車架的模態(tài)分析及優(yōu)化

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

Patian/Nastian對某型摩托車車架進(jìn)行了模態(tài)分析,獲得其低階固有頻率及振型,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比,驗(yàn)證了所建立有限元模型的正確性,在此基礎(chǔ)上,通過靈敏度分析選擇設(shè)計(jì)變量,并以車架重量最輕為目標(biāo)函數(shù),以固有頻率為約束條件,對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.

我國是摩托車生產(chǎn)和消費(fèi)的大國.隨著摩托車產(chǎn)銷量的增長和市場競爭的日益激烈,摩托車已從賣方市場向買方市場轉(zhuǎn)化,人們對摩托車的選擇余地增大,對其安全性、舒適性等性能的要求也越來越高,但我國對摩托車整車、車架的研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)水平相對較低,國產(chǎn)摩托車仍是以模仿為主,大多數(shù)摩托車企業(yè)仍停留在外觀的改進(jìn)設(shè)計(jì)或車架靜強(qiáng)度的測試,對車架的動態(tài)特性研究較少,正處于逐步重視階段.而車架作為一個(gè)彈性承載體,在行駛過程中會受到顯著的外部激勵(lì),其動態(tài)特性直接影響整車的行駛安全性和騎乘舒適性.因此,深人研究摩托車車架的動態(tài)特性,合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動態(tài)修改,是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié).

目前對車架的動態(tài)特性研究主要有2種方法:有限元法和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法,其中實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法應(yīng)用較多.雖然實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法可以準(zhǔn)確地測量出各階模態(tài),但是該方法無法對車架模型進(jìn)行變參數(shù)訓(xùn)算,由測點(diǎn)所表達(dá)的模態(tài)振型也沒有有限元模型形象.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代CAD/CAE技術(shù)發(fā)展迅速,大量的有限元軟件不斷涌現(xiàn),并廣泛應(yīng)用到工程分析中,極大地推動了工程結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的研究本文中首先用大型有限元軟件MSC . Nashan對摩托車車架進(jìn)行了模態(tài)分析,得出固有頻率和振型,并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析,證實(shí)了2種方法的結(jié)合能更有效地研究結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,然后選擇設(shè)計(jì)參數(shù)中對重量靈敏度系數(shù)較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,以前3階固有頻率為約束條件,進(jìn)行車架的減重優(yōu)化.

   1車架有限元模型的建立。

某型摩托車車架為低跨式車架,大部分由鋼管和鋼板焊接而成,主要由轉(zhuǎn)向立管、主管、左右后管、及發(fā)動機(jī)支撐組成.車架作為摩托車的骨架,將發(fā)動機(jī)、傳動部分、行車部分、操縱部分等有機(jī)地連結(jié)在一起,構(gòu)成一個(gè)整體,是一個(gè)大型的受力構(gòu)件,不僅要求有足夠強(qiáng)度和剛度,在重量、造型、穩(wěn)定性、舒適性等方面也要有相應(yīng)的要求,因此設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮.

    在幾何建模過程中,應(yīng)適當(dāng)簡化非重要的結(jié)構(gòu),影響車架動態(tài)特性顯著的主要結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量與原結(jié)構(gòu)保持一致.考慮到結(jié)構(gòu)中管厚與管長、板厚與板長相比很小,因此先將幾何模型抽取外表面,并進(jìn)行一些幾何修補(bǔ)和幾何清理,然后在MSC . Patcan中用shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.發(fā)動機(jī)支撐處加強(qiáng)桿用beam單元進(jìn)行模擬,梁板單元采用多點(diǎn)約束進(jìn)行連接.在整個(gè)網(wǎng)格劃分過程中始終遵從以下原則:①幾何形狀規(guī)則的部件采用映射網(wǎng)格劃分,保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量;②控制有限元網(wǎng)格的粗細(xì),在關(guān)鍵區(qū)域要適當(dāng)加密網(wǎng)格,關(guān)鍵區(qū)域和非關(guān)鍵區(qū)域之間的單元密度要逐漸變化;③盡量減少三角形單元的數(shù)量;④控制單元邊長比在I-3,并避免單元內(nèi)角大于1800的畸形單元;⑤部件之間的焊接采用在焊縫上合并節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬,由于幾何不協(xié)調(diào)使得網(wǎng)格劃分困難的個(gè)別連接部分也可采用多點(diǎn)約束進(jìn)行連接.

最后的有限元模型包括28 857個(gè)單元和28 975個(gè)節(jié)點(diǎn),其中包括2個(gè)beam單元、28 809個(gè)quad4單元、46個(gè)tri3單元.有限元模型如圖1所示.

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    2模態(tài)分析理論

摩托車車架可以離散成N自由度的線彈性系統(tǒng),其運(yùn)動微分方程為:

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    2.1有限元模態(tài)分析

在不考慮阻尼及外載的情況下,即[C]=0和{f(t)}=o時(shí),系統(tǒng)的無阻尼自由振動方程為如下形式:

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用MSC . Nastran求解式(4)即得車架的固有頻率和振型.在MSC. Nastran中提供了7種特征值提取方法,其中4種屬于變換法,2種屬于跟蹤法,還有1種是Lanczos方法. Lanczos方法是變換法和跟蹤法的結(jié)合.對摩托車模型,從計(jì)算精度和計(jì)算速度綜合考慮,采用Lanczos方法進(jìn)行求解比較合適.

2. 2實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

對于運(yùn)動微分方程(1),假設(shè)阻尼矩陣[C]可隨[M],[K]一起由主振型解禍,由拉著拉斯變換和振型矩陣的加權(quán)正交條件推出系統(tǒng)傳遞函數(shù)的模態(tài)展開式:

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    3模態(tài)分析

對于建立好的有限元模型,在MSC.Nashan中利用Lanczos方法提取前5階固有頻率,頻率范圍為0~250 Hz.為驗(yàn)證所建有限元模型的準(zhǔn)確性,又對實(shí)際的摩托車車架進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn),測試時(shí)車架的支撐方式為自由支撐,采用力錘單點(diǎn)激勵(lì)法,實(shí)驗(yàn)識別出車架前5階固有頻率.仿真與實(shí)驗(yàn)的頻率比較見表1,部分振型比較見圖2~5.

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由計(jì)算模態(tài)和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的結(jié)果比較可見,固有頻率相近,計(jì)算頻率和實(shí)驗(yàn)頻率的差值均在10%以內(nèi),一般來說,計(jì)算頻率要比實(shí)驗(yàn)頻率大,且階數(shù)越高兩者誤差越大;各階振型也比較相似,第1階模態(tài)振型均表現(xiàn)為一階彎曲,最大位移發(fā)生在車頭部、尾部及發(fā)動機(jī)懸掛部位,第2階模態(tài)振型均表現(xiàn)為一階扭轉(zhuǎn),最大位移發(fā)生在坐墊部位、尾架處,車頭部和發(fā)動機(jī)懸掛處位移較小.造成仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差的主要原因是:①離散車架結(jié)構(gòu)時(shí)造成的誤差,主要表現(xiàn)為計(jì)算模態(tài)與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)不同、模擬車架結(jié)構(gòu)的方式不同;②計(jì)算過程造成的誤差,計(jì)算模態(tài)忽略了車架的小阻尼,而實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中考慮了阻尼的作用,另外實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)在參數(shù)識別過程中數(shù)據(jù)處理也會造成誤差,而計(jì)算模態(tài)則不會.

雖然計(jì)算模態(tài)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果存在差異,但兩者基本吻合,誤差在允許范圍內(nèi),說明所建有限元模型其比較準(zhǔn)確的,可作為下一步優(yōu)化分析的模型.
4設(shè)計(jì)參數(shù)靈敏度分析

在有限元模態(tài)優(yōu)化分析中,靈敏度分析是最有效的分析方法之一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的靈敏度分析是指分析結(jié)構(gòu)性能參數(shù)Tj對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)變化xi的敏感性,表達(dá)式為:S=аTi/аxi構(gòu)的各設(shè)計(jì)變量對結(jié)構(gòu)性能的影響程度,可以用來初步確定需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)修改的參數(shù),避免了結(jié)構(gòu)修改的盲目性,提高了效率。

根據(jù)車架的實(shí)際結(jié)構(gòu)和有限元模型,初步選取12個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行重量靈敏度分析,結(jié)果見表2.

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    5車架優(yōu)化分析

優(yōu)化模型是以模態(tài)分析用的有限元模型為基礎(chǔ),同時(shí)包含目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量及約束條件等眾多優(yōu)化信息在內(nèi)的有限元模型.

    5.1目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變攝及約束條件的確定

為減輕車架重量,滿足輕量化設(shè)計(jì)要求,降低生產(chǎn)成本,確定車架重量最輕為目標(biāo)函數(shù).

選取重量靈敏度系數(shù)大于200的6個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)為獨(dú)立設(shè)計(jì)變量,對應(yīng)的偏移量為非獨(dú)立設(shè)計(jì)變量,在MSC . Nastran輸人文件中用DLINK卡片定義獨(dú)立與非獨(dú)立設(shè)計(jì)變量的關(guān)系.各設(shè)計(jì)變量均約束在適當(dāng)范圍內(nèi).

    在保證車架重量減少的前提下,約束前3階固有頻率基本不變,既在小范圍內(nèi)變化.

    5.2車架優(yōu)化分析及結(jié)果

在建立的優(yōu)化模型基礎(chǔ)上,生成MSC . Nastran輸入文件并利用MSC . Nastran SQL200求解器進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過4次優(yōu)化設(shè)計(jì)循環(huán),目標(biāo)函數(shù)收斂到最優(yōu)解.在前3階固有頻率基本不變的情況下,車架重量減少1.31噸,減少了約13%.各設(shè)計(jì)變量變化情況如圖6所示.

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該優(yōu)化結(jié)果是以車架的主要模態(tài)特性為約束條件得來的,設(shè)計(jì)變量控制在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)以滿足結(jié)構(gòu)靜力學(xué)條件,但如果考慮加人車架靜剛度為約束,同時(shí)結(jié)合各工況下的靜力學(xué)優(yōu)化分析,將會得到更完善的優(yōu)化結(jié)果.

    6結(jié)束語

在對摩托車車架進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上,建立了車架的有限元模型,進(jìn)行了動力學(xué)分析,并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對有限元模型進(jìn)行修正,使所建立的模型更符合摩托車車架的實(shí)際情況,為后續(xù)的響應(yīng)分析和優(yōu)化分析提供更準(zhǔn)確的模型基礎(chǔ).

對車架進(jìn)行優(yōu)化后,車架在保持低階固有頻率和振型等主要動力學(xué)參數(shù)變化不大的情況下,使車架的重量得到減輕,從而在摩托車的動力學(xué)性能變化不大的情況下,實(shí)現(xiàn)了摩托車的輕量化.

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