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基于虚拟仿真技术的车架动态响应特性分析
摘要：本文利用ALGOR有限元软件对车架的模态进行了分析，并进行了前10步固有频率共振和振动模型的建立。利用二自由度车辆振动模态，建立了系统的运动微分方程，并利用Matlab的SIMULINK模块对车架的振动进行了仿真。然后利用路面激励信号对车架进行动力响应仿真，得到典型路面车架的动力响应特性，为车架结构的改善和优化提供理论依据。
关键词：车架，模态分析，功率谱密度，动态响应特性，ALGOR, Simulink
1.导言
汽车车架承载部分，承受各种力和扭矩，和支持发动机、离合器、变速箱、转向、独立车架结构和集装箱的弹簧质量。另一方面，车架通过悬挂装置装配在车轮上，接受各种不同的路面激励信号。汽车沿道路行驶时，车架承受的动力荷载随行驶工况(车速和路面状况)的变化而变化。由于这些动荷载是随机的，它们对车架的影响很难预测。基于虚拟仿真技术，我们可以用Matlab的仿真模块Simulink，我们可以产生一个路面信号来模拟车架的动态响应，得到典型道路车架的动态响应特性，为车架结构的改进和优化提供理论基础。
2.有限元建模与模态分析
首先，在Solidworks软件建立车架的三维模型，一些细节可能会被简化或者忽略，然后用有限元分析软件ALGOR进行模态分析，并导入ALOGOR的物理模块中。啮合之后，模型共有11658个标记和9334个单元。选择16Mn作为车架的原料，通过查阅机械设计手册我们可以知道，原料的弹性模量E=2.0times;1011Pa，密度rho;=7850kg/m3，泊松比gamma;=0.3.计算自由振型模型（取消所有约束条件），采用子空间迭代法计算前10步自由模态，仅6步为刚性模态。每一步的固有频率和振动模式如表1所示，条纹如图1所示。
Table 前十阶固有频率和振动模态
|
顺序 |
固有频率（Hz） |
振动模态 |
|
1 |
26.6962 |
水平反向 |
|
2 |
33.3145 |
水平弯曲 |
|
3 |
48.9897 |
水平弯曲 |
|
4 |
57.1147 |
垂直弯曲和部分垂直弯曲 |
|
5 |
66.9181 |
水平部分弯曲和局部垂直弯曲 |
|
6 |
74.2361 |
垂直弯曲和局部弯曲 |
|
7 |
80.1503 |
垂直弯曲额扭转 |
|
8 |
88.1157 |
水平弯曲 |
|
9 |
92.1008 |
局部水平弯曲和局部垂直弯曲 |
|
10 |
102.576 |
水平瓦努去 |
- 第一步
- 第二步
- 第三步
- 第四步
- 第五步
- 第六步
- 第七步
- 第八步
- 第九步
- 第十步
图一 前十步条纹
模态分析主要用于研究车架的固有频率与振动模态，从模态分析的结果可以看出：前九阶模态固有频率小于100Hz，表明低频响应式主要的成分；模型是对称的，与车架结构的对称性相匹配。根据条纹图可以知道，中横梁是薄弱的链接，在第五步和第六步发生明显的局部振动，这告诉我们车架中间的部分刚度不够并且需要加强。
3.二自由度车辆振动模型
当悬浮质量分配系数接近1，悬架系统的垂直振动几乎是独立的，车辆的四自由度振动模态可降为二自由度。基于而自由度车辆的振动模型（图二），
图二 二自由度车辆振动模型
使用牛顿运动定律，建立系统微分方程，即：
m22=-k2(x2-x1)-c2(2-1) (1)
m11=k2(x2-x1) c2(2-1)-k1(x1-x0) (2)
在式中，m1代表车轮质量，m2代表车身质量，x0指路面位移，x1指车轮位移，x2指车身位移，k1为轮胎刚度，k2为悬架刚度，c2为悬架阻尼，1为车轮加速度，2为车身加速度。
4.车架的路面激励模拟
A.路面激励模拟
动态分析通常是在时域进行的，为了更好地反映路面在低频范围内的水平，选择白噪声滤波器作为路面输入模型：
g(t)=-2Pi;f0xg 2Pi;omega;（t） (3)
在公式中，f0指断开频率；G0指路面平整度系数；v0指速度；omega;指输入随机单位白噪声平均值为0。为了保证路面位移谱输入与实际路面状况相匹配，f0应该接近0。0628Hz。在白噪声数学模型的基础上建立simulink仿真模型，如图3所示。
图3 路面激励模拟
B.建立仿真模型
依据运动微风方程，我们可以在simulink，如图4所示。汽车和道路参数为：车轮质量m1=75kg，车身质量m2=900kg,轮胎刚度k1=225000N/m，悬架刚度k2=35000N/m，悬架阻尼c2=2500Ns/m.选择B级道路作为研究条件，路面粗糙度系数是64*/cycle,汽车速度为20m/S,模拟时间为10秒，4/5阶Runge-Kutta算法仿真。
图4 仿真模型
5.仿真结果分析
A.5.1 B级道路仿真结果
如图5图6所示，我们可以看到在B级公路20m/s处框架垂直振动加速度模拟时域信号和加速度功率谱密度。
图5 车架垂直振动加速度
图6 加速度功率谱密度
B．5.2 仿真结果分析
功率谱密度是车架对路面随机振动激励的响应结果。对时域信号进行功率谱密度分析，我们能确切的知道我们感兴趣的领域的信号能量分布。正如功率谱密度所展示的，低于100Hz的频率有着更高的激励能量，并且集中分布在40Hz到65Hz之间。在第三，第四，第五频率固有频率是激励能量最密的地方。在5Hz，10Hz，41Hz，50Hz，57Hz和61Hz处位于峰值，其中，50Hz和57Hz接近第三，第四阶车架固有频率，，非常有可能发生共振。每一阶车架的固有频率应该原理激励频率来避免共振的发生。
6.结论
在这篇论文中，对B级路面20m/s行驶车辆的车架振动加速度时域信号进行了仿真研究，我们可以得到仿真模型和前10个振动固有频率。根据车架道路仿真的研究结果特征，寻找车架的一次频率分布区域和路面危险振动模型。结合模态分析和仿真技术来分析车架的动态特性，为车架结构的改进和优化提供理论基础。
参考文献
- Liu Weixin,”Automobile Design”,Beijing:Tsinghua university press,2001(In Chinese).
- Liu Meng.Vehicle frame model analysis and optimization method.Masterrsquo;s thesis of Changrsquo;an university.2009,6,44(In Chinese).
- Editorial board of mechanical design manual.Mechanical design manual.Beijing:China Machine Press,2007(In Chinese).
- Yu ZhiSheng.”Automobile Theory”.Beijing:China Machine Press,2007(In Chinese).
- Zhao Ling.The automobile suspension system dynamic simulation based on Simulink.Journal of machinery,2002(1):11-13(In Chinese).
- Yu Fan,Lin Yi.”Auoto system dynamics”.Beijing:China Machine Press.2005,148-149(In Chinese).
汽车底盘有限元动力分析与设计优化
Shrinidhi Rao and Ajay Bhattu
摘要：在这篇论文中已经通过ansys对梯形底盘车架进行了动态分析。首先，采用结构钢材料对底盘进行模态分析，提取了前六个非零固有频率及其相应的振型。可以观察到底盘的第二固有频率接近发动机在空转条件下的励磁频率，底盘的第五固有频率接近发动机在高速巡航条件下的励磁频率。对底盘进行了优化设计，以获得在期望范围内的固有频率，避免了共振的可能性。在原优化底盘上进行了谐波响应分析，以检验其在谐波力作用下的响应。
关键词：振动·共振·底盘·动力分析·有限元优化·田口法
1 导言
当机械中有旋转或运动部件时，就会产生振动问题。振动会产生应力过大，噪音不良，零件松动，零件部分或完全失效的影响。底盘架是汽车的基本构架。所有的汽车系统，如变速箱、转向系统、悬挂系统、制动系统等，都链接在底盘框架上，并由底盘框架支撑。车架为汽车提供了强度和灵活性。当汽车沿着道路行驶时，底盘会受到来自发动机和传动系统的激励，也会受到道路轮廓的影响。由于这些激励，底盘开始振动。如果外界的激励频率和振动的固有频率一致，发生共振，导致过度偏转和破坏。
图表 1底盘架的三维模型
在目前的论文中，底盘架的动态分析已经通过ansys软件完成。将钢结构材料的性能应用于底盘的模态分析。对底盘设计进行了改进和优化，使其固有频率超出了共振范围。在原底盘和优化后的底盘上进行谐波分析，以检验在谐波力作用下的响应。
2梯形底盘架动力分析与设计优化
2.1底盘车架模态分析
选择了一个梯形底盘框架进行分析。如图一所示底盘构件由长构件与交叉构件组成。长构件为空心矩形箱形截面。底盘的总长为3825mm。底盘框架的有限元模型如图二所示。在ansys中对底盘框架进行了自由状态下的模态分析。底盘框架的材料是结构钢（rho;=7850kg/msup3;，E=200GPa，v=0.3）。由于使用了自由条件，前六个固有频率要么为零，要么非常接近于零。它们与刚体运动相对应并且被忽略了。提取了前六个非零固有频率及其对应的振型（表1）。
图表 2底盘架的有限元模型
表格 1结构钢底盘的固有频率和变形
|
模型 |
频率 |
最大变形（毫米） |
|
1 |
14.211 |
3.9435 |
|
2 |
25.595 |
2.4555 |
|
2 |
36.627 |
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