基于NASTRAN的汽车副车架模态频响分析

基于NASTRAN的汽车副车架模态频响分析

摘要:为研究副车架与发动机叠加共振对车体的影响,利用NASTRAN对副车架进行模态频响分析,得出测试点的响应值;对悬置进行动刚度扫频试验,结合悬置的动刚度曲线,为避开副车架与发动机因频率相近出现低阶频率耦合,而造成的副车架刚度下降提供验证指导,文章采用有限元技术与试验相结合的方式来进行验证。

关键词:副车架;频响分析;NVH

引言

副车架对汽车行驶时减小路面震动,改善车体结构,提高人员舒适性具有重大作用,其合适的刚度和强度在抵抗车体疲劳破坏方面意义重大,而连接副车架与发动机的悬置在隔绝汽车震动时,必须有良好的动静刚度,否则过硬过软不但会对车体造成受力不均,还容易引起车体振动,产生噪声,影响汽车稳定性及成员舒适性。文章对副车架及悬置进行动刚度分析,来验证发动机与副车架是否发生频率耦合而产生共振,同时也为悬置开发提供指导。

1 副车架模型建立及理论分析

1.1 有限元模型建立

由引言得知,为减缓发动机因自身激励带来的震动而与

副车架所受激励产生的震动叠加,需对连接两者的悬置进行动刚度试验,动刚度试验采用美国MTS公司研发产的831弹性体试验系统进行试验(悬置动刚度曲线为图8、图9、图10)。对副车架上的悬置安装点进行频响分析,再结合对悬置进行的扫频试验,根据频响分析结果与扫频所得的动刚度曲线来选择所需的悬置,防止叠加共振,产生放大效应,加速车架损坏。根据悬置的共振频率来避开发动机与副车架的叠加共振。

文章将对某轿车简化副车架进行频响分析,来确定副车架在路面激励的作用下对整车底盘及副车架如何避开发动

机工作时产生的激励频率,如图1为简化副车架有限元模型。

图1 副车架有限元模型

1.2 模态频响分析理论

模态频率响应分析是结构在外界激励作用下随时间的

响应[2]。模态频率响应分析是将n阶自由度系统的运动方程,进行一次坐标变换,用振型坐标代替原来的有限元节点坐标[1]。

对于模态法的频率响应问题,可以分成两步来求解,即第一步先结算结构的固有频率,第二步在已计算的固有频率基础上再进行频率响应的计算.根据振动微分方程

(1)

模态法首先进行模态分析得到系统的特征值?姿=?棕

12和响应特征向量。系统响应可表示为特征向量X和模态响应d的数量积,u=Xdei?棕t (2)

如若不考虑阻尼,运动方程可以使用特征向量变换到模态坐标系中[2],(3)

坐标变化的目的是用解除耦合的方法来简化方程的计算,同时大大减少方程的求解阶数。经过模态矩阵变换后,化为互不耦合的n个单自由度问题,进行逐个求解,在叠加到动力响应的结果[3]。

解耦后的方程为:

(4)

求得输出的频率响应函数即响应位移

根据以上理论,采用NASTRAN对副车架进行频响分析。

2 副车架有限元分析

2.1 约束及载荷施加

采用Nastran软件对副车架几个安装点施加单位载荷来模拟路面激励[5](方向均向

上),对发动机安装点(响应点) (id 34403)及副车架某点(响应点)(id 20668)进行频响分析,来考察安装点在激励方向上产生共振的频率范围及车架上某点的响应位移。如图2,副车架上选取的激励点与响应点[4]。

图2 激励点与响应点位置

图3 发动机悬置

2.2 频响结果分析

根据约束及施加的载荷,采用Hypermesh对副车架进行模态频响分析,如下图3、图4、图5所示,计算出发动机安装点的响应位移及共振时的动刚度曲线,可据此来选择发动机悬置,根据悬置在不同振幅下的动刚度来减缓发动机振动,以此避开与副车架的振动的频率。

图4 发动机安装点响应位移

图5 发生共振时,安装点的动刚度

图6 副车架46Hz共振云图

图7 id号为20668点的响应位移

图8 发动机悬置X向动刚度

(1)由图4、图7可知,当副车架受到单位载荷力时,在46Hz时,激励频率与副车架共振频率相近,产生共振,图6车架共振云图,由图可知,发动机安装点的位移变化不大,由图8、图9知是因为发动机悬置在65Hz才可能发生共振,避开了副车架的共振频率,由此可使发动机与副车架不能同时产生共振,减少车身振动。

(2)图8,图9、图10为发动机悬置在0-300Hz频率下,幅值分别为0.1mm、0.2mm时的X/Y/Z三个方向动刚度曲线,由图可知,发动机悬置共振频率跳过了46Hz,为60Hz,不会与副车架发生共振,在振动时刚度不会有明显下降,能改善发动机激励给副车架带来的震动,由图6可知,副车架响

应位移足够小,刚度变化也小,有效的提高了车辆的NVH性能和乘车舒适性。

(3)由图8、图9、图10试验研究发现,悬置的动刚度与振幅和频率有关,动刚度与幅值成反比,与频率成正比[5]。根据此关系可知,结合安装点的共振位移和动刚度,在设计开发发动机悬置时,可对悬置的静动刚度有整体认知,结合悬置隔振理论与频响分析,可减少开发成本。

3 结束语

根据对某副车架进行频响分析,得出副车架在外部激励下何时会产生共振及相应的频率响应,从而有助于对车架进行设计和通过对发动机悬置的改进及选取来避开两者的共

振频率,减小车身振动及对NVH的影响,采用仿真与试验相结合的方式,验证了该副车

架与发动机不会因频率耦合而引起共振,有助于提高开发效率,减少成本。

参考文献

[1]张敏.水平轴潮流发电水轮机传动系统动力学特性分析[D].哈尔滨工程大学,2012.

[2]冯博.基于有限元和多体动力学的轻型货车振动特性仿真分析

[D].合肥工业大学,2014.

[3]吴华杰.基于路面载荷的轿运车车架振动疲劳分析[D].扬州大学,2013.

[4]王国新.基于轮对――轨道模型的曲线尖叫噪声的有限元研究

[D].西南交通大学,2010,27(2):50-53.

[5]刘祖斌,刘英杰.发动机悬置设计中的动、静刚度参数研究[J].汽车技术,2008(6):21-23.