重型汽車車架有限元模態(tài)分析與試驗?zāi)B(tài)分析比較
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重型汽車車架是一個無限多自由度的振動系統(tǒng)，在外界的時變激勵下將產(chǎn)生振動。當(dāng)外界激振頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將產(chǎn)生共振。共振將會使得乘員感覺不舒服，帶來噪聲和早期疲勞破壞。因此，合理的車架模態(tài)對提高整車的整車的可靠性和NVH性能等有十分重要的意義。在汽車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，預(yù)先掌握所設(shè)計產(chǎn)品的動態(tài)特性，使所設(shè)計的產(chǎn)品滿足動態(tài)特性要求，對車輛的動態(tài)特性是非常重要的。可以從兩個方面獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的固有振動頻率和振型，一種方法是通過試驗的方法，對樣車進(jìn)行模態(tài)試驗，識別出結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率和振型，另一種方法是通過理論分析計算，分析計算出結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)和振型。試驗方法的局限性是必須在設(shè)計樣車制造出來之后，才能進(jìn)行試驗分析。通過對實際樣車的試驗分析，得出產(chǎn)品的基本動態(tài)特性，如果不能滿足設(shè)計需求，需要重新設(shè)計，然后再生產(chǎn)樣車試驗。如此往復(fù)多次，才能得到一個較為滿意的產(chǎn)品。但是產(chǎn)品開發(fā)周期長費用高，不能夠迅速推出產(chǎn)品，占領(lǐng)市場，對企業(yè)發(fā)展不利。理論計算分析則可以在設(shè)計的初始階段，不需要生產(chǎn)樣車，通過計算分析就能夠得到產(chǎn)品的各項動態(tài)性能指標(biāo)，這樣就很大程度上節(jié)省開發(fā)費用，并縮短研發(fā)周期。
本文利用有限元方法，采用HyperWorks軟件離散并建立了重型汽車車架的有限元模型，利用求解器計算，得出了車架的前十階自由模態(tài)頻率和振型，并和試驗?zāi)B(tài)進(jìn)行了對比。
2 有限元模型建立
在有限元模型前處理軟件HyperMesh中對車架進(jìn)行幾何清理，并做網(wǎng)格劃分。車架主要由沖壓鋼板組成，通過鉚釘、螺栓進(jìn)行連接。根據(jù)分析的需求，對車架以及各支架部件進(jìn)行了必要的簡化和處理，車架縱梁以及橫梁與連接板采用殼單元，螺栓與鉚釘采用剛性單元，對于鑄造件采用四面體單元進(jìn)行離散。模型共劃分單元402788個，節(jié)點178504個。其有限元計算分析模型（如圖1所示）。
圖1 車架有限元模態(tài)計算分析模型
3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)
對于多自由度線彈性系統(tǒng)，其運動微分方程可以用矩陣的形式表達(dá)為：
M?(t)+C y? (t)+Ky(t)=X(t) （1）
式中：M、C和K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，y(t)為系統(tǒng)的響應(yīng)位移矢量，x(t)為系統(tǒng)受到的激勵力矢量。
如果結(jié)構(gòu)阻尼很小，對系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)影響不大，則在進(jìn)行計算模態(tài)分析時通常忽略方程式(1)中的阻尼力項，這時求解其特征值可以得到系統(tǒng)的實模態(tài)，即模態(tài)振型所表示的各自由度的相對運動是同相或反相的。而如果結(jié)構(gòu)阻尼較大，則不能忽略阻尼力的影響，求出的是系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)。模態(tài)振型各自由度之間的相對運動存在相位差，其大小是由模態(tài)阻尼比決定的[1]。
3.2 有限元模態(tài)分析
理論僅考慮了車架自身的質(zhì)量和剛度，計算了車架的前五階模態(tài)頻率和模態(tài)振型。具體結(jié)果如表1所示。
表1 理論分析結(jié)果 
圖2 車架有限元分析模態(tài)振型
車架的模態(tài)試驗主要由以下四部分組成：被試車架、激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)。其中激振系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器和激振器。拾振系統(tǒng)包括加速度傳感器、力傳感器、電荷放大器和信號采集系統(tǒng)。模態(tài)分析和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要采用LMS Test.Lab分析軟件。
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