基于模態(tài)貢獻量診斷法提高副車架結(jié)構(gòu)動剛度方法研究

蔣超，楊寧寧

(1.華晨寶馬汽車有限公司技術(shù)與質(zhì)量管理部，遼寧沈陽 110143；2.華晨汽車工程研究院底盤部,遼寧沈陽 110141)

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基于模態(tài)貢獻量診斷法提高副車架結(jié)構(gòu)動剛度方法研究

蔣超1，楊寧寧2

(1.華晨寶馬汽車有限公司技術(shù)與質(zhì)量管理部，遼寧沈陽 110143；2.華晨汽車工程研究院底盤部,遼寧沈陽 110141)

摘要：針對某型車底盤開發(fā)設計過程中副車架與擺臂前安裝點動剛度偏低的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運用模態(tài)貢獻量診斷方法研究了影響副車架動剛度的主要模態(tài)成分，并通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應變能分布判斷影響副車架動剛度的主要區(qū)域。通過優(yōu)化這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了副車架動剛度的提高，從而達到了目標的要求。

關(guān)鍵詞：副車架；動剛度；模態(tài)貢獻量; 應變能

0引言

針對在某型車底盤開發(fā)設計過程中副車架與擺臂前安裝點動剛度偏低的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運用模態(tài)貢獻量診斷方法研究了影響副車架動剛度的主要的模態(tài)成分，并通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應變能分布判斷影響副車架動剛度的主要區(qū)域，最終實現(xiàn)了副車架動剛度的提高，從而達到了目標的要求。

1副車架動剛度計算

首先采用HyperWorks軟件[1]的Hypermesh模塊建立副車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用Optistruct[2]求解器對分析模型進行求解，如圖1所示。

基于上述有限元模型計算得到副車架與擺臂前安裝點分別在X方向、Y方向、Z方向的動剛度[3]，如圖2所示，從仿真結(jié)果中可以看出：X方向的動剛度遠大于目標值。在50～250 Hz之內(nèi)，該副車架與擺臂前安裝點在Y方向的最小動剛度為5 800 N/mm，發(fā)生在頻率為225 Hz的位置處，該段附近的動剛度小于目標值6 000 N/mm。同樣地，Z方向的動剛度在頻率為223 Hz的位置處動剛度最小達到3 200 N/mm，不滿足目標值5 000 N/mm的要求。因此，接下來作者首先運用模態(tài)貢獻量診斷方法研究了影響副車架動剛度的主要模態(tài)成分，然后通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應變能分布判斷影響副車架動剛度的主要區(qū)域。通過優(yōu)化這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了副車架動剛度的提高，從而達到了目標的要求。

2副車架動剛度模態(tài)貢獻量分析

在副車架與擺臂前安裝點動剛度計算中設置模態(tài)貢獻量[4]參數(shù)輸出，用于研究影響副車架動剛度的主要模態(tài)成分。由圖3可知：X方向的最大位移即最小動剛度發(fā)生在頻率為219 Hz位置處，其中第29階模態(tài)(2 652 Hz)和第2階模態(tài)(226 Hz)的貢獻量最大，分別占28%和22%。由于第29階模態(tài)(2 652 Hz)為高階模態(tài)，其振動形式為副車架與擺臂前安裝點局部區(qū)域本身的振動，可以忽略。由圖4可知：Y方向的最大位移即最小動剛度發(fā)生在頻率為225 Hz位置處，其中第2階模態(tài)(226 Hz)的貢獻量最大，占92%。由圖5可知：Z方向的最大位移即最小動剛度發(fā)生在頻率為223 Hz位置處，其中第2階模態(tài)(226 Hz)的貢獻量最大，占72%。

綜上所述，運用模態(tài)貢獻量診斷方法可以看出副車架第2階模態(tài)(226 Hz)對副車架與擺臂前安裝點的動剛度模態(tài)貢獻量最大。因此，副車架第2階模態(tài)的應變能分布需要被研究，從而找到影響副車架動剛度的主要區(qū)域。通過更改這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了副車架動剛度的提高，從而達到了目標的要求。

3副車架應變能分布

第2節(jié)中運用模態(tài)貢獻量診斷方法可以看出副車架第2階模態(tài)(226 Hz)對副車架與擺臂前安裝點的動剛度模態(tài)貢獻量最大。因此文中又通過模態(tài)分析方法考察了副車架在第2階模態(tài)(226 Hz)的應變能分布，應變能較高的位置變形較大，剛度較低，從而可以通過提高這些位置的剛度來提高副車架整體的動剛度。由圖6可以看出：副車架在第2階模態(tài)(226 Hz)有3處應變能較高：第1處為副車架與車身中間連接位置；第2處為副車架后側(cè)拐角位置；第3處為副車架與車身后端連接位置。

4副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進

通過對副車架與擺臂前安裝點動剛度模態(tài)貢獻量與應變能分布的分析，找到了3處關(guān)鍵區(qū)域?qū)Ω避嚰軇觿偠扔绊戄^大。因此分別針對這3處區(qū)域進行相應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進。第1處為副車架與車身后端連接位置，該位置采用形狀優(yōu)化的方法改變后點的位置；第2處為副車架后側(cè)拐角位置，該位置采用形狀優(yōu)化的方法改變拐角位置局部形狀；第3處為副車架與車身中間連接位置，該位置為管狀結(jié)構(gòu)，將其厚度作為設計變量。采用HyperWorks軟件[1]Optistruct模塊綜合采用形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化2種方法對副車架進行優(yōu)化分析。設計變量設置如圖7所示。分別將擺臂前點Y和Z方向位移最小化即動剛度最大化作為目標，優(yōu)化迭代過程曲線分別如圖8和圖9所示。從圖8中可以看出：設計變量1和設計變量2與擺臂前點Y方向位移成反比關(guān)系，因此副車架與車身后端連接位置向前移動有利于Y方向動剛度提升，副車架后側(cè)拐角向內(nèi)收縮有利于Y方向動剛度提升。從圖9可以看出：設計變量1和設計變量3與擺臂前點Z方向位移成反比關(guān)系，因此副車架與車身后端連接位置向前移動有利于Z方向動剛度提升，副車架與車身中間連接位置管狀結(jié)構(gòu)厚度增加有利于Z方向動剛度提升。

綜合上述結(jié)論，最終將副車架擺臂后點向前移動10 mm，副車架后側(cè)拐角位置向內(nèi)收縮12 mm。優(yōu)化后的副車架結(jié)構(gòu)在擺臂前安裝點的動剛度如圖10所示，可以看出：優(yōu)化后的副車架與擺臂前安裝點的動剛度在X、Y、Z3個方向上均滿足目標要求。

5結(jié)論

建立以副車架為主體的有限元模型，運用模態(tài)貢獻量診斷方法研究了影響副車架動剛度的主要模態(tài)成分，并通過模態(tài)分析根據(jù)主要模態(tài)成分的應變能分布判斷影響副車架動剛度的主要區(qū)域。通過優(yōu)化這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了副車架動剛度的提高，從而達到了目標的要求。

這些結(jié)論也可以為今后類似的結(jié)構(gòu)設計提供相應的參考，具有一定的參考價值。

參考文獻:

【1】張勝蘭.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

【2】李楚琳.HyperWorks分析應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.

【3】龔成斌，王存杰，胡禮.基于MSC Nastran的前副車架動剛度分析[J].計算機輔助工程，2013,22(A01):54-56.

【4】宋文,梁躍,高愛軍,等.基于模態(tài)貢獻量法支撐結(jié)構(gòu)振動控制方法[J].魚雷技術(shù)，2015,23(6):439-443.

Research on the Dynamic Stiffness Improvement of the Subframe Based on Modal Participation Diagnosis Method

JIANG Chao1,YANG Ningning2

(1.Technical and Quality Management Section, BMW Brilliance Automotive Ltd., Shenyang Liaoning 110143,China;2.Chassis Section,Brilliance Auto R & D Center, Shenyang Liaoning 110141,China)

Keywords:Subframe; Dynamic stiffness; Modal participation; Strain energy

Abstract:Considering the problem of the lower dynamic stiffness of the connection between the subframe and control arm in the developing process of the vehicle chassis, the finite element model of the the subframe was constructed, and the method of the modal participation diagnosis was applied to research the main mode composition which influenced the dynamic stiffness of the subframe. And then according to the strain energy distribution of the main mode composition, the main areas which influenced the dynamic stiffness of the subframe were researched.By means of optimizing the structure of these areas, the dynamic stiffness of the subframe is improved to the target request.

收稿日期：2016-03-08

作者簡介：蔣超(1987—)，本科，助理工程師，研究方向為車輛底盤及動力總成系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。E-mail:vv518@163.com。

中圖分類號:U463.32

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-021-05