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某面包车白车身模态分析

2018/10/12    来源:Altair    作者:魏志辉  贺俊杰      
关键字:白车身  有限元  OptiStruct  模态  
应用有限元软件HyperMesh对某面包车白车身进行有限元建模,用OptiStruct软件进行自由模态计算,然后对计算结果进行分析。得到了前三阶固有频率,结果表明车架固有频率高于目标值,不会产生共振。为该车结构改进设计提供了理论依据。

1 概述

    随着计算机技术和数值分析的不断发展,有限元分析技术已经在当今汽车设计过程中普遍应用。有限元分析可以在设计的初期阶段就介入,通过计算分析可以得出汽车的参数,及时修改和优化设计,从而大大减少产品设计时间,避免做大量的实车试验,节约设计成本。汽车白车身必须具有足够的强度、刚度,还要有合理的固有频率,通过合理结构设计避开各种振源的激振频率,避免发生共振。

2 面包车白车身介绍

    该面包车白车身是指去掉车门和发动机罩以后的车身结构。该车车身结构是承载式车身,没有独立的车架,但车身主体与类似于车架功能的车身底板,采用组焊的方式制成整体刚性框架,整个车身都参与承载。白车身几何模型见图1。

白车身几何模型

图1 白车身几何模型

3 白车身有限元模型

    3.1 网格划分

    白车身的模型导入时,绝大部分零件几何质量较好,但也有零件曲面曲面零件几何变形或信息丢失的情况。为了减少这种情况,在UG中将模型文件另存为IGES或STEP中间数据格式,然后用Files/import/GEOM命令导入到HyperMesh中。如还有变形或信息丢失,则要在Hypermesh中对模型进行修复。

    通过焊接合并后的白车身模型整车车身如图2所示。焊点模型如图3所示。模型中,白车身所有零件都用板壳单元进行离散化处理,尽量采用四边形壳单元,共有部件总数236个,四边形单元302232个,三角形单元12103个,328472个节点,三角形单元所占的比例仅为3.9%,单元尺寸取8mm-12mm。

白车身有限元模型

图2 白车身有限元模型

白车身焊点模型图

图3 白车身焊点模型图

    3.2 材料属性

    该车车身采用低碳钢,在HyperMesh中给所有的部件均赋予线弹性材料特性,其中弹性模量E=2.07e+05MPa,材料泊松比λ=0.3,密度ρ=7.8e-09T/mm3

4 模态分析

    4.1 模态分析基本理论

    所谓模态分析,就是确定设计结构或机械零部件的振动特性,得到结构固有频率和振型的过程,它是动态设计的核心。研究的是自由模态,是结构本身的特性与材料特性所决定的,与外载条件等无关(即无需加任何载荷和约束),而结构在任意初始条件及外载作用下的强迫振动都可以由结构按这些基本特性的强迫振动的线性组合构成。根据振动理论,多自由度系统以某个固有频率振动时所呈现出的振动形态称为模态,此时系统各点位移存在一定的比例关系,称固有振型。不论何种阻尼情况,机械结构上各点对外力的响应都可以表示成由固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振型模态的叠加。模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的参数。对于一个N自由度线性系统,其运动微分方程为:

运动微分方程

    式中 M——质量矩阵;

    K——刚度矩阵;

    X——位移向量;

    F(t)——作用力向量

    当F(t)=0时,忽略阻尼C影响,方程变为

方程

    自由振动时,结构上各点作简谐振动,各节点位移

方程

    由式(2)和(3)得

方程

    求出特征值ω2和特征值Ф,又因为ω=2πf,可求得系统各阶固有频率即模态频率,固有振型即模态振型。

    4.2 白车身模态分析结果和试验对比

    车身结构的低阶模态不仅反映了车身的整体刚度性能,而且是控制汽车常规振动的关键指标,是汽车设计开发必须考核的内容。

白车身模型计算模态时,根据试验条件不施加任何约束,用OptiStruct进行自由状态下的模态提取计算,得到的白车身前三阶固有频率,与白车身模态试验结果进行对比,如表1所示。

表1 车身结构模态参数

车身结构模态参数

    从表1可以看出有限元分析结果和试验结果基本一致,误差很小,并且大于设计目标值。说明所建的白车身有限元模型是正确的,其分析结果具有较高的可信度。由此可以得出结论,该车车身结构满足要求,基本能达到设计目标值。振型结果位移图见图4-图6,为了看清楚白车身的变形,把变形图放大了50倍。

一阶错动模态振型图

图4 一阶错动模态振型图

一阶扭转模态振型图

图5 一阶扭转模态振型图

一阶弯曲模态振型图

图6 一阶弯曲模态振型图

    (1)图4是频率为21.89Hz的整车一阶错动模态。错动的振幅出现在车身的前部。

    (2)图5是频率为30.09Hz的整体z向一阶扭转模态。顶棚振动幅度较大,是振型的腹部。

    (3)图6是频率为40.31Hz的整体一阶弯曲模态。车身前后会产生弯曲变形。

5 结论

    根据现有文献和相关统计资料,当轿车在正常路面上行驶时路面对汽车的激励频率低于20Hz,所以汽车车身的第一阶固有频率应该高于20Hz,以不低于23Hz为好。通过有限元计算和试验数据相比较,从结果来看,该车白车身一阶扭转频率为21.89Hz,比文献资料中的参考值稍高,同其它同型号面包车相比,这个频率比较低,所以应该采取改进措施,提高一阶频率,避免共振。

    通过对车身的结构进行模态分析,得到其模态频率和振型,有利于控制车身的固有特性,从而可以对车身设计方案进行全面的评价和改进。

责任编辑:程玥
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