基于anesys的某輕型輪式汽車車架模態(tài)分析

基于anesys的某輕型輪式汽車車架模態(tài)分析

1建立車架模型使用aniss建立車輛有限模型的主要過程是四個階段：（1）確定建模參數(shù)；（2）選擇建模環(huán)境。（3）建立地面模型；（4）建立有限模型。1.1基本結(jié)構(gòu)參數(shù)以某公司生產(chǎn)的WZ1060PK汽車車架為研究對象,其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為:長6520mm,寬800mm,大梁式,前后等寬,七根橫梁,縱、橫梁皆為槽鋼的鉚接件。由于車架附件對車架的剛度及強度影響不大,在計算模型中予以忽略。1.2幾何實體的處理問題車架有限元模型建立之前,需得到其實體模型。實體建模方式主要有CAD建模與ANSYS建模兩種。一般情況下,首先采用CAD建模方式,通過軟件接口將模型導入ANSYS中。但出現(xiàn)以下情況時,實體模型必須在ANSYS中建立:(1)輸入ANSYS的幾何實體出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,表現(xiàn)為部分點、線、面或體沒有成功再生且修補困難,給后續(xù)網(wǎng)格劃分工作造成很大難度時;(2)建立參數(shù)化模型,即在優(yōu)化設計及參數(shù)敏感性分析時所建立的包含參數(shù)的模型時;(3)輸入的幾何實體需要增加或修改時,或者對幾何實體進行組合時。ANSYS提供了強大的布爾運算功能,以及不同的坐標系和工作平面,與CAD一樣的旋轉(zhuǎn)、復制、鏡像功能以及SolidWorks中的拖拉功能。運用這些功能,也可方便的在ANSYS中建立實體模型。車架CAD模型導入ANASYS軟件時,出現(xiàn)了上述問題。為此,直接在ANASYS軟件中建立車架實體模型,保證其完整性,便于后續(xù)分析中對模型的修改。1.3建立規(guī)范坐標系對車架結(jié)構(gòu)進行分析可知,車架結(jié)構(gòu)對稱,形狀規(guī)則,可通過拉伸和鏡像的方法建立。如圖1所示,以車架第一橫梁為X軸,高度方向為Y軸,縱梁為Z軸建立坐標系,計算車架梁結(jié)構(gòu)節(jié)點坐標,繪制截面,并通過拉伸生成實體模型。實體建模過程中要注意單位制的問題。使用ANSYS軟件進行計算時,計算過程中不記錄數(shù)值的單位,因此要求在一個題目的計算過程中,不同的物理量的單位必須協(xié)調(diào)。質(zhì)量、長度、時間等基本物理量的單位采用Kg,mm,s。值得一提的是,ANSYS中有一個命令:/UNITS,它僅僅一個標記的作用,并無任何單位轉(zhuǎn)換的功能。1.4單元類型、實常數(shù)、材料特性有限元模型是模態(tài)分析的基礎,它是通過對實體模型進行網(wǎng)格劃分得到的。網(wǎng)格劃分首先需要定義單元屬性,然后定義網(wǎng)格生成控制,最后劃分網(wǎng)格。單元屬性包括單元類型、實常數(shù)和材料特性。單元類型選擇solid45,實體模型無需定義實常數(shù),車架材料為10TiL汽車大梁用熱軋鋼板,楊氏模量為2.06e11Pa,泊松比為0.3,材料密度為7800kg/m3。網(wǎng)格生成控制采用智能網(wǎng)格劃分,單元劃分尺度控制為9。最后劃分網(wǎng)格得到車架有限元模型。共劃分網(wǎng)格單元115462個,節(jié)點41741個。車架有限元模型如圖1所示。利用該有限元模型,對車架進行模態(tài)分析。2固有頻率和振型模態(tài)計算與分析用于確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),其主要是固有頻率和振型。進行模態(tài)計算與分析有三個步驟:(1)確立邊界條件;(2)模態(tài)提取;(3)分析結(jié)果。2.1u3000鋼板彈簧的安裝模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束。研究的車架所對應的汽車為前懸鋼板彈簧后懸主副鋼板彈簧的結(jié)構(gòu),整個車架上共安裝了8個用于連接鋼板彈簧的固定支座和吊耳。為模擬車架的支承情況,在車架的前后8個吊耳處建立了8個硬點。有限元網(wǎng)格劃分之后,在這8個硬點處產(chǎn)生節(jié)點,在節(jié)點上施加位移約束。約束方案如表1所示。2.2模型形式的選擇ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法,使用BlockLanczos法。該方法計算精度高,而且在有限元模型中允許有質(zhì)量較差的實體單元,因此在工程中常用來提取具有對稱特征的大模型的多階模態(tài)。由于低階頻率對車架振動特性影響較大,僅提取了車架前6階模態(tài)。車架固有頻率,如表2所示。2.3發(fā)動機及轉(zhuǎn)速及試驗頻率車架激勵一般來源于路面和發(fā)動機。路面的激勵頻率多在20Hz以下,該車所配置的發(fā)動機為YN4102QB型,怠速(750r/min)時相應發(fā)動機爆發(fā)頻率為25Hz;常用車速(50~80)km/h時,發(fā)動機爆發(fā)頻率為(48~65)Hz。2.3.1第三階模態(tài)振型(1)車架的一階頻率為21.102Hz,高于路面激振頻率,并低于發(fā)動機的怠速頻率25Hz,不易發(fā)生共振;(2)發(fā)動機常見工作頻率范圍為(48~65)Hz,車架第三階頻率52.237落在范圍之內(nèi),此時車架易與發(fā)動機發(fā)生共振。車架第三階模態(tài)振型,如圖2所示。由振動力學可知,固有頻率和振型均取決于系統(tǒng)的M陣和K陣等物理參數(shù),其中M為質(zhì)量矩陣、K為剛度矩陣。M陣和K陣的結(jié)構(gòu)形式又受到結(jié)構(gòu)體內(nèi)零部件的布置,質(zhì)量及其截面形狀等因素的影響。因此可以通過改變結(jié)構(gòu)的幾何形狀以改變M陣和K陣的形式,從而改變結(jié)構(gòu)的固有頻率,最終達到避免共振的目的。2.3.2第三階固有頻率調(diào)整根據(jù)分析結(jié)果,如圖2所示。第三階模態(tài)振型為彎曲變形,第五橫梁處變形最大,故需從三個方面考慮對其改進:(1)從結(jié)構(gòu)形狀考慮,若將其槽鋼換為工字鋼,車架第三階固有頻率會有大幅下降;(2)從截面積大小考慮,改變其截面面積,對固有頻率變化影響不大;(3)從位置角度考慮,對其進行移動可以較大范圍的改變車架整體的固有頻率。綜合以上三方面得出最終改進方案:將第五橫梁改為工字鋼,并向車架首部移動100mm。改進后車架的固有頻率,如表2所示,第三階模態(tài)振型,如圖3所示。由分析結(jié)果可知,改進后發(fā)動機常用的工作頻率介于車架兩固有頻率之間,第三節(jié)模態(tài)中第五橫梁的振幅也相應減小,故車架不會與發(fā)動機發(fā)生共振。3提高了分析結(jié)果的準確性通過直接在ANSYS中建立車架實體模型進行