基于ANSYSWorkbench的驱动桥壳模态分析

（2）
Байду номын сангаас其对应的特征方程为：
（[K]-ω2i[M]）{xi}=0
（3）
由（3）式可得出 n 个特征值也就是结构的 n 阶
固 有 频 率 ω2i 和 相 应 的 n 个 特 征 向 量 也 就 是 结 构 的
模 态 振 型{φ}i，它 反 映 了 结 构 按 频 率 ωi 振 动 时 各 自
由度方向振幅间的相对比例关系。
关，且当结构中的阻尼很小的情况下，阻尼对固有
频率的影响非常小，可以忽略，因此可以通过结构
收 稿 日 期 ：2011-06-28 作者简介：谢源，男，福建龙岩人，工程师、讲师，主要研究方向：机械设计及制造。
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无阻尼自由振动方程计算结构的固有特性， 由式 （1）可得：
[M]{x咬 （t）}+[K]{x（t）}=0
冲焊桥壳是一个复杂的焊接结构，在实际模型 的基础上建立正确的有限元模型，是正确进行有限 元分析的前提条件。 因此在建立冲焊桥壳有限元模 型时， 既要如实反映桥壳实际结构的重要力学特 性， 又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态， 以保证较高的计算精度并减少计算工作量。 依据等 效原理，对制动底板凸缘、支架、后盖上的润滑油加 注口、底部的放油孔、板簧支座以及应力较小区域 的过渡圆角等影响较小的局部结构进行简化。 通过 对桥壳的有限元计算，可以分析驱动桥壳各点的强 度和模态，为桥壳的结构设计提出可行的措施。
模态分析，采用 Block Lancos 法计算得 出 桥 壳 的 前 6 阶 固 有 频 率 和 振 型 ，研 究 桥 壳 结 构 与 其 振 动 特
性的关系，为焊接桥壳的改进设计提供理论依据，缩短了实验周期，具有较强的实际工程意义。
关 键 词 ： 桥 壳 ； 模 态 分 析 ；ANSYS
中 图 分 类 号 ：U463.218
第 29 卷 第 5 期 2011年 10 月
龙岩学院学报 JOURNAL OF LONGYAN UNIVERSITY
Vol．29 No．5 October 2011
基于 ANSYS Workbench 的驱动桥壳模态分析
谢源
（闽西职业技术学院机械工程系 福建龙岩 364021）
摘要：采 用 Solidworks 软 件 对 冲 焊 桥 壳 进 行 三 维 建 模 ，通 过 ANSYS Workbench 软 件 进 行 有 限 元
由于驱动桥壳的结构形状极为复杂，而有限元 软件的几何建模功能相当有限，难以方便地对其建 模。 因此， 本文采用 Solidworks 对 桥 壳 进 行 三 维 建 模 ， 然 后 通 过 ANSYS Workbench 输 入 接 口 读 入 实
体 模 型 ， 与 ANSYS Workbench 无 缝 连 接 ， 最 后 ， 在 ANSYS Workbench 中完成其它分析过程。 桥壳的材 料 为 16Mn， 弹 性 模 量 为 2 ×105MPa， 泊 松 比 为 0.3， 密 度 为 7.9×10-6kg/mm3。 有 限 元 模 型 单 元 网 格 划 分 采 用 三 维 shell63 弹 性 壳 单 元 ，单 元 边 长 为 1.5mm， 在 约 束 和 加 载 位 置 建 立 相 应 的 MPC184 单 元 ，以 合 理地传递力和位移。 整个模型共划分为 22633 个单 元，46398 个节点 ，桥壳有限元模型如图 1 所示。 [3-4]
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Distribution of Karst and Soil Holes in Buried Karst Region and Ground Treatment
BAO Dao-liang, LUO Jun-yu, LIU Dong-mei Abstract: Through a construction project in LongYan City Fujian Province and based on the result of the engineering field prospection drilling, both the engineering characteristics of the non-uniform ground in buried karst region with the intensely developed karsts and soil caves and its spatial distribution and also the stability of the non-uniform ground have been obtained. After estimating and calculating the ground stability, methods of the karst ground treatment with safety, reliability, economy, reasonableness conforming to the actual situations have been obtained. The methods are as follows: pouring or drilling hole casting pile, high pressure spinning spray slip casting slurry. When the diameter of soil caves is larger and the buried depth of soil caves is shallower, the soil caves are excavated and then backfilled by crushed stones or sands with good grain series. The last treatment is carried out with high pressure spinning spray slip casting slurry. When the soil caves is buried deeply with diffi－ culty for excavation, first pre-drill the hole, then fill in sands, and the last step is by the high pressure spinning spray slip casting slurry. The result can provide technical guidance for the engineering construction project locat－ ed at buried karst region with the intensely developed karsts and soil caves. Key words: buried karst region; karst; soil hole; ground treatment
动态特性影响程度比高阶振型大。 计算时提取模态 数为前 6 阶，各阶模态频率结果如表 1 所示。 对应 的振型描述如表 2 及振型如图 2（a）-2（f）所示。 [6]
表 1 桥壳前 6 阶固有频率
阶数
1 2 3
仿真结果(Hz) 阶数 仿真结果(Hz)
173.06 202.33 291.92
4
379.61
（1）
式 中 ，[M]、[C]、[K] 分 别 为 质 量 矩 阵 、 阻 尼 矩 阵 、
刚 度 矩 阵 ；{P （t）} 为 激 振 力 向 量 ； { x咬 （t）}、{ x觶 （t）}、{x
（t）}分别为加速度向量、速度向量、位移向量。 结构
的固有特性可以由一组模态参数定量描述，主要是
固有频率和模态振型， 由于固有频率与外载荷无
本文通过对冲焊桥壳的结构进行模态分析，得 到了前 6 阶模态固有频率和振型，获得了桥壳的固 有特性，这为改善桥壳结构、提高结构刚度提供了 科学依据，并为桥壳结构的动力特性分析和提高桥 壳的稳定性及可靠性奠定了基础。
参考文献： [1]刘 惟 信． 汽 车 车 桥 设 计[M]． 北 京 ：清 华 大 学 出 版 社 ，2004. [2]陈国荣，唐绍华． 汽车驱动桥桥壳强度与模态的有 限 元 分 析[J]． 机 械 设 计 与 制 造 ，2010（2）：42-44. [3]郑 慧 林． 基 于 有 限 元 法 的 微 型 车 驱 动 桥 结 构 分 析 及 疲 劳 寿 命 预 测 研 究[D]． 南 京 ：南 京 理 工 大 学 ，2008. [4]毛 小 馨 ，刘 贵 明． 基 于 SolidWorks 的 无 杆 飞 机 牵 引 车 驱 动 桥 结 构 设 计 仿 真 分 析 [J]． 机 械 设 计 ，2010，27(2)： 67-69. [5]傅 志 方 ，华 宏 星． 模 态 分 析 理 论 与 应 用[M]． 上 海 ： 上 海 交 通 大 学 出 版 社 ，2000. [6] 小 飒 工 作 室 ． 最 新 经 典 ANSYS 及 Work-bench 教 程[M]． 北 京 ：电 子 工 业 出 版 社,2004.
图 2（a） 一阶振型
图 2（b） 二阶振型
图 2（c） 三阶振型
图 2（d） 四阶振型
图 2（e） 五阶振型
图 2（f） 六阶振型 由于车桥的激励一般来自于路面，而路面的激 励多属于 0~50Hz 的垂直振动，从表 1 可 以 看 到 ，桥 壳 在 自 然 振 动 下 的 低 阶 频 率 均 大 于 50Hz， 故 能 避 免共振现象的发生。 因此可以认为该桥壳模态频率 分布是合理的。 从表 2 可以看出，桥壳的振型主要 表现为垂直弯曲、水平弯曲和弯扭组合等。 从图 2
图 1 桥壳有限元分析模型
3 模态分析理论
模态分析是动力学分析过程中必不可少的一
个步骤， 主要用于确定机械结构和部件的固有频
率、固有振型、模态刚度、模态质量和模态阻尼，是
谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析的起点。
对于一个 N 个自由度的线性定常系统，其基本
振 动 方 程 为[5]：
[M]{x咬 （t）}+[C]{x觶 （t）}+[K]{x（t）}={P（t）}
4 桥壳模态结果分析 模态分析是采用试验分析或理论分析的方法
来识别系统的模态参数， 为结构的系统动力学分
析、振动故障诊断及结构的动力特性的优化设计提
供依据。
在 ANSYS 软件中， 模态提取算法主要 有 Sub－
space、 Block Lancos、 Power Dynamics、 Reduced、 Damped 等 算 法 。 考 虑 到 Block Lancos 算 法 的 求 解 精 度 高 ， 计 算 速 度 快 ， 故 对 冲 焊 桥 壳 采 用 Block Lancos 算法进行模态分析。 由于结构振动可由每阶 固有振型的线性组合表示，其中低阶振型对结构的
文献标识码：A
文 章 编 号 ：1673－4629(2011)05－0012－02
1 引言 车桥是车辆重要的承载件和传力件。 它起支撑
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。 传统的结构设计多是基于 静力分析的结果，按照相应的强度理论进行的。 但 从桥壳使用性能的影响来看，桥壳的弯曲变形危害 最大。 本文以新型冲焊结构驱动桥壳为研究对象， 运 用 ANSYS Workbench 对 冲 焊 结 构 驱 动 桥 壳 进 行 模态分析，仿真计算出固有频率和固有振型，为冲 焊桥壳的结构振动特性分析，振动故障诊断和预报 以及结构动力特性优化设计提供依据，这对于提高 汽 车 的 安 全 性 和 可 靠 性 具 有 重 要 的 意 义 。 [1-2] 2 冲焊桥壳的有限元分析模型
5
465.21
6
629.79
表 2 桥壳前 6 阶振型描述
模态阶数
1 2 3 4 5 6
振型描述
桥壳在 XOY 平面内的局部一阶弯曲 桥壳在 XOY 平面内的局部二阶弯曲 桥壳在 XOZ 平面内的局部一阶弯曲 桥壳在 XOZ 平面内的局部二阶弯曲 桥壳在 XOZ 平面内的整体弯曲扭转 桥壳在 XOZ 平面内的整体弯曲扭转
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振 型 可 以 看 出 ， 一 阶 和 二 阶 振 型 在 XOY 平 面 内 的 局 部 弯 曲 振 动 。 三 阶 和 四 阶 振 型 为 XOZ 面 内 的 局 部弯曲振动，最大的弯曲变形分别在桥壳中部和两 端。 五阶和六阶振型为 XOZ 面内的整体弯曲扭转， 振动的最大位移分别在桥壳的中部和两端。 从以上 分析可以得出，在桥壳中部及两端振幅较大，在设 计时应加强两处的刚度。 5 结论