驅動橋殼虛擬樣機試驗臺的建立與仿真

唐云 王桂龍 杜勇

（1.合肥工業大學機械與汽車工程學院；2.合肥工業大學交通運輸工程學院）

驅動橋殼作為汽車本身的重要零部件，既是承載件又是傳力件，它能夠影響到汽車的舒適性、安全性與可靠性等方面的性能，要求其一定要滿足足夠的強度和剛度要求。目前，對橋殼靜態特性的分析，主要依賴于經驗公式，即對驅動橋殼的最大應力進行靜力學估算，致使驅動橋在某些工況下的強度和剛度不能滿足使用要求，在高應力的局部區域極易發生破壞，在低應力部位所用材料有過剩，有很大的局限性。文章基于新興的虛擬樣機技術[1]，輔以有限元計算，建立精確的橋殼虛擬樣機模型，能夠很好地解決傳統經驗公式的局限性，更精確地計算驅動橋殼的靜態性能，可以用于驅動橋的設計指導、開發和試驗研究。

1 驅動橋殼虛擬試驗臺架理論

1.1 基于模態分析的柔性體動力學求解

在ADAMS 軟件中，柔性體模型的彈性是由其模態來表示的。其基本思想是賦予柔性體一個模態集，借助模態矢量及模態坐標來表示彈性位移。利用拉格朗日方程，定義柔性模型上任意一點在總體坐標系中的坐標為q，得到動力學的簡化方程[2-3]:

式中:M——質量矩陣；

C——柔性體的阻尼矩陣；

FT——外力矩陣。

1.2 模態應力恢復

當有限元（柔性體）模型的第i 階固有圓頻率（ωi）、振型矢量（{Φi}）及模態位移（Qi）已得到，則可由模態應力恢復算法求得有限元模型上節點的模態應力（σ）和反作用力（F）[2-3]。

模態應力:

式中:Eσ——模態應力矩陣，其各元素的值與材料彈性模量及泊松比有關，取決于有限元模型；

Φ——模態位移矢量。

模態反作用力:

式中:ω——ωi的矢量表達；

U——定義的基于{Φi}和Φ 的節點位移；

K——橋殼剛度矩陣。

在式（2）中，由于Φ 是柔性體動力學求解中根據式（1）解得的隨時間變化的矢量集 Φ（t），因此由式（2）和式（3）即可分別得到節點模態載荷歷程{σ（t）}與 F（t）。

2 橋殼中性文件的建立

在建立橋殼的虛擬試驗臺時橋殼需為柔性體，從而能更為真實地模擬橋殼的變形運動，得到橋殼的彈性位移等參數曲線。在ADAMS 中，柔性體建模方法一般有3 種[4]:1）以柔性梁的形式把構件離散為有限段的剛性構件；2）直接導入有限元軟件求解結果（模態中性文件.mnf）；3）ADAMS/AutoFlex 模塊實現柔性體的.mnf文件建立。

綜合分析比較這3 種方法，文章選用方法2 建立橋殼的模態中性文件。

在Hypermesh 中建立有限元模型時，需要建立與ADAMS 中的剛性體連接的外部節點，此類節點將在ADAMS 中實現與其他部件的連接使用。文章以在有限元模型中創建的剛性區域的中心點作為外部節點，借助Hypermesh 自帶的求解器Nastran 模塊，輸出可以提交到Nastran 運算的文件[5]，然后在Nastran 中運行仿真，生成ADAMS 程序所需要的模態中性文件和結果文件Output file(.op2)[6]。將結果文件導入Patran 中可以看到其應力結果。圖1示出橋殼第1，2 階的模態應力圖。

圖1a 中的模態應力對應于有限元求解中的模態階次為第7 階，以此類推。

3 虛擬臺架的建立及仿真分析

根據文獻[7]中有關橋殼臺架試驗程序和流程的介紹，在ADAMS/View中建立簡單的模型。建立橋殼虛擬試驗臺架的過程為:1）啟動ADAMS/View 進入建模界面；2）建立包含橋殼中性文件的虛擬試驗臺架；3）驗證橋殼中性文件的準確性，確定模型連接拓撲關系的準確性，并設置參數運行仿真。

3.1 橋殼試驗臺架的建立

首先，確定ADAMS 中需要的外接點的位置，即剛性區域的中心節點，在ADAMS 中相應位置對稱建立2 個臺架底座用于安裝固定橋殼，并與大地相連；然后，導入橋殼.mnf 文件，做相應調整使外接點與ADAMS 中的marker 點重合。橋殼虛擬樣機模型，如圖2所示。

3.2 橋殼中性文件檢查及校改

將有限元分析的結果導入ADAMS/View 后需要對橋殼的中性文件進行檢查和校驗。相應的檢查及校驗的項目有:柔性體的尺寸、質量、模態階數、模態陣型和頻率等[8]。對橋殼的阻尼進行設置，提高其與實際狀態的差異。在橋殼柔性體上點擊鼠標右鍵，選擇Modify，并清除Damping Ratio 旁邊缺省選項，在彈出的對話框中輸入如下的修改函數：

STEP（FXFREQ，1 000，0.005，3 000，0.1）

此STEP 函數所表示的含義是:橋殼的模態頻率在1 000 Hz 以下的模態，取0.5%的阻尼；頻率在3 000 Hz以上的模態，取10%的阻尼；頻率在1 000～3 000 Hz 的模態，由STEP 函數對應于其頻率大小取阻尼的值。ADAMS 中橋殼的頻率在 198.68～3 617.77 Hz，通過STEP 函數設置可以實現橋殼的阻尼都在10%的范圍內。

3.3 橋殼的約束及載荷

ADAMS 中的柔性體文件.mnf 導入后可以在其上直接定義約束及各種力元，也可以借助施加模態力實現在柔性體對應的節點上的載荷加載等[9]。其中，模態力通常用來描述加載在柔性體表面的分布載荷，模態力的施加需要通過編輯有限元載荷文件的方式加載到柔性體上，即編輯載荷文件時需要準確描述在哪些節點上施加何種分布規律的載荷。

在ADAMS 中的約束要較好地模擬國標中對橋殼的約束條件。在橋殼與臺架底座的約束為:左側外接點處與臺架底座用固定副約束，右側外接點處與臺架底座用移動副約束，以保證橋殼仿真過程中不出現運動干涉。橋殼載荷施加方式是以模態力的形式均布在2 個彈簧底座處，即在對應節點位置施加載荷。文章的模態力在施加后通過相關函數編輯改變了其變化規律。兩側的臺架底座用固定副與大地相連。圖3示出橋殼的模態力、約束及臺架底座的約束。

3.4 橋殼模態力的加載

在Nastran 下運算生成的模態中性文件并不包含節點的載荷信息，需借助ADAMS Flex/Toolkit 命令，實現將外載荷以載荷文件的形式加載到柔性體中，從而實現模態力的加載。文章中實現模態力加載的具體步驟（windows7 系統）如下。

首先在Nastran 中生成.mnf 中性文件，編輯生成相應節點編號的載荷文件.txt，然后轉換成ADAMS Flex/Toolkit 命令可以識別的文件（文件格式為.loads），把這2 個文件放在電腦盤符下（如:D 盤）備用。啟動cmd，輸入 D:（.mnf 文件及.loads 文件在 D 盤下），然后回車。

接下來輸入命令符:ADAMS2012 flextk mnf.load qiaoke.mnf qiaoke_new.mnf qiaoke.loads解釋:

ADAMS2012——啟動ADAMS2012；

flextk——啟動flextk 模塊；

mnf.load——mnfload 命令，用于把載荷加載到有限元模型；

qiaoke.mnf——之前創建的橋殼.mnf 文件；

qiaoke_new.mnf——命令執行后生成的.mnf 文件，即已經關聯了載荷的文件；

qiaoke.loads——橋殼的載荷文件。

通過上面的準備即可完成模態中性文件均布載荷的加載。按照橋殼滿載的2.5 倍對橋殼彈簧座的各個節點對應施加相應大小的載荷。

3.5 橋殼試驗臺架仿真分析及后處理

按照橋殼滿載的2.5 倍對橋殼彈簧座的各個節點對應施加相應大小的載荷，在完成載荷文件創建及導入步驟后，可以對載荷進行后續處理，從而得到同類型不同頻率的模態力載荷曲線。借助ADAMS 中的STEP函數可以實現幅值為滿載2.5 倍狀態下不對稱載荷的創建，其中STEP 函數表達式為:

STEP（time，0，0，0.01，2.5*（SIN(ω*time)+0.6））

式中的ω=2πf，f 為頻率。設置仿真時間為1 s，仿真步幅STEP Size 為0.01。仿真參數設置完成后運行仿真，模擬不對稱載荷下2，5，8，11 Hz 4 種頻率的仿真。仿真結束后，得到的柔性橋殼記錄下了各階模態的位移時間歷程，如圖4所示。

從圖4可以看出，橋殼在ADAMS 中，在不同頻率不對稱循環的模態分布力的作用下，各階次模態位移時間歷程的變化趨勢總體一致，且大部分都處在較小的數值范圍內，僅個別階次的模態位移曲線的變化規律稍有變動。圖4中曲線上標有“+”的數值相對于其他曲線的數值較大，此曲線即為14，15，26 階對應的模態位移的時間歷程曲線，對橋殼的影響較大。

綜合分析圖4可以看出，在相同形式的載荷作用下，盡管載荷的頻率不同，但是各個階次模態位移的時間歷程曲線的趨勢和范圍基本相同，即加載的0～15 Hz頻率范圍內的載荷對橋殼的仿真分析影響極其微弱。

通過應力云圖，可以找到ADAMS 仿真下橋殼的最大應力對應的節點位置，依此能夠大概判斷橋殼的靜態特性，找出危險區域。圖5示出橋殼在滿載2.5 倍狀態不對稱載荷不同頻率下仿真時最大應力對應的節點位置。

圖5中，橋殼左下彈簧座（近后蓋側）與主體焊接處為node67877；橋殼右下彈簧座（近后蓋側）與主體焊接處為node19689；橋殼左下彈簧座（近后蓋側）與主體焊接處為node67878；橋殼左上彈簧座（近后蓋側）與主體焊接處為node55539；橋殼左側凸緣盤第1 階軸肩過渡處為node51348。其他的應力最大點在此不做相關解釋。

這樣，一整套橋殼的靜態特性分析的虛擬樣機流程已完成。與經驗公式相比，建立的虛擬樣機能更快捷與方便地找到橋殼相對薄弱的區域，確定橋殼的靜態特性。

4 結論

文章介紹了橋殼試驗臺架虛擬模擬的理論基礎，并在ADAMS 中建立橋殼的虛擬樣機模型，仿真模擬試驗的加載及約束等條件，得到不對稱循環不同頻率載荷下的時間歷程文件，可作為后續疲勞分析的載荷譜。ADAMS/View 作為ADAMS 的基本模塊可以建立橋殼的臺架試驗臺，利用在Nastran 中仿真得到的橋殼的中性文件（.mnf 文件），建立柔性橋殼的虛擬樣機試驗臺，更加真實地反映了實際驅動橋殼的狀況，從而能夠精確地進行一系列的驅動橋殼試驗，節省了時間和資源，縮短了試驗周期。