 ,2004。 , J. A. J. G. 用有限元分析软件 奈米科技会议和展览的技术论文集 ,奈米科技， 2004年 12月 7 - 11日 ,2004,萨诸塞州 ,美国。 8. Z. J. K. Y. F. 少二阶动力学系统维度。 阿诺尔迪结构保持二阶动力系统的降维方法 。 9. J. G. E. B. 型系统的降 阶 ,在计算科学与工程的课堂讲稿。斯普林格 出 版 社 , 柏林 / 德 国 海 德 堡 市 ,2005 。 。 出版社。 2001年。 11. R. W. 拟 电 路上 的 应用 。计算与应用数学学报 ,123:395 - 421页 ,2000。 12. S. V. W. D. L. C. B. F. 对 面向对象并行数值分析软件的有效管理。现代科学计算工具 ,163 - 202页 ,1997。 ,13. M. R. V. R. J. et 山迪亚国家实验室报告， 2927页 ,2003。 , S. 设计 并 施实一个新的 核心稀疏 可降阶 的 30 1942004年。 。 832算法： 法 。 30 196 - 199页 ,2004。 。 非对称格局多波 算法 预先 计算 的方法策略 。 30 165 - 195页 ,2004。 17. R. C. A. J. 优化软件的 开发和阿特拉斯项目的自动化经验。并行计算 ,27(1 - 2) 32001年。 , E. B. J. G. 型降阶的要求与基准。 线性代数及其应用， 2004年。 19. J. 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K. 和 J. 主编 ): 004, 732, 349 356,页 2006. 海德堡 2006年柏林 斯普林格出版社 毕 业 论 文 开 题 报 告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 研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，产品的结构日趋复杂，对其工作性能的要求也愈来愈高。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。 现代机械结构动态设计就是在这个背景下应运而生的一种科学设计方法，也是近年来振 动工程界开展的最广泛的研究领域之一。 当前，为了提高我国机械产品在国际市场中的竞争能力，如何保证产品的高性能、高质量和低成本，是机械产品设计面临的新问题。为此，要求在设计阶段能预估机械结构的静、动特性。因此，机械动态设计方法已成为设计人员必须掌握的设计手段。研究机械动态设计分析技术具有很重要的意义 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。 由于车辆行驶在不平的路面上 , 以及由于车辆本身的转动部件车轮、发动机、变速箱、主传动轴等激振的影响 , 其系统内各处都会引起振动如果某些部位由于振动产生的位移或速度、加速度超过一定值 , 就会使驾驶员感到不舒适 , 或者造成货物损坏、某些零部件失效等向题 , 驾驶员驾驭车辆的能力和车辆的运输效率也会降低。在所有激振振源中 , 道路不平度对车辆动态响应的影响最大 , 它是车辆设计和研究中一个必须考虑的重要因素。除外部激振外 , 车辆的动态响应还取决于其自身的动态特性 , 而这又与车辆的几何尺寸、结构性能参数相关 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。 工程技术中最普遍的振动问题是响应分析，这是因为动态响应直接关系到工程结构 的强度、刚度、运动形态和振动能量水平。实际上响应分析也是振动理论的基础和主要内容。目前，已 发展了多种分析或求解振动系统时间历程响应的方法，然而这些方法都有一定的适用范围和局限性，没有一种方法是普遍适用的。目前，关于动态响应分析法的总结或评述性文献几乎没有，因此人们在解决具体问题时，往往不知道使用哪种方法会更加有效。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。 国内外研究发展状况 结构的动态设计问题研究从 工作 7开始展开，既有 对简单的、小型结构的谐波激振问题的研究，又有对复杂的、大型结构的动态载荷的优化问题的研究8。一般地，按照所研究问题的性质可以分为两大类 :一类是对结构特征值进行约束优化，主要针对频率和振型两个方面。另一类是对结构响应进行约束优化，主要针对位移、速度、加速度、应变响应等方面 9。响应优化设计问题在响应的分析 (包括重分析 )和优化求解方面有着巨大的计算量，缺乏高效率的计算方法和优化算法。尽管对结构进行特征值优化设计，从理论上可使结构振动避开某些频率和位置，不出现共振的灾难，但是其振动响应仍可能超过允许的响应极 限 ;同时，实际工程结构的固有振动模态可能非常复杂，设计时要想避开其共振区不太现实，因此，对这类问题的研究往往更具有实用价值。 本文研究的主要内容 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。 有两个因素控制着结构振动的振幅和频率，一个是对结构施加的激励特性；另一个是结构的固有特性。改变激振特性或改 变结构的动力特性都将改变被激起的振动响应。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。所以分析结构振动的响应首先要分析系统的固有频率和振型。 （ 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。 实际振动问题往往错综复杂，它可能同时包含识别、分析、综合等几方面的问题。解决振动问题的方法不外乎通过理论分析和实验研究，二者是相辅相成的。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。采用一些通用的强大的分析软件解决实际问题成为了广大工程技术人员的首选。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 有两个因素控制着结构振动的振幅和频率，一个是对结构施加的激励特性；另一个是结构的响应特性。改变激振特性或改变结构的动力特性都将改变被激起的振动响应。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，从而形成大振、高动应力和高等级噪声。所以分析结构振动的目的也是为了预计结构的固有频率和结构对预期激励的响应。 参考文献 1 杜留法 硕士学位论文，西北工业大学， 2 凌胜 北京科技大学报， 1994 年 9 月第 3 期。 3 郭兴旺，邹家祥 期刊【振动与冲击】第 15 卷第 2 期，北京航空航天大学，北京科技大学， 1996 年。 4 刘鹏 硕士学位论文，西北工业大学 第 25 卷第 3 期。 5 徐攸在，刘兴满主编 中国建筑工业出版社， 1989. 6 周先雁，朱之基 湖南大学报，1988； 7 L， P. in A .， 1970， 8(10):1798- 1 804 8 1 993， 31(12):22969 高德平 . 机械工程中的有限元法基础 . 西北工业大学出版社， 10 何怀波 . 工程设计分析的有限元法进展 . 重庆工学院学报， 2000， 14(4)： 10311 高卫民，王宏雁 . 汽车结构分析有限元法 . 汽车研究与开发 ， 2000， 6： 3012 成思源 . 有限元法的方法论 . 重庆大学学报 (社会科学版 )， 2001， 7(4)： 6113 杨德全，赵忠生 . 边界元理论及应用 . 北京理工大学出版社， 14 朱加铭，欧贵宝，何蕴增 . 有限元与边界元法 . 哈尔滨工程大学出版社， 15 曹咏弘，程昌钧 . 粘弹性薄板动力响应的边界元方法 . 华北工学院学报， 1999，20(2): 9516 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处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分 析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果 以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 有限元软件 于结构振动及结构声学性能的分析正是基于上面介绍的原理。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。 方法： 1 学习有限元分析软件 相应功能。 2 在 建立轿车舱体结构的有限元模型。 3 对建立有限元模型进行结构模态分析，包含结构的前 10 阶主要模态。 毕 业 论 文 开 题 报 告 指导教师意见 ： 任务书填写要求 1毕业论文任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在系的负责人审查、签字后生效。此任务书应在毕业论文开始前一周内填好并发给学生； 2 任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3 任务书内填写的内容，必须和学生毕业论文完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写； 4 任务书内有关“学院、系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（如 02011401不能只写最后 2 位或 1 位数字； 5 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2016 年 3 月 15 日”或“ 2016 毕 业 论 文 任 务 书 1毕业论文的任务和要求： 在 件平台上，对某型号小轿车的舱体结构进行有限元建模，并对结构进行动态分析，在舱体结构的模态分析的基础上，进一步进行舱体结构在发动机激励位置加载谐激励时的结构响应。 2毕业论文的具体工作内容： 1 学习有限元分析软件 相应功能 . 2 在 建立轿车舱体结构的有限元模型。 3 对建立的有限元模型进行结构模态分析，包含结构的前 10 阶主要模态。 4 对结构进行谐激励计算，并对计算结果进行分析。 5 翻译外文文献一篇。 毕 业 论 文 任 务 书 3对毕业论文成果的要求： 1 毕业设计论文一篇 2 设计过程中产生的有限元模型数据文件。 4毕业论文工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2016 年 2 月 29 日 3 月 15 日 3 月 16 日 4月 15 日 4 月 16 日 5 月 30 日 6 月 1 日 6 月 15 日 查阅文献，完成开题报告 学习有限元分析软件 相应功能 在 建立轿车舱体结构的有限元模型。在有限元模型结构模态分析的基础上，进行结构的谐响应分析。 撰写毕业论文，准备相关材料 论文答辩 学生所在系审查意见： 同意下发任务书 系主任： 2016 年 2 月 29 日 . . 1 0 3 1 1 0 , + is on a We of is an 1 . In 2 ), of a of In on in up a or is to a of x=u (1 y= is to a 1 in a 1 Y=of y on u so of z is in of a a of At it is to 1 . of a to be we on it be 3 4 to 1 . be in to at As a of on a a We a C+ us to we a of of in to is 5 .2 6 1 ). a a in q (1 x+u. (2 y=, q (1 2 , it a x= (2 us to of to q (1 we r=V,T r=, V to =M+K, 7 us to in In to a 8 as as in 4 . A of of 1 . 1 of to be of do to q (1 2 as a is a is a is is in to is a to 1 0 . An of be in 6 . a a a us to a it to be a to If or to be It is to a we .0 in .0 us to a to a in it to on a of of is as to q(1 2 . on in of by we to is as in is be q (1 2 , a a to is a In at of 2 us to a 2 by of a 1 1 ,8 . 1 1 in to to of of an us to a 2 1 is to a of as g= up to of 0 . on,be as as to a in a on a we to at to As a we 2 . of as is in by is to in 1 2 1 3 in of as to by as in 1 4 1 5 ,1 6 1 7 to We up 0 0 0 0 0 of as Gb us to a of 0 to 5 . of to of 0 is we of is of a be a or of In a be be of in 2 . we . Gb AM in in of 0 8 0 6 7 2 0 8 6 1 0 0 0 0 1 1 4 4 5 9 3 7 8 1 2 3 6 0 2 6 5 1 1 3 1 6 1 5 1 2 1 47 9 1 7 1 2 2 1 5 6 3 8 3 0 4 2 3 0 1 9 0 1 2 01 5 2 9 4 3 5 8 8 7 2 9 0 1 3 0 9 5 9 1 1 2 01 8 0 9 5 7 7 0 0 4 7 5 0 1 8 0 1 5 0 1 2 0 1 6 03 7 5 8 0 1 1 5 0 3 9 8 7 5 5 9 0 4 9 0 4 1 0 4 2 0us a is 0 is to of q (2 0 q (2 . to 1 8 to of 7 is by of in of a is as a is as as as is a by of a 1 4 0 is by q (2 by of As to 0 %,we is a is At of a of a is of a by of be as to on a is us to by a of at is if it to at of is of is to as on In it is to 0 as in of be in in to , at 0 0 or to is In of be as a be in of 1 2 up in of 1 9 . in in to it a 1 2 a is by of . We to an to by FG 8 3 /6 ), NR U 9 9 0 4 7 , an is A. C. D. C. 1 1 (5 ):1 0 9 3 1 1 2 1 , 2 0 0 1 E. B. J. G. 1 1 :3 3 3 , 2 0 0 2 , R. K. A. 9 3 5 , 1 9 9 6 . , J. G. 2 0 0 4 . of E. B. J. G. : 2 0 0 4 , J. A. . G. of 0 0 4 0 0 4 , , 2 0 0 4 , Z. J. K. Y. F. of G. V. 0 0 5 J. G. E. B. P. . D. 0 0 5 . , 2 0 0 1 . R. W. in 1 2 3 : 3 9 5 4 2 1 , 2 0 0 0 . S. W. D. L. C. B. F. . A. M. . 1 6 3 2 0 2 , 1 9 9 7 . , R. V. R. J. et 0 3 2 7 , 2 0 0 3 . , S. of a 3 0 : 1 9 4 6 , 2 0 0 4 , an 3 0 (2 ): 1 9 6 1 9 9 , 2 0 0 4 , 3 0 (2 ): 1 6 5 1 9 5 , 2 0 0 4 . R. C. . J. 2 7 (1 : 3 , 2 0 0 1 , E. B. J. G. 2 0 0 4 . J. R. of 2 2 :1 7 1 1 8 7 , 2 0 0 3 K. . : 004, 732, 349356, 2006.006 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）
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