ZGT6739DS城市客車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

顧響中

（江蘇友誼汽車有限公司，江蘇 張家港 215622）

1 引言

每一種結(jié)構(gòu)都有其固有的振動(dòng)特性，即模態(tài)。而每一個(gè)模態(tài)又具有其特定的固有頻率、固有阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)都可以通過(guò)計(jì)算或者試驗(yàn)獲得，這個(gè)過(guò)程即為模態(tài)分析。通過(guò)對(duì)若干階次的模態(tài)進(jìn)行線性疊加，即可得到一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的振動(dòng)特性。在這個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)特性中，有些階次的模態(tài)起主要作用，而有些階次則起次要作用；有些階次的模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，而有些階次的模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)則影響很小。如何對(duì)這些不同階次的結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行區(qū)分，成為認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性的關(guān)鍵。通過(guò)模態(tài)分析，可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，還可以為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面[1-3]：評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)；診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。

模態(tài)分析根據(jù)采用方法的不同，又可以分為計(jì)算模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[4]。計(jì)算模態(tài)分析又叫解析模態(tài)分析，它是通過(guò)有限元計(jì)算分析的方法完成的。而試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析則是通過(guò)試驗(yàn)將采集到的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)通過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)的方法。一般在實(shí)際的工程應(yīng)用中，則是兩種方法結(jié)合運(yùn)用。首先通過(guò)計(jì)算模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)一定階次的頻率值和振型情況，再通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文應(yīng)用計(jì)算模態(tài)分析方法。

2 建模及分析

在建立幾何模型及有限元模型時(shí)，主要進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化[5-6]：

1）略去車身骨架蒙皮；略去一些非承載件，如擋風(fēng)窗玻璃、車門、座椅等，但是仍保留這些結(jié)構(gòu)件的重力作用。

2）對(duì)車頂及側(cè)圍部分的一些曲率較小的構(gòu)件近似看作直梁來(lái)處理。

3）對(duì)于車架部分某些多層結(jié)構(gòu)件采用較厚材料屬性的單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

4）整個(gè)客車骨架結(jié)構(gòu)存在大量的縱橫梁交叉連接處，對(duì)于這些接頭位置的焊接連接采用合并節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行模擬。

5）不考慮焊接處材料特性的變化，認(rèn)為焊縫處材料屬性與母材屬性相同。

在有限元計(jì)算軟件Nastran中，設(shè)置自由模態(tài)計(jì)算工況的各個(gè)參數(shù)。這里計(jì)算前十階模態(tài)。通過(guò)計(jì)算得到的該客車骨架結(jié)構(gòu)模型前十階頻率值，如表1所示；同時(shí)還可以通過(guò)后處理軟件提取出各個(gè)階次的振型圖，前三階振型圖如圖1-圖3所示。

表1 自由振動(dòng)各階頻率值

通過(guò)對(duì)車身骨架結(jié)構(gòu)前十階頻率數(shù)值以及對(duì)應(yīng)的振型圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，第四階和第五階的頻率值非常接近，第八階和第九階的頻率值也非常接近，這就表明在這兩個(gè)階次車輛有可能會(huì)由于振動(dòng)出現(xiàn)問(wèn)題；通過(guò)對(duì)振型圖及動(dòng)畫的分析發(fā)現(xiàn)，在車輛的縱梁中部存在剛度過(guò)渡不均衡的問(wèn)題。此處的問(wèn)題應(yīng)該引起設(shè)計(jì)人員的重視；汽車行駛時(shí)，由于路面不平而引起的運(yùn)動(dòng)學(xué)激勵(lì)多屬于5 Hz～20 Hz的垂直振動(dòng)。汽車行駛過(guò)程中，激勵(lì)主要來(lái)自于路面、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸不平衡等。因而首先了解這些激勵(lì)源的頻率是分析的基礎(chǔ)。路面激勵(lì)隨道路條件決定，高速公路和城市較好路面，此激勵(lì)多在3 Hz以下，車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11 Hz[7-9]。該車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速速度為700 r/min，因此，相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)頻率為23.3 Hz，經(jīng)常使用的車速是80 km/h，傳動(dòng)軸不平衡的彎曲振動(dòng)頻率為46 Hz左右。因此，要求車身的低階頻率應(yīng)在11 Hz以上，并且避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)頻率23.3 Hz，遠(yuǎn)離傳動(dòng)軸不平衡的振動(dòng)頻率46 Hz[10-12]。

[1]譚繼錦.汽車有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]李曉雷,俞德孚,孫逢春.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]黃天澤,黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：223-244.

[4]顧培英，鄧昌，吳福生.結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及其損傷診斷[M].南京：東南大學(xué)出版社，2008.

[5]黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[6]孫凌玉.汽車車身動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理論與應(yīng)用研究[D].南京：東南大學(xué)，2000.

[7]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[8]屈求真.轎車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析與評(píng)價(jià)[J].汽車工程，1996，13（3）：148-151.

[9]譚繼錦，張代勝，陳朝陽(yáng).汽車結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.11:185-191.

[10]王羽亮，任國(guó)峰，王健.LCK6890G城市客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析[J].客車技術(shù)與研究，2008，30（5）：5-8.

[11]馮磊，郭世永，徐斌.基于MSC.Nastran的客車車架動(dòng)態(tài)特性分析[J].客車技術(shù)與研究，2009，31（3）：10-11.

[12]張怡，朱玉強(qiáng).管梁式車身骨架模態(tài)試驗(yàn)與有限元模態(tài)分析對(duì)比[J].公路與汽運(yùn)，2011，（2）