基于Simulink的车桥路面激励谱分析

基于Simulink的车桥路面激励谱分析
杜鹏; 李宇鹏; 韩龙; 郭惊宇; 田江
【期刊名称】《《现代制造技术与装备》》
【年(卷),期】2019(000)009
【总页数】3页(P71-73)
【关键词】车桥; 谱分析; Solidworks; Simulink
【作者】杜鹏; 李宇鹏; 韩龙; 郭惊宇; 田江
【作者单位】陕西重型汽车有限公司西安 710064
【正文语种】中文
车桥是车辆主要传力件和承载件，它起着支撑车辆荷重、将动力传导到驱动轮上的作用，是车辆上各种复杂力的集合点。

车辆在行驶过程中，会发生很大振动，引起桥壳破坏。

由于路面不平度引起冲击力和各种复杂工况下的作用力，所以这些动载荷引起的动应力往往比静态应力大出好多倍。

1 车桥的路面激励仿真
1.1 路面激励模拟
为了能更真实地反映路面谱在低频范围内近似为水平的实际情况，选取滤波白噪声作为路面输入模型，如式（1）所示。

式中，f0为下截止频率，Hz；G0为路面不平度系数，m3/rad；v0为车速，m/s；
ω为均值为零的随机输入单位白噪声。

f0的取值范围在0.0628 Hz附近，以保证所得的时域路面位移输入与实际路面谱尽量一致。

1.2 建立仿真模型
根据运动微分方程，在Simulink中建立仿真模型，用4阶、5阶龙格库塔算法进行求解，如表1、表2所示。

表1 车辆模型参数非簧载质量M1/kg 1567轮胎刚度K1/（N/m） 12000000轮胎阻尼C1/（Ns/m） 3500簧载质量M2/kg 9252悬架刚度K2/（N/m）450000悬架阻尼C2/（Ns/m） 7400
表2 高速公路路面的不平度系数值路面类型范围/（m3/rad）均值/（m3/rad）高速公路3×10-8～5×10-7 1×10-7
1.3 仿真结果
仿真结果如图1、图2所示，分别代表车桥振动加速度和功率谱密度。

2 有限元模型建立
2.1 三维实体建模
在建模过程中，根据分析目的和结构受力特点，简化了车桥结构应力分布以及整体刚度和质量矩阵影响不大的特征。

所建立的车桥三维实体模型如图3所示。

图1 振动加速度
图2 功率谱密度
图3 车桥三维实体模型
2.2 材料属性定义
进行分析时，假设车桥结构材料是均匀且各向同性的，材料为45Mn2，其属性如表3所示。

表3 45Mn2的材料属性材料弹性模量/MPa 泊松比密度/（103kg/mm3）
45Mn2 2.100E5 0.28 7.9E-9
2.3 单元选择和网格划分
采用SOLID95单元进行网格划分，SOLID95单元的受力情况如图4所示。

图4 SOLID95单元示意图
2.4 有限元模型约束与载荷的施加
该车辆在满载时，后悬簧载质量为9252kg，车桥每一侧为4626kg；根据悬架与车桥连接方式，在车桥每一侧均匀分布载荷并施加在相应节点上。

3 有预应力的模态分析
对车桥进行有预应力模态分析，在此基础上进行路面响应谱分析；先对车桥进行有预应力静力分析，分析时打开预应力开关和计算单元应力开关；然后对车桥进行模态分析，采用分块兰索斯法计算车桥模态，分析结果如表4所示；各阶段模态如图5～图8所示。

表4 前6阶固有频率和振型阶次固有频率/Hz 振型描述1 17.135 一阶纵向弯曲振动2 28.293 一阶垂直弯曲振动3 38.370 二阶垂直弯曲振动4 54.430 二阶纵向弯曲振动
图5 第一阶模态
图6 第二阶模态
图7 第一阶模态
图8 第二阶模态
4 车桥的谱分析
谱分析是一种将模态分析结果和已知谱联系起来的计算结构响应分析方法，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷的动力响应。

谱分析可以代替费时的时间—历程分析，主要用于确定结构对随机载荷或时间变化载荷的动力响应情况。

路面激励模拟输入的具体方法如下：对功率谱密度响应幅值开方得到幅值加速度，再以幅值加速度响应谱为基础，结合簧上质量，构造感兴趣频率处路面激励信号作
为车桥模拟激励信号，用以模拟路面不平度对车桥的激励。

根据车桥的实际加载模式和有限元离散模型，确定加速度功率谱的加载节点位置和个数，把加速度谱施加于车桥两端弹簧支座处，方向垂直向下。

根据Simulink仿真的加速度功率谱密度作为输入数据，分析时只取50Hz以下谱值，加速度功率谱密度如表5所示。

表5 路面频率谱值列表频率/Hz 8.3 9.2 13.2 16.8 19.6 34.3 36.8 46.8加速度/（m/s2） 3.18 2.28 1.4 1.5 1.05 0.93 1.01 1.39
5 结语
本文运用Simulink仿真得到了车桥在路面激励下的加速度响应。

由于车桥安装时存在预应力，对该车桥进行了又预应力条件下的模态分析，可知车桥破坏的主要原因是车辆在不平路面上高速行驶由路面不平所产生强大的动应力造成的，并给出了车桥动应力分布，为车桥进一步改进提出了理论依据。

参考文献
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