基于Rhino的發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架有限元模態(tài)分析

吳正琴

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，機(jī)械化水平的快速進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)研制也得到了較快發(fā)展［1-2］.發(fā)動(dòng)機(jī)作為復(fù)雜機(jī)械的重要組成部分，由于其工作零件、傳動(dòng)零件較多，工作過程生成的振動(dòng)與噪聲也較大［3］，對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性與操作者影響很大［4-5］.與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作模式下振動(dòng)強(qiáng)度和抑制振動(dòng)性的研究還不成熟，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架振動(dòng)穩(wěn)定的研究也較少［6］.但是底盤機(jī)架是發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝基礎(chǔ)，不但需要承受其它裝置機(jī)構(gòu)，在運(yùn)行過程中還需要承受來自工作環(huán)境、振動(dòng)篩以及風(fēng)機(jī)等裝置帶來的振動(dòng)，當(dāng)激振的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架自有頻率相似時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)生成共振，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、使用周期以及穩(wěn)定性將產(chǎn)生一定的影響.因此，為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，優(yōu)化底盤架構(gòu)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤架構(gòu)的模態(tài)化測(cè)試與分析至關(guān)重要［7］.

使用Rhino軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的參數(shù)優(yōu)化，利用構(gòu)建的模型計(jì)算出機(jī)架的模態(tài)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的固有頻率和外部激振頻率進(jìn)行驗(yàn)證與分析，制定優(yōu)化策略，以提高其在運(yùn)行中的工作性能.

1 底盤機(jī)架有限元模型構(gòu)建

發(fā)動(dòng)機(jī)的底盤機(jī)架是一種矩形管型材料構(gòu)成，底盤機(jī)架總長(zhǎng)度為2 280 mm，寬度為2 080 mm，分為上、中和下三層架構(gòu).其中，底盤機(jī)架的最下層與履帶相連接整個(gè)機(jī)體，中間層作為整個(gè)底盤主要承載部件，與發(fā)動(dòng)機(jī)、清洗裝置以及其它部件相連；上層是駕駛室的底板［8］.

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與模型構(gòu)建的原則，使用模型參數(shù)化不但能夠避免重復(fù)，也可以減少模型設(shè)計(jì)周期.筆者使用Rhino軟件構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架模型，以實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化，并通過該軟件對(duì)構(gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)底盤架構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析［9］.在模型構(gòu)建過程中，為了減少模態(tài)分析過程中的運(yùn)算量，加快分析速度，通過對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理.在確保模型計(jì)算精度的前提下將其模型優(yōu)化為：（1）不計(jì)焊接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)性能產(chǎn)生的影響；（2）全部的工藝孔均忽略不考慮；（3）將模型中全部的倒角和過渡圓角均簡(jiǎn)化成直角；（4）不考慮關(guān)鍵區(qū)域和尺寸較小的結(jié)構(gòu).優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)底盤架構(gòu)三維模型如圖1所示.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架優(yōu)化后模型

有限元方法主要是使用有限個(gè)體的集合來表示原有模型的連續(xù)體，所以在進(jìn)行模態(tài)分析前需要把優(yōu)化的模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成有限個(gè)單元構(gòu)成的離散體，各單元間使用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，使用Q235型號(hào)的結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為210 GPa，密度大小為7 850 kg/m2的材料設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架［10］.使用Rhino軟件根據(jù)底盤機(jī)架結(jié)構(gòu)對(duì)模態(tài)分析單元屬性進(jìn)行設(shè)置，定義單元的尺寸大小為14 mm.

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤的四階模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析.在自由模式下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)架進(jìn)行運(yùn)算，構(gòu)建的底盤機(jī)架模型在X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的四個(gè)模態(tài)是一種剛體模態(tài)，對(duì)應(yīng)的頻率為0，僅僅需要對(duì)這4階模態(tài)振型和頻率進(jìn)行計(jì)算與分析.按照網(wǎng)格化將構(gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架有限元模型使用Rhino軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，使用Lanczos算法對(duì)其進(jìn)行求解，計(jì)算出的四階模態(tài)化分析相應(yīng)的頻率與應(yīng)振云圖如圖2所示.

圖2 四階模態(tài)化分析相應(yīng)的頻率與應(yīng)振云圖

2 底盤機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)

2.1 模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的底盤機(jī)架模型進(jìn)行模態(tài)分析，利用模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證計(jì)算準(zhǔn)確性，這一步驟對(duì)底盤結(jié)構(gòu)分析至關(guān)重要.模態(tài)分析方法可以求解出底盤機(jī)架結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特性，也可以作為校驗(yàn)有限元模型合理性的判斷標(biāo)準(zhǔn).在模態(tài)分析測(cè)試中使用激振器迫使發(fā)動(dòng)機(jī)底盤架構(gòu)生成強(qiáng)迫振動(dòng)，根據(jù)強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可以計(jì)算出模態(tài)化分析結(jié)果.

筆者模態(tài)測(cè)試基本原理如圖3所示.測(cè)試的系統(tǒng)主要由力錘、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及模態(tài)分析數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及動(dòng)態(tài)信號(hào)分析模塊；模態(tài)分析系統(tǒng)使用Rhino軟件進(jìn)行模態(tài)化分析，實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備如表1所示.

測(cè)試實(shí)驗(yàn)的主要流程為使用力錘敲擊發(fā)動(dòng)機(jī)的底盤架構(gòu)，使得機(jī)架生成強(qiáng)迫振動(dòng)，力錘內(nèi)力傳感器觸發(fā)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析模塊，并利用安裝在底盤架構(gòu)上的加速度傳感器獲取底盤機(jī)架受到的振動(dòng)信息，將采集的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集儀中，然后將全部存儲(chǔ)的各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)頻率響應(yīng)函數(shù)發(fā)送到模態(tài)分析軟件內(nèi)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，即可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架模態(tài)測(cè)試對(duì)應(yīng)的模態(tài)參數(shù).

圖3 模態(tài)測(cè)試的基本原理框圖

表1 模態(tài)測(cè)試設(shè)備清單

2.2 激振點(diǎn)確定與測(cè)點(diǎn)布置

因?yàn)槔缅N擊方式進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，激振點(diǎn)不需要靠近節(jié)點(diǎn)或者距離節(jié)線太近，以免影響測(cè)試系統(tǒng)的可辨識(shí)性.實(shí)驗(yàn)設(shè)定了2個(gè)激振點(diǎn)，其中，1號(hào)激振點(diǎn)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)底盤的前端橫梁，2號(hào)激振點(diǎn)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)底盤的后端縱梁，反復(fù)通過5次數(shù)據(jù)采集來驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.本次測(cè)試采用自由激振的方式，使用6根彈簧把發(fā)動(dòng)機(jī)的底盤機(jī)架懸掛以確保處于自由狀態(tài).

激振點(diǎn)測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)信息需要信噪比盡可能高，所以，激振點(diǎn)的選址需要按照外力作用點(diǎn)、關(guān)鍵響應(yīng)點(diǎn)、重要部件以及機(jī)架結(jié)構(gòu)的交聯(lián)等位置，設(shè)置的測(cè)試點(diǎn)連線需要能顯示出底盤架構(gòu)的整個(gè)形狀.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)將接收的頻響信號(hào)發(fā)送到模態(tài)分析軟件中進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架四階測(cè)試模態(tài)對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率和振型.然后使用模態(tài)判定法則對(duì)求解出的模態(tài)頻率進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示.從圖中可以看出矢量間存在一定的線性關(guān)系，不同階次頻率間的相關(guān)度全部為1，表明模態(tài)分析出的參數(shù)是準(zhǔn)確、有效的.

底盤機(jī)架有限元模態(tài)頻率測(cè)試值和運(yùn)算值的對(duì)比如表2所示，從表中對(duì)比可以看出模態(tài)頻率測(cè)試值與模態(tài)分析得到的數(shù)值比較相近，誤差最大為2.5%，不同階型結(jié)果也接近，表明構(gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的有限元分析模型比較合理.

圖4 模態(tài)判定直方圖

表2 測(cè)試模態(tài)與計(jì)算模態(tài)結(jié)果對(duì)比（數(shù)據(jù)來源：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算處理）

3 底盤機(jī)架優(yōu)化設(shè)優(yōu)化

從以上分析可知，將調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的自有頻率避開激振頻率區(qū)間為目標(biāo)，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架整體質(zhì)量的條件下對(duì)構(gòu)建的有限元模態(tài)分析模型進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合底盤機(jī)架動(dòng)態(tài)性能需求與優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，將機(jī)架的整體質(zhì)量設(shè)為約束變量，范圍設(shè)為±5%.將底盤機(jī)架結(jié)構(gòu)中每個(gè)梁的截面積作為優(yōu)化變量，按照?qǐng)D5中17個(gè)優(yōu)化變量對(duì)模型的影響度，確定11個(gè)作為最終的優(yōu)化變量，如表3所示.

發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架優(yōu)化所確定的有關(guān)變量和優(yōu)化結(jié)果如表3所示.從表中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的總體積在增加3.67m3的前提下，四階模態(tài)頻率依次增加 6.17 Hz、0.73 Hz、4.54 Hz和 6.11 Hz.其中，第 1 階頻率增大為 21.71 Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率15～18.4Hz間隔變大 .第二、三和四階的頻率也分別增加為 36.62 Hz、43.65 Hz和 46.29 Hz，全部避開發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率的范圍，在此條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)將可以抑制共振情況的產(chǎn)生，優(yōu)化后的底盤機(jī)架有限元模態(tài)分析模型能夠顯著提高整機(jī)的工作性能.

圖5 優(yōu)化變量對(duì)模型目標(biāo)的影響度

表3 優(yōu)化前后不同變量值的比較（數(shù)據(jù)來源：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算處理）

4 結(jié)論

利用構(gòu)建的模型計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率與振動(dòng)類型，對(duì)底盤機(jī)架的模態(tài)化測(cè)試，以檢驗(yàn)理論基礎(chǔ)分析的準(zhǔn)確性.本文使用Rhino軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的參數(shù)優(yōu)化，利用構(gòu)建的模型計(jì)算出機(jī)架的模態(tài)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤機(jī)架的固有頻率和外部激振頻率進(jìn)行驗(yàn)證與分析，并給出了優(yōu)化策略，以提高其在運(yùn)行中的工作性能.