汽車(chē)車(chē)門(mén)模態(tài)分析初學(xué)者

1、汽車(chē)模態(tài)分析1 前言     模態(tài)是振動(dòng)系統(tǒng)特性的一種表征，它構(gòu)成了各種車(chē)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜振動(dòng)的最基本的振動(dòng)形態(tài)。為了在汽車(chē)使用中避免共振、降低噪聲，需要知道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率及其相應(yīng)的振型。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是為了得到模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析、故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。     汽車(chē)在行駛過(guò)程中的激勵(lì)一般分為路面激勵(lì)、車(chē)輪不平衡激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、傳動(dòng)軸激勵(lì)。路面激勵(lì)一般由道路條件決定，目前在高速公路和一般城市較好路面上，此激勵(lì)頻率多出現(xiàn)在1-3Hz，一般對(duì)低頻振動(dòng)影響較大；因車(chē)輪不平衡引起的激勵(lì)頻率一般

2、低于11Hz，隨著現(xiàn)在輪輞制造質(zhì)量及檢測(cè)水平的提高，此激勵(lì)分量較小，易于避免；發(fā)動(dòng)機(jī)引起的激勵(lì)頻率一般在23Hz以上，此激勵(lì)分量較大；城市中一般車(chē)速控制在5080Km/h，高速公路上一般車(chē)速控制在 80120 Km/h，傳動(dòng)軸的不平衡引起的振動(dòng)的頻率范圍在40Hz以上，此激勵(lì)分量較小。由這些外界激振源會(huì)引起車(chē)門(mén)產(chǎn)生共振，帶來(lái)噪音，極大的降低了車(chē)輛的乘坐舒適性，造成扳件的抖動(dòng)開(kāi)裂，零部件的疲勞損壞，車(chē)門(mén)表面保護(hù)層的破壞，削弱車(chē)門(mén)的抗腐蝕能力等。     因此，為提高汽車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)水平，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，需要對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)有限元計(jì)算來(lái)得到該結(jié)構(gòu)在不

3、同頻率下的振型，避免因共振等原因引起的結(jié)構(gòu)破壞。 2 車(chē)門(mén)有限元模型 2.1 幾何特性     轎車(chē)車(chē)門(mén)一般由門(mén)外板、門(mén)內(nèi)板、門(mén)窗框、門(mén)玻璃導(dǎo)槽、門(mén)鉸鏈、門(mén)鎖以及門(mén)窗附件等組成。內(nèi)門(mén)板上有玻璃升降器、門(mén)鎖附件等。內(nèi)板由薄鋼板沖壓而成，其上分布有窩穴、空洞、加強(qiáng)筋，內(nèi)板內(nèi)側(cè)焊有內(nèi)板加強(qiáng)板。為了增強(qiáng)安全性，外板內(nèi)側(cè)一般通過(guò)防撞桿支撐架安裝了防撞桿，窗框下裝有加強(qiáng)板。內(nèi)板與外板通過(guò)翻邊、粘合、滾焊等方式結(jié)合。 2.2 有限元模型的建立     根據(jù)車(chē)門(mén)的幾何模型劃分網(wǎng)格，建立有限元模型如圖1所示。 圖1 車(chē)門(mén)有限元模型  

4、0;  （1）由于車(chē)門(mén)的主體結(jié)構(gòu)以板材為主，所以在分析中主要采用板殼單元pshell來(lái)模擬，為了更真實(shí)的模擬車(chē)門(mén)鉸鏈的連接狀態(tài)，鉸鏈采用三維單元psolid來(lái)模擬。     （2）網(wǎng)格的劃分按照白車(chē)身網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，每個(gè)單元的邊長(zhǎng)、翹曲度和扭曲度都控制在合理范圍內(nèi)，網(wǎng)格大小為10mm，單元數(shù)量為28753，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為28022，其中三角形單元數(shù)量為780。     （3）材料和厚度的定義     根據(jù)車(chē)身明細(xì)表輸入厚度，材料參數(shù)，在模態(tài)計(jì)算中，一般只需要定義材料的楊氏模量，泊松比和密度。 &#

5、160;   （4）車(chē)門(mén)各部件間通過(guò)焊接，剛性連接等方式進(jìn)行連接，按照實(shí)際情況布置焊點(diǎn)位置。     （5）車(chē)門(mén)的模態(tài)分析包括自由模態(tài)和工作模態(tài)兩種情況。分析自由模態(tài)時(shí)，不需要對(duì)模型進(jìn)行約束，計(jì)算車(chē)門(mén)在自由狀態(tài)下的模態(tài)。分析工作模態(tài)時(shí)，根據(jù)車(chē)門(mén)的實(shí)際工作狀態(tài)，分別在鉸鏈和門(mén)鎖處進(jìn)行約束，如圖2所示。 圖2 車(chē)門(mén)工作模態(tài)約束示意圖 3 有限元計(jì)算、分析與評(píng)價(jià) 3.1 計(jì)算結(jié)果     將已經(jīng)完成前處理的有限元模型導(dǎo)入到MSC Nastran中，計(jì)算得到其前二十階的模態(tài)值。觀察后處理的動(dòng)畫(huà)，了解車(chē)門(mén)的整體扭轉(zhuǎn)、彎曲振型

6、以及局部扭轉(zhuǎn)、彎振型，以此獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率。通過(guò)計(jì)算得到如下結(jié)果： 圖3 車(chē)門(mén)自由模態(tài)第一階振型圖4 車(chē)門(mén)工作模態(tài)第一階振型表1 車(chē)門(mén)前四階自由模態(tài)參數(shù)表2 車(chē)門(mén)前四階工作模態(tài)參數(shù)3.2 車(chē)門(mén)低階彈性    車(chē)門(mén)低階彈性模態(tài)不僅是控制車(chē)門(mén)常規(guī)振動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo)，而且反映了車(chē)門(mén)的整體剛度性能。根據(jù)以上表格，從振型上看：在前四階模態(tài)中包含了整體振型，如整體扭轉(zhuǎn)，整體彎曲等，也出現(xiàn)了局部振型，如內(nèi)板局部模態(tài)，窗框局部模態(tài)等。從頻率值上看：該車(chē)門(mén)模態(tài)值較高，整體剛度較高。其中自由模態(tài)的一階彎曲頻率值為 41.1Hz，工作模態(tài)的一階彎曲頻率值為44.5Hz?；谀壳皩?duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)模態(tài)值的評(píng)價(jià)尚無(wú)統(tǒng)一的指標(biāo)，按照一般性說(shuō)法，車(chē)門(mén)的一階固有頻率應(yīng)該避開(kāi)車(chē)輪的不平衡激振、發(fā)動(dòng)機(jī)的激振，其整體彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率一般要求大于30Hz，因此從有限元分析結(jié)果看來(lái)，該車(chē)門(mén)的模態(tài)性能是符合要求的。 4 結(jié)論    本文結(jié)合某轎車(chē)車(chē)門(mén)作為實(shí)例，采用有限元分析的方法，基于MSC.Nastran軟件對(duì)該車(chē)門(mén)的模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)結(jié)果作了評(píng)價(jià)，從總體來(lái)看，該車(chē)門(mén)的模態(tài)性能較好。     此外，在進(jìn)行有限元分析的同時(shí)還可以做相關(guān)的模態(tài)試驗(yàn)，將仿真分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以驗(yàn)證有限元