基于有限元法的副車架模態(tài)分析

鐘煥祥，唐勝男，姚玉麗

(浙江萬安科技股份有限公司，浙江諸暨 311835)

基于有限元法的副車架模態(tài)分析

鐘煥祥，唐勝男，姚玉麗

(浙江萬安科技股份有限公司，浙江諸暨 311835)

運(yùn)用CATIA軟件建立副車架三維實(shí)體模型，通過ABAQUS分析軟件建立其有限元模型。對(duì)有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)及約束模態(tài)的模擬分析，得到副車架的固有頻率和相應(yīng)振型。然后對(duì)副車架進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，通過比較試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證有限元模型的正確性，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

副車架；有限元；自由模態(tài)；約束模態(tài)

Abstract:A three-dimensional solid model of the subframe was built with CATIA, and the finite element model of the subframe was built in ABAQUS. The inherent frequency and the vibration mode of the subframe were gotten based on the analyses of the free modal simulation and the constrained modal simulation.The finite element model of the subframe was validated by the model testing in the laboratory. By comparing the testing results with the computation results, the correctness of the finite element model is verified. It provides reference for subsequent structure optimization analysis.

Keywords:Subframe; Finite element; Free modal;Constrained modal

0 引言

轎車副車架作為車橋與懸架的支撐，是前后車橋的重要組成部分，同時(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承載單元。在車輛行駛過程中，副車架對(duì)來自路面的隨機(jī)載荷和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)載荷進(jìn)行衰減和隔離，在此過程中，當(dāng)激勵(lì)頻率與副車架固有頻率一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，影響車輛行駛的平順性和舒適性，因此，研究副車架的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于研究整車的疲勞特性以及NVH 性能有重要作用。

模態(tài)分析是各種動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了結(jié)構(gòu)對(duì)于其他各種載荷的響應(yīng)情況。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元網(wǎng)格劃分

運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，并將模型導(dǎo)入ANSA軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過程中，先對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，去除對(duì)結(jié)果影響較小的圓角、倒角。考慮到產(chǎn)品為鈑金件，材料均勻，采用四邊形殼單元進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分。副車架中的焊縫，其尺寸相較于所定的網(wǎng)格尺寸來說比較大，所以單獨(dú)建立了焊縫單元，以剛性連接進(jìn)行模擬。

1.2 賦予材料及屬性

副車架各部件材料壁厚、材料屬性均根據(jù)實(shí)際定義，具體參數(shù)見表1。

表1 部件幾何屬性及材料屬性

2 副車架理論模態(tài)的提取

2.1 有限元模態(tài)分析理論

根據(jù)振動(dòng)理論系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微方程如下：

(1)

對(duì)于無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微方程可簡(jiǎn)化如下：

(M+ω2M)μ=0

(2)

其中：ω2為特征值，即固有頻率的平方；μ為特征向量，即振型。

為了得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，需求解特征方程的的根ωi(i=1, 2， …，n)，從而得到固有頻率及固有振型。無阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的特征方程如下：

(3)

2.2 自由模態(tài)提取

自由模態(tài)是模態(tài)分析的重要組成部分，在不考慮任何約束條件下得到結(jié)構(gòu)本身的固有特性。在仿真過程中提取副車架前6階自由模態(tài)參數(shù)，受篇幅約束，列出前2階模態(tài)振型。1、2階模態(tài)振型分別如圖2、圖3所示。

2.3 約束模態(tài)提取

結(jié)構(gòu)在不同的約束條件下其固有頻率、振動(dòng)模態(tài)都會(huì)發(fā)生改變，約束模態(tài)能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，研究約束對(duì)于模態(tài)的影響。在仿真過程中提取副車架前6階約束模態(tài)參數(shù)，受篇幅約束，列出前2階模態(tài)振型。1、2階模態(tài)振型分別如圖4、圖5所示。

自由模態(tài)及約束模態(tài)固有頻率及振型描述如表2所述。

表2 自由及模態(tài)仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

3.1 理論模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的對(duì)比分析

為驗(yàn)證有限元模型的正確性，把理論模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)作對(duì)比分析，見表3。

表3 對(duì)比分析結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 產(chǎn)生誤差的原因

(1)副車架結(jié)構(gòu)部件采用沖壓、折彎成型工藝，該工藝決定了結(jié)構(gòu)材料并非絕對(duì)均勻分布，而理論模型卻定義材料為均勻分布。

(2)有限元模型采用模擬焊接，焊縫定義為均勻分布，而實(shí)際焊接工藝與模擬焊接存在一致性的差異。

(3)模型在幾何清理、拓?fù)鋬?yōu)化過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，與實(shí)際結(jié)構(gòu)有一定誤差。

(4)受試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法約束，試驗(yàn)結(jié)果本身也存在誤差。

3.2.2 共振分析

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率可由如下公式計(jì)算得出：

f=2Zn/60τ=26.9 Hz

(4)

其中：Z=4，為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)；n=800 r/min，為怠速車速；τ=4，為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程。

由此可得副車架1階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率，避免懸架與地面引起的共振，同時(shí)副車架各階頻率跨度大，使副車架避免發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中引發(fā)的爆振頻率。

4 結(jié)束語

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)車輛副車架建立有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)及約束模態(tài)的仿真，分別得到其前6階固有頻率及固有振型，為進(jìn)一步進(jìn)行振動(dòng)、疲勞及噪聲的研究奠定了基礎(chǔ), 同時(shí)也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

【1】 王云，周鋐，陳棟華.基于有限元及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的轎車副車架模態(tài)特性分析[J].輕型汽車技術(shù)，2006(7)：7-10.

【2】 李偉鋒，朱茂桃，陸峰，等.某SUV轎車副車架模態(tài)分析的實(shí)例研究[J].噪聲與振動(dòng),2013(3):124-127.

【3】 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:289-294.

【4】 張準(zhǔn)，汪鳳泉.振動(dòng)分析[M].南京：東南大學(xué)出版社，1991:156-157.

【5】 張立軍,余卓平,靳曉雄,等.汽車整車及零部件試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試技術(shù)[J].汽車研究與開發(fā),2000(5):37-40.

本田公布無線充電技術(shù)最新進(jìn)展

電動(dòng)車技術(shù)可正在發(fā)生日新月異的變化，近日國(guó)外科學(xué)家也公布了最新的雙碳性電池技術(shù)，而我們這里要談的是另一方面技術(shù)——充電技術(shù)。

當(dāng)然，電動(dòng)車主可以將充電線纜插入插座進(jìn)行充電，不過這么做很麻煩，并且在工作繁忙或緊急事件發(fā)生時(shí)可能會(huì)忘。為了應(yīng)對(duì)這樣的問題，許多車企已經(jīng)研發(fā)出了無線充電技術(shù)。近日，本田也公布了其在無線充電方面的最新進(jìn)展。

盡管尼古拉特斯拉在1891年就提出了感應(yīng)交流電等理論，但這項(xiàng)理論直到近年才真正發(fā)揮其實(shí)用價(jià)值。無線充電系統(tǒng)由兩個(gè)線圈組成，感應(yīng)線圈創(chuàng)造出交流電磁場(chǎng)，車上的接收線圈則負(fù)責(zé)接收并將磁力轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在車內(nèi)電池里。

本田與Witricity公司合作開發(fā)出一款新系統(tǒng)，用特定頻率功率波實(shí)現(xiàn)磁共振。即便兩個(gè)線圈并非完全對(duì)齊也可實(shí)現(xiàn)接近100%的能量傳遞。

據(jù)本田描述，線圈在橫向誤差±10 cm，縱向誤差±5 cm，平行誤差±2°的條件下，仍可實(shí)現(xiàn)80%～90%的傳輸率。

這項(xiàng)系統(tǒng)的輸出功率約為2.2 kW，相比普通的插入式充電器僅低1 kW(一般無線充電系統(tǒng)功率比插入式充電器低得多)。本田預(yù)計(jì)該系統(tǒng)會(huì)在2016年投入使用。

(信息來源：互聯(lián)網(wǎng))

ModalAnalysisoftheSubframeBasedonFiniteElementMethod

ZHONG Huanxiang, TANG Shengnan, YAO Yuli

(Zhejiang Vie Science & Technology Co.,Ltd.,Zhuji Zhejiang 311835,China)

2014-04-04

鐘煥祥(1984—)，男，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)檐囕v制動(dòng)系統(tǒng)有限元分析。E-mail：zhonghx1984@163.com。