汽車安全性能檢測艙模態(tài)分析

李樹珉，焦宇飛，陳成法，白云川，郭 正

(1.軍事交通學院 外訓(xùn)系，天津300161;2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;3.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161)

汽車安全性能檢測艙是我軍移動檢測的重要設(shè)備。為了確保檢測艙安全可靠，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的動態(tài)特性［1］。艙體在運輸時，由于運載車發(fā)動機運轉(zhuǎn)及路面激勵帶動底盤產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致艙體及其設(shè)備振動影響設(shè)備的工作精度，縮短設(shè)備壽命。因此，對設(shè)備進行模態(tài)分析，以便通過優(yōu)化設(shè)計得到具有良好動態(tài)特性、振動影響小、噪聲低的產(chǎn)品［1］。

1 檢測艙結(jié)構(gòu)特點與材料特性

1.1 結(jié)構(gòu)特點

汽車安全檢測艙長6 058 mm、寬2 438 mm、高2 438 mm，其外形如圖1所示。側(cè)壁由波紋板及內(nèi)外蒙皮組成，在波紋板與內(nèi)蒙皮之間灌注聚氨酯保溫材料達到降暑防寒的目的。艙體4個角設(shè)計有吊孔結(jié)構(gòu)，既可實現(xiàn)在順裝車輛上裝卸又可進行側(cè)裝和吊裝。

圖1 新型安全環(huán)保檢測艙艙體

1.2 艙體材料

新型排放檢測艙底部結(jié)構(gòu)主要采用Q235鋼，其主要參數(shù)為彈 性 模 量2.1×105MPa，泊松比0.3，屈服強度235 MPa。其表面與側(cè)面采用復(fù)合夾層，由鋁合金板做內(nèi)外蒙皮，中間夾層灌注聚氨酯保溫材料。鋁合金彈性模量7×104MPa，泊松比0.33，屈服強度225 MPa。聚氨酯泡沫為低密度泡沫模型，其彈性模量10 MPa，泊松比0.3。

2 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)

由有限元理論可得，艙體結(jié)構(gòu)有限元分析的動力學方程可表示為

式中:M、C、K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛變矩陣，為n階方陣。x、、、f(t)分別為系統(tǒng)的位移向量、速度向量、加速度向量、激振力向量，為n階列向量。

結(jié)構(gòu)的阻尼問題比較復(fù)雜，大多數(shù)結(jié)構(gòu)的阻尼比都非常小，對系統(tǒng)的固有頻率和振型的計算結(jié)果影響很小，可以忽略不計［2］。在模態(tài)分析時，令f(t)=0，考查系統(tǒng)無阻尼自由振動的情況，則

其解為

式中:ω為振動固有頻率;φ為振動初始相位;Χ為振幅矩 Χ={Χi1，Xi2，…，Xin}T。

由式(1)和式(2)得到齊次方程組:

該齊次方程組存在非零解的充分必要條件是其系數(shù)行列式等于零，即其中，式(4)稱為特征值方程，其展開式是ω2的n次代數(shù)方程，可以解得方程的特征值為n個根，即特征值的算術(shù)平方根即為系統(tǒng)的固有頻率 ω1，ω2，…，ωn，每個特征值都對應(yīng)一個特征向量 X1，X2，…，Xn。

3 模態(tài)分析

3.1 模型構(gòu)建

在進行有限元建模操作之前，必須對檢測艙結(jié)構(gòu)進行正確的幾何建模。目前，主要建模方法有實體單元建模、殼單元建模、殼單元和實體單元組合建模3種［3］。由于蒙皮較薄，實體單元建立出來的有限元模型其單元形狀比較差，如果網(wǎng)格劃得很細，滿足單元形狀的要求，則會因為模型太大導(dǎo)致計算量很大［4］;全部采用殼單元建立有限元模型，則和承載式車身模型的建立方法是一樣的，但是，承載式車身是骨架式車身，骨架式車身主要由骨架承受載荷，而檢測方艙具有整體力學性能，因此，采用此種方法導(dǎo)致方艙計算結(jié)果與實際情況不符。采用殼單元與實體梁單元建模則既可消除實體單元建模時計算過大，又可避免方艙計算結(jié)果與實際不符帶來的問題。因此，采用殼單元和梁單元建模。選定幾何模型后，建立檢測艙有限元模型(如圖2所示)。

圖2 檢測艙有限元模型

3.2 網(wǎng)格劃分

在Solidworks的Simulation中將建立好的模型進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)實體大小并結(jié)合網(wǎng)格劃分原則，將檢測艙體劃分為163 881自由度、54 627節(jié)、30 654單元格。劃分網(wǎng)格后的檢測艙模型如圖3所示。

3.3 結(jié)果分析

圖3 劃分網(wǎng)格后的檢測艙模型

從檢測艙的機械、結(jié)構(gòu)幾何特性與材料特性等原始參數(shù)出發(fā)，通過有限元方法將這些幾何模型離散為包含質(zhì)量矩陣與剛度系數(shù)的數(shù)學模型［5］，求解其中數(shù)學模型對應(yīng)的參數(shù)來分析檢測艙的實際狀態(tài)。通過對檢測艙進行模態(tài)分析可以得到檢測艙模型的固有頻率和固有振型，同時根據(jù)檢測車實際運行情況可以得到檢測艙在各種情況下的動態(tài)激勵響應(yīng)。在檢測模態(tài)分析中，通過Soliderworks的Simulation頻率算例，可以計算檢測艙前5階固有模態(tài)(見表1)。其振型如圖4—8所示。

表1 各頻率模態(tài)振型

圖4 1階模態(tài)振型

圖5 2階模態(tài)振型

圖6 3階模態(tài)振型

圖7 4階模態(tài)振型

圖8 5階模態(tài)振型

通過以上分析可以看出，該車在前5階彈性模態(tài)中全部為艙體的局部振動，彈性模態(tài)頻率分布在58～87 Hz范圍內(nèi)，其振型主要表現(xiàn)為艙體中部及靠近窗口的上下振動。

4 實際情況激勵

在實際工作過程中檢測艙的動態(tài)激勵主要有路面激勵、汽車發(fā)動機激勵。

4.1 路面激勵

路面激勵主要由路面不平度激勵引起的振動，與運載車的行駛速度有關(guān)。當汽車以速度v(m/s)行駛在路面不平度空間頻率為Ω(m－1)的路面上時，輸入的時間頻率f(Hz)是Ω和v的乘積，即

路面激勵頻率一旦與車架的模態(tài)頻率相重疊，車架就要發(fā)生共振，其共振車速為v=3.6Lminf，其中，Lmin為路面的最短波長。我國不同路面譜的不平度波長見表2。

表2 不同路面譜的不平度波長 mm

檢測艙所用運載車平均車速為50～80 km/h，根據(jù)式(5)可得不同路面的激勵頻率(見表3)。

表3 不同路面的激勵頻率 Hz

4.2 發(fā)動機怠速激勵

檢測艙運載車選用2006A－14整體自裝卸車，發(fā)動機怠速激勵頻率為35 Hz，在常用車速50～80 km/h時，相應(yīng)的發(fā)動機爆發(fā)頻率為48～52 Hz，傳動軸的不平衡引起的振動頻率范圍在33 Hz以上，激勵分量較小［6］。

由此可知，發(fā)動機怠速頻率不會對艙體產(chǎn)生影響，但路面激勵會對艙體造成一定的影響，主要表現(xiàn)為:在碎石路面上、車速較高時，路面激勵頻率比較接近艙體固有頻率，但是由于分析中忽略了阻尼振動，在實際過程中，受車身阻尼振動的影響，艙體實際受到的影響比分析結(jié)果要小。

5 艙體模型的改進

通過模態(tài)分析，可知初期檢測艙設(shè)計模型中，中部與窗口處上下振動的振幅較大，并且在碎石路面車速較高時有發(fā)生共振的可能性，因此，有必要對該車架相關(guān)部位進行改進處理。

具體改進方法為，將艙體頂板與底板內(nèi)加4根4.0 mm×75 mm×75 mm前頂橫梁加強，在門口與窗口邊緣內(nèi)加支撐梁。改進前后的模態(tài)對比見表4。

表4 改進前后的模態(tài)對比

改進前艙體的最大位移為7.574 mm，改進后艙體最大位移為4.682 mm，比原來有明顯改進，并且頻率較之前有明顯提高，雖然其一階頻率仍低于碎石路面最高頻率，但考慮到實際運載過程中車速較低，碎石路面的激勵頻率低于其最高頻率。因此，對艙體改進是有效的。

6 結(jié)論

(1)在對艙體進行模態(tài)分析過程中，可通過求解艙體動力學方程中的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣特征方程中的特征值和算術(shù)平方根求解艙體的頻率和振型。

(2)通過對檢測艙進行模態(tài)分析得出，艙體的振型主要是彎曲振動，振動幅度較大的地方集中在檢測艙中部以及窗口地方。

(3)在運輸過程中，碎石路面對檢測艙影響較大，可以通過改進艙體內(nèi)部機構(gòu)降低影響。

［1］ 王良模，吳長風.特種車輛方艙結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析［J］.機械設(shè)計與制造，2008(11):92-94.

［2］ 柴山.車輛結(jié)構(gòu)的有限元分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2013:102-104.

［3］ 梁君.模態(tài)分析方法綜述［J］.現(xiàn)代制造工程，2006(8):85-89.

［4］ 馬永列.結(jié)構(gòu)模態(tài)分析實現(xiàn)方法研究［D］.杭州:浙江大學，2008:75-80.

［5］ 楊忠炯，趙曉海，王宇奇.重型礦用汽車車架模態(tài)分析及改進［J］.機械傳動，2009(2):97-99.

［6］ 向樹紅.模態(tài)分析與動態(tài)子結(jié)構(gòu)方法新進［J］.力學發(fā)展，2004(8):92-96.