搜索一个简单的汽车系统如图 7-2 所示,若将其处理成平面系统,可以由车身(梁)、承重。前后支撑组成 0 汽车悬架振动系统可以简化成由以下两个主要运动组成:运动体系在垂直方向的线性运动以及车身质量块的旋转运动,对该系统进行模态分析。模型中的各项参数如表7-1 所示,为与文献结果进行比较,这里采用了英制单位。
解答 计算模型如图 7-2(b)所示。
【技术篇】汽车悬挂系统的振动模态分析
2017-03-23 by:CAE仿真在线 来源:互联网
这里将车身简化为梁,仅起到连接作用,这里设定不考虑梁的质量对振动性能的影响,因此需将密度设定为零即可,但在建模时需要输入梁的各种参数(包括材料以及几何参数)。
实际上,可以将车身梁的弹性效果通过质量块的垂直运动及旋转运动来等效,质量块的转动惯性矩为Izz=m?r2,r取为4ft,经计算为Izz=16001b•sc2ft。可以看出所采用的平面简化模型仅有两个自由度(梁单元由于取密度为零,将仅起连接作用)。
采用 2D 的计算模型,使用梁单元 2-D Elastic Beam Elements (BEAM3)来等效车身,使用弹簧单元 Spring-Damper Elements (COMBIN14)来等效车体的前后悬架支撑,使用质量块单元 Structural Mass Element (MASS21)来等效车身质量。
建模的要点:
(1)首先定义分析类型并选取3种单元,输入实常数;
(2)建立对应几何模型,并赋予各单元类型对应各参数值;
(3)在后处理中,用命令< *GET >来提取其计算分析结果(频率)。
(4)通过命令< *GET >来提取模态的频率值。
最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较,见表 7-2。
表 7-2 ANSYS 简化模型与文献的简化模型解析结果的比较
给出的基于图形界面的交互式操作(step by step)过程如下
进入 ANSYS (设定工作目录和工作文件)
程序 → ANSYS → ANSYS Interactive → Working directory(设置工作目录) → Initial jobname:Vehicle(设置工作文件名): →Run → OK
设置计算类型
ANSYS Main Menu:Preferences… → Structural → OK
定义单元类型
ANSYS Main Menu:Preprocessor→ Element Type→ Add/Edit/Delete...→ Add…
→ Beam: 2delastic 3→ Apply(返回到 Library of Element 窗口→ Combination: Spring-damper 14 → Apply(返回到 Library of Element 窗口)→Structural Mass: 3D mass 21 →OK(返回到 Element Types 窗口)→选择 Type2 COMBIN14 单击Options… →K3 设定为2-D longitudinal →OK(返回到Element Types窗口→选择Type3 MASS21 单击 Options…→K3 设定为 2-D w rot inert→OK→ Close
定义实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor→ Real Constants… →Add/Edit/Delete...→Add… → 选择 Type 2COMBIN14 → OK → Real Constants Set No.: 1(第1号实常数), K:2400(前悬架支撑的弹簧系数 k1 =2400)→ Ok(返回 Real constants 窗口)→ Add…→ 选择 Type 1 BEAM3→ OK → Real Constants SetNo.:2(第 2 号实常数)AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数,可以为任意值)→ OK → Add…→ 选择 Type 3 MASS21 → OK → Real Constants Set No.: 3(第 3 号实常数), MASS:100,,IZZ:1600(质点的实常数)→ OK → Add… →选择 Type 1 BEAM3 → OK → Real Constants Set No.: 4(第 4 号实常数) AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数,可以为任意值) → OK → Add…→ 选择 Type 2COMBIN14→ OK → Real Constants Set No.: 5(第 5 号实常数), K:2600(后悬架支撑的弹簧系数 k2 =2600) → Close (关闭 Real Constants 窗口)
定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models →Structural →Elastic →Linear → Isotropic → input EX: 4E9, PRXY:0.3(定义泊松比及弹性模量) → OK, ,Density (定义材料密度)→ DENS:0,→OK →关闭材料定义窗口
构造车体模型
生成节点
ANSYS Main Menu:Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → In Active CS → Nodenumber :1 ,X ,Y ,Z Location in active CS :0 ,0 ,0 Apply → 同样输入其余 4 个节点坐标(最左端为起始点,坐标分别为 (0 ,1 ,0 )、(4.5 ,1 ,0 )、(10 ,1 ,0 )、(10 ,0 ,0 )→OK
生成元素并分配材料类型、实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type2 COMBIN14 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling→ Create → Elements → Auto Numbered →Thru Nodes→ 点击 1,2 号节点,生成第1个单元 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes →MAT,1 , TYPE,1 Beam3 ,REAL,2 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered →Thru Nodes→ 点击 2,3 号节点,生成第 2 个单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes→ Type3 MASS21 REAL,3→ OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered →Thru Nodes→ 点击3号节点,生成第 3 个单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor→Modeling → Create → Elements → Elem Attributes→ Type1 BEAM3 REAL,4→ OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered →Thru Nodes→ 点击 3,4 号节点,生成第 4 个单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor→Modeling → Create→ Elements→ Elem Attributes → Type2 COMBIN14 REAL,5 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered →Thru Nodes → 点击 4,5 号节点,生成第 5 个单元
模型加约束
ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads →Apply →-Structural → Displacement →On Nodes→选取 1,5 号节点→ OK → 选择 Lab2: UX ,UY(施加 X、Y 方向的位移约束) → Apply → 选取 3 号节点→OK →选择 Lab2: UX (施加 X 方向的位移约束) → OK
计算分析
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → New Analysis → Modal →OK
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Options →[MODOPT] Block Lanczos, No. of modes toextract: 5 Expand mode shapes: Yes, Number of modes to expand:0→ OK→ 弹出 Block LanczosMethod 窗口中:Start Freq :0.001 , End Freq :100 → OK
ANSYS Main Menu:Solution → Solve → Current LS → OK
计算结果
ANSYS Main Menu:General Postproc → List Results → Detailed summary(读取模态频率)
退出系统
ANSYS Utility Menu:File → Exit → Save Everything → OK
解答:完整的命令流如下
/PREP7 !进入前处理
ANTYPE,MODAL !设定为模态分析
MP,EX,1,4E9 !定义 1 号材料的弹性模量
MP,DENS,1,0 !定义 1 号材料的密度,设置为零,则材料对振动不起作用
MP,PRXY,1,0.3 !设定 1 号材料的泊松比
ET,1,BEAM3 ! 选取单元类型 1(梁)
ET,2,COMBIN14,,,2 ! 选取单元类型 2(弹簧)
ET,3,MASS21,,,3 ! 选取单元类型 3(质量块), 设置 KEYOPT(3)=3
R,1,2400 ! 设定实常数 No.1,前悬架支撑的弹簧系数 k1 = 2400
R,2,10,10,10 ! 设定实常数 No.2,梁单元所需要的参数(这里可以设定为一个任意值)
R,3,100,1600 ! 设定实常数 No.3,MASS=100, IZZ=1600,当 KEYOPT(3)=3 时
R,4,10,10,10 ! 设定实常数 No.4,梁参数(任意)
R,5,2600 ! 设定实常数 No.5,后悬架支撑的弹簧系数 k2= 2600
N,1 ! 生成节点 1
N,2,,1 ! 生成节点 2
N,3,4.5,1 ! 生成节点 3
N,4,10,1 ! 生成节点 4
N,5,10 ! 生成节点 5
TYPE,2 ! 设定弹簧单元
E,1,2 ! 生成前悬架支撑(弹簧单元)
MAT,1 ! 设定为材料 No.1
TYPE,1 ! 设定单元 No.1,即梁单元
REAL,2 ! 设定实常数 No.2
E,2,3 ! 生成前车体(梁单元)
TYPE,3 ! 设定质量块单元
REAL,3 ! 设定实常数 No.3
E,3 ! 生成质量块单元
TYPE,1 ! 设定梁单元
REAL,4 ! 设定实常数 No.4
E,3,4 ! 生成后车体(梁单元)
TYPE,2 ! 设定弹簧单元
REAL,5 ! 设定实常数 No.5
E,4,5 ! 生成后悬架支撑(弹簧单元)
D,1,UX,,,5,4,UY ! 对节点 1 以及节点 5 施加 UX 以及 UY 固定的位移约束
D,3,UX ! 对节点 3 施加 UX 固定的位移约束
FINISH !结束前处理
/SOLU !进入求解模块
MODOPT,LANB,5,0.001,100 !设定 LANB 方法求解,可求 5 阶,频率范围 0.001~100
SOLVE !求解
*GET,FREQ1,MODE,1,FREQ !提取第 1 阶模态共振频率,并赋值给参数 FREQ1
*GET,FREQ2,MODE,2,FREQ !提取第 2 阶模态共振频率,并赋值给参数 FREQ2
*STATUS !列出所有参数的内容
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