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矿车驾驶室的模态灵敏度分析及其结构优化

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  摘要:利用HyperMesh建立矿用自卸汽车驾驶室结构有限元模型,用NASTRAN作模态分析;而后结合OptiStruct分析有限元模型结构部件的模态灵敏度,寻找模态频率变化敏感区域,以提高一阶模态频率为目标对其进行结构优化,改善振动特性。
中国论文网 http://www.egsf.org/8/view-4180047.htm
  关键词: HyperMesh;NASTRAN;模态分析;OptiStruct;模态灵敏度; 结构优化
  中图分类号:TH248 文献标志码:A 文章编号:1005-2550(2013)03-0001-05
  车辆NVH(Noise/Vibration/Harshness)技术是以控制振动、噪声水平来满足用户日益提高的安全保障和舒适乘坐环境的要求。在整车设计阶段,NVH性能成为重要参考指标。
  板件等的振动对于NVH性能有至关重要的影响。模态分析作为振动工程理论的一个分支,常被用来确定结构部件等的振动特性,即固有频率和振型。模态分析结果为NVH性能评估和后续开展各种动态结构设计方法提供了强有力的参数依据。
  基于CAE仿真技术的结构优化设计整体属于多学科技术综合的优化控制系统,常见种类有形貌优化、尺寸优化等,国内外的学者做过大量理论与实践方面的研究工作[1]。
  本课题以某型号矿用自卸汽车驾驶室为研究对象,采用Pro/E建CAD模型,如图1所示。在HyperMesh中完成几何清理、网格划分及相关参数设置前处理。提交文件至MSC.NASTRAN分析求解,获得驾驶室结构动态特性参数。
  一阶频率是评价驾驶室动态性能的一个重要指标[2]。
  要求驾驶室的各阶固有频率远离外部激励源(如路面不平度,发动机的工作运转,传动系的不平衡等)的频率,避免共振发生。
  针对低阶模态频率过低、刚度不足的问题,用OptiStruct求解器作灵敏度分析高效快速选定影响低阶关注模态的灵敏结构部件,将板件的厚度作为设计变量,重新计算模态,结果表明低阶模态频率有了较大程度的提高。
  1 有限元建模
  Altair公司开发的Altair HyperWorks软件包是一个创新、开放的企业级CAE平台,集成设计与分析所需的各种工具[3]。其包含的HyperMesh是杰出的有限元分析前后处理平台。
  将驾驶室CAD模型导入其中,在保证不影响结构整体动态特性及分析精度前提下做简化处理,删除反光镜及支架、车内饰、橡胶密封件等非承载类零件。
  在拓扑模式下针对几何信息转换中存在的边界错位、不必要的缝隙和面的缺失等问题做几何清理,重点修改调整自由边、共享边、压缩边和T形连接边,删除模型中如倒角、圆角、孔等细微特征,抑制小的几何。
  驾驶室由钣金冲压薄板零件组合而成,由于壳单元结合了平面应力板单元和受弯曲的薄板单元的共有特征??梢猿惺芷叫屑按怪卑逯忻娴脑睾?,每个节点有6个自由度,也有6个节点力分量[4],所以在用Midsurface抽取中面后,选用SHELL单元(QUAD4和不超过总单元10%的TRIA3单元)离散结构,以10尺寸大小划分网格。在网格划分同时需在Quality Index面板中设置单元划分标准,以控制网格的变形。因为这直接关系到有限元分析计算结果的精度和收敛性。实际操作中网格质量检查与网格划分需同步进行。
  根据实车结构的连接方式,该驾驶室模型采用Connectors??樘峁┑囊晃琑igid单元模拟铆接和螺栓连接的刚度特性及其对周围零件的影响。采用ACM2模型(见图3)模拟点焊,它通过焊核(一个处于两被焊接件间、垂直于被焊接面的六面体单元)和RBE3单元分别与两被焊接件连接而成[5]。
  结构的低阶弹性模态不仅反映汽车车身的整体刚度性能,而且是控制汽车常规振动的关键指标。鉴于以往的同类型车辆的研究成果,整体来看,模型建立合理,整体设计满足要求。
  该驾驶室存在顶棚、侧围等局部模态过多现象,一阶模态频率偏低,说明其动态刚度偏小。为了在保证驾驶室有必要的结构强度和刚度情况下,可以修改设计方案以提高这些低阶模态频率。
  提高低阶模态频率的途径一是应用密度小的材料,如铝、工程塑料等做板件,以降低关注模态的模态质量;另一种是改变驾驶室关键零部件的板厚、材料、泊松比、弹性模量、截面形状和采用加强筋等结构形式与尺寸[10][11]。
  本课题采用的是通过改变板块的尺寸厚度来实现的。
  5 结论
  介绍了驾驶室模型有限元分析的具体流程,用HyperMesh进行几何清理和网格划分,提交MSC.NASTRAN对模型求解、分析模态,进而通过灵敏度分析寻找到灵敏区域,这一分析思路与流程为后续其他的结构修改提供参考,具有一定实际意义。
  针对驾驶室一阶模态频率(17.8 Hz)偏低的问题,利用灵敏构件的尺寸优化来指导驾驶室结构的改进与优化设计,进而提高驾驶室的动态特性。结合优化前后的结果对比,可见提出的方案可行,有效的实现了提高一阶模态频率(44.8 Hz)的目标。
  参考文献:
  [1] 刘显贵.基于刚度灵敏度分析的轿车白车身结构优化[J].机械设计.2009:26(12):58-60.
  [2] 曹树谦,张文德,萧龙翔.振动结构模态分析[M].天津:天津大学出版社.2001.
  [3] 曾力. 基于HyperWorks的卡车车身有限元分析及改进研究[D].成都:西南交通大学,2010.
  [4] 刘海江,肖丽芳.翼子板结构刚度模态分析与优化 [J].机械设计与制造.2009,(1):4-5.
  [5] 段月磊,毕传兴.轿车车身刚度有限元分析与优化[J].噪声与振动控制,2010.(6):79-82.
  [6] 刘永超.基于有限元法的微型轿车车身结构的动力学研究[D].武汉:华中科技大学,2005.
  [7] 杨炯年,钱立军,关长明.某轿车白车身模态分析[J].机械设计与制造,2010.(2): 235-237.
  [8] 曹树谦,张文德,萧龙翔.振动结构模态分析[M].天津:天津大学出版社,2002.
  [9] 谷正气.汽车车身现代技术[M].北京:机械工业出版社,2009.
  [10] 张胜兰. 基于HyperMesh的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

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