基于HyperMesh的FSC車架自由模態(tài)分析

2016-11-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:車架是汽車的承載骨架,同時也為車手提供安全保障。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)資料和在以往車型優(yōu)化的基礎(chǔ)上設計出本屆車架結(jié)構(gòu),利用CATIA進行三維建模,將模型導入HyperMesh中,進行自由模態(tài)仿真分析,得出前16階固有頻率和振型,并驗證了車架固有頻率是否避開了激振的頻率范圍,評價車架設計的合理性,提早發(fā)現(xiàn)設計缺陷,避免車架的反復加工,同時也為車架的優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

引言

FSC中國大學生方程式汽車大賽是SAE美國汽車工程協(xié)會主辦的挑戰(zhàn)本科生、研究生團隊構(gòu)思、設計、制造和駕駛小型方程式賽車的國際性賽事FSAE的中國賽,第一屆于2010在上海舉辦。其規(guī)則要求所制造的賽車具有良好的加速性、制動性、操控性和安全性。

賽車在道路上行駛時,由于路面不平整、車輪不平衡會使車架產(chǎn)生隨機振動,發(fā)動機工作會使車架產(chǎn)生周期性受迫振動。當車架的某階固有頻率與激振頻率相接近時,就會產(chǎn)生共振的現(xiàn)象,嚴重的話會對車架造成損壞。為了避免這種情況的發(fā)生,對車架進行模態(tài)分析就顯得尤為必要。確定車架的固有頻率和振型,驗證其固有頻率是否避開上述振源的激勵頻率。本文首先使用CATIA軟件進行車架三維模型的建立,在HyperMesh中利用梁單元進行自由模態(tài)分析,最終得到前16階固有頻率與振型,驗證車架設計的合理性。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析,即分析結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能,根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特征,包括頻率、阻尼和模態(tài)振型這些動力學屬性去描述結(jié)構(gòu)的過程。模態(tài)分析有自由模態(tài)分析和工作模態(tài)分析兩種方法,本文對車架結(jié)構(gòu)進行自由模態(tài)分析,即忽略車架所受的外部載荷。其主要用于決定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,這是動態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)設計中的重要參數(shù),因此對車架進行固有特性的模態(tài)分析是很有必要的。

模態(tài)是多自由度系統(tǒng)按照固有頻率振動時呈現(xiàn)出來的振動形態(tài),振型是結(jié)構(gòu)振動時各節(jié)點位移比例關(guān)系的表征。對于一個多自由度線性運動系統(tǒng),其運動微分方程為[3-5]:

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2 車架分析模型

2.1 車架幾何模型

幾何模型是進行數(shù)值仿真的前提,FSC賽車結(jié)構(gòu)主要包括:主環(huán)、前環(huán)、側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、前隔板、前隔板斜撐、肩帶安裝桿、主環(huán)斜撐。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)資料和在以往車型優(yōu)化的基礎(chǔ)上,設計出本屆車架的結(jié)構(gòu)模型,利用CATIA三維制圖軟件畫出車架的整體線架模型如圖(2)所示,車架實體模型如圖(2)所示,其中車架主要桿件均為環(huán)形,主環(huán)和前環(huán)尺寸為25.4*2.4,藍色桿件尺寸為25.4*1.6,綠色桿件尺寸為25.4*1.25。

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圖1 車架三維線架模型

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圖2車架三維實體模型

2.2 材料屬性

車架桿件材料牌號4130鋼(國內(nèi)牌號30CrMo),彈性模量為205GPa,泊松比0.29,密度78503/mkg,屈服強度785MPa。通過軟件模擬出車架質(zhì)量為27.793kg。

2.3 網(wǎng)格劃分

車架主要由鋼管焊接而成、結(jié)構(gòu)規(guī)則,將CATIA三維線架模型導入HyperMesh,簡化不影響分析的結(jié)構(gòu),進行一維梁單元網(wǎng)格劃分,快速建立高質(zhì)量CAE分析模型。在1D-HyperBeam中輸入相應的桿件截面,完成車架網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格質(zhì)量檢查包括:單元連續(xù)性檢查、單元的法線方向的檢查、重復單元的檢查和單元各項質(zhì)量檢查等,網(wǎng)格質(zhì)量良好,劃分結(jié)果如圖(3)所示。

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圖3車架網(wǎng)格劃分模型

3 自由模態(tài)分析結(jié)果

自由模態(tài)分析,由于沒有對車架施加約束和載荷,前6階為剛體振動,固有頻率在0Hz附近,剛體模態(tài)對于整體的影響可以忽略不計。剔除這些模態(tài)頻率。提取車架前6階非0固有頻率和振型如表(1)、車架前16階非0固有頻率振型圖如圖(4)所示。

表1車架前6階非0固有頻率和振型

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圖4 車架前16階非0固有頻率振型圖

(a)第7階振型圖;(b)第8階振型圖;(c)第9階振型圖;

(d)第10階振型圖;(e)第11階振型圖;(f)第12階振型圖;

(g)第13階振型圖;(h)第14階振型圖;(i)第15階振型圖;

(j)第16階振型圖。

4 自由模態(tài)結(jié)果驗證

汽車在行駛時車架受到的外部激振源主要有兩種:一種是由于路面不平度所造成的車輪不平衡激振1-20Hz之間;另一種是發(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勵,該賽車采用發(fā)動機為本田CBR600,在限制進氣以后的最高轉(zhuǎn)速可達11000r/min,發(fā)動機怠速時轉(zhuǎn)速為2000r/min,常用的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6000-10000r/min,根據(jù)頻率計算公式:

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式(5)中:z發(fā)動機的缸數(shù);τ發(fā)動機沖程數(shù);n發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

計算得發(fā)動機怠速頻率為67Hz,常用的激勵頻率范圍是200-333Hz。

此外車架低階頻率(即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值)應不同于發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)頻率和非簧載質(zhì)量的固有頻率,以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象車架的彈性模態(tài)頻率應盡量避開發(fā)動機經(jīng)常工作的頻率范圍;車架振型應盡量光滑,避免有突變。

5 結(jié)束語

車架的一階扭轉(zhuǎn)固有頻率34.61Hz、一階彎曲固有頻率69.98Hz避開了賽車發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)頻率且一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值錯開在3Hz以上有效的避免了彎曲扭轉(zhuǎn)的耦合效應;且車架結(jié)構(gòu)的前16階彈性振動固有頻率在30~140Hz左右,高于路面不平度所造成的車輪不平衡激振20Hz,低于發(fā)動機常用工作頻率200-333Hz,共振現(xiàn)象得到了很大程度上的避免,各階振型變化平穩(wěn)光滑,具有良好動態(tài)特性,該賽車結(jié)構(gòu)設計合理。

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