淺析承載式車身發(fā)動機機架模態(tài)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：張毅
為了保證承載式車身的固有頻率避開發(fā)動機以及其他外界激振的頻率范圍，從而保證其良好的工作性能，人們將發(fā)動機機架的模態(tài)分析作為新車設(shè)計中的重要內(nèi)容。本文將對某緊湊型汽車的車身發(fā)動機機架進行建模與分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化其固有頻率，避免發(fā)動機機架與路面及發(fā)動機產(chǎn)生共振。
1車身發(fā)動機機架有限元模型的建立
1.1建模原理
在模態(tài)分析過程中，有限元分析模型建立的好壞將直接影響到分析結(jié)果的精度，良好的有限元模型既要保證相應(yīng)的計算精度，又不至于計算量過大。在承載式車身發(fā)動機機架的建模過程中，應(yīng)使其具有足夠的準確性，并且要劃分良好的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但是模型又不宜過于復(fù)雜，否則會花費過多的人力物力，增加計算費用。
1.2有限元分析模型的建立
在三維建模軟件CATIA中建立某緊湊型汽車車身發(fā)動機機架的模型，如圖1所示。將發(fā)動機機架的三維模型導(dǎo)出為分析所用的IGES格式后，再導(dǎo)人到Hypermesh軟件中進行相應(yīng)的中面抽取。發(fā)動機機架由多個部件組成，大部分部件都是由鈑金件沖壓形成，故模型相對復(fù)雜。又由于分析軟件自身的局限性，抽取的中面會出現(xiàn)一定的錯誤，故對發(fā)動機機架模型的中面進行相應(yīng)的幾何清理與修復(fù)。
考慮到承載式白車身的發(fā)動機機架采用薄壁鈑金件材料，基于有限元分析理論，采用二維殼單元對其進行仿真分析�？紤]到車身發(fā)動機機架構(gòu)件的復(fù)雜性，故對其部件進行逐個劃分并分別在不同的管理層管理，網(wǎng)格劃分后得到83 671個單元和82 154個節(jié)點。
網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到分析結(jié)果，劃分不合理的網(wǎng)格甚至會出現(xiàn)軟件報錯現(xiàn)象，故需進行網(wǎng)格的質(zhì)量檢查。在Hypermesh中控制網(wǎng)格的標準為：warpage>5，O，jacobian<0.6，taper>0.5；四邊形網(wǎng)格角度控制為：min angle<45，max angle>135；三角形單元角度控制為：min angle<20，max angle>120。經(jīng)過相應(yīng)的檢查和修改，網(wǎng)格質(zhì)量達到了計算要求。
車身發(fā)動機的機架一般采用一種材料的鈑金件焊接完成，在此將材料定義為結(jié)構(gòu)鋼( Q235)，彈性模量E-2. 12×10s MPa，泊松比為0.288，密度為7. 86 g/cm3。模型的材料屬性定義完成后，在軟件中對單元類型和厚度等進行相應(yīng)的定義，最終更新后，軟件自動將定義的屬性賦予模型。
由于之前劃分網(wǎng)格在不同的管理層內(nèi)，各部件之間無法傳遞力和位移，故要對部件之間進行裝配。本文分析的車身發(fā)動機機架采用焊接和螺栓連接，最終在Hypermesh軟件中建立完成的車身發(fā)動機機架有限元模型如圖2所示。
2仿真分析
2.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)
在實際的結(jié)構(gòu)動力學分析過程中，會把一個連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成為具有n個自由度的相應(yīng)離散系統(tǒng)。而對于具有任意黏性阻尼的系統(tǒng)，矩陣為n×n維矩陣，振動微分方程的一般形式為：
其中：[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣；{u}和{u）分別為系統(tǒng)的位移和加速度向量。假設(shè)系統(tǒng)中劃分的質(zhì)量塊做同頻率與同相位的簡諧振動，則：
其中：w為振動頻率；{A）為激勵的振動向量；妒為相位。
將式(1)、式(2)合并得到：
式(4)為本系統(tǒng)的特征矩陣。為求特征值，令所求的特征矩陣行列式為零，即：
由特征矩陣可以求得n個特征值，把這些特征值開放后可以得到系統(tǒng)的n個固有頻率。特征值開方后由小到大依次為第1階，第2階，…，第n階系統(tǒng)固有頻率。
2.2模態(tài)求解
將Hypermesh中建好的有限元模型以cdb格式導(dǎo)出，然后倒入Patran中，提取發(fā)動機機架的前14階模態(tài)，設(shè)置好求解卡片后提交Patran求解器進行求解。
3結(jié)果分析
3.1模態(tài)分析
調(diào)用Patran模態(tài)分析模塊，求解完成提取相應(yīng)的特征值以及各階模態(tài)變形云圖�？紤]到環(huán)境的影響，本文分析模態(tài)只提取了發(fā)動機機架的前14階模態(tài)振型進行分析。由于部件具有6個自由度，故有6個剛體模態(tài)，計算求得的結(jié)果接近零，符合理論上前6階模態(tài)都為零。而其余的7階～14階模態(tài)相關(guān)振型描述和固有頻率計算值如表1所示。
3.2振型分析
此緊湊型車身發(fā)動機機架7階～14階的模態(tài)振型云圖如圖3所示。
在實際的汽車行駛過程中，所產(chǎn)生的激勵主要來自于所行駛的路面狀況、所使用的發(fā)動機型號以及傳動軸的不平衡等因素。本文分析的為緊湊型轎車，多行駛在高速公路和一般城市的路面，其激勵多為3 Hz以下。而本車型的發(fā)動機所引起的激勵一般為35 Hz以上，與其他幾個因素相比所占的激勵分量較大，而其他激勵對車身發(fā)動機機架的分量較小。故車身發(fā)動機機架的主要振型應(yīng)出現(xiàn)在3 Hz～35 Hz的范圍內(nèi)，以避免與路面和發(fā)動機產(chǎn)生共振。
4結(jié)論
本車型為普通的城市緊湊型轎車，城市中一般車速控制在50 km/h～80 km/h，高速公路上的車速一般控制在120 km/h以下，發(fā)動機引起的激勵在35 Hz以上。故通過分析可以判定發(fā)動機工作產(chǎn)生的激勵不會引起發(fā)動機機架的共振，安全可靠。
從振型云圖可以看出，車身發(fā)動機機架在較低頻率激勵的作用下變形主要集中在左、右懸臂和前懸架。當固有頻率的值在17 Hz以下時，所產(chǎn)生的變形主要集中在左右懸臂上；而當固有頻率的值在17 Hz以上時，所產(chǎn)生的變形主要集中在前懸架上。為了使發(fā)動機機架更加平穩(wěn)地工作，需要對發(fā)動機機架的左、右懸臂及前臂進行優(yōu)化。
5摘要：基于三維建模軟件CATIA建立某承載式車身發(fā)動機機架模型，將其導(dǎo)入Hypermesh軟件中建立有限元模型，利用Patran軟件對此發(fā)動機機架進行模態(tài)分析，得到其固有頻率和相應(yīng)的各階振型。結(jié)果表明，此型號發(fā)動機機架不會因路面顛簸及發(fā)動機顫振產(chǎn)生共振，安全性能可靠。
