基于模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷法提高副車架結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度方法研究

蔣超，楊寧寧

(1.華晨寶馬汽車有限公司技術(shù)與質(zhì)量管理部，遼寧沈陽 110143；2.華晨汽車工程研究院底盤部,遼寧沈陽 110141)

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基于模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷法提高副車架結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度方法研究

蔣超1，楊寧寧2

(1.華晨寶馬汽車有限公司技術(shù)與質(zhì)量管理部，遼寧沈陽 110143；2.華晨汽車工程研究院底盤部,遼寧沈陽 110141)

摘要：針對(duì)某型車底盤開發(fā)設(shè)計(jì)過程中副車架與擺臂前安裝點(diǎn)動(dòng)剛度偏低的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運(yùn)用模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷方法研究了影響副車架動(dòng)剛度的主要模態(tài)成分，并通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應(yīng)變能分布判斷影響副車架動(dòng)剛度的主要區(qū)域。通過優(yōu)化這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了副車架動(dòng)剛度的提高，從而達(dá)到了目標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞：副車架；動(dòng)剛度；模態(tài)貢獻(xiàn)量; 應(yīng)變能

0引言

針對(duì)在某型車底盤開發(fā)設(shè)計(jì)過程中副車架與擺臂前安裝點(diǎn)動(dòng)剛度偏低的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運(yùn)用模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷方法研究了影響副車架動(dòng)剛度的主要的模態(tài)成分，并通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應(yīng)變能分布判斷影響副車架動(dòng)剛度的主要區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)了副車架動(dòng)剛度的提高，從而達(dá)到了目標(biāo)的要求。

1副車架動(dòng)剛度計(jì)算

首先采用HyperWorks軟件[1]的Hypermesh模塊建立副車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用Optistruct[2]求解器對(duì)分析模型進(jìn)行求解，如圖1所示。

基于上述有限元模型計(jì)算得到副車架與擺臂前安裝點(diǎn)分別在X方向、Y方向、Z方向的動(dòng)剛度[3]，如圖2所示，從仿真結(jié)果中可以看出：X方向的動(dòng)剛度遠(yuǎn)大于目標(biāo)值。在50～250 Hz之內(nèi)，該副車架與擺臂前安裝點(diǎn)在Y方向的最小動(dòng)剛度為5 800 N/mm，發(fā)生在頻率為225 Hz的位置處，該段附近的動(dòng)剛度小于目標(biāo)值6 000 N/mm。同樣地，Z方向的動(dòng)剛度在頻率為223 Hz的位置處動(dòng)剛度最小達(dá)到3 200 N/mm，不滿足目標(biāo)值5 000 N/mm的要求。因此，接下來作者首先運(yùn)用模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷方法研究了影響副車架動(dòng)剛度的主要模態(tài)成分，然后通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應(yīng)變能分布判斷影響副車架動(dòng)剛度的主要區(qū)域。通過優(yōu)化這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了副車架動(dòng)剛度的提高，從而達(dá)到了目標(biāo)的要求。

2副車架動(dòng)剛度模態(tài)貢獻(xiàn)量分析

在副車架與擺臂前安裝點(diǎn)動(dòng)剛度計(jì)算中設(shè)置模態(tài)貢獻(xiàn)量[4]參數(shù)輸出，用于研究影響副車架動(dòng)剛度的主要模態(tài)成分。由圖3可知：X方向的最大位移即最小動(dòng)剛度發(fā)生在頻率為219 Hz位置處，其中第29階模態(tài)(2 652 Hz)和第2階模態(tài)(226 Hz)的貢獻(xiàn)量最大，分別占28%和22%。由于第29階模態(tài)(2 652 Hz)為高階模態(tài)，其振動(dòng)形式為副車架與擺臂前安裝點(diǎn)局部區(qū)域本身的振動(dòng)，可以忽略。由圖4可知：Y方向的最大位移即最小動(dòng)剛度發(fā)生在頻率為225 Hz位置處，其中第2階模態(tài)(226 Hz)的貢獻(xiàn)量最大，占92%。由圖5可知：Z方向的最大位移即最小動(dòng)剛度發(fā)生在頻率為223 Hz位置處，其中第2階模態(tài)(226 Hz)的貢獻(xiàn)量最大，占72%。

綜上所述，運(yùn)用模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷方法可以看出副車架第2階模態(tài)(226 Hz)對(duì)副車架與擺臂前安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度模態(tài)貢獻(xiàn)量最大。因此，副車架第2階模態(tài)的應(yīng)變能分布需要被研究，從而找到影響副車架動(dòng)剛度的主要區(qū)域。通過更改這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了副車架動(dòng)剛度的提高，從而達(dá)到了目標(biāo)的要求。

3副車架應(yīng)變能分布

第2節(jié)中運(yùn)用模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷方法可以看出副車架第2階模態(tài)(226 Hz)對(duì)副車架與擺臂前安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度模態(tài)貢獻(xiàn)量最大。因此文中又通過模態(tài)分析方法考察了副車架在第2階模態(tài)(226 Hz)的應(yīng)變能分布，應(yīng)變能較高的位置變形較大，剛度較低，從而可以通過提高這些位置的剛度來提高副車架整體的動(dòng)剛度。由圖6可以看出：副車架在第2階模態(tài)(226 Hz)有3處應(yīng)變能較高：第1處為副車架與車身中間連接位置；第2處為副車架后側(cè)拐角位置；第3處為副車架與車身后端連接位置。

4副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)

通過對(duì)副車架與擺臂前安裝點(diǎn)動(dòng)剛度模態(tài)貢獻(xiàn)量與應(yīng)變能分布的分析，找到了3處關(guān)鍵區(qū)域?qū)Ω避嚰軇?dòng)剛度影響較大。因此分別針對(duì)這3處區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)。第1處為副車架與車身后端連接位置，該位置采用形狀優(yōu)化的方法改變后點(diǎn)的位置；第2處為副車架后側(cè)拐角位置，該位置采用形狀優(yōu)化的方法改變拐角位置局部形狀；第3處為副車架與車身中間連接位置，該位置為管狀結(jié)構(gòu)，將其厚度作為設(shè)計(jì)變量。采用HyperWorks軟件[1]Optistruct模塊綜合采用形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化2種方法對(duì)副車架進(jìn)行優(yōu)化分析。設(shè)計(jì)變量設(shè)置如圖7所示。分別將擺臂前點(diǎn)Y和Z方向位移最小化即動(dòng)剛度最大化作為目標(biāo)，優(yōu)化迭代過程曲線分別如圖8和圖9所示。從圖8中可以看出：設(shè)計(jì)變量1和設(shè)計(jì)變量2與擺臂前點(diǎn)Y方向位移成反比關(guān)系，因此副車架與車身后端連接位置向前移動(dòng)有利于Y方向動(dòng)剛度提升，副車架后側(cè)拐角向內(nèi)收縮有利于Y方向動(dòng)剛度提升。從圖9可以看出：設(shè)計(jì)變量1和設(shè)計(jì)變量3與擺臂前點(diǎn)Z方向位移成反比關(guān)系，因此副車架與車身后端連接位置向前移動(dòng)有利于Z方向動(dòng)剛度提升，副車架與車身中間連接位置管狀結(jié)構(gòu)厚度增加有利于Z方向動(dòng)剛度提升。

綜合上述結(jié)論，最終將副車架擺臂后點(diǎn)向前移動(dòng)10 mm，副車架后側(cè)拐角位置向內(nèi)收縮12 mm。優(yōu)化后的副車架結(jié)構(gòu)在擺臂前安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度如圖10所示，可以看出：優(yōu)化后的副車架與擺臂前安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度在X、Y、Z3個(gè)方向上均滿足目標(biāo)要求。

5結(jié)論

建立以副車架為主體的有限元模型，運(yùn)用模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷方法研究了影響副車架動(dòng)剛度的主要模態(tài)成分，并通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應(yīng)變能分布判斷影響副車架動(dòng)剛度的主要區(qū)域。通過優(yōu)化這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了副車架動(dòng)剛度的提高，從而達(dá)到了目標(biāo)的要求。

這些結(jié)論也可以為今后類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考，具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

【1】張勝蘭.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

【2】李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

【3】龔成斌，王存杰，胡禮.基于MSC Nastran的前副車架動(dòng)剛度分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2013,22(A01):54-56.

【4】宋文,梁躍,高愛軍,等.基于模態(tài)貢獻(xiàn)量法支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法[J].魚雷技術(shù)，2015,23(6):439-443.

Research on the Dynamic Stiffness Improvement of the Subframe Based on Modal Participation Diagnosis Method

JIANG Chao1,YANG Ningning2

(1.Technical and Quality Management Section, BMW Brilliance Automotive Ltd., Shenyang Liaoning 110143,China;2.Chassis Section,Brilliance Auto R & D Center, Shenyang Liaoning 110141,China)

Keywords:Subframe; Dynamic stiffness; Modal participation; Strain energy

Abstract:Considering the problem of the lower dynamic stiffness of the connection between the subframe and control arm in the developing process of the vehicle chassis, the finite element model of the the subframe was constructed, and the method of the modal participation diagnosis was applied to research the main mode composition which influenced the dynamic stiffness of the subframe. And then according to the strain energy distribution of the main mode composition, the main areas which influenced the dynamic stiffness of the subframe were researched.By means of optimizing the structure of these areas, the dynamic stiffness of the subframe is improved to the target request.

收稿日期：2016-03-08

作者簡(jiǎn)介：蔣超(1987—)，本科，助理工程師，研究方向?yàn)檐囕v底盤及動(dòng)力總成系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。E-mail:vv518@163.com。

中圖分類號(hào):U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-021-05