汽车车架的动力学分析-模态分析

北京科技大学机械工程进展(论文)题目：汽车车架的动力分析计算(模态分析)2010年11月26日2摘要：车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。所以对车架的结构十分重要。本文主要采用有限元方法对车架的进行模态分析，研究了车架结构与其固有频率及其振型的关系，给出车架在一定约束下的固有频率及固有振型，为解决车架结构的动力学问题和结构的改进提供了一定的依据。关键词：有限元方法；车架；固有频率；模态分析车架是一个弹性系统，在外界的时变激励作用下将产生振动。当外界激振频率与系统固有频率接近时，将产生共振。共振不仅使乘员感到很不舒适，还会带来噪声和部件的疲劳损坏，威胁到车架的使用寿命和车辆安全。车架是一个多自由度的弹性系统。因此，它也有无限多的固有振型，而作用在车架上的激励来自于悬架系统、路面、发动机、传动系等的振动，这些振动对车架的激励可以认为是全频率的，但是，路面和悬架系统对车架结构激励的特点一样，每种激励在所有频率范围内并不是等能量分布的，所以，试图在所有频率上消除作用在车架上的激励，与车架结构的某些振型的共振是不可能。因此，只有将注意力集中在各激励的能量集中的频率上，使之与所关心的车架的某阶振型不发生共振。因而对车架进行模态分析以掌握车架对激振力的响应，从而对车架设计方案的动态特性进行评价，己经成为车架设计过程中必要的工作[1]。2模态分析理论基础在有限元分析程序中，振动方程表示为：该方程可作为特征值问题，对无阻尼情况，方程可简化为：表示振型，指示各个位置在不同方向振动幅值之间的比例关系，它不随时间变化。对有阻尼情况，振动方程可转化为：3以上各式中，[M]为结构的质量矩阵；[C]为结构的阻尼矩阵；[K]为结构的刚度矩阵；{μ}为结构的位移列阵；{4}为结构的速度列阵；{μ从为结构的加速度列阵。模态分析就是求解振动方程的特征值即特征方程的根以W;(i=1,2,…,n),进而求得结构的固有频率似(i=1,2,…,n)和位移列阵{μ}即结构的振型。振动方程的特征方程可表达为：矩阵，则求得的特征值数量与矩阵的阶次n相等，即有w₁,W₂…,四n。求解特(1)子空间迭代法(subsPace)用于求解特征值对称的大矩阵的问题。(2)兰索斯法BlockLanczos也可用于以上的问题，收敛速度更快。采用稀疏矩阵求解方法。4法速度快，但准确性要差一些。在这种方法里，结构可用少量的自由度(称主自由度)来表示，这样就只产生较小的矩阵。在处理完整为非对称的问题(例如声学中流体-结构耦合问题)。此法采用Lanczos算法，如果系统是非保守的(例如轴安装在轴承上),这种算法将解得复数特征值和特征态[4]。4车架的结构简介和设计参数况下，尽量简化结构，降低成本。如图1-1为该车架布置图。5纵梁采用了抗弯强度较大，同时也有利于管线布置的槽形断面纵梁。从简化工艺，满足总布置的需要出发，纵梁设计成平直截面段(188x50×5mm)。材料采用DL510,屈服强度氏为320N/mm,。在后板簧前后支架处增加4mm厚的加强板。为保证车架总成具有合理的扭转刚度，采用了七根不同形式的横梁。其中，第一横梁、第二横梁、第五横梁、第六横梁、第七横梁为冲压槽形结构，第三横梁、第四横梁为帽形结构。材料也尽可能采用同一品种和规格。货车根据其装载质量的不同，轻、中型货车冲压纵梁的钢板厚度为5.0~7.0mm。4.1模态分析步骤对车架进行模态分析主要有以下步骤：(2)施加边界条件和载荷(对于自由模态不施加约束条件),定义分析类型和求解方法并进行网格划分、提交求解器求解。(3)提取结果，进行可视化处理，对结束进行分析。4.2模态分析计算运用OPtistruct作为求解器，采用兰索斯算法对车架进行模态求解。对整个车架在计算时不施加任何约束，即对有限元模型进行自由状态下的模态提取，故前几阶振型为刚体模态，其固有频率为零，因而设定提取模态从0.IHz开始，提取车架的前七阶模态。提取车架的前七阶模态频率值及振型描述如表1—1。频率值(HZ)一阶扭转一阶弯曲二阶弯曲二阶扭转三阶弯曲前端局部模态弯曲组合表1-1前七阶模态固有频率及其振型车架第1至7阶固有频率及振型图如图1-2至1-8所示：图1-2一阶扭转图1-3一阶弯曲图1-4二阶弯曲图1-5二阶扭转图1-6三阶弯曲oo图1-7前端局部模态图1-8弯扭组合4.3汽车模态分析结果的评价指标工程结构要具有与使用环境相适应的动力学特性。一辆汽车结构优劣的基本着眼点是在弯曲和扭转方面总的动态性能。如果汽车结构动力学特性不能与其使用环境相适应，即结构模态与激励频率藕合，或汽车子结构之间有模态藕合，都会使汽车产生共振，严重时会使整个汽车发生抖振，车内噪声过大，局部产生疲劳破坏等5。模态分析是计算结构的固有频率及其相应振型。结构的固有频率是评价结构动态性能的主要参数，当结构固有频率和工作频率一致时，就会发生共振现象，产生较大的振幅，大大降低寿命。固有振型是发生共振现象时结构的振动形式。9(2)结构振型应尽量光滑，避免有突变。对汽车车架模态分析结构的动态响应由外界激励频率和该频率下激励分量大小以及结构本身的固有为参考进行评价6。汽车行驶时由于路面不平而引起的运动学激励多属于5-20Hz的垂直振动。汽车行驶过程中，激励主要来自于路面、车轮、发动机、传动轴不平衡等5。高速公路和城市较好路面，此激励多在3Hz以下，因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11Hz,发动机引起的激振频率可由式1-5求得：该车发动机的怠速速度为600转/分钟，因此相应发动机的爆发频率为20Hz,经常使用的车速是80公里/小时，传动轴不平衡的弯曲振动频率为46Hz左右。因此要求车架的低阶频率应在11Hz以上，并且避开发动机的爆发频率为20Hz,远离传动轴不平衡的振动频率46Hz。根据车架的分析结果可知，车架的一阶扭转频率为7.7Hz低于11Hz,而第六阶车架前端局部模态频率45.62Hz与5总结动态分析方法克服了静态方法的局限性，强调从结构的整体考虑问题。在性能校核中考虑了振动的因素。振动不仅影响汽车的平顺性，还将影响汽车的使用寿命。通过有限元动态分析提供的信息，可以研究汽车零部件或整车的振动情况，从而改进和提高汽车产品的质量。本文介绍了有限元模态计算中的几种提取模态的方法，对车架模型进行了理论模态分析。考察了车架的动态特性为进一步改进设计提供了有力