汽車減震器的有限元分析

汽車減震器的有限元分析 摘要汽車減震器是汽車中的關(guān)鍵部件，決定車輛的舒適度，汽車減震器憑借自身的阻尼力，減緩汽車在行駛過程中的振動。因此，提高減震器的阻尼特性，從而提高汽車的整體性能。減震器主要作用是通過機(jī)械相互作用產(chǎn)生阻力達(dá)到延緩震動的作用，從而提高汽車行駛過程中的平穩(wěn)性。當(dāng)外界的激振頻率與某階固有頻率相近或者相等時，減震器極易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生較大的變形及應(yīng)變，造成減震器的損壞或使得減震器的減震效果變差。因此，對汽車減震器進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，進(jìn)而確定其容易產(chǎn)生應(yīng)變的部分和共振頻率對于汽車運(yùn)行的安全性和可靠性具有十分重要的意義。首先，查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，掌握汽車減震器的振動特性分析現(xiàn)狀和發(fā)展情況，敘述了研究的主要內(nèi)容和現(xiàn)實意義，確定了課題研究的思路和方法。其次，建立汽車減震器有限元模型。運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks對單筒減震器進(jìn)行三維建模，并通過簡化原則進(jìn)行三維模型的簡化；通過分析減震器在工作過程中的受力，確定合適的力的大??；導(dǎo)入AnsysWorkbench中網(wǎng)格劃分。最后，對汽車減震器進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析。對劃分好網(wǎng)格的模型進(jìn)行接觸設(shè)置、分析設(shè)置、約束與載荷，仿真分析后得到主軸的總變形圖、應(yīng)力分布圖；對主軸模態(tài)分析，獲取了其前6階固有頻率和振型。得到最大應(yīng)變區(qū)域、最大變形量區(qū)域及各階振型、固有頻率，該結(jié)果有利于汽車減震器的優(yōu)化設(shè)計和整體動力學(xué)分析。關(guān)鍵詞： 汽車減震器；模態(tài)分析；靜力學(xué)分析；受力分析；ANSYS目錄摘要 IAbstract 11緒論 51.1研究意義與背景 51.2汽車減震器的發(fā)展歷程 61.3汽車減震器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 71.3.1國外研究現(xiàn)狀 71.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 82有限元基本理論基礎(chǔ) 102.1有限元的發(fā)展 102.2有限元分析的基本解題步驟 102.3有限元法理論模型 113汽車減震器三維建模 123.1Soildworks軟件介紹 123.2汽車減震器的三維模型及相關(guān)參數(shù) 144汽車減震器有限元建模 174.1ANSYS軟件的主要功能和特點(diǎn) 174.2模型簡化 184.3汽車減震器網(wǎng)格劃分及邊界條件 194.3.1網(wǎng)格劃分 195汽車減震器有限元分析 215.1結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 215.1.1接觸設(shè)置及邊界條件 215.1.2靜力學(xué)仿真結(jié)果 225.2模態(tài)分析 235.2.1模態(tài)分析理論 245.2.2約束與載荷 255.2.3模態(tài)分析結(jié)果 256總結(jié)與展望 286.1總結(jié) 286.2展望 28參考文獻(xiàn) 29致謝 31緒論目前，汽車作為日常生活中的代步工具已經(jīng)被人們所熟悉，它不僅可以提高生活質(zhì)量，而且極大的提高了人們生活中的效率，使得人們的生活更加便捷?，F(xiàn)階段，人們對汽車的舒適程度要求越來越高，然而這與汽車減震器的阻尼特性息息相關(guān)，減震器的減震效果的好壞，與乘客能否享有平穩(wěn)與舒適的乘車體驗有密不可分的聯(lián)系。汽車減震器（如圖1.1）是汽車懸架系統(tǒng)的主要組成部分，嚴(yán)重影響人們的乘車感受[1]。減震器在工作過程中產(chǎn)生阻尼力，有著衰減振動、降低噪聲、緩和沖擊的作用。因此，減震器運(yùn)動特性的研究十分重要。研究意義與背景早些時候，減震器的研發(fā)和改進(jìn)主要是通過結(jié)合其自身的精度要求和實際經(jīng)驗需求進(jìn)行的，首先依據(jù)這種方法得出樣品，然后通過試驗驗證其合理性，經(jīng)過不斷調(diào)整參數(shù)和試驗驗證才能得到一個合格的減震器。這種方法存在明顯的不足：成本復(fù)雜和工序繁瑣[2]。圖1-1汽車減震器實況隨著有限元軟件的不斷更迭，使得通過有限元仿真分析來分析減震器的振動特性研究成為可能，本文以單筒式液壓減振器為研究目標(biāo)，通過有限元仿真軟件ANSYS建立汽車減震器有限元仿真模型。模態(tài)分析技術(shù)是振動工程中的一個重要分支，開始于20世紀(jì)30年代，用于確定設(shè)計的結(jié)構(gòu)或機(jī)械部件的振動特性（即固有頻率、振型）。本文利用SolidWorks軟件建立了減震器的三維模型，進(jìn)而進(jìn)行有限元建模及分析，為減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，對減震器振動特性的研究提供數(shù)據(jù)支撐，同時利用仿真分析可以降低制造費(fèi)用，大大的節(jié)省了設(shè)計研發(fā)的時間，提高了減震器的設(shè)計研發(fā)速度，對減震器的設(shè)計研發(fā)有十分重要的意義汽車減震器的發(fā)展歷程減震器最早出現(xiàn)在100多年前，最原始的減震器是通過彈簧的壓縮和伸張來增加汽車的舒適性，這種減震器雖然可以增加汽車的舒適性，但是比較容易發(fā)生共振現(xiàn)象。在20世紀(jì)初，隨著伸縮式液壓單元的出現(xiàn)，減振器有了新的研究目標(biāo)，在人們的不懈努力之下，Renault對伸縮式液壓單元做了改進(jìn)。20世紀(jì)20年代，美國開始在汽車上應(yīng)用液壓減振器來降低振動，汽車減振器得到了很大的發(fā)展。20世紀(jì)50年代，發(fā)明了單缸伸縮式減震器。原氣缸減振器具有成本低、使用壽命長、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，控制技術(shù)研發(fā)取得重大突破?？刂萍夹g(shù)已逐漸應(yīng)用于減振器，半可控減振器也得到了發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，全控減振器于1990年研制成功。21世紀(jì)初，流變減振器已應(yīng)用于一些品牌的車輛。它具有響應(yīng)速度快、阻尼可調(diào)、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得車輛的穩(wěn)定性和安全性得到了提升。目前，世界上應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最精湛的制造技術(shù)仍然是筒式液壓減震器。雖然我國長期從事減振器的研究，但與發(fā)達(dá)國家相比，在減振器的研究、開發(fā)和生產(chǎn)方面仍存在較大差距。汽車減震器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀減震器的出現(xiàn)已經(jīng)有100多年的歷史，早期的汽車減震器只是簡單地由彈簧和橡膠墊組成[4]。眾所周知，早期的減震器并不算成功。直到20世紀(jì)初，法國人才研究出世界上首個液壓減震器，他的核心部件就是由兩塊橡膠圈組成的橡膠節(jié)流孔，油液通過節(jié)流孔產(chǎn)生擠壓效應(yīng)從而達(dá)到減震效果。在20世紀(jì)30年代，搖臂式減震器得到大眾的青睞，其壓力達(dá)到10MPa-20MPa。相對于上一代的液壓減震器，他的性能得到了明顯提升，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易維修，容易破損。第二次世界大戰(zhàn)后，筒式液壓減震器得到了廣泛應(yīng)用，進(jìn)而取代了搖臂式減震器，筒式液壓減震器性價比高，且結(jié)構(gòu)簡單，贏得了汽車廠商的喜歡。隨著汽車性能和速度的發(fā)展，筒式減震器在極其惡劣的路況下會出現(xiàn)很多問題，比如油腔供油匱乏、惡劣的路況下性能畸變，從而出現(xiàn)噪聲和沖擊等問題[5]。20世紀(jì)50年代，新發(fā)展起來的充氣式減震器克服了上述問題，在市場應(yīng)用上可與筒式液壓減震器并駕齊驅(qū)。20世紀(jì)60年代之前，減震器有定參數(shù)定阻尼系數(shù)的特點(diǎn)，其阻尼特性較為“死板”，不能隨著實際路況發(fā)生相應(yīng)的調(diào)節(jié)。到60年代后期，隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，克服了這一缺陷，研制出阻尼可調(diào)式減震器，最典型的代表就是節(jié)流孔可調(diào)式減震器[6]。20世紀(jì)80年代，伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的大品牌廠商開始使用傳感器來監(jiān)測路況，因此來根據(jù)實際路況調(diào)節(jié)減震器的阻尼，從此，汽車減震器進(jìn)入了新時代。1995年德國寶馬公司率先提出了電流變液減震器，其技術(shù)先進(jìn)，最快能夠達(dá)到在0.0015秒內(nèi)進(jìn)行阻尼調(diào)節(jié)，從此，揭開了減震器發(fā)展的新紀(jì)元[7]。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家的減震器發(fā)展一直遙遙領(lǐng)先，目前西方國家已經(jīng)成功研制出新型自適應(yīng)式液壓減振器，這款減震器可以對復(fù)雜路面進(jìn)行自適應(yīng)選擇，可以使乘客有著舒服的乘車體驗，安全方面也有了更好的保障，為后續(xù)減振器的發(fā)展起了良好的帶頭作用。DheemanBhuyan和KaushikKumar[8]對減震器活塞閥進(jìn)行了設(shè)計，并利用FLUENT集成到ANSYS15.0Workbench中進(jìn)行CFD分析，分析了仿真所得結(jié)果。Long等人[9]對天然橡膠減振器(N-RSA)和高阻尼橡膠減振器(HD-RSA)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果可為橡膠減振器非線性沖擊力學(xué)模型的建立及橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和分析提供參考。Elvio.Bonisoli、Domenico.Lisitano和Alessandro.Vigliani[10]提出了一種實驗方法來評估阻尼矩陣和模態(tài)特性的局部耗散引起的變化。通過比較三組模態(tài)振型試驗的模態(tài)特性，評估了懸架系統(tǒng)對第一柔性模態(tài)的影響。Shi等人[11]對四種被動減振器的最優(yōu)帕累托前組進(jìn)行了比較和評價。結(jié)果表明，采用新型計量銷結(jié)構(gòu)的被動減振器多目標(biāo)優(yōu)化解在一定程度上減小了質(zhì)量變化問題。Grz?dzielaAndrzej和KluczykMarcin[12]通過拉伸試驗測定了減震器的靜動剛度，得到了在不同載荷沖擊下減震器響應(yīng)的可重復(fù)性。國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國減震器的發(fā)展較工業(yè)發(fā)達(dá)國家來說，起步晚、周期短、技術(shù)水平不高。我國較為依賴對于優(yōu)質(zhì)減振器進(jìn)口，因此提高我國自主研發(fā)減震器的能力至關(guān)重要。當(dāng)前我們應(yīng)該積極學(xué)習(xí)西方的先進(jìn)技術(shù)，并不斷吸收利用，真正的將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為自己的知識，為我國在減震器的制造和研發(fā)層面做出積極的貢獻(xiàn)。東北大學(xué)的陳立杰、謝里陽和上海大眾汽車有限公司的李文輝、陳善華等[13]基于大眾汽車后橋的數(shù)學(xué)模型，對后橋進(jìn)行了有限元分析，得到了靜態(tài)條件下的彈塑性變形結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果，對后橋方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，并得出結(jié)論。合肥工業(yè)大學(xué)的劉為、薛克敏和李萍等[14]建立了汽車后橋的有限元模型，并將其參數(shù)化，施加垂直方向的靜力載荷，對橋殼進(jìn)行有限元分析。根據(jù)仿真結(jié)果，得到了后橋的應(yīng)力分布和位移分布。根據(jù)材料的特性曲線，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)疲勞分析。最后，計算了后橋總成的疲勞壽命，并計算出相應(yīng)的安全系數(shù)。唐偉[15]通過Matlab軟件對減震器阻尼力進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了阻尼特性曲線；通過搭建試驗臺，測出了阻尼力和位移的關(guān)系；通過仿真分析，對減震器進(jìn)行了流固耦合分析，將結(jié)果于試驗相對比，結(jié)果一致，說明了模型的可行性。周安江[16]對汽車減震器阻尼建立數(shù)學(xué)模型計，利用Matlab/simulink對模型進(jìn)行了仿真，他還對節(jié)流閥片和底閥閥片的規(guī)格、厚度等進(jìn)行了分析，得出了他們對阻尼產(chǎn)生的影響。張新星[17]以最小勢能原理為基礎(chǔ)，對閥片變形能量進(jìn)行了分析，對不同半徑閥片的變形解析值進(jìn)行了驗證，得出閥片厚度和疊加閥片數(shù)量與剛度成正比的關(guān)系?？U琳[18]根據(jù)減震器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立了等效的數(shù)學(xué)模型，對補(bǔ)償閥片進(jìn)行運(yùn)動仿真，驗證了數(shù)學(xué)模型的合理性。吳思鍵[19]對節(jié)流閥片進(jìn)行了分析、計算，得到了它的力學(xué)模型，并得到了它在受力情況下的閥片變形量，然后利用Matlab/simulink對他所建的減震器模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，得出示功圖。MACROBUTTONAcceptAllChangesInDocAndStopTracking有限元基本理論基礎(chǔ)有限元的發(fā)展目前，學(xué)者們通過建立物理方程和對邊界條件進(jìn)行求解的方法，以解決實際工作過程中的機(jī)械振動問題、材料選擇問題、熱力學(xué)問題等。由于這種方法所關(guān)注的實際方面的條件比較少，與實際問題相比較都是近似解，因此，這種方法會導(dǎo)致求解結(jié)果不準(zhǔn)確，與真實值存在較大的差異。隨著計算機(jī)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將計算機(jī)技術(shù)和實際問題相結(jié)合，可以得到更加接近實際的結(jié)果。有限元法常常被用于解決工程中的實際問題，通過軟件仿真，大大減少了經(jīng)濟(jì)成本、節(jié)約時間。從20世紀(jì)40年代初開始，人們提出來使用構(gòu)架法來求解力學(xué)問題，隨后，應(yīng)力問題求解逐漸使用有限單元法[20]。20世紀(jì)70年代，有限單元法拓展到了流體力學(xué)、磁場分析等領(lǐng)域等。在材料方面，有越來越多的稀有材料可以被應(yīng)用到有限單元法中來。20世紀(jì)80年代，有限元法被軍工領(lǐng)域用來解決實際問題，慢慢的有限元軟件也陸續(xù)被研發(fā)出來，如：Abaqus、ANSYS等，它們有著操作簡單、誤差低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。有限單元法計算的原理是：數(shù)目可見的小單元體的整合計算[21]。影響有限單元法的準(zhǔn)確度的因素為：單元體數(shù)量；數(shù)量越多，精確程度越高[22]。有限元分析的基本解題步驟(1)劃分單元網(wǎng)格，并按照一定的規(guī)律對單元和結(jié)點(diǎn)編號。根據(jù)求解區(qū)域的形狀及實際問題的物理特點(diǎn)，將區(qū)域剖分為若干相互連接、不重疊的單元。(2)選定直角坐標(biāo)系，按程序要求填寫和輸入有關(guān)信息。(3)使用己經(jīng)編好的程序進(jìn)行上機(jī)計算。(4)對計算成果進(jìn)行整理、分析，用表格或圖線表示出所需的位移及應(yīng)力。在劃分單元時，單元尺寸的大小(即網(wǎng)格的疏密)，需要根據(jù)精度要求和計算機(jī)的速度及容量來確定。單元分得越小，計算結(jié)果越精確。所以，有限元法的核心是網(wǎng)格剖分與邊界條件的確定，然后是選用現(xiàn)代數(shù)學(xué)進(jìn)行運(yùn)算求解，最后對求解結(jié)果進(jìn)行分析。有限元法理論模型有限元方法是用來解答各種比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)和物理問題的重要的實踐方法，也是對現(xiàn)實生活中的工程問題進(jìn)行分析和解決。有限元法的應(yīng)用和實施主要包括三個方面：計算原理、計算機(jī)軟件、計算機(jī)硬件。這三方面同時也是相互關(guān)聯(lián)的，并且任意一個方面都是不可或缺的。計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，從而使得這種方法被大眾普遍使用，受到廣大科研學(xué)者的青睞，是最廣范的分析工具之一。當(dāng)下，世界上百分之九十以上的機(jī)械設(shè)備和裝置，都必須要通過有限元方法進(jìn)行分析，進(jìn)而繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計與可靠性分析。有限單元法是一種單純的數(shù)值性的求解問題的方法，這種方法的原理是“化整為零”，也就是說把連續(xù)體離散化，分為有限個單元體。實質(zhì)上，就是把連續(xù)體通過線或者面分割開來，分成無數(shù)個單元體。這種單元具有一定數(shù)量、一定大小，各個單元相互之間是由有限多個節(jié)點(diǎn)互相組合聯(lián)系起來的，通過數(shù)值性來求解各個節(jié)點(diǎn)處的值，并把他們聯(lián)系起來，來推斷并求出其它的未知量。

汽車減震器三維建模汽車減震器是汽車中不可或缺的一部分，他的其性與汽車的動力性、舒適程度、車架穩(wěn)定性息息相關(guān)。汽車減震器的功能性、先進(jìn)性一定程度上代表著整車的研發(fā)設(shè)計能力的高低。為了改善以往減震器的不足，節(jié)約設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，利用三維軟件（如SolidWorks、UG）進(jìn)行減震器的研發(fā)設(shè)計成為必然趨勢[23]。本文利用SolidWorks進(jìn)行三維模型的設(shè)計。利用三維軟件的零件設(shè)計和虛擬裝配功能，設(shè)計者可以更加便捷的操控計算機(jī)，建立汽車減震器的實體模型，模擬現(xiàn)實環(huán)境條件，分析出在施加一定載荷的條件下，減震器所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，能夠一定程度上減少開發(fā)時間，節(jié)約開發(fā)成本。本文利用SolidWorks軟件建立了一個減震器的三維模型（如圖3.1），并進(jìn)行了靜力學(xué)仿真和模態(tài)分析。圖3-1汽車彈簧減震器Soildworks軟件介紹如圖3.2所示，SolidWorks基于在Windows環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械設(shè)計的軟件，是一個以設(shè)計功能為主兼運(yùn)動學(xué)仿真的CAD/CAE/CAM軟件，其界面操作簡單、有著人性化的使用風(fēng)格。該軟件具有功能全面、容易上手和技術(shù)創(chuàng)新SolidWorks三大特色，使得SolidWorks成為市面上主流的、占有一定地位的三維CAD設(shè)計軟件。SolidWorks能夠根據(jù)不同的需求，提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時對每個工程師和設(shè)計者來說，易上手、人性化的設(shè)計界面是SoildWorks軟件的特點(diǎn)。這款軟件建模流程簡潔，三維模型能夠比較直觀的展示在設(shè)計者的面前，這樣能夠大量的減小設(shè)計難度、節(jié)省大量時間。圖3-2SoildWorks2018操作界面為了更好讓設(shè)計產(chǎn)品從研發(fā)到改進(jìn)，最后加工成型之間數(shù)據(jù)的完美銜接，SoildWorks專門提供了專業(yè)的生產(chǎn)制造與檢測的全套開發(fā)環(huán)境。所以，無論是企業(yè)還是個人產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)據(jù)模型可以在整個生命周期內(nèi)具備極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，這種關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)在產(chǎn)品三維模型圖、工程圖、仿真分析等數(shù)據(jù)的交換與共享。SoildWorks軟件建模方便快捷，通過草圖繪制模塊、特征模塊等操作完成模型草圖的繪制（如圖3.3所示）與特征的修改等。對于復(fù)雜的模型構(gòu)建，還可以采取布爾操作、參數(shù)設(shè)置等形式進(jìn)行。特別的，SoildWorks提供了特征操作與特征編輯功能用于實現(xiàn)對模型實體各類編輯工作，簡化了實體構(gòu)建過程。圖3-3Soildworks2018繪圖區(qū)界面汽車減震器的三維模型及相關(guān)參數(shù)打開SolidWorks軟件，創(chuàng)建一個新的界面來繪制零件。首先,新建一個二維草圖，根據(jù)草圖的尺寸，繪制草圖；然后通過特征模塊，使用“拉伸”、“切除”、“放樣”等工具將二維草圖繪制成三維實體；最后，在“評估”中用“測量”來測量結(jié)構(gòu)的尺寸，通過最后的優(yōu)化修改畫出所需的零件尺寸。之后,創(chuàng)建一個新的裝配體文件來組裝各個零件,將所需的零件導(dǎo)入到文件中,然后按照“配合”的原則,將各零件裝配在一起,最后,導(dǎo)出零件圖,獲得所需的裝配圖。所畫零件主要包括彈簧、上支座、活塞桿、上擋環(huán)、工作缸筒、防塵套和定位環(huán)。彈簧的作用是汽車在經(jīng)過顛簸路段時，或通過壓縮變形與拉伸變形來減緩振動的力量，能保持車輛的平穩(wěn)性和舒適性。彈簧建模主要參數(shù)：直徑80mm；橫截面直徑5mm；高度140mm；圈數(shù)9；圈螺距20mm。彈簧建模如圖3.4(a)所示。上支座與車架懸架相連接，向下與減震器的其他部件相連。上支座建模主要參數(shù)：最上端圓環(huán)支撐控內(nèi)徑30mm，外徑50mm，最下端與活塞桿連接處直徑為28.5mm，上支座建模如圖3.4(b)所示?；钊麠U上端連接上支座，下端帶動活塞在工作筒中上下運(yùn)動，同時產(chǎn)生一定的阻尼力，從而起到減震的作用。建模主要參數(shù)：直徑16mm；長度188mm?；钊麠U建模如圖3.4(c)所示。上擋環(huán)可減少零件之間的摩擦，對零件起到保護(hù)作用。建模主要參數(shù)：孔徑16.5mm；上圓柱高12.7mm；中圓柱高6.35mm；下圓柱高6.35mm；上圓柱直徑42.55mm；中圓柱直徑85.75mm；下圓柱直徑69.85mm。上擋環(huán)建模如圖3.4(d)所示。工作缸筒是減震器的關(guān)鍵零部件，為工作環(huán)境提供主要場地，彈簧吸震后帶動活塞在工作缸筒中運(yùn)動，帶動儲存油液和所需要二點(diǎn)減震氣體運(yùn)動，依次產(chǎn)生阻尼來減緩震動。建模主要參數(shù)：高度176.8mm；缸筒直徑63.5mm；孔徑30.5mm。工作缸筒建模如圖3.4(e)所示。減震器防塵套的作用主要是為了防塵，保護(hù)減震器不被灰塵所覆蓋從而保證減震器能保持一個最佳的工作狀態(tài)。大多數(shù)人認(rèn)為減震器防塵套在整個汽車零部件當(dāng)中不是那么重要，其實恰恰相反，不注重減震器防塵套的更換會直接導(dǎo)致減震器損壞，隨之便產(chǎn)生更多附帶問題，比如發(fā)動機(jī)顛簸松動等。防塵套建模主要參數(shù)：高度50mm；孔徑17.5mm。防塵套建模如圖3.4(f)所示。定位環(huán)是為了避免活塞桿左右偏移而影響其工作性能。定位環(huán)建模主要參數(shù)：孔徑63.5mm；厚度15.9mm；大圓直徑90mm。定位環(huán)建模如圖3.4(g)所示。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)圖3.4減震器各零件三維圖圖3.5汽車減震器二維簡化圖對減震器每個部件所用的材料進(jìn)行設(shè)定，活塞桿用45號鋼，彈簧用55Si2Mn彈簧鋼，定位環(huán)與上擋環(huán)用304不銹鋼，防塵套外殼用304不銹鋼，內(nèi)部緩沖環(huán)用橡膠，工作缸筒以及其他部件用普通碳鋼。所用材料的彈性模量、泊松比和材料密度值如表1所示。表3-1汽車減震器材料參數(shù)材料彈性模量()泊松比密度()45號鋼0.3785055Si2Mn0.2707730304不銹鋼0.2477930橡膠0.4701300普通碳鋼0.2807800汽車減震器有限元建模有限元仿真是研究汽車減震器振動的有效方法。通過有限元仿真，還可單一因素、多因素地，以及所處環(huán)境影響對振動的影響程度，這對產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品優(yōu)化、改進(jìn)加工工藝、提高產(chǎn)品可靠度都有重要地指導(dǎo)意義。而減震器剛度、阻尼、固有頻率和振型、動態(tài)響應(yīng)等是表征汽車減震器動力學(xué)的幾個主要物理學(xué)參數(shù)。如圖4.1所示，本章將進(jìn)行汽車減震器的靜力學(xué)分析。圖4-1有限元分析流程圖ANSYS軟件的主要功能和特點(diǎn)自20世紀(jì)中葉以來，有限單元法以其獨(dú)有的計算優(yōu)勢贏得了廣大科研愛好者的一致好評。隨著有限元算法的不斷精進(jìn)，并由此衍生出了一批操作簡單、界面簡介、成熟專業(yè)的有限元商業(yè)軟件。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種仿真軟件也在市面上廣泛使用。ANSYS軟件有著強(qiáng)大的多物理場耦合分析功能，從而成為CAE軟件的應(yīng)用主流，在工程分析應(yīng)用中得到了較為廣泛的應(yīng)用。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，它在眾多CAE軟件中脫穎而出，迅速占領(lǐng)主流市。該軟件包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等學(xué)科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)藥、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS的功能強(qiáng)大，操作簡單方便，現(xiàn)在它已經(jīng)成為國際工程分析應(yīng)用中主流的有限元分析軟件，在歷年FEA評比中都名列第一。目前，中國大多數(shù)科研院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。Workbench是ANSYS公司開發(fā)的新一代協(xié)同仿真環(huán)境，與傳統(tǒng)ANSYS相比較，Workbench有利于協(xié)同仿真、項目管理，可以進(jìn)行雙向的參數(shù)傳輸功能，具有復(fù)雜裝配件接觸關(guān)系的自動識別、接觸建模功能，可對復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格處理，自帶可定制的工程材料數(shù)據(jù)庫，方便操作者進(jìn)行編輯、應(yīng)用，并且支持幾乎所有ANSYS的有限元分析功能。模型簡化減震器因路況顛簸突變受到外力而做壓縮或復(fù)原運(yùn)動時，對于減震器本身來說是一個十分復(fù)雜的過程，會占用大量的計算資源，所以要對該部件運(yùn)動過程做一系列的簡化處理。在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，為了盡可能的從產(chǎn)品的性能、外觀等方面來展示模型，其中有很多細(xì)小的特征，這與仿真的最后結(jié)果以及是否能順利完成息息相關(guān)，還影響了分析過程中所用時間的長短及最后計算的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[24]。因此，考慮到結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，模型的簡化應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)因素：（1）刪除無關(guān)的倒角特征、孔特征和螺栓的螺紋特征。這些特征會增加計算機(jī)計算的時間，占用大量的計算資源，給分析有限元帶來巨大的麻煩。（2）重建細(xì)節(jié)部件。部分零件體積小且不影響整體效應(yīng)，就要把這些零件進(jìn)行簡化，避免占用不必要的計算資源。（3）簡化連接構(gòu)件。在這個過程中，我們可以對焊接、螺栓連接和鉚釘連接等忽略掉，但是為了不影響整個模型的整體性能，還需要保留其一定的基本特征。當(dāng)然，對于具體的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，需要根據(jù)模型各自的結(jié)構(gòu)特征，采用更加切合自身的簡化方式。首先，從減震器內(nèi)部進(jìn)結(jié)構(gòu)的簡化，對于橡膠密封圈、密封件等，由于其屬性固定，并且對整體運(yùn)動學(xué)仿真影響不大，所以這些零部件被簡化掉不做分析。其次，是更改配合關(guān)系，使活塞體與活塞桿相對固定，看作一個整體，其他零部件相對固定。圖4-2汽車減震器簡化三維模型圖汽車減震器網(wǎng)格劃分及邊界條件網(wǎng)格劃分在模型創(chuàng)建后，有一項關(guān)鍵的步驟，就是網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的好壞將直接關(guān)系到求解的準(zhǔn)確度及速度。網(wǎng)格劃分的基本方法就是采用ANSYSWorkbench中的Mesh應(yīng)用程序，從中設(shè)置好，單元網(wǎng)格尺寸，需要加密的面和體，就已經(jīng)自動化分網(wǎng)格。可以從ANSYSWorkbench的項目管理器中自Mesh系統(tǒng)中進(jìn)入，也可以通過靜力學(xué)分析集成模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[25]。（1）網(wǎng)格劃分概述Workbench中ANSYSMeshing應(yīng)用程序是給用戶提供一種便捷、通用的網(wǎng)格劃分的工具。網(wǎng)格劃分工具已經(jīng)集成在各個模塊中：包括進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、顯示動力學(xué)分析、電磁分析及進(jìn)行CFD分析。ANSYS網(wǎng)格劃分是采用Divide&Conquer（分解與克服）方法來實現(xiàn)的，幾何體的各部分可以使用不同的網(wǎng)格劃分方法。但所有網(wǎng)格的數(shù)據(jù)是統(tǒng)一共享到共同的中心數(shù)據(jù)中的。網(wǎng)格的類型如圖4.3所示。圖4-3三維網(wǎng)格的基本形狀（2）網(wǎng)格劃分流程網(wǎng)格劃分流程如下：（1）設(shè)置目標(biāo)物理環(huán)境（結(jié)構(gòu)、CFD等）。自動生成相關(guān)物理環(huán)境的網(wǎng)格（如FLUENT、CFX或Mechanical)。（2）設(shè)定網(wǎng)格劃分方法。（3）定義網(wǎng)格設(shè)置（尺寸、控制和膨脹等）。（4）為方便使用創(chuàng)建命名選項。（5）預(yù)覽網(wǎng)格并進(jìn)行必要調(diào)整。（6）生成網(wǎng)格。（7）檢查網(wǎng)格質(zhì)量。（8）準(zhǔn)備分析的網(wǎng)格。將上述簡化三維模型，在Soildworks中導(dǎo)出為.step的文件格式，并打開Ansysworkbench2020R2中的StaticStructural模塊，通過Geometry<ImportGeometry<Browse導(dǎo)入剛才保存的.step文件，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到文中研究的汽車減震器，為保證計算結(jié)果以及計算機(jī)消耗的時間，將工作杠和活塞桿選用網(wǎng)格尺寸為3mm的六面體網(wǎng)格，其他部分采用網(wǎng)格尺寸為3mm的四面體網(wǎng)格。六面體網(wǎng)格一般比四面體網(wǎng)格質(zhì)量高，計算比四面體更容易收斂，且同樣網(wǎng)格尺寸下，六面體網(wǎng)格要比四面體網(wǎng)格數(shù)量少很多，計算需要的時間短一些，劃分得到78989個網(wǎng)格和188773個節(jié)點(diǎn)，該網(wǎng)格多數(shù)為四面體網(wǎng)格，劃分得到的結(jié)果如圖4.4所示。圖4-4汽車減震器整體網(wǎng)格汽車減震器有限元分析結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析在使用ANSYSWorkbench進(jìn)行有限元分析時，靜力學(xué)分析是有限元分析(FEM)中最基礎(chǔ)、最基本的內(nèi)容。接觸設(shè)置及邊界條件本論文主要是想得到汽車減震器在行車路況中活塞桿、彈簧、上支座的變形情況，汽車減震器在受到顛簸路況時，會因外力做壓縮或復(fù)原運(yùn)動，對于減震器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說是一個比較復(fù)雜的過程，本論文將施加載荷和約束來模擬實際狀況的做功。為了確定活塞桿在運(yùn)動過程中所承受的載荷，先對活塞桿在運(yùn)動過程中的受力進(jìn)行分析，將作用于該減震器上的車身重量假定為桿上承重500kg。汽車減振器整體受力主要為上支撐的壓力、彈簧彈力和活塞向上的支撐力，關(guān)系為。所以載荷和約束為：下支架為固定支撐，上支架施加5000N的力，對定位環(huán)施加固定支撐，對活塞下端面施加沿Z軸負(fù)方向的力，大小4000N。分析設(shè)置：求解時間選擇1s，開啟自動時間步長，載荷步加載初始時間步長0.01s，最小時間步長0.01s，最大時間步長0.1s。為防止迭代過程中發(fā)生剛體移動，弱彈簧效應(yīng)開啟。仿真是一個非線性仿真過程，大變形開關(guān)必須處于on狀態(tài)。圖5-1約束與載荷靜力學(xué)仿真結(jié)果汽車減震器的靜力分析主要是包括應(yīng)力分析和變形分析，通過靜力學(xué)分析分到汽車減震器的應(yīng)力圖和總變形圖，如下圖所示：圖5-2汽車減振器總變形圖圖5-3汽車減振器等效應(yīng)力圖圖5-4汽車減振器等效彈性應(yīng)變圖5-5活塞桿和上支架應(yīng)力分布圖由以上仿真結(jié)果得知，通過ANSYSWorkbench軟件的仿真分析，汽車減震器在給定500N載荷的作用下，總變形量并不大，從上往下變形依次減小，最大在上支架處，為mm，平均為mm。根據(jù)圖5.5可以看出，活塞桿所受最大應(yīng)力集中在活塞桿與上支架的連接部位，其他部位應(yīng)力相對較小很多，最大應(yīng)力為166.51Mpa。等效彈性應(yīng)變的分布與等效應(yīng)力分布幾乎一致，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.00083304mm/mm。模態(tài)分析為了獲取減震器的固有頻率，需對其進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，通過分析獲取減震器振動的各級固有頻率判斷減震器設(shè)計的合理性及振型是否影響加工精度，有助于后續(xù)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)特性分析，優(yōu)化設(shè)計除故障等研究。機(jī)械產(chǎn)品的動態(tài)特性主要由低階模態(tài)決定，因此本文只提取減震器前六階的固有頻率[26]。模態(tài)分析理論一個N自由度線性定常振動系統(tǒng)，其運(yùn)動方程為：(5.1)式中為該振動系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，和分別為系統(tǒng)各點(diǎn)的位移向量和激勵力向量。模態(tài)分析方法就是以無阻尼的各階主振型所對應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)來代替物理坐標(biāo)，使振動系統(tǒng)的微分方程解耦變成獨(dú)立的微分方程組。對式(5.1)兩邊進(jìn)行拉氏變換，可得：(5.2)令，將其代入上式則有：(5.3)這是一組耦合方程，為了解耦，引入模態(tài)坐標(biāo)令，其中為振型矩陣，為模態(tài)坐標(biāo)。將其帶入（2.3）得：(5.4)由于振型矩陣對于質(zhì)量矩陣和剛度矩陣具有正交性關(guān)系，將質(zhì)量和剛度矩陣對角化，得出：如果系統(tǒng)的阻尼矩陣也可被對角化結(jié)構(gòu)阻尼、比例阻尼或小阻尼的情況,即有：對(5.4)前乘有：(5.5)通過解耦，個互相耦合的方程就變成了在模態(tài)坐標(biāo)下相互獨(dú)立的方程組，后的第個方程為：(5.6)從式(5.6)可得出：采用模態(tài)坐標(biāo)后，自由度振動的響應(yīng)相當(dāng)于個模態(tài)坐標(biāo)下單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)之和，這就是模態(tài)疊加原理。在模態(tài)坐標(biāo)下的模態(tài)參數(shù)就變成模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼，和模態(tài)振型。采用歸一化方法，使模態(tài)質(zhì)量歸一，記模態(tài)質(zhì)量歸一化振型為，即：(5.7)(5.8)式中為模態(tài)固有頻率，Hz。約束與載荷根據(jù)減震器受力情況，對減震器施加約束和載荷。約束設(shè)定在減震器的兩端襯圈處，其中，下襯圈為全約束，上襯圈放松X軸。對于一個多自由度振動系統(tǒng)，低階固有頻率往往更接近于系統(tǒng)的實際工作頻率，因此在求解項MaxModelstoFind中，設(shè)置數(shù)值為6，即求解前6階模態(tài)[26]。模態(tài)分析結(jié)果根據(jù)計算結(jié)果，得到了汽車減震器前6階固有頻率和振型，如圖5.6所示。第1階振型第2階振型第3階振型第4階振型第5階振型第6階振型圖5-6汽車減震器前6階振型圖根據(jù)表5.1及圖5.6可知，當(dāng)外部實際工作頻率接近表5.1中相應(yīng)固有頻率的值時，減震器可能引起共振，產(chǎn)生較大振幅，使減震器損壞或者起不到減震的作用；由振型圖來分析，振動變形最大發(fā)生在減震器彈簧上，減震器整體的位移變形量較小,對減震器減震效果影響小。表5-1各階固有頻率表階數(shù)第1階第2階第3階第4階第5階第6階頻率(Hz)51.53157.40963.68264.08100.69107.91總結(jié)與展望總結(jié)本論文主要介紹了有限元建模基本理論基礎(chǔ)知識，以汽車減震器為重點(diǎn)研究對象，利用ANSYSWorkbench有限元分析軟件建立了有限元模型，以500t作為激勵，模擬汽車行駛過程中車身所帶來的壓力，對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。在靜力學(xué)分析中，對汽車減震器進(jìn)行受力分析，對汽車減震器施加了載荷和約束，得到了汽車減震器的總變形圖、等效應(yīng)力圖和等效彈性應(yīng)變圖，得到了汽車減震器的最大位移及最大應(yīng)力，為今后的故障分析提供了理論依據(jù)。在模態(tài)分析中，獲取汽車減震器的固有頻率，通過分析獲得了汽車減震器振動的各級固有頻率，得出模態(tài)分析中，主要為彈簧的頻率和振型較大，減震器其余部件振型較小，對汽車正常行駛沒有太大的影響。展望由于汽車減震器結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，振動時所帶來阻尼的因素眾多，工作缸中油液的壓縮等涉及到了流體力學(xué)的知識，所以研究汽車減震器的振動機(jī)理仍然是今后的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文只是對汽車減震器進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，以便后續(xù)更好的研究。在此基礎(chǔ)上，還有很多方面需要研究和發(fā)現(xiàn)。（1）弄清楚汽車減震器工作缸和活塞之間的受力關(guān)系，看其對整體減震效果的影響。（2）弄清楚減震器的材料對振型及固有頻率的影響。參考文獻(xiàn)吳念.結(jié)構(gòu)參數(shù)對汽車雙筒充氣式液壓減振器動態(tài)性能的影響[D].西南交通大學(xué).2016李萬林.基于流—固耦合的汽車減振器仿真研究[D].吉林大學(xué),2014.賀李平,顧亮,龍凱,等.基于流—固耦合的汽車減振器動態(tài)特性仿真分析[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,48(13):6.徐繼.筒式減震器[J].汽車與配件,1982,4:017.張昊晗,李浙昆,謝軍,等.筒式液阻減震器的阻力特性及發(fā)展?fàn)顩r[J].液壓氣動與密封,2008,28(1):4.鄭思義.減振器[J].機(jī)械制造,1989,11:026．姚嘉伶,蔡偉義,陳寧.汽車半主動懸架系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r[J].汽車工程,2006,28(3):5.BhuyanD,KumarK.3DCADM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