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机械研究与应用?2015年第3期(第28巻,总第137期
研究与分析
轻型载货汽车前轴的有限元动态特性分析
王科
(南京依维柯汽车有限公司,江苏南京210028)
摘要:汽车前轴是汽车最重要的承重件之一,其设计的可靠性直接影响整车性能的发挥。利用有限元方法研究汽
车前轴的动态特性,并通过频率响应提取动刚度,为前轴设计提供了频城的设计方法
关键词:前轴:动态特性;动刚度;频域
中图分类号:TP391.72
文献标志码
文章编号:1007-4414(2015)03-0041-02
Dynamic Analysis of Light Automotive Front Axle Based on FEM
WANG K
( Nanjing Iveco Automobile Co, Ltd, Nanjing Jiangsu 210028, China)
Abstract: Front axle of the light truck is one of the most important load-bearing parts. Its design reliability has impact on the
chicle performance. In this paper, the dynamic characteristics of the automotive front axle is researched by using the finite el
ement method(FEM), and its ynamic stiffness is also extracted with frequency response. We hope that would provide a de
sign method for front axle in the frequcncy domain
Key words front axle; dynamic characteristics; dynamic stiffness; frequency domain
0引言
之间的比值,表示系统的动态特性。
汽车前轴不仅承载车身重量,而且会受到来自路
由于D(s)具有刚度特性,故称为系统的动刚度。
面及发动机等产生的激振。如果激振频率与前轴的在一定的激励力作用下,D(s)与系统的响应X(s)成
某阶固有频率相同,将会引起共振,影响前轴及装配反比,它具有阻止系统振动的性质,因此也称为系统
零部件的寿命,也影响整车的操纵稳定性和平顺性。的机械阻抗或位移阻抗,它是nxn阶矩阵。如果对
因此在前轴设计阶段不能只考虑其强度和劇度等静机械阻抗D(s)求逆矩阼,即:
态特性,也要将动态特性纳入前期设计体系,与整车
H($)=D(S)=(SM+C+)
同步开发,为整车提升NVH性能提供重要理论依据。
则(s)称为机械导,也称为传递函数矩阵
理论简介
由于系统的响应还可以是速度或加速度,因此可
机械领域里,对n个自由度系统,其运动微分方扩展名称及表达式为:
程可表示为:
速度阻抗(s)=(s
6
MX+CX+KX=
式中:F为系统的激振力向量,即F=,,…fn
加速度阻抗A(5)=()
X为位移响应向量,即X={x1,2,…,xn;M、C、K
分別为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,均为
对线性时不变系统,将式(3)中的s换成o,可
得出傅氏域中的机械阻抗阵和频响函数矩阵:
nxn阶矩阵。
(の)=(K-o2M+ioC)
(8
式(1)是用系统的物理坐标X,X,X描述的运动
H(@)=Z(0)=(K-02+ioc)
程组,其中的每一个方程中均包含系统各点的物理
此时,系统的频域运动方程为:
坐标,因此是一组耦合方程。对式(1)进行抗式变
Z(w)=(K-02m+joc)X(a)=F(a
换,可得:
由振动分析理论知道,对线性时不变系统,系统
SM+SC+K)X(S)=F(S
(2)的任一点响应均可表示为各阶模态响应的线性组合。
令D(s)=s2M+sC+K
(3)2有限元模型
则D(s)=(s
(4)2.1网格划分
式(4)表征的是系统激振力与系统的位移响应
有限元建模时,网格类型对分析结果影响很大。
收稿日期:2015-04-27
作者简介:王.科(1981-),男,安徽淮化人,硕士,工程师,主要从事汽车底盘开发研究方面的工作。
研究与分析
2015年第3期(第28卷,总第137期)?机械研究与应用
针对前轴的不规则外形,利用 Hypermesh软件划分网和活塞往复惯性力引起的简谐激振频率为
格,网格类型为2阶四面体C3D10单元,大小设置为
2
5mm,共划分61693个网格,112114节点,如图
60r
式中:为发动机转速;为发动机的缸数;r为发动
机的冲程数。得到发动机运转对应的激振频率为27
~77Hz。如果前轴的固有频率在这一个频率段内,
就可能产生共振,影响整车性能。
3.1模态计算
通过模态分析可以得到前轴振动的固有频率和
图1有限元模型
振型。可知最低阶固有频率为155Hlz,远大于前文
分析的激振频率。此处仅列出前6阶模态振型特征
2.2材质属性
(放大50倍)如表1和图3
前轴材质为50#钢,密度为7.86x10-tmm3,弹
性模量为2.07×10MPa,泊松比为0.27。
表1前轴前6阶模态
2.3边界条件及载荷
4
利用 Radioss求解器提供的模态频率响应方法分有频率
155
212
431
析前轴的动态特性。自由状态下的频率响应分析不
振型垂向纵向横向两阶垂两阶横两阶纵
需要施加任何约束,因此不必定义约束。输人载荷施
特征弯曲弯曲扭转向弯曲向扭转向弯曲
加在两板簧座表面节点上,具体操作是将两板簧座表
面节点分别耦合到空间一点,如图2为左侧板簧座加
载点,对称位置为右侧板簧座加载点,分別在这两点
上施加X、Y、Z方向各1N的集中力。
(a)第1阶阵型(155-HZの)(b)第2阶阵型(167HZ)(の第3阶阵型(212HZ)
加载点
(d)第4阶阵型(431HZ)(e)第5阶阵型(513HZ)()第6阶阵型(728HZ)
图3前轴前6阶模怣振型图
3.2响应分析
图2板簧座加载点
如图4计算得到的板簧座加载点三个方向上的
位移响应。在一阶模态155Hz时,纵向(x向)的位
2.4分析步及输出
移响应最大。在此也说明了工字梁在纵向方向上抗
由于振动能量主要集中在低阶模态,高阶模弯强度最差。针对不同的工况,需要考查不同方向的
态很小,即使发生高阶振动,在自由状态下,高阶动态响应。主要关注的是垂向(x向)动态响应,从图
振动很快就衰減了。为消除刚体位移,设置在1~
5垂向位移响应可知,在一阶模态155Hz时,垂向位
2000Hz内输出前12阶模态,临界阻尼比设为0.
移响应很小,可忽略。影响最大的激振频率发生在
03。该前轴的板簧座动态特性反成了繁体性能、431H和728Hz,汽车在正常使用时已很难遇到此
因此在历程输出里设置输