基于NX NASTRAN的拉臂裝置副車架模態(tài)分析與仿真

孫智勇，車 璐，張 亮，張峻方

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

拉臂裝置是一種安裝于專用汽車底盤，組裝成車廂可卸式垃圾車，用于集裝、卸、運(yùn)于一體的自裝卸系統(tǒng)，由副車架、伸縮臂、舉升臂和轉(zhuǎn)臂四大部分組成。在拉臂設(shè)計(jì)過程中，副車架作為車身主要重量的直接承載體，在工程中承受多種復(fù)雜載荷，如承載卸料時(shí)舉升作用產(chǎn)生的集中力與滿載時(shí)傳遞全部受力到主車架，是決定整車壽命的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。車架工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)加速某些零部件的損壞，影響整體性能的發(fā)揮，增加運(yùn)營與維護(hù)成本，因此副車架的模態(tài)分析、模態(tài)參數(shù)識(shí)別，對(duì)進(jìn)行整車動(dòng)力性能分析、降低整車振動(dòng)、減少部件的疲勞失效有著重要的作用[1-3]。

1 副車架結(jié)構(gòu)分析

圖1 3t拉臂裝置副車架結(jié)構(gòu)

如圖1所示為3t拉臂的副車架模型303b.1000，由鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，使用Steel材料，約束工況按照副車架安裝到底盤車架上的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

要得到拉臂裝置副車架的自由模態(tài)參數(shù)（前10階）及拉臂裝置副車架在工作狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)（前4階），具體計(jì)算工作如下。

（1）計(jì)算拉臂裝置副車架自由條件下的結(jié)構(gòu)模態(tài)

工程中的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析包括自由模態(tài)和工況模態(tài)兩種類型，副車架系統(tǒng)作為一個(gè)必須和底盤大梁連接后才能正常工作的結(jié)構(gòu)件，要計(jì)算符合實(shí)際邊界約束條件的工況模態(tài)計(jì)算才有工程實(shí)際意義[4]～[5]；但是還要對(duì)副車架進(jìn)行自由模態(tài)分析，是因?yàn)樽杂赡B(tài)除了能夠反映自身的一些固有特性外，無論是采用有限元法還是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，自由模態(tài)都比工況模態(tài)涉及的因素少，特別是實(shí)際中邊界條件很難精準(zhǔn)的用模型來模擬的，因此采用自由模態(tài)結(jié)構(gòu)分析得到的結(jié)果和結(jié)論更有利于后續(xù)的對(duì)比分析和模型修正。在分析副車架的自由模態(tài)時(shí)，不需要設(shè)定模型的邊界約束條件和載荷條件[6]。

（2）計(jì)算副車架約束工況下的結(jié)構(gòu)模態(tài)

在自由模態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上約束副車架與底盤大梁連接面，計(jì)算副車架實(shí)際工作條件下的模態(tài)參數(shù)。3t拉臂裝置副車架縱梁與底盤大梁采用U形螺栓和連接板連接的方式，使二者緊密貼合，以發(fā)揮其增強(qiáng)作用，如圖2所示。

圖2 3t拉臂裝置副車架與底盤大梁連接方式

2 拉臂裝置副車架自由模態(tài)求解

2.1 建立副車架的FEM模型

FEM模型的建立主要分為模型材料和物理屬性的指派、網(wǎng)格的劃分、網(wǎng)格質(zhì)量的檢查三個(gè)步驟，具體操作如圖3所示。

圖3 FEM模型建立流程圖

2.2 建立副車架FEM的仿真模型

FEM仿真模型的建立主要包括解算方案的選擇、仿真對(duì)象類型的設(shè)定、邊界約束條件的設(shè)定以及載荷的設(shè)定，具體操作如圖4所示。

經(jīng)過solution1計(jì)算可以得到副車架自由模態(tài)參數(shù)，如圖5所示，從【模式7】開始的模式是描述自由模態(tài)的模態(tài)參數(shù)。從結(jié)果可以看出該結(jié)構(gòu)自由模態(tài)的第一階固有頻率為27.79Hz，第二階固有頻率為29.96Hz，第三階固有頻率為45.78Hz，第四階固有頻率為65.93Hz。每一階自由模態(tài)振型變化云圖如圖6所示。

圖4 FEM的仿真模型建立

圖5 副車架自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果

3 副車架結(jié)構(gòu)約束模態(tài)求解

在上述副車架自由模態(tài)分析基礎(chǔ)上，下面進(jìn)行工況條件下的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，查看副車架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在約束條件下的模態(tài)參數(shù)（固有頻率和模態(tài)形狀）的變化。具體操作步驟如圖7所示，經(jīng)過計(jì)算可以得到副車架結(jié)構(gòu)約束模態(tài)參數(shù)，如圖8所示。

從結(jié)果copy of solution1可以看出該結(jié)構(gòu)約束模態(tài)的第一階固有頻率為29.91Hz，第二階固有頻率為82.41Hz，第三階固有頻率為86.38Hz，第四階固有頻率為162Hz。每一階約束模態(tài)振型變化云圖如圖9所示。

通過上述分析，同一結(jié)構(gòu)，在自由模態(tài)與約束模態(tài)下求解的頻率與振型完全不同，由于約束的施加改變了系統(tǒng)剛度，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率與振型發(fā)生變化；約束的不同會(huì)產(chǎn)生不同的模態(tài)結(jié)果。自由模態(tài)能夠反映系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的固有屬性，而約束模態(tài)則更能反映結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況條件下的模態(tài)特性。

圖6 副車架第1-4階自由模態(tài)振型云圖

圖7 結(jié)構(gòu)約束模態(tài)求解流程圖

圖8 副車架結(jié)構(gòu)約束模態(tài)結(jié)果

4 結(jié)論

利用NX NASTRAN高級(jí)仿真對(duì)拉臂裝置副車架進(jìn)行了自由模態(tài)和約束模態(tài)的仿真與分析，得出了副車架在自由狀態(tài)和工況狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了驗(yàn)證依據(jù)。同時(shí)介紹了NX模態(tài)分析操作方法，為模態(tài)分析提供了技術(shù)參考。

圖9 副車架1-4階約束模態(tài)振型云圖