基于有限元的半掛車車架陣型模態(tài)分析

2016-11-01  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

 車架是汽車上重要的承載部件,車輛所受到的各種載荷最終都傳遞給車架,因此,車架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整車設(shè)計的成敗。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展,對汽車的性能要求越來越高,這使得傳統(tǒng)的設(shè)計計算方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代汽車設(shè)計的要求。有限元法的飛速發(fā)展為車架的結(jié)構(gòu)性能的計算分析帶來了新的革命。

本文章采用有限元方法對HYG9386半掛車車車架結(jié)構(gòu)進行振型模態(tài)分析,運用Solidworks對車架進行三維建模,通過Ansys軟件進行模態(tài)分析,計算了車架在施加位移約束下的前二十階模態(tài)特性,識別出車架振型的模態(tài)參數(shù),獲得了車架在該狀態(tài)下的固有頻率和振型特征。

1.1研究的目的和意義

車架作為支承連接汽車的各零部件是汽車的主要骨架之一,它是整個整個汽車的基體。整車的絕大多數(shù)部件和總成(包括地板、側(cè)圍、懸架和發(fā)動機等)都是通過車架來固定位置的,它將汽車的各總成有機連成一體。汽車在行駛過程中作用在汽車各部件上的載荷都是動載荷,結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的位移、應(yīng)力、應(yīng)變不僅隨其在結(jié)構(gòu)中的空間位置變化,車架要承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪切力,同時受到來自路面和車橋的激振。當載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某些固有頻率接近或相等時,結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生強烈的共振,從而引起很高的動應(yīng)力,它會使汽車各部分之間產(chǎn)生劇烈振動,會出現(xiàn)噪聲過大,早期損壞汽車的某些部件的現(xiàn)象,降低汽車的使用壽命。設(shè)計中除了要有足夠的強度、足夠的抗彎剛度和合適的扭轉(zhuǎn)剛度保證汽車對路面不平度的適應(yīng)性外,合理的振動特性也是十分重要的,因此車架對整車的剛強度、抗疲勞等性能和汽車的振動頻率有非常重要的影響。車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是汽車新產(chǎn)品開發(fā)中結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容,尤其是車架結(jié)構(gòu)的低階彈性模態(tài),它不僅反映了車架的整體剛度性能,而且是控制汽車常規(guī)振動的關(guān)鍵指標,應(yīng)作為汽車新產(chǎn)品開發(fā)的強制性考核內(nèi)容。車架在工作時承受來自多方面動載荷的作用時,當外載荷頻率遠小于車架一階模態(tài)頻率時,對車架做靜態(tài)分析就可以滿足設(shè)計要求,但是在通常情況下,車架所受的外載荷頻率接近甚至達到了車架的一階模態(tài)頻率,這時就必須對車架進行動態(tài)分析,以了解車架的動態(tài)特性是否滿足工作要求。模態(tài)分析即對系統(tǒng)的固有頻率的分析是動態(tài)特性分析的基礎(chǔ),也是分析系統(tǒng)固有特性和振型的最主要方法之一。它能確保汽車使用中的安全可靠。因此,車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析在現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有十分重要的意義。

1.2本文研究的主要內(nèi)容

本文以淮安市專用汽車制造有限公司生產(chǎn)的HYG9386欄板貨車車架為研究對象,通過CAD/CAE技術(shù)相結(jié)合,對車架進行有限元模態(tài)分析。

(1)  對車架進行從實體到三維電子模型的轉(zhuǎn)化。

(2)  運用建模軟件SlidWorks建立車架的實體模型。

(3)  將車架幾何模型導入有限元分析程序AnsysWorkbench,建立車架有限元模型,對模型進行模態(tài)分析。

本文所要研究的半掛車是淮安市專用汽車制造有限公司的產(chǎn)品,半掛車車架為邊梁式結(jié)構(gòu),主要由左右縱梁和若干根橫梁組成。中間為兩根主承載梁縱梁,縱梁為優(yōu)質(zhì)成型工字鋼或焊接工字鋼。兩縱梁間采用焊接橫梁,橫梁采用優(yōu)質(zhì)鋼板沖壓成型或成型槽鋼。兩縱梁外側(cè)采用翼梁焊接,翼梁為變截面優(yōu)質(zhì)鋼板,橫梁、翼梁與縱梁連接采用交叉結(jié)構(gòu),增加了車架抗彎強度和抗扭剛度。車全長約13m,寬2.4m,軸距約7.6m,由全金屬結(jié)構(gòu)焊接而成,車架前部可通過牽引銷連接牽引車,左右側(cè)分別裝有工具箱、防護網(wǎng)和備胎等附件,表面鋪有壓花鋼板和若干防滑條,下部可通過鋼板彈簧連接三個車橋,車架為對稱結(jié)構(gòu)。其車架圖如圖2.1所示。

          圖2.1 車架圖

      圖 2.2 車架成型圖

根據(jù)淮安市專用汽車制造有限公司提供的半掛車車架各部件的參數(shù),以及對半掛車車架的現(xiàn)場測繪,對該車建立實體模型,其步驟如下:

1)確定繪制實體模型思路:因為半掛車車架為大型部件,機構(gòu)復雜,首先要將該廠給出的車架二維工程圖紙看懂,確定繪圖思路。

2)縱梁的繪制:依據(jù)半掛車車架的尺寸在草圖繪制右視基準面可以將半掛車車架的右縱梁繪出其右視圖,然后按其尺寸將其拉伸,得到一個實心體,然后將實體進行切除操作,即可得到所需要的半掛車縱梁,因為左右縱梁為對稱,因此可以通過在左右縱梁中心線處建立基準面然后進行鏡像處理及可得到左縱梁。

3)橫梁的繪制:橫梁的繪制按照給出的數(shù)據(jù)在縱梁工字梁的縱截面處繪制橫梁的右視投影圖,并將其進行拉伸切除。

4)邊梁的繪制:半掛車采用的是左右對稱的結(jié)構(gòu),因此在繪制邊梁的過程中也可采用左右對稱的方法將其繪出。

5)車架定型:此時繪制的車架還需要吊耳、主銷并將橫梁多余部分切除即完成了車架建模工作,通過前一階段的建模工作對SolidWorks軟件熟悉程度大大增加,因此在繪制過程中按尺寸選擇縱梁下端為基準面繪制吊耳上視草圖,同樣的在主銷繪制中將前端橫梁的下端為基準面繪制主銷草圖,進行拉伸,這里的尺寸尤其需要注意,最后是一些固定架的繪制,如同前文所述進行拉伸切除便可獲得固定架。車架也隨之完成。車架成型圖如圖2.2所示。

3.1模態(tài)分析過程

1)導入幾何模型:

在SolidWorks中將繪制的車架模型生成“iges”文件,將其導入AnsysWorkbench中。

2)添加材料信息:

該半掛車車架采用16Mn為材料制成,該材料的信息如下表:

表4.1 材料信息

3)設(shè)定網(wǎng)格劃分參數(shù)并進行網(wǎng)格劃分:

   首先選擇“Mesh”,單擊右鍵,激活網(wǎng)格類型命令Method,在Method的屬性菜單中,選擇整個車架實體,并指定網(wǎng)格類型為Hex Dminant。  在“Sizing”屬性菜單中,選擇整個車架,并指定網(wǎng)格尺寸為40mm。

4)選擇模態(tài)分析Modal。

5)施加約束:

主要是以車架在使用過程中的狀態(tài)進行,同時也要參考分析的需要,就是即要保證消除車架結(jié)構(gòu)的剛體位移,又不影響車架本身的自由變形,按此要求,車架后部通過懸架、車輪支承在路面上,車架前部經(jīng)牽引銷支承在鞍座上,所以在車架前端牽引板處實施全位移約束,在車架后部鋼板彈簧吊耳與縱梁連接處施加U,U,U方向的位移約束。在“Support”選項中選擇“Fixed Support”,選擇主銷及后部鋼板彈簧吊耳與縱梁連接處作為位移約束。

6)設(shè)定求解參數(shù),求解前20階模態(tài)。

7)單擊Solve求解,得出模態(tài)分析圖。模態(tài)的各階頻率值見表3.1,前3階模態(tài)的振型圖如圖3.1~圖3.3所示。

表3.1 車架各階頻率值

圖3.1 車架一階模態(tài)振型圖

圖3.2 車架二階模態(tài)車架圖

圖3.3 車架三階模態(tài)振型圖

3.2結(jié)果分析

通常汽車在行駛時車架受到的外部激振源可概括為兩類:一是汽車行駛時路面不平度(指一般的正常的公路)對車輪作用的隨機激振引起的車輪不平衡,頻率一般在20Hz左右;二是發(fā)動機運轉(zhuǎn)時,工作沖程燃燒爆發(fā)壓力和活塞往復慣性力引起的簡諧激振,它的特點是頻率范圍很寬。當這些激振力的激振頻率與車架的某一固有頻率相吻合時,就會產(chǎn)生共振,并導致在車架上某些部位產(chǎn)生數(shù)值很大的共振動載荷,造成車架被損壞的危險。因此,用模態(tài)分析的方法對汽車車架進行模態(tài)的校核,可以驗證車架是否符合動力學特性,也可以找到影響汽車振動特性的因素及解決方法。驗證的具體原則如下:

(1)車架低階頻率(即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值)應(yīng)低于發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)頻率,以避免發(fā)生整體共振。

(2)車架的彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動機經(jīng)常工作的頻率范圍。

(3)車架的固有頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動機經(jīng)常工作的頻率范圍。

(4)車架振型應(yīng)盡量光滑,避免有突變。

在汽車行駛過程中, 發(fā)動機怠速引起的振動的頻率范圍在33Hz以上;牽引車處于常用車速(50km/h~80km/h)時,發(fā)動機的爆發(fā)頻率為48Hz~52Hz;正常行駛時路面激勵頻率為20Hz左右。非簧載質(zhì)量的固有頻率一般為6Hz~12Hz。根據(jù)分析結(jié)果可知,該車架的一階扭轉(zhuǎn)頻率為8.1729Hz,二階彎曲頻率為12.229Hz,避開了發(fā)動機怠速、爆發(fā)頻率、以及正常行駛時路面的激勵頻率,因此整個車架滿足動態(tài)特性的條件,符合設(shè)計要求。

本文運用有限元理論,在現(xiàn)代有限元分析軟件的支持下,建立了HYG9386貨車車架的三維實體模型和有限元模型,并對其進行了模態(tài)分析。具體說來,所完成的主要工作和取得的主要結(jié)論如下:

(1)對國內(nèi)外半掛車車架的有限元模態(tài)分析研究概況和主要途徑進行了簡單分析。

(2)使用Solidworks軟件建立了車架的三維實體建模。

(3)完成了車架的模態(tài)分析。將建立的車架三維模型導入AnsysWorkbench中,利用AnsysWorkbench軟件建立整車有限元模型,使用solve求解器對車架進行模態(tài)分析,得到車架結(jié)構(gòu)固有頻率與固有振型。

(4)提取出了車架結(jié)構(gòu)前二十階固有頻率以車架結(jié)構(gòu)振型圖,通過模態(tài)分析方法驗證了該車架模態(tài)避開了隨機路面的激勵振動頻率和發(fā)動機的怠速運轉(zhuǎn)頻率,符合車架的動態(tài)振動特性條件,滿足車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

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