基于有限元法的副車架模態分析

鐘煥祥，唐勝男，姚玉麗

(浙江萬安科技股份有限公司，浙江諸暨 311835)

基于有限元法的副車架模態分析

鐘煥祥，唐勝男，姚玉麗

(浙江萬安科技股份有限公司，浙江諸暨 311835)

運用CATIA軟件建立副車架三維實體模型，通過ABAQUS分析軟件建立其有限元模型。對有限元模型進行自由模態及約束模態的模擬分析，得到副車架的固有頻率和相應振型。然后對副車架進行模態試驗，通過比較試驗結果與計算結果，驗證有限元模型的正確性，為后續的結構優化提供參考。

副車架；有限元；自由模態；約束模態

Abstract:A three-dimensional solid model of the subframe was built with CATIA, and the finite element model of the subframe was built in ABAQUS. The inherent frequency and the vibration mode of the subframe were gotten based on the analyses of the free modal simulation and the constrained modal simulation.The finite element model of the subframe was validated by the model testing in the laboratory. By comparing the testing results with the computation results, the correctness of the finite element model is verified. It provides reference for subsequent structure optimization analysis.

Keywords:Subframe; Finite element; Free modal;Constrained modal

0 引言

轎車副車架作為車橋與懸架的支撐，是前后車橋的重要組成部分，同時也是發動機的重要承載單元。在車輛行駛過程中，副車架對來自路面的隨機載荷和發動機的振動載荷進行衰減和隔離，在此過程中，當激勵頻率與副車架固有頻率一致時，就會發生共振現象，影響車輛行駛的平順性和舒適性，因此，研究副車架的動態特性對于研究整車的疲勞特性以及NVH 性能有重要作用。

模態分析是各種動力學分析的基礎，結構的振動特性決定了結構對于其他各種載荷的響應情況。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元網格劃分

運用CATIA軟件進行三維實體建模，并將模型導入ANSA軟件進行網格劃分。在網格劃分過程中，先對模型進行幾何清理，去除對結果影響較小的圓角、倒角。考慮到產品為鈑金件，材料均勻，采用四邊形殼單元進行模型網格劃分。副車架中的焊縫，其尺寸相較于所定的網格尺寸來說比較大，所以單獨建立了焊縫單元，以剛性連接進行模擬。

1.2 賦予材料及屬性

副車架各部件材料壁厚、材料屬性均根據實際定義，具體參數見表1。

表1 部件幾何屬性及材料屬性

2 副車架理論模態的提取

2.1 有限元模態分析理論

根據振動理論系統的運動微方程如下：

(1)

對于無阻尼自由振動系統，其運動微方程可簡化如下：

(M+ω2M)μ=0

(2)

其中：ω2為特征值，即固有頻率的平方；μ為特征向量，即振型。

為了得到系統的模態參數，需求解特征方程的的根ωi(i=1, 2， …，n)，從而得到固有頻率及固有振型。無阻尼振動系統的特征方程如下：

(3)

2.2 自由模態提取

自由模態是模態分析的重要組成部分，在不考慮任何約束條件下得到結構本身的固有特性。在仿真過程中提取副車架前6階自由模態參數，受篇幅約束，列出前2階模態振型。1、2階模態振型分別如圖2、圖3所示。

2.3 約束模態提取

結構在不同的約束條件下其固有頻率、振動模態都會發生改變，約束模態能真實反映結構的振動情況，研究約束對于模態的影響。在仿真過程中提取副車架前6階約束模態參數，受篇幅約束，列出前2階模態振型。1、2階模態振型分別如圖4、圖5所示。

自由模態及約束模態固有頻率及振型描述如表2所述。

表2 自由及模態仿真結果

3 試驗模態分析

3.1 理論模態與試驗模態的對比分析

為驗證有限元模型的正確性，把理論模態和試驗模態作對比分析，見表3。

表3 對比分析結果

3.2 結果分析

3.2.1 產生誤差的原因

(1)副車架結構部件采用沖壓、折彎成型工藝，該工藝決定了結構材料并非絕對均勻分布，而理論模型卻定義材料為均勻分布。

(2)有限元模型采用模擬焊接，焊縫定義為均勻分布，而實際焊接工藝與模擬焊接存在一致性的差異。

(3)模型在幾何清理、拓撲優化過程中，對結構進行一定簡化，與實際結構有一定誤差。

(4)受試驗設備及試驗方法約束，試驗結果本身也存在誤差。

3.2.2 共振分析

發動機激勵頻率可由如下公式計算得出：

f=2Zn/60τ=26.9 Hz

(4)

其中：Z=4，為發動機缸數；n=800 r/min，為怠速車速；τ=4，為發動機沖程。

由此可得副車架1階固有頻率遠遠大于發動機怠速激勵頻率，避免懸架與地面引起的共振，同時副車架各階頻率跨度大，使副車架避免發動機運轉過程中引發的爆振頻率。

4 結束語

采用ABAQUS有限元軟件對車輛副車架建立有限元模型，并對其進行自由模態及約束模態的仿真，分別得到其前6階固有頻率及固有振型，為進一步進行振動、疲勞及噪聲的研究奠定了基礎, 同時也為結構優化提供理論依據。

【1】 王云，周鋐，陳棟華.基于有限元及實驗技術的轎車副車架模態特性分析[J].輕型汽車技術，2006(7)：7-10.

【2】 李偉鋒，朱茂桃，陸峰，等.某SUV轎車副車架模態分析的實例研究[J].噪聲與振動,2013(3):124-127.

【3】 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京:機械工業出版社,2006:289-294.

【4】 張準，汪鳳泉.振動分析[M].南京：東南大學出版社，1991:156-157.

【5】 張立軍,余卓平,靳曉雄,等.汽車整車及零部件試驗模態分析測試技術[J].汽車研究與開發,2000(5):37-40.

本田公布無線充電技術最新進展

電動車技術可正在發生日新月異的變化，近日國外科學家也公布了最新的雙碳性電池技術，而我們這里要談的是另一方面技術——充電技術。

當然，電動車主可以將充電線纜插入插座進行充電，不過這么做很麻煩，并且在工作繁忙或緊急事件發生時可能會忘。為了應對這樣的問題，許多車企已經研發出了無線充電技術。近日，本田也公布了其在無線充電方面的最新進展。

盡管尼古拉特斯拉在1891年就提出了感應交流電等理論，但這項理論直到近年才真正發揮其實用價值。無線充電系統由兩個線圈組成，感應線圈創造出交流電磁場，車上的接收線圈則負責接收并將磁力轉化為電能儲存在車內電池里。

本田與Witricity公司合作開發出一款新系統，用特定頻率功率波實現磁共振。即便兩個線圈并非完全對齊也可實現接近100%的能量傳遞。

據本田描述，線圈在橫向誤差±10 cm，縱向誤差±5 cm，平行誤差±2°的條件下，仍可實現80%～90%的傳輸率。

這項系統的輸出功率約為2.2 kW，相比普通的插入式充電器僅低1 kW(一般無線充電系統功率比插入式充電器低得多)。本田預計該系統會在2016年投入使用。

(信息來源：互聯網)

ModalAnalysisoftheSubframeBasedonFiniteElementMethod

ZHONG Huanxiang, TANG Shengnan, YAO Yuli

(Zhejiang Vie Science & Technology Co.,Ltd.,Zhuji Zhejiang 311835,China)

2014-04-04

鐘煥祥(1984—)，男，學士，工程師，研究方向為車輛制動系統有限元分析。E-mail：zhonghx1984@163.com。