搜索車架的模態(tài)分析及優(yōu)化
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
Patian/Nastian對某型摩托車車架進行了模態(tài)分析,獲得其低階固有頻率及振型,并與實驗結果對比,驗證了所建立有限元模型的正確性,在此基礎上,通過靈敏度分析選擇設計變量,并以車架重量最輕為目標函數(shù),以固有頻率為約束條件,對車架結構進行了優(yōu)化.
我國是摩托車生產(chǎn)和消費的大國.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、設計和開發(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設計或車架靜強度的測試,對車架的動態(tài)特性研究較少,正處于逐步重視階段.而車架作為一個彈性承載體,在行駛過程中會受到顯著的外部激勵,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,合理進行結構的動態(tài)修改,是設計的一個重要環(huán)節(jié).
目前對車架的動態(tài)特性研究主要有2種方法:有限元法和實驗模態(tài)分析方法,其中實驗模態(tài)分析方法應用較多.雖然實驗模態(tài)分析方法可以準確地測量出各階模態(tài),但是該方法無法對車架模型進行變參數(shù)訓算,由測點所表達的模態(tài)振型也沒有有限元模型形象.隨著計算機技術的飛速發(fā)展,現(xiàn)代CAD/CAE技術發(fā)展迅速,大量的有限元軟件不斷涌現(xiàn),并廣泛應用到工程分析中,極大地推動了工程結構動態(tài)特性的研究本文中首先用大型有限元軟件MSC . Nashan對摩托車車架進行了模態(tài)分析,得出固有頻率和振型,并和實驗結果對比分析,證實了2種方法的結合能更有效地研究結構的動態(tài)特性,然后選擇設計參數(shù)中對重量靈敏度系數(shù)較大的結構參數(shù)為設計變量,以前3階固有頻率為約束條件,進行車架的減重優(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)動機支撐組成.車架作為摩托車的骨架,將發(fā)動機、傳動部分、行車部分、操縱部分等有機地連結在一起,構成一個整體,是一個大型的受力構件,不僅要求有足夠強度和剛度,在重量、造型、穩(wěn)定性、舒適性等方面也要有相應的要求,因此設計時必須綜合考慮.
在幾何建模過程中,應適當簡化非重要的結構,影響車架動態(tài)特性顯著的主要結構應盡量與原結構保持一致.考慮到結構中管厚與管長、板厚與板長相比很小,因此先將幾何模型抽取外表面,并進行一些幾何修補和幾何清理,然后在MSC . Patcan中用shell單元進行網(wǎng)格劃分.發(fā)動機支撐處加強桿用beam單元進行模擬,梁板單元采用多點約束進行連接.在整個網(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,在關鍵區(qū)域要適當加密網(wǎng)格,關鍵區(qū)域和非關鍵區(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)點進行模擬,由于幾何不協(xié)調(diào)使得網(wǎng)格劃分困難的個別連接部分也可采用多點約束進行連接.
最后的有限元模型包括28 857個單元和28 975個節(jié)點,其中包括2個beam單元、28 809個quad4單元、46個tri3單元.有限元模型如圖1所示.
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),其運動微分方程為:
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,系統(tǒng)的無阻尼自由振動方程為如下形式:
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合.對摩托車模型,從計算精度和計算速度綜合考慮,采用Lanczos方法進行求解比較合適.
2. 2實驗模態(tài)分析
對于運動微分方程(1),假設阻尼矩陣[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正交條件推出系統(tǒng)傳遞函數(shù)的模態(tài)展開式:
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.為驗證所建有限元模型的準確性,又對實際的摩托車車架進行了模態(tài)實驗,測試時車架的支撐方式為自由支撐,采用力錘單點激勵法,實驗識別出車架前5階固有頻率.仿真與實驗的頻率比較見表1,部分振型比較見圖2~5.
由計算模態(tài)和實驗模態(tài)的結果比較可見,固有頻率相近,計算頻率和實驗頻率的差值均在10%以內(nèi),一般來說,計算頻率要比實驗頻率大,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)動機懸掛處位移較小.造成仿真與實驗結果誤差的主要原因是:①離散車架結構時造成的誤差,主要表現(xiàn)為計算模態(tài)與實驗模態(tài)節(jié)點數(shù)不同、模擬車架結構的方式不同;②計算過程造成的誤差,計算模態(tài)忽略了車架的小阻尼,而實驗模態(tài)中考慮了阻尼的作用,另外實驗模態(tài)在參數(shù)識別過程中數(shù)據(jù)處理也會造成誤差,而計算模態(tài)則不會.
雖然計算模態(tài)結果和實驗模態(tài)結果存在差異,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確的,可作為下一步優(yōu)化分析的模型.
4設計參數(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構設計中的靈敏度分析是指分析結構性能參數(shù)Tj對結構設計參數(shù)變化xi的敏感性,表達式為:S=аTi/аxi構的各設計變量對結構性能的影響程度,可以用來初步確定需要進行結構動態(tài)修改的參數(shù),避免了結構修改的盲目性,提高了效率。
根據(jù)車架的實際結構和有限元模型,初步選取12個結構參數(shù)進行重量靈敏度分析,結果見表2.
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,同時包含目標函數(shù)、設計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目標函數(shù)、設計變攝及約束條件的確定
為減輕車架重量,滿足輕量化設計要求,降低生產(chǎn)成本,確定車架重量最輕為目標函數(shù).
選取重量靈敏度系數(shù)大于200的6個設計參數(shù)為獨立設計變量,對應的偏移量為非獨立設計變量,在MSC . Nastran輸人文件中用DLINK卡片定義獨立與非獨立設計變量的關系.各設計變量均約束在適當范圍內(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)化分析及結果
在建立的優(yōu)化模型基礎上,生成MSC . Nastran輸入文件并利用MSC . Nastran SQL200求解器進行計算。經(jīng)過4次優(yōu)化設計循環(huán),目標函數(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%.各設計變量變化情況如圖6所示.
該優(yōu)化結果是以車架的主要模態(tài)特性為約束條件得來的,設計變量控制在經(jīng)驗范圍內(nèi)以滿足結構靜力學條件,但如果考慮加人車架靜剛度為約束,同時結合各工況下的靜力學優(yōu)化分析,將會得到更完善的優(yōu)化結果.
6結束語
在對摩托車車架進行綜合分析的基礎上,建立了車架的有限元模型,進行了動力學分析,并通過實驗結果對有限元模型進行修正,使所建立的模型更符合摩托車車架的實際情況,為后續(xù)的響應分析和優(yōu)化分析提供更準確的模型基礎.
對車架進行優(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性能變化不大的情況下,實現(xiàn)了摩托車的輕量化.
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