車架主縱梁的模態(tài)分析

1、車架主縱梁的模態(tài)分析【摘要】通過(guò)先進(jìn)的有限元軟件ansys對(duì)半掛車車架主縱梁進(jìn)行模態(tài)分析，得出y車架主縱梁的固有 頻率和振型特征.可以通過(guò)研究汽車零部件或整車的振動(dòng)情況，避開(kāi)這些頻率或最大限度地減小對(duì)這些頻率上的激勵(lì)，可以為該車的進(jìn)一步研宂提供參數(shù)。關(guān)鍵詞：車架主縱梁；有限元；模態(tài)分析 【abstract】by advanced finite element software ansys main frame rails on the trailer modal analysis, the main draw of the frame rails of the characteristics

2、of natural frequencies and mode shapes can be auto parts, or by studying the vibration of the vehicle, to avoid on these frequencies or minimize the incentive for these frequencies, the car can provide parameters for further research.key words： main longitudinal beam of frame; finite element； modal

3、analysiso引言車架主縱梁作為半掛車的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)必須有足夠的靜強(qiáng)度和剛度來(lái)達(dá)到其疲勞壽命、 裝配和使用的要求，同吋還應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性來(lái)達(dá)到控制振動(dòng)與噪聲的0的。在車架主縱梁結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果只考慮結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛度，很可能會(huì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中造成車架主縱梁局部結(jié)構(gòu)的 不合理，而導(dǎo)致半掛車在運(yùn)行中產(chǎn)生共振，產(chǎn)生噪聲。模態(tài)分析作為動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，是動(dòng)態(tài)分 析的重要內(nèi)容。對(duì)車架主縱梁進(jìn)行模態(tài)分析以掌握車架對(duì)激振力的響應(yīng)，從而對(duì)車架主梁設(shè)計(jì)方 案的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)己經(jīng)成為半掛車車架設(shè)計(jì)過(guò)程中必要的工作。1車架主縱梁的模態(tài)分析1.1建模1.1.1車架主縱梁cxq9190型半掛車的車架主縱梁主要是

4、邊梁式結(jié)構(gòu)，巾2根階梯工字型縱梁和20根折彎件的 橫梁組成，縱梁和橫梁上還不規(guī)則的分部著許多的電線安裝孔和加強(qiáng)塊。車架主縱梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 但是根據(jù)圣維南原理，模型的局部細(xì)小變化和改動(dòng)并不影響模型總的分析結(jié)果，因此建立車架主 縱梁有限元模型前對(duì)車架進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化11(1) 部分離應(yīng)力遠(yuǎn)的圓弧過(guò)渡簡(jiǎn)化為直角，工藝上耑要的倒角、抜模斜度等都不予考慮，這樣可以 減少在這些區(qū)域上的網(wǎng)格劃分的數(shù)量，提高計(jì)算速度；(2) 車架上有些構(gòu)件，如凸臺(tái)、銷孔、線路孔、吊環(huán)孔等，僅是為了滿足功能要求而設(shè)置的對(duì)結(jié)構(gòu) 的強(qiáng)度沒(méi)有很大的影響，可以忽略；(3) 除去對(duì)車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不產(chǎn)生太大影響的工具箱和防護(hù)網(wǎng)等零部件21。

5、1.1. 2坐標(biāo)系的確定幾何模型的建立通常有兩種方法，直接利用ansys軟件自帶的cad功能繪制車架主縱梁的幾 何模型，或者利用通用的cad軟件建立車架主縱梁的幾何模型，然后導(dǎo)入ansys軟件中。由于ansys 軟件自帶的cad繪圖軟件不好用，所以簡(jiǎn)單的圖形可以在ansys中繪制，但是笈雜的幾何圖形一 般在專門的cad軟件里繪制，然后導(dǎo)入有限元分析軟件。本文是應(yīng)用pro/e軟件建立車架主縱梁的三維幾何模型，然后利用pro/e軟件與ansys軟件的接口，將車架主縱梁的三維實(shí)體模型導(dǎo)入 到ansys軟件中，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后建立車架有限元模型。以某重型專用半掛車的車架主縱梁為研究對(duì)象，采用直角坐

6、.標(biāo)系為車架主縱梁的基本坐標(biāo)系。 y0x面取力車架主縱梁的最右側(cè)囬，y0z面為車架最前端面，xoz面収為車架主縱梁的下翼面其 中y軸正方向向上，x軸正方向指向車架主縱梁后方，z軸正方向?yàn)檐嚰苤骺v梁的左側(cè)。車架主縱梁的三維實(shí)體模型 1.1.3 pro/e軟件與ansys軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換pro/e軟件與ansys軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換有兩種方式：一種是將三維模型的文件后綴名保存 為*. prt格式的文件或者保存為*. iges格式的文件，利用ansys的file菜單中的import命令將 其三維實(shí)體模型導(dǎo)入；另一種是利用pro/e軟件與ansys軟件之間的無(wú)縫接口將模型導(dǎo)入。前者 適合導(dǎo)入結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的

7、實(shí)體模型，后者適合導(dǎo)入結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)體模型1。當(dāng)用第一種方法時(shí)，由于 cad軟件與cae軟件的側(cè)重點(diǎn)不同可能會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題:3: 導(dǎo)入曲面數(shù)據(jù)時(shí)存在縫隙、重疊、錯(cuò)位等缺陷。這會(huì)影響單元的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致有限元模 型無(wú)法求解或結(jié)果失真；邊界錯(cuò)位引起單元扭曲，生成中.元質(zhì)量不高，求解精度差。 兒何模型中通常會(huì)包含細(xì)小特征。由于生產(chǎn)需要，機(jī)械結(jié)構(gòu)中通常包含小孔、倒角、凸臺(tái)、凹 槽等細(xì)小特征，在工程分析時(shí)，若過(guò)于細(xì)致地描述這些特征，要用到很多小的單元，使有限元模 型的中.元尺寸變化過(guò)于急劇，導(dǎo)致求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)影響計(jì)算的精度。 軟件之間接口技術(shù)的問(wèn)題。接口技術(shù)的問(wèn)題可能會(huì)使模型導(dǎo)入產(chǎn)生無(wú)法預(yù)知的缺陷

8、，影響單元 劃分。不過(guò)若山現(xiàn)以上問(wèn)題可以按以下原則進(jìn)行兒何清理： 模型中若存在相互距離小于單元1/2的線條，應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s。 模型中若有距離很近的幾個(gè)點(diǎn)，可適當(dāng)進(jìn)行合并和替換。 模型中若有小的缺而，應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)而。 模型中若有形狀突變的，要適當(dāng)?shù)刂匦聞澐置妗?模型中若有相近的n個(gè)碎面，可合并成一個(gè)面，但關(guān)鍵的特征應(yīng)保留。本文選擇第二種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式。在開(kāi)始菜單中選擇ansys9. 0>utilities 一ans_admin9. 0,配置ansys軟件與pro/e軟件的接口。重新啟動(dòng)pro/e軟件，此吋菜單新增 ansys9.0的菜單。將建立的車架主縱梁三維實(shí)體模型打開(kāi)，然后點(diǎn)擊a

9、nsys9.0菜單，選擇ansys geom即可將模型導(dǎo)入到ansys9.0中。里然車架主縱梁的模型很復(fù)雜，但是采用此種方法，導(dǎo)入到ansys中的模型沒(méi)有丟失任何幾何信息。1.1.4車架主縱梁有限元模型的建立本模型采用solid92單元，網(wǎng)格劃分采用ansys軟件自帶的mesh tool工具，設(shè)置單元邊長(zhǎng) 為30 mm，采用自巾體劃分。車架主縱梁模型共化為196 804個(gè)單元，396 071個(gè)節(jié)點(diǎn)。材料的屬性為：材料的彈性模量£ = 2.1xlonpa;材料的密度為 /? = 7.8xl0-9 / 3 / mm車架主縱梁的有限元模型1.2加載及求解首先定義分析類型，分析選項(xiàng)，指定模態(tài)

10、提取方法，然后定義主自由度，在模型上加載，指 定載荷步選項(xiàng)，最后開(kāi)始計(jì)算求解，退出求解器。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束。如果在某個(gè)d0f處指定了一個(gè)非零 位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束代替在該處的設(shè)置。載荷可以加在實(shí)體模型上或有限元模型上14。指定分析類型為modal （模態(tài)），選擇模態(tài)的提取方法為block lanczos （分塊的蘭索斯）法。 對(duì)模型在牽引銷板處進(jìn)行全位移約束，后而彈簧懸架處約來(lái)y方14的位移。設(shè)置擴(kuò)展模態(tài)數(shù)為10, 進(jìn)行求解。1.3觀察結(jié)果模態(tài)分析的結(jié)果包括：車架的固有頻率、已擴(kuò)展的振型和相應(yīng)的應(yīng)力分布。根據(jù)模態(tài)分析的 結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)車架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)及不

11、足之處，同時(shí)還能根據(jù)車架模態(tài)參數(shù)的變化來(lái)診斷和預(yù)報(bào) 車架結(jié)構(gòu)的故障。第七階模態(tài)第二階模態(tài)第四階模態(tài)第六階模態(tài)第八階模態(tài)第九階模態(tài)第十階模態(tài)表1車架主縱梁模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果10階數(shù) 123456789固有頻 1.727.0513.4023.8031.4035.0035.8439.1443.1150.39率（hz）第一階振型為y-z平面內(nèi)的左右平動(dòng)，頻率為1.72hz，最大幅值為1. 159x10 3mm;第二階振 型為y-x平面內(nèi)的上下波動(dòng)，頻率為7.05 hz,最大幅值為1.652x10第三階振型為y-x平面內(nèi)的上下波動(dòng)，頻率為13.40hz,最大幅值為1.793x10 :5mm;第四階振型為y

12、-z平面閃的波動(dòng)， 頻率為23. 80hz,最大幅值為1. 705x 10 mm；第五階振型為y-z平而內(nèi)的局部擺動(dòng),頻率為31. 40hz, 最大幅值為2. 942x10 3mm;第六階振型為y_x平面a車架尾部局部擺動(dòng)，頻率為35. 00，最大幅 值為6. 182x10 3mm;第七階振型為y-z平面內(nèi)的波動(dòng)，頻率為35. 84,最大幅值為1. 707x10 3 mm; 第八階振型為y-x平面內(nèi)的上下波動(dòng)，頻率為39. 14hz,最大幅值為2.55xl(t3mm ;第九階振型 為y-z平面內(nèi)的尾部局部擺動(dòng),頻率為43. 11hz,最大幅值為5. 402x10 3 mm;第十階振型為y-z

13、平面內(nèi)的車架中部局部波動(dòng)，頻率為50.39hz，最大幅值為2.051 x10 3 mm。從各階振型圖我們看 到大多數(shù)振型是光滑的，只有個(gè)別振型不光滑，有待進(jìn)一步改進(jìn)。車架振動(dòng)幅值較人的地方主要 為車架中部和尾部，所以這兩處也是最易產(chǎn)生疲勞破壞的地方。從上面的分析結(jié)果來(lái)看，振幅較大的為第五階，第六階和第九階振動(dòng)，他們對(duì)應(yīng)的頻率分別 為31. 40hz，35.00hz和43. 11hz。而半掛車的激勵(lì)主要來(lái)自路而，路而的激勵(lì)是由道路條件決定 的，高速公路和城市的路面狀況較好，此激勵(lì)多在3hz (路面波長(zhǎng)取10米，車速為120公里每小 時(shí))以下:2對(duì)車架影響較大的頻率錯(cuò)開(kāi)了這一頻率。車架在3hz以內(nèi)的頻率僅有一階，且振幅 最小，所以說(shuō)車架的結(jié)構(gòu)是基本合理的。2小結(jié)本文利用先進(jìn)的有限元軟件ansys對(duì)半掛車車架主縱梁進(jìn)行模態(tài)分析，得出了車架主縱梁的 固有頻率和振型特征。可以通過(guò)研究汽車零部件或整車的振動(dòng)情況，避開(kāi)這些頻率或最人限度地 減小對(duì)這些頻率上的激勵(lì)5可以為該車的進(jìn)一步研究提供參數(shù)。參考文獻(xiàn)1王暉云.低速載貨汽車車架靜動(dòng)態(tài)特性研究