轿车白车身模态分析和局部刚度优化方法研究
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
百度文库
0 前言
目前汽车行业竞争日趋激烈 , 新车型更新换代速 度越来越快 , 在很大程度上取决于白车身设计 。在新
车型开发过程中 , 白车身设计一直占主导地位 , 其固 有特性直接影响车辆的性能 。为了使车辆具有好的特 性 , 一般要求白车身有较高的刚性和良好的振动特 性 , 这些特性通常是通过计算有限元模态分析和试验
由于模态分析模型既要能够反映结构的特征 , 又 要保证不至于出现过多的局部模态 , 因而模型采用基 本边长为 15 mm 的混合单元来划分网格 。该有限元模 型共由 171 697 个单元 , 4 781 个焊点组成 。
调用 Hypermesh 的模态分析程序 , 选用求解精度 高的 Block Lanczos 法提取特征值 。忽略前 6 阶刚体模 态 , 计算白车身前 6 阶弹性模态 , 其频率与振型特点 如表 1 所示 。
1 34 公 路 交 通 科 技 第 27 卷
模态分析来获得[1 ] 。 本文以某轿车白车身为研究对象 , 建立白车身有
限元模型 , 采用有限元模态分析和试验模态分析 , 对 其结果进行对比研究 。从振动 、强度角度考虑 , 分析 了该白车身所承受内外激励的影响 。并根据应变模态 的局域性特点 , 提出利用模态应变能分布优化车身结 构局部刚度的方法 。
收稿日期 : 2009Ο01Ο14 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (5087042) ; 国家科技支撑计划资助项目 (2009BAGBA04) 作者简介 : 张国胜 (1979 - ) , 男 , 黑龙江大庆人 , 博士研究生 , 研究方向为车辆结构安全 1 (zgs0400639 @1261com)
21 Research Institute of Highway , Ministry of Transport , Beijing 100088 , China ; 31 Chery Automobile Co1 , Ltd1 , Wuhu Anhui 241009 , China)
Abstract : Using preprocessing software Hypermesh and FEA software MSC1Nastran , the detailed finite element model of car bodyΟinΟwhite (BIW) was established based on the theory of finite element1 Finite element modal analysis and experimental modal analysis were conducted to get the modal parameters of BIW , including natural frequencies and corresponding mode shapes respectively1 With comparison of the result of the simulation with that of test , the validity of the FEA model was verified1 From the view of vibration and strength , the impact of internal and external incentives on the BIW was analyzed1 According to strain mode local characteristics , a new method to determine the position where the maximum elastic deformation takes place by using the strain energy distribution of the vibration modes of different orders was therefore proposed1 The method can be used to improve the local rigidity of BIW1 The result shows that this method is reasonable and practical for the car body design1 Key words : automobile engineering ; modal analysis ; modal strain energy ; bodyΟinΟwhite ; local rigidity
3 试验模态分析
图 1 某轿车白车身模型 Fig1 1 A car BIW model
试验模态分析是基于激振力和系统响应的动态测 试 , 由系统输入激振力和输出响应数据 , 经信号处理 和参数识别确定系统模态参数的一种试验方法[7] 。
本文考虑到测试白车身在自由状态下的模态 , 采 用汽车内胎支撑试验对象 , 使其处于近似自由状态 。 试验测量分析系统由 3 大部分组成 : 试验激振系统 , 响应拾振系统 , 模态分析和处理系统 。其中试验激振
1 模态分析基本理论
一个多自由度系统的线性系统微分方程 : [ M ]{ ¨x ( t) } + [ C ]{ x ( t) } + [ K]{ x ( t) } = { F ( t) } ,
(1) 其中 , [ M ] 、[ C ]和 [ K]分别为系统质量 、阻尼和刚度 矩阵 ;{ ¨x ( t) } 、{ x ( t) } 和{ x ( t) } 分别为节点的加速度 、 速度和位移向量 ;{ F ( t) } 为系统激励向量 。
表 1 模态固有频率与振型特点 Tab1 1 Modal natural frequency and characteristics
of mode shapes
阶数
固有频率/ Hz
振型特点
1
28113
绕纵向扭转 ,前部变形较大
2
32129
绕纵向扭转 ,后部变形较大
3
41121
沿纵向弯曲
4
45131
图 5 频响函数 Fig1 5 Frequency response function
模态参数如表 2 所示 。 为最大限度地减小误差 , 计算考虑到上 、下剩余
项的影响 。试验测得前 6 阶模态 , 其振型与有限元分 析结果相吻合 , 前 4 阶振型图 , 如图 6 所示 。
表 2 试验模态参数 Tab1 2 Test modal parameters
Mo dal Analysis and Local Rigidity Optimizatio n for Bo dyΟinΟwhite of Car
ZHANG Guosheng1 ,2 , ZHOU Wei2 , MENG Fanliang3 , ZHANG Daqian1 , ZHANG Tianxia1 (11School of Mechanical Engineering & Automation , Northeastern University , Shenyang Liaoning 110004 , China ;
第 27 卷 第 4 期 2010 年 4 月
公 路 交 通 科 技 Journal of Highway and Transportation Research and Development
Vol1 27 No1 4 Apr1 2010
文章编号 : 1002Ο0268 (2010) 04Ο0133Ο04
摘要 : 以轿车白车身为研究对象 , 基于前处理软件 Hypermesh 和有限元分析软件 MSC1Nastran , 应用有限元分析理论 , 建立了白车身有限元模型 。通过有限元模态分析和试验模态分析的方法 , 分别得到白车身的固有频率 、相应的振型等 模态参数 。将试验结果与理论分析结果进行对比 , 验证了白车身有限元模型的有效性 。从振动 、强度角度考虑 , 分析 了该白车身所承受内外激励的影响 。根据应变模态的局域性特点 , 提出利用有限元模型各阶模态应变能分布 , 确定车 身结构弹性变形最大位置的方法 , 有针对性地加强车身的局部刚度 。结果表明 , 该方法具有较好的实际工程应用价 值。 关键词 : 汽车工程 ; 模态分析 ; 模态应变能 ; 白车身 ; 局部刚度 中图分类号 : U463 文献标识码 : A
式 (1) 是用系统的物理坐标描述运动方程组 , 是一 组耦合方程 。当系统的自由度很大时 ,求解十分困难 。 模态分析方法是以无阻尼系统的各阶主振型所对应的
模态坐标来代替物理坐标 , 使坐标耦合的微分方程解
耦为各个坐标独立的微分方程组 , 从而求出系统的各
阶模态参数 。对于无阻尼自由振动系统 , 阻尼和激励
均为零 ,其系统运动方程可写为 :
[ M ]{ ¨x ( t) } + [ K]{ x ( t) } = 0 ,
(2)
经变换整理 ,特征方程可表达为 :
| K - ω2 M| = 0 。
(3)
对于 n 自由度白车身系统而言 , 有 n 个特征值 。
模态分析就是求解振动方程的特征值即特征方程的根
ωi ( i = 1 ,2 , …, n) ,这些特征值表示自然频率或者共振 频率 。自然频率对应的特征向量叫做正交模态或振
图 3 模态试验测试系统示意图 Fig1 3 Schematic diagram of modal test system
采用单点激振多点拾振的方法 。试验中主要研 究 100 Hz 以下的低频模态 , 采用伪随机信号 ( ran2 dom) 激振 , 其采样频率为 256 Hz 。测点布置参考有 限元模态分析结果 , 选取外力作用点 、重要响应点 、 部件或结构的交联点等位置作为测点 , 从而确定最优 的激励和响应位置 。所布测点连线应能显示白车身形 状 , 车身上共布置了 200 个测点 , 较好地定义了车身 轮廓形状[7] 。试验测点布置如图 4 所示 。
第 4 期 张国胜 , 等 : 轿车白车身模态分析和局部刚度优化方法研究 13 5
系统包括 : (1) LMS SCADAS Ⅲ的 QDAC 信号发生模 块 、功率放大器和激振器 ; (2) 响应拾振系统包括加 速度传感器 、力传感器和 LMS SCADAS Ⅲ信号放大和 智能采集系统 ; (3) 模态分析和处理系统主要是 LMS 模态分析软件 Test1lab , 试验测试系统示意图 , 如图 3 所示 。
沿纵向弯曲
5
53156
沿纵向弯曲 ,后窗局部变形
6
56177
后部变形 ,后窗处较明显
有限元模态分析部分振型图 , 如图 2 示 。
2 有限元模态分析 根据某轿车白车身总成与零件的装配关系建立白
图 2 模态分析振型图 Fig1 2 Mode shapes for modal analysis
型 。当结构振动时 , 它在任何时候的运动是正交模态 的线形组合 。通常采用质量归一化的方法 , 获取正则 模态 。
车身三维实体模型 , 该轿车采用全承载式车身 , 车身 骨架结构由车体结构及覆盖件焊接而成 , 如图 1 所 示 。在 Hypermesh 软件中 , 用壳单元对白车身结构进 行数学离散 , 建立详细的车身有限元模型[1] 。选取各 向同性材料建立材料模型 , 其中弹性模量 E 为 2107E + 11 Pa , 泊松比为 013 , 密度为 7 830 kg/ m3 , 不考虑 温度的影响[2 - 3 ] 。
轿车白车身模态分析和局部 刚度优化方法研究
张国胜1 ,2 , 周 炜2 , 孟凡亮3 , 张大千1 , 张天侠1
(11 东北大学 机械工程与自动化学院 , 辽宁 沈阳 110004 ; 21 交通运输部公路科学研究院 , 北京 100088 ; 31 奇瑞汽车公司 , 安徽 芜湖 241009)
0 前言
目前汽车行业竞争日趋激烈 , 新车型更新换代速 度越来越快 , 在很大程度上取决于白车身设计 。在新
车型开发过程中 , 白车身设计一直占主导地位 , 其固 有特性直接影响车辆的性能 。为了使车辆具有好的特 性 , 一般要求白车身有较高的刚性和良好的振动特 性 , 这些特性通常是通过计算有限元模态分析和试验
由于模态分析模型既要能够反映结构的特征 , 又 要保证不至于出现过多的局部模态 , 因而模型采用基 本边长为 15 mm 的混合单元来划分网格 。该有限元模 型共由 171 697 个单元 , 4 781 个焊点组成 。
调用 Hypermesh 的模态分析程序 , 选用求解精度 高的 Block Lanczos 法提取特征值 。忽略前 6 阶刚体模 态 , 计算白车身前 6 阶弹性模态 , 其频率与振型特点 如表 1 所示 。
1 34 公 路 交 通 科 技 第 27 卷
模态分析来获得[1 ] 。 本文以某轿车白车身为研究对象 , 建立白车身有
限元模型 , 采用有限元模态分析和试验模态分析 , 对 其结果进行对比研究 。从振动 、强度角度考虑 , 分析 了该白车身所承受内外激励的影响 。并根据应变模态 的局域性特点 , 提出利用模态应变能分布优化车身结 构局部刚度的方法 。
收稿日期 : 2009Ο01Ο14 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (5087042) ; 国家科技支撑计划资助项目 (2009BAGBA04) 作者简介 : 张国胜 (1979 - ) , 男 , 黑龙江大庆人 , 博士研究生 , 研究方向为车辆结构安全 1 (zgs0400639 @1261com)
21 Research Institute of Highway , Ministry of Transport , Beijing 100088 , China ; 31 Chery Automobile Co1 , Ltd1 , Wuhu Anhui 241009 , China)
Abstract : Using preprocessing software Hypermesh and FEA software MSC1Nastran , the detailed finite element model of car bodyΟinΟwhite (BIW) was established based on the theory of finite element1 Finite element modal analysis and experimental modal analysis were conducted to get the modal parameters of BIW , including natural frequencies and corresponding mode shapes respectively1 With comparison of the result of the simulation with that of test , the validity of the FEA model was verified1 From the view of vibration and strength , the impact of internal and external incentives on the BIW was analyzed1 According to strain mode local characteristics , a new method to determine the position where the maximum elastic deformation takes place by using the strain energy distribution of the vibration modes of different orders was therefore proposed1 The method can be used to improve the local rigidity of BIW1 The result shows that this method is reasonable and practical for the car body design1 Key words : automobile engineering ; modal analysis ; modal strain energy ; bodyΟinΟwhite ; local rigidity
3 试验模态分析
图 1 某轿车白车身模型 Fig1 1 A car BIW model
试验模态分析是基于激振力和系统响应的动态测 试 , 由系统输入激振力和输出响应数据 , 经信号处理 和参数识别确定系统模态参数的一种试验方法[7] 。
本文考虑到测试白车身在自由状态下的模态 , 采 用汽车内胎支撑试验对象 , 使其处于近似自由状态 。 试验测量分析系统由 3 大部分组成 : 试验激振系统 , 响应拾振系统 , 模态分析和处理系统 。其中试验激振
1 模态分析基本理论
一个多自由度系统的线性系统微分方程 : [ M ]{ ¨x ( t) } + [ C ]{ x ( t) } + [ K]{ x ( t) } = { F ( t) } ,
(1) 其中 , [ M ] 、[ C ]和 [ K]分别为系统质量 、阻尼和刚度 矩阵 ;{ ¨x ( t) } 、{ x ( t) } 和{ x ( t) } 分别为节点的加速度 、 速度和位移向量 ;{ F ( t) } 为系统激励向量 。
表 1 模态固有频率与振型特点 Tab1 1 Modal natural frequency and characteristics
of mode shapes
阶数
固有频率/ Hz
振型特点
1
28113
绕纵向扭转 ,前部变形较大
2
32129
绕纵向扭转 ,后部变形较大
3
41121
沿纵向弯曲
4
45131
图 5 频响函数 Fig1 5 Frequency response function
模态参数如表 2 所示 。 为最大限度地减小误差 , 计算考虑到上 、下剩余
项的影响 。试验测得前 6 阶模态 , 其振型与有限元分 析结果相吻合 , 前 4 阶振型图 , 如图 6 所示 。
表 2 试验模态参数 Tab1 2 Test modal parameters
Mo dal Analysis and Local Rigidity Optimizatio n for Bo dyΟinΟwhite of Car
ZHANG Guosheng1 ,2 , ZHOU Wei2 , MENG Fanliang3 , ZHANG Daqian1 , ZHANG Tianxia1 (11School of Mechanical Engineering & Automation , Northeastern University , Shenyang Liaoning 110004 , China ;
第 27 卷 第 4 期 2010 年 4 月
公 路 交 通 科 技 Journal of Highway and Transportation Research and Development
Vol1 27 No1 4 Apr1 2010
文章编号 : 1002Ο0268 (2010) 04Ο0133Ο04
摘要 : 以轿车白车身为研究对象 , 基于前处理软件 Hypermesh 和有限元分析软件 MSC1Nastran , 应用有限元分析理论 , 建立了白车身有限元模型 。通过有限元模态分析和试验模态分析的方法 , 分别得到白车身的固有频率 、相应的振型等 模态参数 。将试验结果与理论分析结果进行对比 , 验证了白车身有限元模型的有效性 。从振动 、强度角度考虑 , 分析 了该白车身所承受内外激励的影响 。根据应变模态的局域性特点 , 提出利用有限元模型各阶模态应变能分布 , 确定车 身结构弹性变形最大位置的方法 , 有针对性地加强车身的局部刚度 。结果表明 , 该方法具有较好的实际工程应用价 值。 关键词 : 汽车工程 ; 模态分析 ; 模态应变能 ; 白车身 ; 局部刚度 中图分类号 : U463 文献标识码 : A
式 (1) 是用系统的物理坐标描述运动方程组 , 是一 组耦合方程 。当系统的自由度很大时 ,求解十分困难 。 模态分析方法是以无阻尼系统的各阶主振型所对应的
模态坐标来代替物理坐标 , 使坐标耦合的微分方程解
耦为各个坐标独立的微分方程组 , 从而求出系统的各
阶模态参数 。对于无阻尼自由振动系统 , 阻尼和激励
均为零 ,其系统运动方程可写为 :
[ M ]{ ¨x ( t) } + [ K]{ x ( t) } = 0 ,
(2)
经变换整理 ,特征方程可表达为 :
| K - ω2 M| = 0 。
(3)
对于 n 自由度白车身系统而言 , 有 n 个特征值 。
模态分析就是求解振动方程的特征值即特征方程的根
ωi ( i = 1 ,2 , …, n) ,这些特征值表示自然频率或者共振 频率 。自然频率对应的特征向量叫做正交模态或振
图 3 模态试验测试系统示意图 Fig1 3 Schematic diagram of modal test system
采用单点激振多点拾振的方法 。试验中主要研 究 100 Hz 以下的低频模态 , 采用伪随机信号 ( ran2 dom) 激振 , 其采样频率为 256 Hz 。测点布置参考有 限元模态分析结果 , 选取外力作用点 、重要响应点 、 部件或结构的交联点等位置作为测点 , 从而确定最优 的激励和响应位置 。所布测点连线应能显示白车身形 状 , 车身上共布置了 200 个测点 , 较好地定义了车身 轮廓形状[7] 。试验测点布置如图 4 所示 。
第 4 期 张国胜 , 等 : 轿车白车身模态分析和局部刚度优化方法研究 13 5
系统包括 : (1) LMS SCADAS Ⅲ的 QDAC 信号发生模 块 、功率放大器和激振器 ; (2) 响应拾振系统包括加 速度传感器 、力传感器和 LMS SCADAS Ⅲ信号放大和 智能采集系统 ; (3) 模态分析和处理系统主要是 LMS 模态分析软件 Test1lab , 试验测试系统示意图 , 如图 3 所示 。
沿纵向弯曲
5
53156
沿纵向弯曲 ,后窗局部变形
6
56177
后部变形 ,后窗处较明显
有限元模态分析部分振型图 , 如图 2 示 。
2 有限元模态分析 根据某轿车白车身总成与零件的装配关系建立白
图 2 模态分析振型图 Fig1 2 Mode shapes for modal analysis
型 。当结构振动时 , 它在任何时候的运动是正交模态 的线形组合 。通常采用质量归一化的方法 , 获取正则 模态 。
车身三维实体模型 , 该轿车采用全承载式车身 , 车身 骨架结构由车体结构及覆盖件焊接而成 , 如图 1 所 示 。在 Hypermesh 软件中 , 用壳单元对白车身结构进 行数学离散 , 建立详细的车身有限元模型[1] 。选取各 向同性材料建立材料模型 , 其中弹性模量 E 为 2107E + 11 Pa , 泊松比为 013 , 密度为 7 830 kg/ m3 , 不考虑 温度的影响[2 - 3 ] 。
轿车白车身模态分析和局部 刚度优化方法研究
张国胜1 ,2 , 周 炜2 , 孟凡亮3 , 张大千1 , 张天侠1
(11 东北大学 机械工程与自动化学院 , 辽宁 沈阳 110004 ; 21 交通运输部公路科学研究院 , 北京 100088 ; 31 奇瑞汽车公司 , 安徽 芜湖 241009)