李 偉，涂 奎，李先文

(1.重慶交通大學(xué) 機電與汽車工程學(xué)院，重慶400074;2.隆鑫工業(yè)有限公司 技術(shù)中心，重慶400060)

摩托車在行駛時，主要受到路面和發(fā)動機激勵。車架作為摩托車的骨架受到各種動載荷和靜載荷，其振動特性直接影響整車的振動效果。隨著摩托車行業(yè)技術(shù)以及用戶對摩托車舒適性要求的提高，需要對車架的固有屬性進行研究［1］。

模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種技術(shù)，是所有動力學(xué)分析都要考慮的內(nèi)容，通過它可以得到結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型、振型參與系數(shù)等信息。模態(tài)分析的好處有:使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定頻率進行振動(例如揚聲器);使工程師可以認識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的;有助于在其他動力分析中估算求解控制參數(shù)(如時間步長)。由于結(jié)構(gòu)的振動特性決定結(jié)構(gòu)對于各種動力載荷的響應(yīng)情況，所以在準備進行其他動力分析之前首先要進行模態(tài)分析［2］。

針對隆鑫公司的某車架，運用理論和試驗2種方法進行模態(tài)分析，得到車架的振動特性，并將2種方法的結(jié)果進行對比。

1 車架有限元模型的建立

摩托車車架主要由不同截面的管材和板材焊接而成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜［3］。在建立模型的過程中，由于各構(gòu)件的厚度、壁厚相對于構(gòu)件的長度來說很小，并且殼單元相對于實體單元計算速度更快、占用內(nèi)存更少，而計算精度相差很小，從而采取抽取中面的方式建立了殼單元模型［4－8］。由于整個模型極度不規(guī)則，為了避免丟失模型的一些幾何信息，并考慮計算機的機時，必須定義合理的單元尺寸。網(wǎng)格劃分后，單元總數(shù)為58 615個，節(jié)點數(shù)為59 107個，其中三角形單元2 634個，占總單元的4.5%，符合三角形單元的比例要求。車架的有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2 車架理論模態(tài)分析

在Ansys中，求解模態(tài)的方法有Lanczos法、Subspace法等。Lanczos方法博采眾長，運算速度快，輸入?yún)?shù)少，特征值、特征向量求解精度高。由于它采用了Sturm序列檢查，在用戶感興趣的頻率范圍內(nèi)避免了出現(xiàn)丟根的缺陷，故本文用Block Lanczos提取了車架的前14階模態(tài)振型和自振頻率。本文只列出前10階，如表1所示。限于篇幅，只列出了前4階的振型，見表2。

表1 模態(tài)有限元計算結(jié)果

3 車架的模態(tài)試驗分析驗證

3.1 模態(tài)試驗原理

試驗?zāi)B(tài)分析方法就是通過對實際結(jié)構(gòu)進行振動測試，識別出結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)并建立以模態(tài)參數(shù)表示的結(jié)構(gòu)運動方程。在模態(tài)試驗中，不同的參數(shù)識別方法對頻響函數(shù)測試的要求不同，因而所選激勵方式也不同，一般的激勵方式有單點激勵、多點激勵和單點分區(qū)激勵等。

對于摩托車車架選擇單點激勵方式，其試驗原理是:用激振器對結(jié)構(gòu)中某一點k施加瞬態(tài)脈沖激勵Fk，其他點就會產(chǎn)生不同振動響應(yīng)，如果m點振動響應(yīng)為am(加速度)，那么比值am/Fk為k、m兩點間的傳遞函數(shù)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理求得各點間的傳遞函數(shù)后，用試驗?zāi)B(tài)分析軟件即可識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

3.2 試驗系統(tǒng)

測試系統(tǒng)主要包括力錘、ICP型加速度傳感器、ICP型力傳感器、LMS數(shù)據(jù)采集前端、THINKPAD微機、LMS TEST.LAB軟件。試驗系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)

摩托車車架為鋼管焊接結(jié)構(gòu)，具有較好的線性特性，因此采用力錘激勵。對車架進行自由模態(tài)分析，因此用較軟的橡皮繩將車架吊起來，使其處于自由狀態(tài)。

3.3 試驗參數(shù)設(shè)置與激勵考慮

試驗參數(shù)的設(shè)置:采樣頻率2 048 Hz，采樣時間1 s，平均次數(shù)5次。根據(jù)有限元計算結(jié)果和摩托車車架的結(jié)構(gòu)，著重考慮10～500 Hz時的頻率。數(shù)采系統(tǒng)設(shè)置通道設(shè)置為力錘通道，另外設(shè)置12個通道分別為傳感器的xyz方向，一次4個測點。

試驗?zāi)B(tài)分析的關(guān)鍵是獲得準確的傳遞函數(shù)，測試時主要以2方面作為檢驗標準:一是力錘的時域信號應(yīng)該為單一的脈沖時域信號;二是以激勵信號和響應(yīng)信號的相干函數(shù)作為檢驗標準，主要考慮500 Hz下的低頻部分，并保證相干函數(shù)大于80%。

3.4 測點布置

車架作為摩托車內(nèi)部載荷和外部載荷的主要載體，測點的布置應(yīng)該考慮安排的合理性，不能選擇駐點，測點間的距離應(yīng)該恰當，并且測點能夠反映出車架的整體幾何特征。激勵點選在第1點，共布置測點45個，如圖3所示，每個測點測量x，y，z這3個方向。試驗時使車架處于自由狀態(tài)，如圖4所示。經(jīng)LMS模態(tài)分析軟件分析可得到各階振型，例如第2階振型如圖5所示。

4 理論模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)對比

模型驗證是指通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比來修改和完善計算機仿真模型。由于分析結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)工作過程本身的復(fù)雜性，離開了試驗作為驗證環(huán)節(jié)很難保證計算機仿真結(jié)果的真實性、可靠性和精度。

由表3的數(shù)據(jù)可知，該車架的模態(tài)分析有限元計算結(jié)果在振型與頻率方面與試驗結(jié)果吻合良好，表明在對車架進行模態(tài)分析時，所建立的有限元模型是正確的，對車架各個細節(jié)的處理方法是符合車架實際情況的。

表3 模態(tài)有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

5 結(jié)束語

有限元計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)得到很好的互相驗證，兩者的誤差較小，證明有限元模型的正確性，可以以此車架模型為基礎(chǔ)進行后續(xù)的有限元動力學(xué)分析。

［1］ 許本文，焦群英.機械振動與模態(tài)分析基礎(chǔ)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［2］ 宋勇，艾宴清，梁波.精通ANSYS7.0有限元分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［3］ 雷剛，陳琪.某三輪摩托車車架模態(tài)特性分析［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，23(10):5－8.

［4］ 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2001.

［5］ 徐中明，張志飛.摩托車車架模態(tài)特性分析［J］.小型內(nèi)燃機與摩托車，2006，35(3):29－31.

［6］ 陳寶，雷剛，徐中明，等.基于MSC.Patran/Nastran的摩托車車架結(jié)構(gòu)分析［J］.機械與電子，2004(9):6－9.

［7］ 毛春甜，石曉輝.LX－200型摩托車車架的模態(tài)特性分析［J］.機械設(shè)計與制造，2007(7):40－42.

［8］ 汪雅麗，雷剛，王希杰.某兩輪摩托車車架模態(tài)特性分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)，2010，24(12):98－101.