基于HyperMesh的FSC车架自由模态分析

2016-11-04 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:车架是汽车的承载骨架,同时也为车手提供安全保障。结合现有相关资料和在以往车型优化的基础上设计出本届车架结构,利用CATIA进行三维建模,将模型导入HyperMesh中,进行自由模态仿真分析,得出前16阶固有频率和振型,并验证了车架固有频率是否避开了激振的频率范围,评价车架设计的合理性,提早发现设计缺陷,避免车架的反复加工,同时也为车架的优化设计提供了理论依据。

引言

FSC中国大学生方程式汽车大赛是SAE美国汽车工程协会主办的挑战本科生、研究生团队构思、设计、制造和驾驶小型方程式赛车的国际性赛事FSAE的中国赛,第一届于2010在上海举办。其规则要求所制造的赛车具有良好的加速性、制动性、操控性和安全性。

赛车在道路上行驶时,由于路面不平整、车轮不平衡会使车架产生随机振动,发动机工作会使车架产生周期性受迫振动。当车架的某阶固有频率与激振频率相接近时,就会产生共振的现象,严重的话会对车架造成损坏。为了避免这种情况的发生,对车架进行模态分析就显得尤为必要。确定车架的固有频率和振型,验证其固有频率是否避开上述振源的激励频率。本文首先使用CATIA软件进行车架三维模型的建立,在HyperMesh中利用梁单元进行自由模态分析,最终得到前16阶固有频率与振型,验证车架设计的合理性。

1 模态分析理论

模态分析,即分析结构的动态性能,根据结构的固有特征,包括频率、阻尼和模态振型这些动力学属性去描述结构的过程。模态分析有自由模态分析和工作模态分析两种方法,本文对车架结构进行自由模态分析,即忽略车架所受的外部载荷。其主要用于决定结构的固有频率和振型,这是动态载荷作用下结构设计中的重要参数,因此对车架进行固有特性的模态分析是很有必要的。

模态是多自由度系统按照固有频率振动时呈现出来的振动形态,振型是结构振动时各节点位移比例关系的表征。对于一个多自由度线性运动系统,其运动微分方程为[3-5]:

2 车架分析模型

2.1 车架几何模型

几何模型是进行数值仿真的前提,FSC赛车结构主要包括:主环、前环、侧边防撞结构、前隔板、前隔板斜撑、肩带安装杆、主环斜撑。结合现有相关资料和在以往车型优化的基础上,设计出本届车架的结构模型,利用CATIA三维制图软件画出车架的整体线架模型如图(2)所示,车架实体模型如图(2)所示,其中车架主要杆件均为环形,主环和前环尺寸为25.4*2.4,蓝色杆件尺寸为25.4*1.6,绿色杆件尺寸为25.4*1.25。

图1 车架三维线架模型

图2车架三维实体模型

2.2 材料属性

车架杆件材料牌号4130钢(国内牌号30CrMo),弹性模量为205GPa,泊松比0.29,密度78503/mkg,屈服强度785MPa。通过软件模拟出车架质量为27.793kg。

2.3 网格划分

车架主要由钢管焊接而成、结构规则,将CATIA三维线架模型导入HyperMesh,简化不影响分析的结构,进行一维梁单元网格划分,快速建立高质量CAE分析模型。在1D-HyperBeam中输入相应的杆件截面,完成车架网格划分,网格质量检查包括:单元连续性检查、单元的法线方向的检查、重复单元的检查和单元各项质量检查等,网格质量良好,划分结果如图(3)所示。

图3车架网格划分模型

3 自由模态分析结果

自由模态分析,由于没有对车架施加约束和载荷,前6阶为刚体振动,固有频率在0Hz附近,刚体模态对于整体的影响可以忽略不计。剔除这些模态频率。提取车架前6阶非0固有频率和振型如表(1)、车架前16阶非0固有频率振型图如图(4)所示。

表1车架前6阶非0固有频率和振型

图4 车架前16阶非0固有频率振型图

(a)第7阶振型图;(b)第8阶振型图;(c)第9阶振型图;

(d)第10阶振型图;(e)第11阶振型图;(f)第12阶振型图;

(g)第13阶振型图;(h)第14阶振型图;(i)第15阶振型图;

(j)第16阶振型图。

4 自由模态结果验证

汽车在行驶时车架受到的外部激振源主要有两种:一种是由于路面不平度所造成的车轮不平衡激振1-20Hz之间;另一种是发动机运转时,工作冲程燃烧爆发压力和活塞往复惯性力引起的简谐激励,该赛车采用发动机为本田CBR600,在限制进气以后的最高转速可达11000r/min,发动机怠速时转速为2000r/min,常用的发动机转速为6000-10000r/min,根据频率计算公式:

式(5)中:z发动机的缸数;τ发动机冲程数;n发动机的转速。

计算得发动机怠速频率为67Hz,常用的激励频率范围是200-333Hz。

此外车架低阶频率(即一阶扭转和弯曲频率的值)应不同于发动机怠速运转频率和非簧载质量的固有频率,以避免发生整体共振现象车架的弹性模态频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围;车架振型应尽量光滑,避免有突变。

5 结束语

车架的一阶扭转固有频率34.61Hz、一阶弯曲固有频率69.98Hz避开了赛车发动机怠速运转频率且一阶弯曲和一阶扭转模态频率值错开在3Hz以上有效的避免了弯曲扭转的耦合效应;且车架结构的前16阶弹性振动固有频率在30~140Hz左右,高于路面不平度所造成的车轮不平衡激振20Hz,低于发动机常用工作频率200-333Hz,共振现象得到了很大程度上的避免,各阶振型变化平稳光滑,具有良好动态特性,该赛车结构设计合理。

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