基于儲物柜模態(tài)分析研究振動特性

張龍威，張澤豫

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張龍威，張澤豫

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

建立某款儲物柜的幾何模型，運用Hypermesh在已建立的幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)實際實際情況定義邊界條件與施加載荷，完成有限元模型的建立；通過模態(tài)分析驗證該儲物柜的固有模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)激勵頻率相差在3Hz以上，保證儲物柜不會與發(fā)動機(jī)激勵產(chǎn)生共振，從而提高NVH性能。

模態(tài)分析；儲物柜；NVH

前言

近年來，隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，消費者對于汽車的各項性能提出了更高的要求，而NVH(Noise、Vibration、Harshness)是衡量汽車制造水平的重要標(biāo)志[1]，它可以直接反映消費者對汽車舒適性的體現(xiàn)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查，整車1/3的故障都與車輛NVH有關(guān)，因此NVH問題是國際各大汽車行業(yè)和零部件制造商關(guān)注的問題一。而我國汽車物流行業(yè)在汽車工業(yè)中占比較大，但是在NVH行業(yè)大多人只是關(guān)注整車自身的振動與噪聲，極其少數(shù)人關(guān)注貨物是否與汽車發(fā)生共振。本文將以儲物柜為例研究其運輸過程的動態(tài)特性，驗證儲物柜與是否與發(fā)動機(jī)激勵產(chǎn)生共振。

1 儲物柜模型的建立

本文研究工作中，主要采用有限元前處理軟件Hyper -mesh建立儲物柜有限元模型。其中各操作所需的具體研究工作如下[2]：

1）幾何模型的清理與簡化。在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分工作前，需要對副車架結(jié)構(gòu)幾何模型進(jìn)行幾何清理工作，修正模型導(dǎo)入時出現(xiàn)的錯誤孔、面、線和因軟件之間兼容性產(chǎn)生的錯誤。由于有限元結(jié)構(gòu)時對實際模型的近似處理，因此在有限元模型建立時，可以在不影響模型整體力學(xué)特性上進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸缀魏喕?，刪除對結(jié)構(gòu)無影響或者影響細(xì)微的結(jié)構(gòu)，以減少有限元模型建立的工作量。

2）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格單元類型的正確選取不僅直接影響有限元分析計算的準(zhǔn)確度，而且還會影響有限元分析計算的時間，在建立模型過程中，通常以四邊形單元為主、三角單元為輔相的方式來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3）網(wǎng)格質(zhì)量的檢驗。根據(jù)副車架的結(jié)構(gòu)特性，長度、寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度，故采用殼單元來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過對副車架網(wǎng)格的多次劃分和網(wǎng)格質(zhì)量的對比，最終以8mm的四邊形單元來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于過渡曲面和可能發(fā)生局部應(yīng)力集中的細(xì)節(jié)采用三角單元進(jìn)行劃分，充分發(fā)揮三角單元的特點，使網(wǎng)格質(zhì)量得到更好的優(yōu)化。最終劃分的網(wǎng)格單元個數(shù)為10485，節(jié)點數(shù)為10302，單元質(zhì)量檢查規(guī)范見表1。

表1 單元質(zhì)量檢查規(guī)范

4）材料定義。根據(jù)副車架的結(jié)構(gòu)選取材料剛作為模型屬性，屈服極限420MPa，彈性模量210000Pa，泊松比0.3，密度7800kg·m-3。

2 模態(tài)分析理論

模態(tài)是結(jié)系統(tǒng)的固有振動特性，其包含固有頻率、頻率和振型等參數(shù)。對于一個N自由度的線性系統(tǒng)，其微分方程如下：

式中，M為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣，C為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，X為系統(tǒng)節(jié)點位移，F(xiàn)為系統(tǒng)的激勵力向量。

由于本文分析的儲物柜是在無約束狀態(tài)下進(jìn)行的，故上式可以簡化為無阻尼自由振動微分方程，表達(dá)為：

根據(jù)振動理論可知，系統(tǒng)的自由振動解析為：

式中，α為各點的節(jié)點振幅；為振型的圓頻率，為相位角。將式(3)帶入式(2)得：

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生自由振動時必然存在位移，故式(4)有非零解，系數(shù)行列式應(yīng)等于零，即

若該系統(tǒng)為 n 階振動系統(tǒng)，則求解式( 5 )可得到 n 個特征值(頻率)及特征向量(振型)[3-4]。

3 儲物柜有限元分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查，在高速公路和一般城市的路況，路面激勵頻率大都在25Hz以下[2-3]。汽車在怠速、正常行駛和加速行駛等不同的路面工況下的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有所不同，發(fā)動機(jī)傳遞至后倉的激勵也不同。由發(fā)動機(jī)激振頻率公式為：

式中：z—發(fā)動機(jī)缸數(shù)；ω—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；τ—發(fā)動機(jī)沖程數(shù)。

根據(jù)上式得，汽車在開啟空調(diào)時怠速頻率在25~28Hz之間，為了避開發(fā)動機(jī)怠速頻率一般上下浮動2~3Hz，即相對安全的頻率范圍在22~31Hz之間。所以在儲物柜運輸過程中，保證儲物柜固有頻率在安全頻率范圍之外，對汽車舒適性和安全性有巨大的影響。

用求解器計算出儲物柜模型在0~50Hz范圍內(nèi)的固有頻率及振型。儲物柜模型共有16階模態(tài)，其中1~6階為剛體模態(tài)，由于在NVH模態(tài)分析中只關(guān)注彈性模態(tài)，所以忽略前6階剛性模態(tài)，在這里只關(guān)注0~50Hz以內(nèi)的模態(tài)。

表2 前五階模態(tài)分析結(jié)果

相應(yīng)的模態(tài)振型如下：

一階模態(tài)：14.2Hz

二階模態(tài)：18.1Hz

三階模態(tài)：33.6Hz 四階模態(tài)：40.9Hz 五階模態(tài)：42.0Hz 圖3 4 分析結(jié)果 本文基于HyperWorks有限元前處理軟件分析研究儲物柜在運輸過程是否會與發(fā)動機(jī)激勵頻率產(chǎn)生共振，研究結(jié)果表明：儲物柜的前六階模態(tài)分別為14.2Hz、18.1Hz、33.6Hz、40.9Hz、42.0Hz、43.2Hz，前六階模態(tài)都在22~31Hz之外，能夠避開發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的激勵，故該儲物柜在設(shè)計方面符合NVH特性。本文研究致力于在運輸行業(yè)如何避開共振現(xiàn)象有巨大的幫助，增強儲物柜的使用壽命，減少汽車振動，對提升NVH具有一定的幫助。 參考文獻(xiàn) [1] 楊年炯,錢立軍,關(guān)長明.某轎車白車身模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010(02):235-237. [2] 鄭灝.汽車前副車架有限元分析及優(yōu)化[D].武漢理工大學(xué),2012. [3] 汪成明.轎車白車身模態(tài)分析及其優(yōu)化[D].合肥工業(yè)大學(xué),2007. [4] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動理論與應(yīng)用[M]北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:7-10. Study on Vibration characteristics based on Modal Analysis of locker Zhang Longwei, Zhang Zeyu ( Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222 ) Abstract: The geometric model of a certain kind of storage cabinet is established, and the finite element model is established by using Hypermesh on the basis of the established geometric model, and the boundary conditions and applied loads are defined according to the actual situation. The modal analysis verifies that the inherent modal frequency of the lockers differs from the engine excitation frequency above 3Hz, which ensures that the lockers will not resonate with the engine excitation so as to improve the performance of NVH. Keywords: modal analysis; storage tank; NVH CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)21-68-03 中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988(2018)21-68-03 作者簡介：張龍威，男，安徽滁州人，本科，天津科技大學(xué)，研究方向：遙感技術(shù)。 通訊作者：張澤豫，男，河南洛陽人，研究生，天津科技大學(xué)，研究方向：汽車車身振動與噪聲。 基金項目：天津科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201810057123）。 10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.024