搜索基于HyperMesh的FSC車架自由模態(tài)分析
2016-11-04 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要:車架是汽車的承載骨架,同時(shí)也為車手提供安全保障。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)資料和在以往車型優(yōu)化的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出本屆車架結(jié)構(gòu),利用CATIA進(jìn)行三維建模,將模型導(dǎo)入HyperMesh中,進(jìn)行自由模態(tài)仿真分析,得出前16階固有頻率和振型,并驗(yàn)證了車架固有頻率是否避開了激振的頻率范圍,評(píng)價(jià)車架設(shè)計(jì)的合理性,提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,避免車架的反復(fù)加工,同時(shí)也為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
引言
FSC中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽是SAE美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)主辦的挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造和駕駛小型方程式賽車的國(guó)際性賽事FSAE的中國(guó)賽,第一屆于2010在上海舉辦。其規(guī)則要求所制造的賽車具有良好的加速性、制動(dòng)性、操控性和安全性。
賽車在道路上行駛時(shí),由于路面不平整、車輪不平衡會(huì)使車架產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)工作會(huì)使車架產(chǎn)生周期性受迫振動(dòng)。當(dāng)車架的某階固有頻率與激振頻率相接近時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振的現(xiàn)象,嚴(yán)重的話會(huì)對(duì)車架造成損壞。為了避免這種情況的發(fā)生,對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析就顯得尤為必要。確定車架的固有頻率和振型,驗(yàn)證其固有頻率是否避開上述振源的激勵(lì)頻率。本文首先使用CATIA軟件進(jìn)行車架三維模型的建立,在HyperMesh中利用梁?jiǎn)卧M(jìn)行自由模態(tài)分析,最終得到前16階固有頻率與振型,驗(yàn)證車架設(shè)計(jì)的合理性。
1 模態(tài)分析理論
模態(tài)分析,即分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能,根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特征,包括頻率、阻尼和模態(tài)振型這些動(dòng)力學(xué)屬性去描述結(jié)構(gòu)的過程。模態(tài)分析有自由模態(tài)分析和工作模態(tài)分析兩種方法,本文對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析,即忽略車架所受的外部載荷。其主要用于決定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,這是動(dòng)態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),因此對(duì)車架進(jìn)行固有特性的模態(tài)分析是很有必要的。
模態(tài)是多自由度系統(tǒng)按照固有頻率振動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出來的振動(dòng)形態(tài),振型是結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)各節(jié)點(diǎn)位移比例關(guān)系的表征。對(duì)于一個(gè)多自由度線性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),其運(yùn)動(dòng)微分方程為[3-5]:
2 車架分析模型
2.1 車架幾何模型
幾何模型是進(jìn)行數(shù)值仿真的前提,FSC賽車結(jié)構(gòu)主要包括:主環(huán)、前環(huán)、側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、前隔板、前隔板斜撐、肩帶安裝桿、主環(huán)斜撐。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)資料和在以往車型優(yōu)化的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出本屆車架的結(jié)構(gòu)模型,利用CATIA三維制圖軟件畫出車架的整體線架模型如圖(2)所示,車架實(shí)體模型如圖(2)所示,其中車架主要桿件均為環(huán)形,主環(huán)和前環(huán)尺寸為25.4*2.4,藍(lán)色桿件尺寸為25.4*1.6,綠色桿件尺寸為25.4*1.25。
圖1 車架三維線架模型
圖2車架三維實(shí)體模型
2.2 材料屬性
車架桿件材料牌號(hào)4130鋼(國(guó)內(nèi)牌號(hào)30CrMo),彈性模量為205GPa,泊松比0.29,密度78503/mkg,屈服強(qiáng)度785MPa。通過軟件模擬出車架質(zhì)量為27.793kg。
2.3 網(wǎng)格劃分
車架主要由鋼管焊接而成、結(jié)構(gòu)規(guī)則,將CATIA三維線架模型導(dǎo)入HyperMesh,簡(jiǎn)化不影響分析的結(jié)構(gòu),進(jìn)行一維梁?jiǎn)卧W(wǎng)格劃分,快速建立高質(zhì)量CAE分析模型。在1D-HyperBeam中輸入相應(yīng)的桿件截面,完成車架網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格質(zhì)量檢查包括:單元連續(xù)性檢查、單元的法線方向的檢查、重復(fù)單元的檢查和單元各項(xiàng)質(zhì)量檢查等,網(wǎng)格質(zhì)量良好,劃分結(jié)果如圖(3)所示。
圖3車架網(wǎng)格劃分模型
3 自由模態(tài)分析結(jié)果
自由模態(tài)分析,由于沒有對(duì)車架施加約束和載荷,前6階為剛體振動(dòng),固有頻率在0Hz附近,剛體模態(tài)對(duì)于整體的影響可以忽略不計(jì)。剔除這些模態(tài)頻率。提取車架前6階非0固有頻率和振型如表(1)、車架前16階非0固有頻率振型圖如圖(4)所示。
表1車架前6階非0固有頻率和振型
圖4 車架前16階非0固有頻率振型圖
(a)第7階振型圖;(b)第8階振型圖;(c)第9階振型圖;
(d)第10階振型圖;(e)第11階振型圖;(f)第12階振型圖;
(g)第13階振型圖;(h)第14階振型圖;(i)第15階振型圖;
(j)第16階振型圖。
4 自由模態(tài)結(jié)果驗(yàn)證
汽車在行駛時(shí)車架受到的外部激振源主要有兩種:一種是由于路面不平度所造成的車輪不平衡激振1-20Hz之間;另一種是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),工作沖程燃燒爆發(fā)壓力和活塞往復(fù)慣性力引起的簡(jiǎn)諧激勵(lì),該賽車采用發(fā)動(dòng)機(jī)為本田CBR600,在限制進(jìn)氣以后的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)11000r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)轉(zhuǎn)速為2000r/min,常用的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6000-10000r/min,根據(jù)頻率計(jì)算公式:
式(5)中:z發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù);τ發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù);n發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率為67Hz,常用的激勵(lì)頻率范圍是200-333Hz。
此外車架低階頻率(即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值)應(yīng)不同于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和非簧載質(zhì)量的固有頻率,以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象車架的彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作的頻率范圍;車架振型應(yīng)盡量光滑,避免有突變。
5 結(jié)束語(yǔ)
車架的一階扭轉(zhuǎn)固有頻率34.61Hz、一階彎曲固有頻率69.98Hz避開了賽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率且一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值錯(cuò)開在3Hz以上有效的避免了彎曲扭轉(zhuǎn)的耦合效應(yīng);且車架結(jié)構(gòu)的前16階彈性振動(dòng)固有頻率在30~140Hz左右,高于路面不平度所造成的車輪不平衡激振20Hz,低于發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作頻率200-333Hz,共振現(xiàn)象得到了很大程度上的避免,各階振型變化平穩(wěn)光滑,具有良好動(dòng)態(tài)特性,該賽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。
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