搜索车架的模态分析及优化
2013-06-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
Patian/Nastian对某型摩托车车架进行了模态分析,获得其低阶固有频率及振型,并与实验结果对比,验证了所建立有限元模型的正确性,在此基础上,通过灵敏度分析选择设计变量,并以车架重量最轻为目标函数,以固有频率为约束条件,对车架结构进行了优化.
我国是摩托车生产和消费的大国.随着摩托车产销量的增长和市场竞争的日益激烈,摩托车已从卖方市场向买方市场转化,人们对摩托车的选择余地增大,对其安全性、舒适性等性能的要求也越来越高,但我国对摩托车整车、车架的研究、设计和开发水平相对较低,国产摩托车仍是以模仿为主,大多数摩托车企业仍停留在外观的改进设计或车架静强度的测试,对车架的动态特性研究较少,正处于逐步重视阶段.而车架作为一个弹性承载体,在行驶过程中会受到显著的外部激励,其动态特性直接影响整车的行驶安全性和骑乘舒适性.因此,深人研究摩托车车架的动态特性,合理进行结构的动态修改,是设计的一个重要环节.
目前对车架的动态特性研究主要有2种方法:有限元法和实验模态分析方法,其中实验模态分析方法应用较多.虽然实验模态分析方法可以准确地测量出各阶模态,但是该方法无法对车架模型进行变参数训算,由测点所表达的模态振型也没有有限元模型形象.随着计算机技术的飞速发展,现代CAD/CAE技术发展迅速,大量的有限元软件不断涌现,并广泛应用到工程分析中,极大地推动了工程结构动态特性的研究本文中首先用大型有限元软件MSC . Nashan对摩托车车架进行了模态分析,得出固有频率和振型,并和实验结果对比分析,证实了2种方法的结合能更有效地研究结构的动态特性,然后选择设计参数中对重量灵敏度系数较大的结构参数为设计变量,以前3阶固有频率为约束条件,进行车架的减重优化.
1车架有限元模型的建立。
某型摩托车车架为低跨式车架,大部分由钢管和钢板焊接而成,主要由转向立管、主管、左右后管、及发动机支撑组成.车架作为摩托车的骨架,将发动机、传动部分、行车部分、操纵部分等有机地连结在一起,构成一个整体,是一个大型的受力构件,不仅要求有足够强度和刚度,在重量、造型、稳定性、舒适性等方面也要有相应的要求,因此设计时必须综合考虑.
在几何建模过程中,应适当简化非重要的结构,影响车架动态特性显著的主要结构应尽量与原结构保持一致.考虑到结构中管厚与管长、板厚与板长相比很小,因此先将几何模型抽取外表面,并进行一些几何修补和几何清理,然后在MSC . Patcan中用shell单元进行网格划分.发动机支撑处加强杆用beam单元进行模拟,梁板单元采用多点约束进行连接.在整个网格划分过程中始终遵从以下原则:①几何形状规则的部件采用映射网格划分,保证较高的网格质量;②控制有限元网格的粗细,在关键区域要适当加密网格,关键区域和非关键区域之间的单元密度要逐渐变化;③尽量减少三角形单元的数量;④控制单元边长比在I-3,并避免单元内角大于1800的畸形单元;⑤部件之间的焊接采用在焊缝上合并节点进行模拟,由于几何不协调使得网格划分困难的个别连接部分也可采用多点约束进行连接.
最后的有限元模型包括28 857个单元和28 975个节点,其中包括2个beam单元、28 809个quad4单元、46个tri3单元.有限元模型如图1所示.
2模态分析理论
摩托车车架可以离散成N自由度的线弹性系统,其运动微分方程为:
2.1有限元模态分析
在不考虑阻尼及外载的情况下,即[C]=0和{f(t)}=o时,系统的无阻尼自由振动方程为如下形式:
用MSC . Nastran求解式(4)即得车架的固有频率和振型.在MSC. Nastran中提供了7种特征值提取方法,其中4种属于变换法,2种属于跟踪法,还有1种是Lanczos方法. Lanczos方法是变换法和跟踪法的结合.对摩托车模型,从计算精度和计算速度综合考虑,采用Lanczos方法进行求解比较合适.
2. 2实验模态分析
对于运动微分方程(1),假设阻尼矩阵[C]可随[M],[K]一起由主振型解祸,由拉着拉斯变换和振型矩阵的加权正交条件推出系统传递函数的模态展开式:
3模态分析
对于建立好的有限元模型,在MSC.Nashan中利用Lanczos方法提取前5阶固有频率,频率范围为0~250 Hz.为验证所建有限元模型的准确性,又对实际的摩托车车架进行了模态实验,测试时车架的支撑方式为自由支撑,采用力锤单点激励法,实验识别出车架前5阶固有频率.仿真与实验的频率比较见表1,部分振型比较见图2~5.
由计算模态和实验模态的结果比较可见,固有频率相近,计算频率和实验频率的差值均在10%以内,一般来说,计算频率要比实验频率大,且阶数越高两者误差越大;各阶振型也比较相似,第1阶模态振型均表现为一阶弯曲,最大位移发生在车头部、尾部及发动机悬挂部位,第2阶模态振型均表现为一阶扭转,最大位移发生在坐垫部位、尾架处,车头部和发动机悬挂处位移较小.造成仿真与实验结果误差的主要原因是:①离散车架结构时造成的误差,主要表现为计算模态与实验模态节点数不同、模拟车架结构的方式不同;②计算过程造成的误差,计算模态忽略了车架的小阻尼,而实验模态中考虑了阻尼的作用,另外实验模态在参数识别过程中数据处理也会造成误差,而计算模态则不会.
虽然计算模态结果和实验模态结果存在差异,但两者基本吻合,误差在允许范围内,说明所建有限元模型其比较准确的,可作为下一步优化分析的模型.
4设计参数灵敏度分析
在有限元模态优化分析中,灵敏度分析是最有效的分析方法之一结构设计中的灵敏度分析是指分析结构性能参数Tj对结构设计参数变化xi的敏感性,表达式为:S=аTi/аxi构的各设计变量对结构性能的影响程度,可以用来初步确定需要进行结构动态修改的参数,避免了结构修改的盲目性,提高了效率。
根据车架的实际结构和有限元模型,初步选取12个结构参数进行重量灵敏度分析,结果见表2.
5车架优化分析
优化模型是以模态分析用的有限元模型为基础,同时包含目标函数、设计变量及约束条件等众多优化信息在内的有限元模型.
5.1目标函数、设计变摄及约束条件的确定
为减轻车架重量,满足轻量化设计要求,降低生产成本,确定车架重量最轻为目标函数.
选取重量灵敏度系数大于200的6个设计参数为独立设计变量,对应的偏移量为非独立设计变量,在MSC . Nastran输人文件中用DLINK卡片定义独立与非独立设计变量的关系.各设计变量均约束在适当范围内.
在保证车架重量减少的前提下,约束前3阶固有频率基本不变,既在小范围内变化.
5.2车架优化分析及结果
在建立的优化模型基础上,生成MSC . Nastran输入文件并利用MSC . Nastran SQL200求解器进行计算。经过4次优化设计循环,目标函数收敛到最优解.在前3阶固有频率基本不变的情况下,车架重量减少1.31吨,减少了约13%.各设计变量变化情况如图6所示.
该优化结果是以车架的主要模态特性为约束条件得来的,设计变量控制在经验范围内以满足结构静力学条件,但如果考虑加人车架静刚度为约束,同时结合各工况下的静力学优化分析,将会得到更完善的优化结果.
6结束语
在对摩托车车架进行综合分析的基础上,建立了车架的有限元模型,进行了动力学分析,并通过实验结果对有限元模型进行修正,使所建立的模型更符合摩托车车架的实际情况,为后续的响应分析和优化分析提供更准确的模型基础.
对车架进行优化后,车架在保持低阶固有频率和振型等主要动力学参数变化不大的情况下,使车架的重量得到减轻,从而在摩托车的动力学性能变化不大的情况下,实现了摩托车的轻量化.
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