基于有限元的半掛車車架陣型模態(tài)分析

2016-11-01  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

 車架是汽車上重要的承載部件,車輛所受到的各種載荷最終都傳遞給車架,因此,車架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整車設(shè)計(jì)的成敗。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展,對(duì)汽車的性能要求越來越高,這使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的要求。有限元法的飛速發(fā)展為車架的結(jié)構(gòu)性能的計(jì)算分析帶來了新的革命。

本文章采用有限元方法對(duì)HYG9386半掛車車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型模態(tài)分析,運(yùn)用Solidworks對(duì)車架進(jìn)行三維建模,通過Ansys軟件進(jìn)行模態(tài)分析,計(jì)算了車架在施加位移約束下的前二十階模態(tài)特性,識(shí)別出車架振型的模態(tài)參數(shù),獲得了車架在該狀態(tài)下的固有頻率和振型特征。

1.1研究的目的和意義

車架作為支承連接汽車的各零部件是汽車的主要骨架之一,它是整個(gè)整個(gè)汽車的基體。整車的絕大多數(shù)部件和總成(包括地板、側(cè)圍、懸架和發(fā)動(dòng)機(jī)等)都是通過車架來固定位置的,它將汽車的各總成有機(jī)連成一體。汽車在行駛過程中作用在汽車各部件上的載荷都是動(dòng)載荷,結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的位移、應(yīng)力、應(yīng)變不僅隨其在結(jié)構(gòu)中的空間位置變化,車架要承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪切力,同時(shí)受到來自路面和車橋的激振。當(dāng)載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某些固有頻率接近或相等時(shí),結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振,從而引起很高的動(dòng)應(yīng)力,它會(huì)使汽車各部分之間產(chǎn)生劇烈振動(dòng),會(huì)出現(xiàn)噪聲過大,早期損壞汽車的某些部件的現(xiàn)象,降低汽車的使用壽命。設(shè)計(jì)中除了要有足夠的強(qiáng)度、足夠的抗彎剛度和合適的扭轉(zhuǎn)剛度保證汽車對(duì)路面不平度的適應(yīng)性外,合理的振動(dòng)特性也是十分重要的,因此車架對(duì)整車的剛強(qiáng)度、抗疲勞等性能和汽車的振動(dòng)頻率有非常重要的影響。車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是汽車新產(chǎn)品開發(fā)中結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容,尤其是車架結(jié)構(gòu)的低階彈性模態(tài),它不僅反映了車架的整體剛度性能,而且是控制汽車常規(guī)振動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo),應(yīng)作為汽車新產(chǎn)品開發(fā)的強(qiáng)制性考核內(nèi)容。車架在工作時(shí)承受來自多方面動(dòng)載荷的作用時(shí),當(dāng)外載荷頻率遠(yuǎn)小于車架一階模態(tài)頻率時(shí),對(duì)車架做靜態(tài)分析就可以滿足設(shè)計(jì)要求,但是在通常情況下,車架所受的外載荷頻率接近甚至達(dá)到了車架的一階模態(tài)頻率,這時(shí)就必須對(duì)車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,以了解車架的動(dòng)態(tài)特性是否滿足工作要求。模態(tài)分析即對(duì)系統(tǒng)的固有頻率的分析是動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ),也是分析系統(tǒng)固有特性和振型的最主要方法之一。它能確保汽車使用中的安全可靠。因此,車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析在現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。

1.2本文研究的主要內(nèi)容

本文以淮安市專用汽車制造有限公司生產(chǎn)的HYG9386欄板貨車車架為研究對(duì)象,通過CAD/CAE技術(shù)相結(jié)合,對(duì)車架進(jìn)行有限元模態(tài)分析。

(1)  對(duì)車架進(jìn)行從實(shí)體到三維電子模型的轉(zhuǎn)化。

(2)  運(yùn)用建模軟件SlidWorks建立車架的實(shí)體模型。

(3)  將車架幾何模型導(dǎo)入有限元分析程序AnsysWorkbench,建立車架有限元模型,對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析。

本文所要研究的半掛車是淮安市專用汽車制造有限公司的產(chǎn)品,半掛車車架為邊梁式結(jié)構(gòu),主要由左右縱梁和若干根橫梁組成。中間為兩根主承載梁縱梁,縱梁為優(yōu)質(zhì)成型工字鋼或焊接工字鋼。兩縱梁間采用焊接橫梁,橫梁采用優(yōu)質(zhì)鋼板沖壓成型或成型槽鋼。兩縱梁外側(cè)采用翼梁焊接,翼梁為變截面優(yōu)質(zhì)鋼板,橫梁、翼梁與縱梁連接采用交叉結(jié)構(gòu),增加了車架抗彎強(qiáng)度和抗扭剛度。車全長(zhǎng)約13m,寬2.4m,軸距約7.6m,由全金屬結(jié)構(gòu)焊接而成,車架前部可通過牽引銷連接牽引車,左右側(cè)分別裝有工具箱、防護(hù)網(wǎng)和備胎等附件,表面鋪有壓花鋼板和若干防滑條,下部可通過鋼板彈簧連接三個(gè)車橋,車架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。其車架圖如圖2.1所示。

          圖2.1 車架圖

      圖 2.2 車架成型圖

根據(jù)淮安市專用汽車制造有限公司提供的半掛車車架各部件的參數(shù),以及對(duì)半掛車車架的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪,對(duì)該車建立實(shí)體模型,其步驟如下:

1)確定繪制實(shí)體模型思路:因?yàn)榘霋燔囓嚰転榇笮筒考?機(jī)構(gòu)復(fù)雜,首先要將該廠給出的車架二維工程圖紙看懂,確定繪圖思路。

2)縱梁的繪制:依據(jù)半掛車車架的尺寸在草圖繪制右視基準(zhǔn)面可以將半掛車車架的右縱梁繪出其右視圖,然后按其尺寸將其拉伸,得到一個(gè)實(shí)心體,然后將實(shí)體進(jìn)行切除操作,即可得到所需要的半掛車縱梁,因?yàn)樽笥铱v梁為對(duì)稱,因此可以通過在左右縱梁中心線處建立基準(zhǔn)面然后進(jìn)行鏡像處理及可得到左縱梁。

3)橫梁的繪制:橫梁的繪制按照給出的數(shù)據(jù)在縱梁工字梁的縱截面處繪制橫梁的右視投影圖,并將其進(jìn)行拉伸切除。

4)邊梁的繪制:半掛車采用的是左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu),因此在繪制邊梁的過程中也可采用左右對(duì)稱的方法將其繪出。

5)車架定型:此時(shí)繪制的車架還需要吊耳、主銷并將橫梁多余部分切除即完成了車架建模工作,通過前一階段的建模工作對(duì)SolidWorks軟件熟悉程度大大增加,因此在繪制過程中按尺寸選擇縱梁下端為基準(zhǔn)面繪制吊耳上視草圖,同樣的在主銷繪制中將前端橫梁的下端為基準(zhǔn)面繪制主銷草圖,進(jìn)行拉伸,這里的尺寸尤其需要注意,最后是一些固定架的繪制,如同前文所述進(jìn)行拉伸切除便可獲得固定架。車架也隨之完成。車架成型圖如圖2.2所示。

3.1模態(tài)分析過程

1)導(dǎo)入幾何模型:

在SolidWorks中將繪制的車架模型生成“iges”文件,將其導(dǎo)入AnsysWorkbench中。

2)添加材料信息:

該半掛車車架采用16Mn為材料制成,該材料的信息如下表:

表4.1 材料信息

3)設(shè)定網(wǎng)格劃分參數(shù)并進(jìn)行網(wǎng)格劃分:

   首先選擇“Mesh”,單擊右鍵,激活網(wǎng)格類型命令Method,在Method的屬性菜單中,選擇整個(gè)車架實(shí)體,并指定網(wǎng)格類型為Hex Dminant。  在“Sizing”屬性菜單中,選擇整個(gè)車架,并指定網(wǎng)格尺寸為40mm。

4)選擇模態(tài)分析Modal。

5)施加約束:

主要是以車架在使用過程中的狀態(tài)進(jìn)行,同時(shí)也要參考分析的需要,就是即要保證消除車架結(jié)構(gòu)的剛體位移,又不影響車架本身的自由變形,按此要求,車架后部通過懸架、車輪支承在路面上,車架前部經(jīng)牽引銷支承在鞍座上,所以在車架前端牽引板處實(shí)施全位移約束,在車架后部鋼板彈簧吊耳與縱梁連接處施加U,U,U方向的位移約束。在“Support”選項(xiàng)中選擇“Fixed Support”,選擇主銷及后部鋼板彈簧吊耳與縱梁連接處作為位移約束。

6)設(shè)定求解參數(shù),求解前20階模態(tài)。

7)單擊Solve求解,得出模態(tài)分析圖。模態(tài)的各階頻率值見表3.1,前3階模態(tài)的振型圖如圖3.1~圖3.3所示。

表3.1 車架各階頻率值

圖3.1 車架一階模態(tài)振型圖

圖3.2 車架二階模態(tài)車架圖

圖3.3 車架三階模態(tài)振型圖

3.2結(jié)果分析

通常汽車在行駛時(shí)車架受到的外部激振源可概括為兩類:一是汽車行駛時(shí)路面不平度(指一般的正常的公路)對(duì)車輪作用的隨機(jī)激振引起的車輪不平衡,頻率一般在20Hz左右;二是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),工作沖程燃燒爆發(fā)壓力和活塞往復(fù)慣性力引起的簡(jiǎn)諧激振,它的特點(diǎn)是頻率范圍很寬。當(dāng)這些激振力的激振頻率與車架的某一固有頻率相吻合時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振,并導(dǎo)致在車架上某些部位產(chǎn)生數(shù)值很大的共振動(dòng)載荷,造成車架被損壞的危險(xiǎn)。因此,用模態(tài)分析的方法對(duì)汽車車架進(jìn)行模態(tài)的校核,可以驗(yàn)證車架是否符合動(dòng)力學(xué)特性,也可以找到影響汽車振動(dòng)特性的因素及解決方法。驗(yàn)證的具體原則如下:

(1)車架低階頻率(即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值)應(yīng)低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,以避免發(fā)生整體共振。

(2)車架的彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作的頻率范圍。

(3)車架的固有頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作的頻率范圍。

(4)車架振型應(yīng)盡量光滑,避免有突變。

在汽車行駛過程中, 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速引起的振動(dòng)的頻率范圍在33Hz以上;牽引車處于常用車速(50km/h~80km/h)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)頻率為48Hz~52Hz;正常行駛時(shí)路面激勵(lì)頻率為20Hz左右。非簧載質(zhì)量的固有頻率一般為6Hz~12Hz。根據(jù)分析結(jié)果可知,該車架的一階扭轉(zhuǎn)頻率為8.1729Hz,二階彎曲頻率為12.229Hz,避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、爆發(fā)頻率、以及正常行駛時(shí)路面的激勵(lì)頻率,因此整個(gè)車架滿足動(dòng)態(tài)特性的條件,符合設(shè)計(jì)要求。

本文運(yùn)用有限元理論,在現(xiàn)代有限元分析軟件的支持下,建立了HYG9386貨車車架的三維實(shí)體模型和有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析。具體說來,所完成的主要工作和取得的主要結(jié)論如下:

(1)對(duì)國內(nèi)外半掛車車架的有限元模態(tài)分析研究概況和主要途徑進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

(2)使用Solidworks軟件建立了車架的三維實(shí)體建模。

(3)完成了車架的模態(tài)分析。將建立的車架三維模型導(dǎo)入AnsysWorkbench中,利用AnsysWorkbench軟件建立整車有限元模型,使用solve求解器對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析,得到車架結(jié)構(gòu)固有頻率與固有振型。

(4)提取出了車架結(jié)構(gòu)前二十階固有頻率以車架結(jié)構(gòu)振型圖,通過模態(tài)分析方法驗(yàn)證了該車架模態(tài)避開了隨機(jī)路面的激勵(lì)振動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,符合車架的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性條件,滿足車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

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