姚春革
(桂林電子科技大學信息科技學院,廣西桂林541004)
隨著經濟的發(fā)展,人們的生活水平提高,對客車NVH性能指標的要求也越來越高,目前主流客車生產廠家在新車型的開發(fā)階段把車輛的NVH問題當作一個重要課題來研究[1]。本文的研究對象是一輛旅游大巴,對客車的舒適性要求較高。本文利用有限元方法分析了半承載客車車身結構的固有頻率和振型,確認其是否在合理的設計范圍內,避免其與路面和發(fā)動機怠速振動頻率產生共振現(xiàn)象,以提高乘坐的舒適性。
模態(tài)分析是在模態(tài)矩陣的基礎上通過矩陣變換實現(xiàn)坐標的轉變,從而得到一個獨立的二階微分方程組。由于整車工況復雜多變,準確模擬真實約束狀態(tài)下的動態(tài)性能比較困難,但從理論上講,可以由自由邊界模態(tài)結果得到其他約束條件下的動態(tài)特性,因此采用自由模態(tài)分析方法是可行的[2-4]。
多個自由度線性彈性系統(tǒng)的運動微分方程表達式為:
式中:[M]為質量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;x(t)″為加速度矩陣;x(t)′為速度矩陣;x(t)為位移矩陣;{f(t)}為系統(tǒng)所受的外部激勵力矩陣。
模態(tài)為物體的固有特性,目前求解模態(tài)時,常將外載荷設為零矩陣,由于阻尼對機械結構的固有頻率及其振型影響較小,因此可以忽略不計,故系統(tǒng)固有頻率及其振型可以改寫為以下方程:
當自由度n較大時,求解方程組(2)會非常復雜,模態(tài)分析的基本思想是將彈性體的振動分解為多個獨立的振動相疊加,故其簡諧振動的表達式如下:
式中:x(t)為振幅列向量;{φ}為位移;w為固有頻率。
把式(3)代入方程組(2)中,得到如下表達式:
方程組(4)為廣義的特征值的表達式,存在非零解的前提條件是:
將方程組(5)計算出的結構頻率重新代回方程組(4),即可算出所求結構的各階固有模態(tài)。
根據某公司提供的車身結構三維模型,利用HyperMesh軟件對其進行網格劃分,并建立車身結構的有限元模型。
整車車身部件過多,有許多裝飾件對車身的動態(tài)性能幾乎沒有影響,因此在保證計算精度的前提下,對幾何模型進行簡化。車身結構上的零件以鈑金件為主,厚度一般在3 mm以內,因此采用shell單元劃分網格,shell單元可以承受平面載荷和法向載荷,計算速度快,精度高。由于車身結構零件過多,如果網格尺寸過小會導致計算量大增,而計算精度幾乎不受影響,因此車身結構的網格尺寸為15 mm,單元總數(shù):405 930,節(jié)點總數(shù):437 961。其中三角形網格為2 500,占比為0.5%,符合精度要求。車身結構有限元模型如圖1所示。
圖1 客車車身結構有限元模型
客車車身五大件結構材料為Q235,車架材料為T52;各類倉封板材料為Q195;加強件材料為Q235。材料的主要性能參數(shù)如表1所示。
表1 材料的主要性能參數(shù)
客車車身結構主要采用焊接和螺栓連接。車身結構的焊接,用seam weld單元來模擬;螺栓連接,可以用rigid單元模擬。
進行模態(tài)分析時,只考慮車身結構質量,在自由邊界條件下對整車進行模態(tài)分析。對于復雜模型來說,振型階數(shù)越高對模型的動態(tài)響應影響越小,對客車車身動態(tài)響應影響最大的是整車扭轉模態(tài)和彎曲模態(tài)。因此,模態(tài)分析以提取整車的扭轉和彎曲模態(tài)結果(前六階為剛體模態(tài),沒有參考意義)。車身結構前五階固有頻率如圖2—圖6所示,其振型如表2所示。
圖2 第1階車身結構模態(tài)振型
圖3 第2階車身結構模態(tài)振型
圖4 第3階車身結構模態(tài)振型
圖5 第4階車身結構模態(tài)振型
查閱旅游客車相關資料可得[5],在高速公路行駛時,路面和輪胎激勵的固有頻率值為2~5 Hz。而客車固有頻率范圍是8.08~15.18 Hz,不會產生共振。
發(fā)動機激勵是另一個重要激勵源,如果其與客車產生共振,將嚴重影響乘客的舒適度。發(fā)動機的怠速通常為600~800 r/min,振動頻率一般為30~40 Hz。根據分析結果可知,不會產生共振。
圖6 第5階車身結構模態(tài)振型
表2 前五階固有頻率和振型
本文對客車車身進行了模態(tài)分析,求出其相關的動態(tài)特性。在HyperMesh中建立車身結構有限元模型,利用NASTRAN計算,在Hyperview查看模態(tài)結果,對客車車身的模態(tài)參數(shù)進行研究,其結果如下:
(1)提取客車車身前五階模態(tài)固有頻率及其振型,分析了車身結構的動態(tài)性能。
(2)通過查閱資料得到路面激勵頻率和發(fā)動機激勵頻率范圍,與車身結構模態(tài)頻率比較可知,客車在行駛過程中不會產生共振現(xiàn)象。