輕型貨車(chē)橋殼振動(dòng)特性分析

鄒喜紅，劉 瑜，陳雪松，王瑞東，田 橫，程凱華

(重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

輕型貨車(chē)橋殼振動(dòng)特性分析

鄒喜紅，劉 瑜，陳雪松，王瑞東，田 橫，程凱華

(重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)橋殼振動(dòng)特性進(jìn)行了分析。利用有限元軟件對(duì)橋殼進(jìn)行有限元建模，并通過(guò)蘭索士法進(jìn)行了橋殼的模態(tài)分析。建立了橋殼模態(tài)試驗(yàn)方法，采用LMS 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)橋殼進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，并通過(guò)模態(tài)比例因子(MCF)和模態(tài)置信判據(jù)(MAC)保證模態(tài)試驗(yàn)的可靠性。對(duì)比橋殼模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)的頻率與振型，得出前5階模態(tài)頻率誤差在5%以內(nèi)且模態(tài)振型是一致的，橋殼的各階模態(tài)頻率均遠(yuǎn)離路面激振頻率，不會(huì)發(fā)生共振失效現(xiàn)象，橋殼本體中間三角板與包裹半軸部分的橋殼過(guò)渡處振動(dòng)幅度較大。

輕型貨車(chē)橋殼；振動(dòng)特性；模態(tài)分析；模態(tài)試驗(yàn)

車(chē)輛行駛時(shí)橋殼要受到來(lái)自鋼板彈簧、主減速器、差速器、半軸、車(chē)輪和路面的激振，一旦這些激振頻率與橋殼的某階固有頻率接近便會(huì)產(chǎn)生共振，嚴(yán)重影響著整車(chē)的安全性、舒適性與可靠性，因此對(duì)橋殼進(jìn)行振動(dòng)特性分析非常必要。目前對(duì)振動(dòng)特性分析主要有2種手段：一種手段是有限元模態(tài)分析，主要研究橋殼在固有頻率處的振動(dòng)形態(tài)與共振屬性，并能獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，即固有頻率、模態(tài)振型和阻尼[1-5]；另一種手段是模態(tài)試驗(yàn)，可以驗(yàn)證模型理論分析的正確性，是一種準(zhǔn)確可靠的分析手段[6-8]。本文將2種手段相結(jié)合，在有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行振動(dòng)特性試驗(yàn)，對(duì)比2種方法下得到的頻率與振型的一致性，從而得到該輕型貨車(chē)的振動(dòng)特性。

1 橋殼振動(dòng)特性的有限元分析

1.1 橋殼有限元建模

對(duì)于某企業(yè)提供的橋殼三維實(shí)體模型，簡(jiǎn)化橋殼緩沖塊、上下縱臂等細(xì)節(jié)特征，以提高有限元前后處理和有限元求解的效率。橋殼間焊接連接采用節(jié)點(diǎn)共享代替，同時(shí)假設(shè)橋殼的材料為均質(zhì)線彈性材料。將三維模型導(dǎo)入Hypermesh中劃分網(wǎng)格，如圖1所示。有限元模型共由272 353個(gè)四面體單元和 91 018個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。橋殼材料為20鋼，具體材料參數(shù)如表1所示。

圖1 橋殼有限元模型

名稱(chēng)彈性模量/MPa泊松比質(zhì)量密度/(kg·m-3)屈服強(qiáng)度/MPa20鋼2．07×1050．2827800245

1.2 橋殼自由模態(tài)分析

基于圖1橋殼有限元模型進(jìn)行橋殼自由模態(tài)分析。 橋殼是一個(gè)多自由度彈性結(jié)構(gòu)，假設(shè)橋殼已按某種方法離散為一個(gè)n自由度系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程如下：

(1)

(2)

采用Hyperworks 自帶的RADIOSS 求解器進(jìn)行自由模態(tài)求解，求解方法有跟蹤法(tracking method)、變換法(transformation method)以及蘭索士法(Lanczos method)等多種方法。蘭索士法是兼顧跟蹤法和變換法的矢量正交化方法，本文采取蘭索士法進(jìn)行橋殼自由模態(tài)分析[9-10]。

由于工程機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的振動(dòng)頻率在0～2 500 Hz，因此分析頻率范圍參照工程機(jī)械選取最高頻率為2 500 Hz。對(duì)前10階自由模態(tài)陣型進(jìn)行分析求解得到橋殼前10階自由模態(tài)的各級(jí)陣型和頻率。前5階振型、頻率和阻尼比如表2所示。

表2 橋殼前5階仿真固有頻率、阻尼比和振型

汽車(chē)正常行駛時(shí)，其振動(dòng)系統(tǒng)主要承受頻率為 0～50 Hz 的路面激振。從頻率方面看，橋殼自最低階模態(tài)頻率為121.29 Hz，大于50 Hz，因此該橋殼不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。從振型方面看，橋殼前2階振型主要以1階彎曲為主，即橋殼承受沖擊或者牽引和制動(dòng)工況時(shí)容易引起1階彎曲現(xiàn)象，第3階、第4階振型以2階彎曲為主，第5階振型出現(xiàn)1階扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2 橋殼振動(dòng)特性的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

為了進(jìn)行CAE模型驗(yàn)證或修正、進(jìn)而識(shí)別出橋殼的振動(dòng)特性，進(jìn)行橋殼振動(dòng)特性試驗(yàn)。采用錘擊法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，識(shí)別模態(tài)參數(shù)(如固有頻率、固有陣型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼)，進(jìn)行橋殼振動(dòng)特性分析。

綜觀各學(xué)者的論述并結(jié)合采權(quán)利用盡理論國(guó)家法院的觀點(diǎn)，筆者認(rèn)為，可以把權(quán)利用盡理論的合理性論證歸納為三點(diǎn)：

2.1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)的試驗(yàn)方法

通過(guò)同時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu)的輸入與輸出信號(hào)得到結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù) (FRF)。應(yīng)用合適的模態(tài)參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行曲線擬合，得到相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的模態(tài)參數(shù)獲取方法如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的模態(tài)參數(shù)獲取方法

2.2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)的試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)激振系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)及模態(tài)分析和處理系統(tǒng)等三大部分組成。

1) 激振系統(tǒng)：運(yùn)用錘擊法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試時(shí)，主要是指力錘。

2) 響應(yīng)系統(tǒng)：主要包括加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3) 模態(tài)分析和處理系統(tǒng)：主要是模態(tài)分析軟件。

具體的測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)示意圖

在橋殼兩端處分別用4根橡皮繩將整個(gè)橋殼吊掛起來(lái)，使其處于“自由”狀態(tài)，如圖4所示。采取單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法，單點(diǎn)采用脈沖錘擊激勵(lì)(輸入力越接近單脈沖，激發(fā)出的基帶頻越寬)，如圖5所示。

圖4 自由支撐方式

圖5 錘擊法單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)

2.3 響應(yīng)點(diǎn)與激勵(lì)點(diǎn)的選擇

響應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目取決于所選分析頻帶、期望的模態(tài)階數(shù)、試件上所關(guān)心的區(qū)域、可用的傳感器數(shù)目等。響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的選擇需要注意以下原則：① 測(cè)試點(diǎn)均布置試件上以體現(xiàn)橋殼整體形狀，便于對(duì)橋殼模態(tài)振型進(jìn)行判斷，同時(shí)避免漏掉模態(tài)；② 在對(duì)結(jié)構(gòu)感興趣區(qū)域可多布置幾個(gè)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)；③ 測(cè)試過(guò)程中，必須考慮結(jié)構(gòu)激勵(lì)的完整性和測(cè)試條件的便捷性；④ 測(cè)試中要注意環(huán)境噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，盡量選擇安靜的環(huán)境進(jìn)行測(cè)試；⑤ 避免測(cè)試點(diǎn)靠近結(jié)構(gòu)模態(tài)的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)振幅為0，能量為0)，測(cè)試點(diǎn)宜選擇剛度較大的部位。根據(jù)以上原則共選出橋殼響應(yīng)點(diǎn)27個(gè)，在LMS測(cè)試軟件中建立模態(tài)測(cè)試節(jié)點(diǎn)響應(yīng)模型，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸?jié)點(diǎn)分布圖

激勵(lì)點(diǎn)的選擇應(yīng)該注意以下原則：① 激勵(lì)點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)模態(tài)節(jié)點(diǎn)或者支撐點(diǎn)，選擇結(jié)構(gòu)上剛性較大的點(diǎn)；② 選擇合適的自由度；③ 在不同的點(diǎn)分別進(jìn)行激勵(lì)，對(duì)比各個(gè)頻響函數(shù)的峰值頻率，選取其中能激勵(lì)出所有頻響峰值的點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)。橋殼模態(tài)試驗(yàn)選取2個(gè)激勵(lì)剛性較大的激勵(lì)點(diǎn)，如圖7所示。激勵(lì)點(diǎn)1作水平方向激勵(lì)，激勵(lì)點(diǎn)2作垂直方向激勵(lì)分別進(jìn)行激勵(lì)，保證所獲得的輸入輸出數(shù)據(jù)集中蘊(yùn)含有試驗(yàn)頻帶內(nèi)全部模態(tài)信息，不丟失模態(tài)。

2.4 模態(tài)測(cè)試

建立好模態(tài)測(cè)試模型后布置與粘貼傳感器。采用膠粘的方式，使用牙粉將傳感器與橋殼絕緣，并且注意傳感器安裝的方向。粘貼后的傳感器如圖8所示。選取采樣頻率為1 024 Hz，譜線數(shù)為512。為抑制信號(hào)中的噪聲干擾，對(duì)力錘信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行加指數(shù)窗處理[11]。為保證錘頭力主要集中在中低頻段內(nèi)，測(cè)試中使用中等硬度錘頭(塑料錘頭)。

圖7 激勵(lì)點(diǎn)的選取

圖8 測(cè)試傳感器粘貼方式與布置

布置好傳感器后，連接傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、測(cè)試電腦、力錘為模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。為保證傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性，采用預(yù)試驗(yàn)的方法對(duì)頻響函數(shù)和模態(tài)振型進(jìn)行分析。檢查某一個(gè)頻響函數(shù)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯不光滑或者明顯過(guò)大或者過(guò)小，模態(tài)振型未出現(xiàn)異常，因而進(jìn)行正式模態(tài)試驗(yàn)。由于篇幅有限，選取前5階模態(tài)振型和前5階模態(tài)頻率，如表3和表4所示。

2.5 試驗(yàn)?zāi)B(tài)驗(yàn)證

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于測(cè)試自由度的限制、測(cè)試精度和電噪聲的影響，使得實(shí)際測(cè)試的模態(tài)矢量己不可能完全保證其正交性。在極端的情況下甚至?xí)捎谑噶块g的空間交角過(guò)小而丟失重要的模態(tài)。為了保證測(cè)試得到所需要的模態(tài)，避免模態(tài)丟失與重復(fù)，保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量與精度，模態(tài)試驗(yàn)完成之后需要驗(yàn)證模態(tài)模型的精度。目前模態(tài)驗(yàn)證工具主要包括模態(tài)比例因子(MCF)和模態(tài)置信判據(jù)(MAC)、輸入與輸出之間的互易性、廣義模態(tài)參數(shù)(定標(biāo)尺)、模態(tài)復(fù)雜性、模態(tài)共線性和平均相位偏差、模態(tài)模型的比較、模態(tài)指示函數(shù)、FRF累加等。本文采用模態(tài)比例因子(式(1))和模態(tài)置信判據(jù)(式(2))分別表示2個(gè)矢量比值的最小二乘估計(jì)和不同組估計(jì)振型的工具。

(3)

(4)

其中w為加權(quán)矩陣(常為單位矩陣)。

圖9 橋殼模態(tài)試驗(yàn)

采用模態(tài)置信判據(jù)MAC檢驗(yàn)?zāi)B(tài)振型被質(zhì)量矩陣加權(quán)時(shí)的正交性，即

(5)

式中：mk表示第k階模態(tài)質(zhì)量。

橋殼前10階模態(tài)的MAC值，如圖10和表3所示。

圖10 MAC矩形

本次試驗(yàn)得出的10階模態(tài)，同一物理模態(tài)的2個(gè)估計(jì)MAC 值都大于90%，2個(gè)模態(tài)頻率相近，其MAC值都低于35%，頻率相差懸殊的2個(gè)不同模態(tài)的估計(jì)MAC 值都低于35%，表明其振型矩陣有較好的正交性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析方法是準(zhǔn)確、有效的。

表3 橋殼MAC值

3 有限元模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)對(duì)比

將有限元模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)的頻率與振型進(jìn)行對(duì)比，如表4和表5所示。將有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比，發(fā)現(xiàn)橋殼各階振型比較吻合。

表4 仿真模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比

表5 仿真模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對(duì)比

將有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：有限元模態(tài)頻率和試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率的相對(duì)誤差控制在5%以內(nèi)，在誤差允許范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的主要原因在于有限元模型與試驗(yàn)橋殼模型相比簡(jiǎn)化了板簧座等相關(guān)附件。綜上所述，橋殼的有限元模型可以準(zhǔn)確地模擬橋殼的實(shí)際模型。這為提取橋殼的柔性體文件，橋殼的靜、動(dòng)態(tài)分析和疲勞分析打下良好基礎(chǔ)，也可以看出橋殼的各階固有頻率均遠(yuǎn)離路面載荷激勵(lì)頻率(0～50 Hz)，不會(huì)共振失效。

4 結(jié)論

1) 采用有限元軟件建立出橋殼有限元模型，通過(guò)蘭索士法進(jìn)行自由模態(tài)分析和錘擊法進(jìn)行橋殼模態(tài)試驗(yàn)，比較兩者頻率與振型情況，得出兩者橋殼前5階固有頻率的誤差在5%以內(nèi)，且模態(tài)振型一致，說(shuō)明建立的橋殼有限元模型是準(zhǔn)確、可靠的。

2) 從橋殼模態(tài)頻率看，橋殼的各階固有頻率均遠(yuǎn)離路面載荷激勵(lì)頻率(0～50 Hz)，可以有效地規(guī)避共振失效。

3) 從橋殼模態(tài)振型看，橋殼本體中間三角板與包裹半軸的橋殼部分過(guò)渡處振動(dòng)幅度較大，是比較容易發(fā)生破壞的地方，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中應(yīng)該給予重視。

4) 采用模態(tài)比例因子(MCF)和模態(tài)置信判據(jù)(MAC)檢驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型被質(zhì)量矩陣加權(quán)時(shí)的正交性，保證了橋殼模態(tài)試驗(yàn)的精度。

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VibrationCharacteristicsAnalysisofLightTruckAxleHousing

ZOU Xihong, LIU Yu，CHEN Xuesong, WANG Ruidong,TIAN Heng, CHENG Kaihua

(Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054, China)

In order to analyze the vibration characteristics of the axle housing.The finite element model of the axle housing was built by using finite element software, and modal analysis of the axle housing was made by using the Lanczos method. The modal test of the axle housing was carried out by using LMS test system, and the modal proportion factor (MCF) and the modal assurance criterion (MAC) ensured the reliability of the modal test. Comparing the frequencies and modal shapes of the modal analysis and modal test of the axle housing, the first five modal frequencies error were less than 5% and the modal shapes were consistent. The modal frequencies of axle housing were away from the excitation frequency of the road, and the resonance failure would not occur. The vibration amplitude of the transition between the middle triangular plate and the axle housingl of the axle wrapped part of the axle housing was larger. Research results show that the axle housing finite element modeling is accurate, and lays a good foundation for the dynamic simulation of axle housing, static strength analysis and fatigue analysis.

axle housing of light truck; vibration characteristic; modal analysis; modal test

2017-09-13

重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2016107)

鄒喜紅(1976—)，男，重慶墊江人，博士，教授，主要從事車(chē)輛測(cè)試技術(shù)研究，E-mail:xiergege@126.com； 通訊作者 劉瑜(1993—),女,河南商丘人,碩士,主要從事車(chē)輛測(cè)試技術(shù)研究，E-mail:13527510513@163.com。

鄒喜紅，劉瑜，陳雪松，等.輕型貨車(chē)橋殼振動(dòng)特性分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(12):1-7.

formatZOU Xihong, LIU Yu，CHEN Xuesong, et al.Vibration Characteristics Analysis of Light Truck Axle Hou-sing[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):1-7.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.001

U467.3

A

1674-8425(2017)12-0001-07

(責(zé)任編輯劉 舸)