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基于HyperWorks频响、拓扑功能的保险杠优化设计

2015/7/21    来源:Altair    作者:姜迪  闫鑫  徐中皓      
关键字:CAE  HyperWorks  有限元分析  拓扑优化  
本文基于技术中心某款卡车开发项目,采用Altair公司的HyperWorks软件为有限元分析软件,实现优化驱动的产品设计过程ODDP(OptimizationDrivenDesignProcess)。

1 引言

    用户对卡车性能要求不断提高,以往的强度、刚度在静态载荷下的分析一般都会满足要求,但是在实车运行中又会出现问题,而出现这种情况的原因是没有考虑其动态因素。动态因素中一种是基于交变载荷状态下的疲劳破坏,而另一种是在某激振频率下的共振破坏。在概念设计阶段,我们首要的动态分析内容就是结构模态分析,其目的在于优化其结构以控制其模态频率和模态振型,以避免其在低频激振频率下引起其共振破坏。而本文就是针对某卡车的保险杠,在开发过程中所采用的CAE分析方法,同时对保险杠中部进行拓扑优化,为设计人员提供更好的设计方案。

2 保险杠开发过程中CAE分析方法

2.1模态控制

    模态分析的经典定义即将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标进行坐标转换变成模态坐标,从而使得方程组解耦,成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数。自由模态分析的基本理论为:

    对于一个N自由度线性定常系统,其运动方程可以写成:

公式1 自由模态分析的运动方程

公式1 自由模态分析的运动方程

    进行模态分析时,要求解的是固有频率和振型参数固有模态,与外载无关,即F=0,则得到系统的自由振动方程。在计算系统的固有频率和固有振型时,结构阻尼的影响很小,可以忽略不计,这时无阻尼自由振动的运动方程为

公式2 无阻尼自由振动的运动方程

公式2 无阻尼自由振动的运动方程

    其对应的特征方程为

公式3 无阻尼自由振动的特征方程

公式3 无阻尼自由振动的特征方程

    本文以某重型卡车保险杠为例,采用约束模态分析,对保险杠与驾驶室连接处进行六自由度全约束,计算保险杠模态频率和振型。

图1 保险杠模型和边界条件

图1 保险杠模型和边界条件

    对于商用车驾驶室附件结构进行数值模态分析时,一般遵循几个原则:

    1)结构在外界激励下的振动是各阶模态振型叠加的结果,而对振动的主要贡献来自其前几阶的整体模态,所以在进行模态分析时要着重考虑它的低阶整体模态,低阶模态频率一般小于50Hz,而高频振动往往是结构的一些局部振动,外界的低频激励还不足以对其高阶固有频率造成局部共振。

    2)通过数值模态分析,若观察到低频范围内出现某些局部振型,首要解决有限元建模的不合理处,如缺少局部连接等问题,再去分析结构上的薄弱环节,查找振动原因。

    保险杠模态分析结果

表1 模态结果

表1 模态结果

    通过模态分析结果可知,一阶模态24Hz,二阶模态25Hz,五阶模态48Hz,振型为X、Z向振动,均为保险杠踏板的整体振型,并无局部异常振型。所以在后续的扫频振动分析中需关注X与Z向振动。

2.2静态强度、刚度控制

    在静力分析过程中主要分析踩踏工况。在保险杠中部施加载荷F。

图2 踩踏工况边界条件及载荷示意图

图2 踩踏工况边界条件及载荷示意图

责任编辑:吴星星
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