白車身有限元模態(tài)分析方法研究

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院 陜西 西安 710064)

一、前言

汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中起著支柱性作用，并且其飛速發(fā)展在很大程度上可以反映出一個(gè)國家的工業(yè)水平和實(shí)力。中國的汽車工業(yè)己經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷程,并且形成了一個(gè)相對(duì)成熟和完善的工業(yè)體系,現(xiàn)階段我國轎車車身的設(shè)計(jì)很大一部分都是在滿足強(qiáng)度、剛度等相關(guān)設(shè)計(jì)要求的前提下借鑒國外的車型,進(jìn)行局部修改,設(shè)計(jì)一款新的車型[1]。

如果要對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的共振進(jìn)行避免,使噪音降低,確保汽車的可靠性和安全性,那么就需采用有限元模態(tài)分析方法計(jì)算的固有頻率和相應(yīng)的振型。通過模態(tài)分析的方法可以得到一些能夠反映白車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)基本性質(zhì)的振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，比如固有頻率和模態(tài)振型等[2]。這些參數(shù)也對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、動(dòng)力性、使用壽命等都有一定的影響，同時(shí)其也是分析汽車其他性能的一個(gè)很好的基礎(chǔ),新產(chǎn)品開發(fā)主要項(xiàng)目就是對(duì)白車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,從而為振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)以及故障診斷提供依據(jù)。車身動(dòng)態(tài)特性分析的設(shè)計(jì),目前還是以實(shí)車試驗(yàn)為主、計(jì)算機(jī)仿真分析為補(bǔ)充[3]。

二、有限元模態(tài)分析的研究現(xiàn)狀

在國外，由于有限元分析軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的條件比較領(lǐng)先，在八十年代就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體進(jìn)行了比較全面的CAE分析[4]。但是由于CAE軟件發(fā)展不成熟，許多研究仍然限于局部的研究，使得模型建立的合理性難以保證。

國內(nèi)的專家學(xué)者對(duì)白車身的模態(tài)研究也取得了不少進(jìn)展，通過對(duì)白車身的模態(tài)分析找出了車身振動(dòng)的原因，找到最容易超負(fù)荷的點(diǎn)或部位，從而在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案，較好的解決了振動(dòng)和噪聲問題[5]。

三、本文研究的主要內(nèi)容及方法

(一)研究?jī)?nèi)容

在本研究項(xiàng)目中,對(duì)某轎車白車身進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算模態(tài)分析,并且在幾何模型的基礎(chǔ)上采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了一個(gè)有限元的劃分,其優(yōu)點(diǎn)是有限元模型相對(duì)所做的簡(jiǎn)工作化較少,這樣就能夠很好的反映白車身的一個(gè)實(shí)際結(jié)構(gòu),圖1為分析流程:

圖1 分析流程

(二)研究方法

本課題在振動(dòng)分析理論的基礎(chǔ)上，對(duì)白車身進(jìn)行了模態(tài)分析。利用ANSYS軟件對(duì)白車身進(jìn)行有限元分析，得到前六階固有頻率以及對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型。分析仿真結(jié)果，為缸蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

四、白車身有限元模態(tài)分析

(一)模型的建立

1.CATIA軟件畫圖構(gòu)建模型

整車效果圖如圖2所示

圖2 整車效果圖

2.導(dǎo)入三維模型

在主程序中啟動(dòng)Ansys Workbench，在界面中選擇modal雙擊啟動(dòng)modal模塊。

關(guān)于生成模型ANSYS為用戶提供了下列方法:(1)用ANSYS創(chuàng)建一個(gè)實(shí)體模型，進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?(2)利用直接生成法，創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)和單元;(3)輸入在CAD繪圖工具中創(chuàng)建的模型,對(duì)其進(jìn)行單元?jiǎng)澐?(4)綜合利用上述三種方法建模。

結(jié)合實(shí)際工程，本文運(yùn)用第三種方法，即先在CATIA畫好車身，再進(jìn)行導(dǎo)入。

導(dǎo)入三維模型，單擊“Geometry”，選擇“Import Geometry”。

在CATIA建模后，將其保存為stp格式導(dǎo)入，如圖3所示為導(dǎo)入后的車身模型。

圖3 導(dǎo)入后的白車身模型

使用ANSYS做模態(tài)分析時(shí)主要分為六步：

第一步：需要定義材料及數(shù)據(jù)，包括材料類型密度等，我們缸蓋實(shí)體的材料是鋁合金，所以在ANSYS中選擇Aluminum alloy材料。單擊工具條中的Engineering Data Source按鈕，在面板中列出了一些程序自帶的材料庫，在需要的材料后打上對(duì)號(hào)。

第二步：右鍵點(diǎn)擊Geometry選擇browse，找到剛才保存的stp格式文件打開。

第三步：右鍵點(diǎn)擊Model選擇Edit進(jìn)入，選擇Mesh創(chuàng)建網(wǎng)格劃分。

第四步：設(shè)置求解模態(tài)階數(shù)范圍。

第五步：求解右鍵點(diǎn)擊solution選擇Solve。

第六步：創(chuàng)建全部模態(tài)結(jié)果。

(二)調(diào)整三維模型屬性

選擇零件材料:文件導(dǎo)入后界面如圖4所示,這時(shí),選擇“Geometry”下的“Part”,零件材料屬性的調(diào)整可以在左下角的“Details of‘Part’”中進(jìn)行操作。

圖4 選擇零件材料

五、有限元模態(tài)分析結(jié)果

(一)模態(tài)分析計(jì)算

模態(tài)分析就是分析結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，(包括每一階模態(tài)的固有頻率、阻尼比和振型)。通過分析固有頻率，得到N階頻率的數(shù)值以及頻率的分布情況，以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振；通過分析振型，直觀判斷出振幅較大的部位，可以為后面的故障診斷或者優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

處理階段完成建模后，在求解模塊獲得分析結(jié)果。ANSYS提供的分析類型有結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析和禍合場(chǎng)分析等[7]。在模態(tài)分析計(jì)算之前，需要對(duì)模態(tài)最大階數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本課題研究白車身前六階模態(tài)較為合理。然后進(jìn)行Solution求解，具體操作，選擇“Analysis Settings”，此時(shí)在在左下角的“Details of ‘Analysis Settings’”，在“Max Modes to find”處輸入相應(yīng)的值(一般為5或10，如果想要看更多的可以選擇相應(yīng)的數(shù)字)，這步可以省略，有默認(rèn)的階數(shù)，如圖5所示：

圖5 分析設(shè)置

具體操作，如圖6所示，選擇“Solution”，點(diǎn)擊右鍵，選擇“solve”。

圖6 進(jìn)行求解

(二)模態(tài)分析求解結(jié)果

Results Summary，瀏覽對(duì)話框中的信息，如圖7所示:

圖7 求解結(jié)果

白車身的固有頻率與振型如表5.1所示：

表1 白車身的固有頻率和振型

下面展示具體的振型，如圖8所示：

(a)一階模態(tài)振型 (b)二階模態(tài)振型

(c)三階模態(tài)振型 (d)四階模態(tài)振型

(e)五階模態(tài)振型 (f)六階模態(tài)振型

本章對(duì)白車身的模態(tài)進(jìn)行了求解,并展示了結(jié)果,并在自由一自由邊界條件下進(jìn)行了模態(tài)分析，從而獲得了前6階的模態(tài)頻率值。從中發(fā)現(xiàn)其低階的振動(dòng)頻率相對(duì)優(yōu)點(diǎn)偏低,不符合要求，這樣可能會(huì)由發(fā)動(dòng)機(jī)引起振動(dòng),由此則很可能發(fā)生整體共振現(xiàn)象。因此得到結(jié)論，該車的剛度是不符合要求的。此外,通過進(jìn)一步分析,行李箱擱板的局部模態(tài)也是不夠理想的,存在局部結(jié)構(gòu)不夠合理的現(xiàn)象,因此可以對(duì)行李箱擱板局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分別優(yōu)化。

六、結(jié)論

本文利用CATIA建立白車身模型，采用有限元分析軟件ANSYS導(dǎo)入了車身模態(tài)。通過模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)而分析車身結(jié)構(gòu)的可靠性，提出可行性建議方案。

論文的工作總結(jié)如下：

(1)利用CATIA建立車身模型，運(yùn)用ANSYS軟件，導(dǎo)入車身模型，為求解做好鋪墊。

(2)選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格尺寸和單元類型對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后采用有限元分析方法測(cè)得白車身的頻率響應(yīng)函數(shù),提取白車身固有頻率、主振型。分析白車身動(dòng)態(tài)特性,同時(shí)也為白車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。

(3)由于白車身實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和本論文有限元建模的不完善，導(dǎo)致白車身固有頻率偏低，主振型存在偏差，分析固有頻率與理想值的差距并提出改進(jìn)方案。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]趙文杰.某客車車架的動(dòng)態(tài)特性分析及匹配研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[4]趙嫻.轎車白車身的有限元分析與研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2010.

[5]張迎濱.輕型客車白車身有限元建模及動(dòng)靜態(tài)特性分析[D].東南大學(xué),2004