基于HyperMesh的FSC車架自由模態分析

2016-11-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:車架是汽車的承載骨架,同時也為車手提供安全保障。結合現有相關資料和在以往車型優化的基礎上設計出本屆車架結構,利用CATIA進行三維建模,將模型導入HyperMesh中,進行自由模態仿真分析,得出前16階固有頻率和振型,并驗證了車架固有頻率是否避開了激振的頻率范圍,評價車架設計的合理性,提早發現設計缺陷,避免車架的反復加工,同時也為車架的優化設計提供了理論依據。

引言

FSC中國大學生方程式汽車大賽是SAE美國汽車工程協會主辦的挑戰本科生、研究生團隊構思、設計、制造和駕駛小型方程式賽車的國際性賽事FSAE的中國賽,第一屆于2010在上海舉辦。其規則要求所制造的賽車具有良好的加速性、制動性、操控性和安全性。

賽車在道路上行駛時,由于路面不平整、車輪不平衡會使車架產生隨機振動,發動機工作會使車架產生周期性受迫振動。當車架的某階固有頻率與激振頻率相接近時,就會產生共振的現象,嚴重的話會對車架造成損壞。為了避免這種情況的發生,對車架進行模態分析就顯得尤為必要。確定車架的固有頻率和振型,驗證其固有頻率是否避開上述振源的激勵頻率。本文首先使用CATIA軟件進行車架三維模型的建立,在HyperMesh中利用梁單元進行自由模態分析,最終得到前16階固有頻率與振型,驗證車架設計的合理性。

1 模態分析理論

模態分析,即分析結構的動態性能,根據結構的固有特征,包括頻率、阻尼和模態振型這些動力學屬性去描述結構的過程。模態分析有自由模態分析和工作模態分析兩種方法,本文對車架結構進行自由模態分析,即忽略車架所受的外部載荷。其主要用于決定結構的固有頻率和振型,這是動態載荷作用下結構設計中的重要參數,因此對車架進行固有特性的模態分析是很有必要的。

模態是多自由度系統按照固有頻率振動時呈現出來的振動形態,振型是結構振動時各節點位移比例關系的表征。對于一個多自由度線性運動系統,其運動微分方程為[3-5]:

2 車架分析模型

2.1 車架幾何模型

幾何模型是進行數值仿真的前提,FSC賽車結構主要包括:主環、前環、側邊防撞結構、前隔板、前隔板斜撐、肩帶安裝桿、主環斜撐。結合現有相關資料和在以往車型優化的基礎上,設計出本屆車架的結構模型,利用CATIA三維制圖軟件畫出車架的整體線架模型如圖(2)所示,車架實體模型如圖(2)所示,其中車架主要桿件均為環形,主環和前環尺寸為25.4*2.4,藍色桿件尺寸為25.4*1.6,綠色桿件尺寸為25.4*1.25。

圖1 車架三維線架模型

圖2車架三維實體模型

2.2 材料屬性

車架桿件材料牌號4130鋼(國內牌號30CrMo),彈性模量為205GPa,泊松比0.29,密度78503/mkg,屈服強度785MPa。通過軟件模擬出車架質量為27.793kg。

2.3 網格劃分

車架主要由鋼管焊接而成、結構規則,將CATIA三維線架模型導入HyperMesh,簡化不影響分析的結構,進行一維梁單元網格劃分,快速建立高質量CAE分析模型。在1D-HyperBeam中輸入相應的桿件截面,完成車架網格劃分,網格質量檢查包括:單元連續性檢查、單元的法線方向的檢查、重復單元的檢查和單元各項質量檢查等,網格質量良好,劃分結果如圖(3)所示。

圖3車架網格劃分模型

3 自由模態分析結果

自由模態分析,由于沒有對車架施加約束和載荷,前6階為剛體振動,固有頻率在0Hz附近,剛體模態對于整體的影響可以忽略不計。剔除這些模態頻率。提取車架前6階非0固有頻率和振型如表(1)、車架前16階非0固有頻率振型圖如圖(4)所示。

表1車架前6階非0固有頻率和振型

圖4 車架前16階非0固有頻率振型圖

(a)第7階振型圖;(b)第8階振型圖;(c)第9階振型圖;

(d)第10階振型圖;(e)第11階振型圖;(f)第12階振型圖;

(g)第13階振型圖;(h)第14階振型圖;(i)第15階振型圖;

(j)第16階振型圖。

4 自由模態結果驗證

汽車在行駛時車架受到的外部激振源主要有兩種:一種是由于路面不平度所造成的車輪不平衡激振1-20Hz之間;另一種是發動機運轉時,工作沖程燃燒爆發壓力和活塞往復慣性力引起的簡諧激勵,該賽車采用發動機為本田CBR600,在限制進氣以后的最高轉速可達11000r/min,發動機怠速時轉速為2000r/min,常用的發動機轉速為6000-10000r/min,根據頻率計算公式:

式(5)中:z發動機的缸數;τ發動機沖程數;n發動機的轉速。

計算得發動機怠速頻率為67Hz,常用的激勵頻率范圍是200-333Hz。

此外車架低階頻率(即一階扭轉和彎曲頻率的值)應不同于發動機怠速運轉頻率和非簧載質量的固有頻率,以避免發生整體共振現象車架的彈性模態頻率應盡量避開發動機經常工作的頻率范圍;車架振型應盡量光滑,避免有突變。

5 結束語

車架的一階扭轉固有頻率34.61Hz、一階彎曲固有頻率69.98Hz避開了賽車發動機怠速運轉頻率且一階彎曲和一階扭轉模態頻率值錯開在3Hz以上有效的避免了彎曲扭轉的耦合效應;且車架結構的前16階彈性振動固有頻率在30~140Hz左右,高于路面不平度所造成的車輪不平衡激振20Hz,低于發動機常用工作頻率200-333Hz,共振現象得到了很大程度上的避免,各階振型變化平穩光滑,具有良好動態特性,該賽車結構設計合理。

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