Radioss有预应力的模态分析
208_吕景春_基于RADIOSS的牵引车整车模态分析
基于RADIOSS的牵引车整车模态分析吕景春王继锋陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院摘 要：牵引车整车的低阶模态特性对车辆振动、噪声等各方面的性能有着重要的影响。
以某车型牵引车整车主体结构为例，阐述了建立牵引车整车模态分析有限元模型的方法。
通过利用软件HyperWorks建立整车的有限元模型，使用RADIOSS求解器完成了对该模型的约束模态分析，得到了此模型的固有频率和相应振型，并对所产生的模态计算结果进行剖析，其分析结果可为结构设计提供参考依据。
关键词：牵引车，RADIOSS，模态1 概述利用HyperWorks前后处理功能完成某牵引车整车建模，并利用RADIOSS求解器对该模型进行模态计算，重点考察整车低频固有频率，并将其与汽车在一定车速的情况下轮胎的转动频率进行对比分析。
(1) 通过设置弹性元件(弹簧、衬套等)的参数，进行驾驶室悬置和结构匹配分析，以改善悬置系统和整车系统性能；(2) 通过计算分析，并结合试验结果，在对该车型不进行较大结构变更的情况下，为设计改进、结构优化提供量化参数和技术依据。
2 有限元模态计算与分析2.1 基本模型建立该车型整车模型中主要包括车架、前后悬架、轮胎、发动机及其悬置、驾驶室总成及悬置、电瓶箱、油箱、鞍座连接板。
将三维设计车架模型(*.stp格式)导入至HyperMesh中，首先进行模型整理，删除螺栓铆钉等不必要的几何模型，对所分析的构件进行规范命名；并对质量较差的CAD模型作几何清理。
网格划分时充分考虑结构的对称和回转等几何特征，以减少网格划分的工作质量，并根据结构特点将单元尺寸统一规定为10mm。
纵梁和横梁等薄板件采用一阶四边形单元，对于连接孔周围的网格进行细化并按照厚度属性统一管理，同一零件的二维三角形单元数量所占比例小于5％，单元翘曲小于15度；板簧支架、平衡轴支架等铸造件采用一阶四面体单元进行网格划分，四面体单元的坍塌值大于0.15；一维连接单元采用RBE2、RBE3、BEAM以及Bushing，并严格进行单元质量检查和控制单元质量参数，检查是否有自由一维连接单元，重复节点、重复单元或缺少单元，以及高度畸变的单元，网格质量检查标准参照企业内部标准，确保模型质量和计算精度。
陈叶林_RADIOSS在变速箱壳体动静性能分析中的应用
离合器壳体边界条件 图 4 约束边界条件
后壳体边界条件
1.5 求解计算
根据 RADIOSS 计算结果可知：离合器壳体上最大变形为 0.22mm，位于与中间轴前轴 承相连接的壳体轴承孔处（6 号轴承） ；主壳体上最大变形为 0.19mm，出现在输出轴与主壳 体相连接的轴承孔处（4 号轴承） ；后壳体上最大变形为 0.14mm，出现在与主壳体联接端面 螺纹孔处。各壳体变形云图如图 5 所示：
表4 1800r/min 时各档位齿啮合频率 档位 1 2 3 常啮合齿 5 倒档 齿轮啮合频率（HZ） 246 430.5 594.5 780 1004.5 246
利用 RADIOSS 求解出变速器壳体前 10 阶固有频率及振型如表 5 所示。
表 5 壳体的固有频率及振型 阶数 1 2 3 4 5 频率 （HZ） 720 823 976 1104 1199 振型 主壳体横向摆动，离合器壳体局部上下摆动 壳体整体弯曲变形 主壳体扭转变形，离合器壳体上下摆动 主壳体中部横向摆动 主壳体后部横向摆动，离合器壳体局部上下摆动
1 变速器壳体静态性能分析
1.1 建模
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Altair 2012 Hyperworks 技术大会论文集
变速箱壳体表面特征多而复杂， 不易直接在 CAE 软件中建模。 本文以某型号轻卡壳体为 研究对象，利用三维软件建立壳体数模，采用专业、高效 HYPERMESH 进行壳体模型的几 何清理。由于壳体结构表面的复杂性，采用四面体单元进行网格划分，同时为了降低四面单 元刚化作用： 首先在壳体表面布置高阶二维单元， 再根据已经生成的二维单元生成三维单元， 完成后的有限元模型如图 1 所示,共生成 1044358 个 10 节点四面体单元。
离合器壳体应力云图
基于RADIOSS的排气系统模态分析及结果应用_唐晋武
基于RADIOSS的排气系统模态分析及结果应用唐晋武东风本田汽车有限公司 武汉 430056摘要：本文利用Altair HyperWorks建立了某车型排气系统有限元模型，通过使用RADIOSS 求解器计算此模型在200Hz频率下的自由模态。
计算结果与此排气系统自由模态试验结果近似，说明有限元模型合理、计算结果可靠。
从结构设计等方面对计算结果进行了分析，给出了排气系统设计优化方案，本文的研究结果也为NVH故障诊断提供了技术依据。
关键词: HyperWorks RADIOSS 模态分析 排气系统1 概述在现代汽车开发和设计过程中，对开发速度要求越来越快，对燃油经济性要求越来越高，结构也要求越来越轻量化。
这些需求要求降低结构重量。
结果导致结构变得越来越“弱”，共振频率向激励的频率范围移动。
当外界激励频率与系统固有频率接近时，将产生共振，导致异响和振动产生，影响汽车的NVH（Noise，Vibration，Harshness）性能。
模态分析已经成为当今研究结构动态特性及设备故障诊断的重要手段，被广泛地应用。
用来降低过大的振动水平，确保共振远离激励频率。
排气系统作为汽车重要组成部件，且和车身连接，其模态特性对动力总成设计及整车故障诊断都有较大的意义[1]。
利用有限元技术，可以在排气系统设计初期预测其模态参数，及时修改和优化设计方案，从而可以缩短产品开发周期，节省费用。
2 有限元模型建立HyperWorks是Altair公司的有限元结构分析和优化软件。
作为业界最全面的开放构架的CAE解决方案，提供了一流的建模、分析、可视化和数据管理解决方案，能够用于线性、非线性、结构优化等多个方面。
本文利用HyperMesh前处理软件划分网格，使用RADIOSS求解器计算排气系统自由模态，后处理工具HyperView实现模态振型的可视化。
整个分析过程在同一个软件环境下进行，避免了其它CAE软件接口转换带来的诸多问题，极大的提高了工作效率。
基于RADIOSS的复合悬架力学特性分析
基于RADIOSS的复合悬架力学特性分析本文针对载重汽车对承载性、平顺性以及可靠性等多方面的要求，提出一种以橡胶弹簧和钢板弹簧共同作用提供弹性力的复合悬架。
在HyperMesh中建立复合悬架的有限元模型，并利用RADIOSS对其力学特性进行分析。
通过仿真得到复合悬架的应力分布云图以及刚度特性曲线，为复合悬架的设计提供了参考依据以及实现思路。
0 前言载重汽车用悬架一般都具有非线性和渐变刚度的特点，以使整车在不同载荷状态下保持稳定和良好的行驶平顺性，同时具备良好的承载能力。
传统的可变刚度悬架结构常采用主副钢板弹簧形式，因其结构简单，制造相对容易，维修方便，工艺成熟，可靠性高等优点得到了广泛的应用。
但是作为钢板弹簧悬架依然无法为载重车提高令人满意的平顺性和舒适性能，并且质量偏大，无法适应重卡轻量化的发展。
橡胶悬架因为采用橡胶弹簧作为弹性元件，相比传统钢板弹簧悬架质量轻，具有更优越的变刚度特性，而且在承载能力和可靠性发面也更有优势。
但是由于在工艺和技术方面还不成熟，加上购买与维修费用较高，目前国内应用不是很广泛。
文中将橡胶弹簧和钢板弹簧进行组合形成复合悬架，并进行有限元分析，以充分发挥两种悬架各自的优势，得到最佳的使用性能。
1 复合悬架有限元建模1.1 三维模型的建立在Pro/E中建立复合悬架的三维模型，与传统的钢板弹簧不同，复合悬架上层的钢板弹簧没有卷耳结构，由12块钢板堆叠而成，从下至上钢板的参数如表1所示，图1为钢板弹簧的三维模型。
表1 复合悬架钢板弹簧基本尺寸点击图片查看大图点击图片查看大图图1 钢板弹簧模型橡胶弹簧是由橡胶和夹层钢板分层叠合经高温硫化粘合而成。
其结构如图2所示。
弹簧主体为立方形结构，上下金属板为橡胶弹簧与钢板弹簧、中/后桥的连接板。
由于在橡胶层中加设夹层钢板，当弹簧承受垂向压力时，橡胶层的侧向鼓出受到夹层钢板的约束，使其具有很大的垂向承载能力和垂向刚度。
当夹层橡胶弹簧承受水平载荷时，其单一橡胶层的相对侧移大大减少，使其具有较大的水平变形能力。
ANSYS模态分析
图21 模态动画对话框
十九、观察其余各阶模态
• 拾取菜单Main Menu-General postproc-Read Results-Next Set。依次将其余各阶模态的结果读出，然后 重复步骤十八。
图9 创建关键点1对话框
图10 创建关键点2对话框
六、创建直线
• 拾取菜单Main Menu-Preprocessor-Modeling-Create-Lines-Lines-Stright Line。弹出对话框，拾取关键点1 和2，单击“OK”按钮，结果如图11所示。
图11 创建的直线
七、划分单元
图15 施加载荷对话框
十、打开预应力效果
• 在如图16所示的ANSYS命令行中输入“pstres,on”然后回车。
图16 ANSYS命令行
十一、求解
• 拾取菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS,单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，出现“Solve is done！”时静应力分析结束。
图18 模态分析选项对话框
十四、指定要扩展的模态数
• 拾取菜单Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes。弹出图19所 示对话框，在"NMODE"文本框中输入10，单击"OK"按钮。
图19 模态扩展对话框
图20 结果摘要
十八、用动画观察模型的一阶模态
• 拾取菜单Main Menu-General postproc-Read Results-First Set，读入一阶模态结果。 • 拾取菜单Utility Menu-Plotctrls-Animate-Mode Shape，弹出如图21所示的对话框，观察完毕，单击 “Animation Controller”对话框的“Close”按钮。
预应力下的结构模态计算
文章引用: 李初晔, 王海涛, 李中凯. 预应力下的结构模态计算[J]. 力学研究, 2015, 4(3): 61-70. /10.12677/ijm.2015.43008
李初晔 等
摘
要
本文采用达朗伯原理建立动力学平衡方程，研究了梁类结构预应力下的模态计算方法，证明通过调节预 应力，可有效改善结构的动态性能。本文通过有限元法计算比较正负预应力下桁架结构的变形和模态， 提出预应力桁架可作为高速数控机床的横梁结构。在横梁内部施加预应力可大幅提高横梁的弯曲刚性。 通过对桁架关键构件内应力的控制，可以使桁架内应力做到可调。根据加工参数的变化，优化调节桁架 某些杆件的内应力大小及方向，使设备在加工过程中具有一定改变动态性能的能力，从而达到减小振动 提高加工精度的目的。
i 2 π EI Fl 2 + 1 2 2 ml 3 EI × ( iπ )
i 2 π EI Fl 2 i F ≈ × = 3 2 2 ml EI × ( iπ ) 2 ml
此时(12)式与(11)相同。 (12)式同时隐含了另一种状态：当 F 小于 0 时，为预压力下的固有频率。此时要使表达式有意义必 须满足：
ρA
∂2 y ∂4 y + EI 4 = q ( x, t ) 2 ∂tБайду номын сангаас∂x
若 q ( x, t ) = 0 ，则上式化为自由振动微分方程。对于简支梁横向振动固有频率的理论解为：
fi = i 2 π EI 2 ml 3
(4)
计算当存在预拉力 F 作用时，简支梁的固有频率。
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李初晔 等
将(3)代入(1)式，整理得到梁在预拉力 F 作用下横向受迫振动微分方程：
U , V , M , N 为积分常数， U , V 由梁的边界条件确定， M , N 由初始条件确定。
【技贴】预应力对模态结果的影响研究！
【技贴】预应⼒对模态结果的影响研究！⼀、前⾔在⼤千世界⾥，模态⽆处不在，这句话感觉有点“虚”。
但确实是这样，我们⽣活的环境时刻都是在运动的，静⽌是相对的。
对于模态这个词，在NVH⾥常常遇到，是分析振动噪声问题的基础。
⼏乎所有的振动噪声问题都和模态有关，不管是普通的结构振动，还是⾼深的声学，都和模态有着不可分割的联系。
对于模态，我们可能会想到⽤⼀些术语来表征，如频率、振型、阻尼等；其实我们还可以⽤另⼀种⽅式来表达模态的含义，模态实际上是⼀个结构或系统储存能量的形式，所有的系统都可⽤能量来表述。
⽐如荡秋千，是⼀个基本的振动形式，能量不断的由势能转为动能，动能转为势能，进⽽由于外界阻⼒或系统阻尼的存在，系统会慢慢停⽌到原点，但是能量最终还是存储在系统中。
世界万物归结到底据说可以⽤⼀种理论——弦理论来表征。
太⾼深了，听起来有点吃⼒。
（图⽚来⾃⽹络）【摘⾃度娘：“弦理论是⼀门理论物理学上的学说。
理论⾥的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是⼀⼩段“能量弦线”，⼤⾄星际银河，⼩⾄电⼦，质⼦，夸克⼀类的基本粒⼦都是由这占有⼆维时空的“能量线”所组成。
”在弦理论中，基本对象不是占据空间单独⼀点的基本粒⼦，⽽是⼀维的弦。
这些弦可以有端点，或者他们可以⾃⼰连接成⼀个闭合圈环。
正如⼩提琴上的弦，弦理论中⽀持⼀定的振荡模式，或者共振频率，其波长准确地配合】⼀般在分析结构或系统模态的时候，多数情况是没有考虑到预应⼒的影响；但在实际的结构中，⼀个系统的模态常常会在预先施加内⼒的情况进⾏计算，如预应⼒楼板、预应⼒桥梁、汽车中的⼀些⼆⼒杆（如转向直拉杆）等，这时预应⼒对模态是否有影响？在拉⼒或压⼒作⽤下模态是偏⼤还是偏⼩？⼆、弦振动基础我们知道吉他声⾳随着琴弦的绷紧会越来越⾼，开始琴弦松的时候，发不出声⾳，但是琴弦慢慢绷紧，声⾳也出来了；⽽且当调节⼒加⼤⼀定程度后，琴弦有可能断开。
这说明琴弦拉⼒越⼤，琴弦的“横向刚度”越⼤，振动的频率越⾼，进⽽就可以发出更⾼的声⾳。
RADIOSS联轴器结构件仿真研究
RADIOSS联轴器结构件仿真研究有限元方法和软件在结构分析中占据了极其重要的位置。
本文利用HyperMesh为前处理建立了以六面体单元为基础的有限元模型。
重点考虑弹性体的建模，模拟联轴器系统的实际工况。
使用RADIOSS求解器对螺钉和橡胶弹性体的应力、应变进行了有限元计算，评价了零件的强度、刚度等指标。
1 前言联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。
在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。
联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。
一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。
某型发动机的联轴器如图1所示，它的初始设计是碳纤维管的两端均布6个M8的螺钉，其主要失效形式是在较大的转矩作用下螺钉被压溃或剪断。
为了减少或避免螺钉失效，在碳纤维管的两端采用12个M8的螺钉交叉均布的结构，利用有限元方法分析结构改进后螺钉的强度特性。
橡胶弹性体的主要作用是吸收发动机启动及转速不平稳时产生的震动，从而使机构运行较为平稳。
影响橡胶弹性体吸收震动能力较大的因素就是它的刚度特性，在0～800Nm连续工况下分析橡胶弹性件的刚度变化。
点击图片查看大图图1 联轴器结构示意图2 联轴器有限元模型的建立联轴器的三维模型是运用Proe建立的，导入HyperWorks10.0软件的HyperMesh模块对3D模型简化后进行网格划分建立有限元模型，如图2所示。
其中，由于花键在工作过程中没有明显失效现象，所以将花键简化为圆柱面。
螺纹取其中径大小以圆柱代替。
点击图片查看大图图2 联轴器有限元模型为了提高模型计算的精确性，采用了一阶六面体单元。
该模型的弹性体总成外壳最小壁厚为4mm，分为4层划分，因此最小网格边长≥1mm。
输入端和输出端法兰盘的刚性单元和螺钉预紧采用RBODY模拟，如图3所示。
在发生接触的各个面都设置相应的接触单元。
联轴器材料参数：钢结构件都选择M1_ELAST材料卡片，弹性模量E=210000MPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7.9×10-9t/mm3；碳纤维管弹性选择M2_PLAS_JOHNS_ZERIL材料卡片，模量E=160000MPa，泊松比u=0.28，密度p=1.6×10-9t/mm3，屈服应力σ0=1300Mpa，硬度参数K=1300Mpa，硬度指数n=0.5；对橡胶弹性件，采用较为普遍的Mooney-Rivlin模型，选择M42_OGDEN材料卡片，密度ρ=6×10-9t/mm3，泊松比u=0.495，对于不可压缩的Mooney-Rivlin 模型的应变势能可由如下方程计算：W=C10(l1-3)+C01(l2-3)其中μ1=2×C10=0.586，μ2=-2×C01=-0.354，l1和l2为应力张量的第一和第二不变量。
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Radioss有预应力的模态分析
在ANSYS14.5与HyperMeh12.0联合仿真有限元分析中，介绍了有预应力的模态分析实例。
如下图所示：
图1有预应力的钢丝
钢丝半径r=0.125mm，
钢丝的材料特性：E某=2.1e5，u=0.3，den=7.84e-9。
有限元建模内容简单，不赘述了。
一、ANSYS中的关键步骤：
边界条件：
（1）约束钢丝左端节点的U某、UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，模拟左端铰支，并将约束载荷放置于contraint1载荷集中。
（2）约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，并将约束载荷放置于contraint2载荷集中。
右端节点需要施加预紧拉力F1，故需要放开U某自由度。
（3）约束其余所有节点的UZ、ROT某、ROTY自由度，并将约束载荷放置于contraint3载荷集中。
（4）在钢丝右端节点施加拉力F1=30N，方向为某正向，并将载荷放置于force_某载荷集中。
创建静力分析载荷步：
在ANSYS页面中，利用loadtep面板创建载荷步tep1，包含contraint1、contraint2、contraint3和force_某
导出.cbd文件，导入ANSYS中进行静力学分析。
模态分析：
ANSYS中完成静力分析之后，必须借助ANSYS界面才能完成后续的模态分析。
修改边界条件及载荷。
在HyperMeh中，已经约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROT某、ROTY自由度。
为模拟右端铰支，利用ANSYS添加该节点的U某自由度约束，并删除作用于该节点的拉力F1。
然后进行模态工况的定义，求解。
二、Raido中的关键步骤：
有限元建模部分很简单，不赘述。
边界条件的设置：
（1）利用loadcollect创建载荷集contraint1、contraint2、force_某和eigrl。
（2）约束钢丝左端节点的U某、UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，约束钢丝右端节点的UY、UZ、ROT某、ROTY自由度，并将约束载荷放置于contraint1载荷集中。
（3）约束钢丝左端节点和右端节点的U某、UY、UZ、ROT某、ROTY 自由度，并将约束载荷放置于contraint2载荷集中。
（4）Analyi→loadtep创建一个静力学工况，name=f某，type选择lineartatic。
SPC=选择contraint1。
LOAD=选择force_某。
（5）然后再创建一个包含预应力的模态分析工况。
name=mode，type 选择normalmode，SPC=选择contraint2，METHOD(STRUCT)=选择eigrl，STATSUB(PRELOAD)=选择f某。
（6）然后进行求解。
（7）结果后处理
计算结果和ANSYS的一致。