（固体力学专业论文）农用车车架基于有限元模型的动力修改研究.pdf

山东大学硕士学位论文 农用车车架基于有限元模型的动力修改研究 摘要 农用运输车车架的动态特性直接影响整车的乘坐舒适性、操纵稳定性 和安全可靠性等，因此，深入了解车架的动态特性是结构改进和优化的基 础，但农用运输车产品设计方法相对落后，针对农用车的c a e ( 计算机辅 助工程) 技术方面的研究工作几乎没有。随着科学技术的快速发展，人们 对于产品的动态性能要求日益提高，结构动力修改也越来越受到人们的重 视，但至今尚未广泛应用于工程实际，结构动力优化理论在工程中的应用 更是远远不尽人意。目前，人们进行结构动力修改，尚未充分利用有限元 模型来进行后续研究工作。如何快速、准确求解动力灵敏度并且简易可行 仍然是难点之一。 本文采用有限元方法结合试验模态分析技术对农用运输车车架进行了 动态特性研究。首先运用c a e 技术，根据车架结构特点，建立以壳单元为 基本单元的车架有限元计算模型，对该车架进行动态特性分析，识别出其 固有参数。然后对该车架分别按照不同方法对进行模态实验分析，取得了 理想的结果。将试验结果与有限元分析结果对比，验证了有限元建模方法 极其模型的正确性、有效性，为后续工作提供了可靠的计算分析模型，并 对该车架进行动力评价，提出了改进意见。基于车架动态特性分析结果， 根据车架的实际运行情况，选择一定的路面输入谱，进行车架的随机振动 响应计算与分析。 本文进行了基于有限元模型的动力修改研究工作，将有限元分析与基 于灵敏度分析的动力修改技术相结合，提出了基于有限元模型的动力修改、 优化设计的基本思路，强调了注意事项。并对动力特性灵敏度的计算方法 进行了探讨，提出基于有限元分析结果，采用差分法或半解析法进行动力 灵敏度计算，以使其便于程序实现，简易可行。 基于本文的研究结果，编制程序建立车架参数化有限元计算模型，根 山东大学硕士学位论文 据计算结果，对车架进行动力灵敏度分析：并利用用户界面设计语言进行 图形界面二次开发，添加部分动态特性灵敏度分析功能，使得灵敏度计算 简便可行。在此基础上，对车架进行动力修改，取得了满意的效果。 最后本文选取有效的设计变量进行车架动力优化设计，并得出相应结 论。首先进行了结构频率优化设计，然后尝试进行有频率、振型节点位置 要求的动力优化设计，从而有效改善了车架动力性能。 本文的研究工作，为农用车改型设计、推出新产品提供了有一定参考 价值的思路和设计依据：也为c a e 技术在现代农用车设计分析中的应用作 了有益的尝试。本文所提出的基于有限元模型的动力修改、优化设计的基 本思路具有普遍意义，可以解决复杂结构的动力修改问题；所提出的基于 有限元分析结果的动力灵敏度计算简便可行，具有一定的工程应用价值， 为结构动力修改和结构优化设计理论应用到工程实践中作了有益的探索。 关键词：车架，动态特性，有限元模型，动力灵敏度，动力修改 “ 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd y n a m i c m o d i f i c a t i o nb a s e do n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l f o ra g r i c u l 月u r a l v e h i c l ef r a m e a b s t r a c t t h ea g r i c u l t u r a lv e h i c l ef l a m ew i l ld i r e c t l ya f f e c t t h ew h o l ev e h i c l e s c o m f o r t ，c o n t r o ls t a b i l i t y , s a f e t y , e t c s ow en e e dd e e p l yg r a s p t h ef l a m e s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o n f o rt h es t r u c t u r a lm o d i f i c a t i o n a n do p t i m i z a t i o n b u ti t sd e s i g nm e t h o dc o m p a r a t i v e l yd r o p sb e h i n da n dt h e r e i sa l m o s tn or e s e a r c ho nc a e t e c h n o l o g y i nt e r m so f a g r i c u l t u r a lv e h i c l e w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g y , t h ep r o d u c t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a r es t r e s s e d t h u sp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt od y n a m i cm o d i f i c a t i o n s b u t e i t h e rd y n a m i cm o d i f i c a t i o no rd y n a m i co p t i m i z a t i o ni s n tw i d e s p r e a da p p l i e d t oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e n o w a d a y st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m o d e li s n o t s u f f i c i e n t l y u s e dt o d e v e l o p t h er e s e a r c hf o rs t r u c t u r a l d y n a m i c m o d i f i c a t i o n h o wt o f a s t ，e x a c t l ya n de a s i l yr e q u e s td y n a m i cs e n s i t i v i t yi s s t i l lo n eo ft h ed i f f i c u l t i e s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa g r i c u l t u r a lv e h i c l ef l a m eh a v eb e e n r e s e a r c h e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d e x p e r i m e n t a l m o d a l a n a l y s i s t e c h n o l o g y f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo f t h ev e h i c l ef l a m e ，t h ef e a m o d e li se s t a b l i s h e d b yt a k i n g s h e l le l e m e n ta sb a s i cu n i t u s i n g c a e t e c h n o l o g y , t h ed y n a m i ca n a l y s i si sc a r r i e do u tu s i n gf e a s o f t w a r e t h e nt h e m o d a l e x p e r i m e n t a t i o n i sa c c o m p l i s h e du t i l i z i n gt w od i f f e r e n tm e t h o d sa n dg e t i d e a lr e s u l t s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti sc o n t r a s t e dw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n t w i t ht h ec o n s i s t e n c yo ft w or e s u l t s ，t h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h ef e a m o d e la n dt h em e t h o dc o n s t r u c t i n gt h em o d e li sv e r i f i e d a l s oi t p r o v i d e sa r e l i a b l ef e am o d e lf o rl a t e rs t u d y i nt e r m so ft h er e s u l t s ，w ee v a l u a t et h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d g i v e s o m e o p i n i o n s a b o u tm o d i f i c a t i o n s i i 山东大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt o t h er e a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h er e s p o n s ea n a l y s i so fr a n d o m v i b r a t i o ni sc o m p l e t e db a s e do nt h ed e f i n i t ei n p u tr o a ds p e c t r u m w ec a r r yo u tt h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i cm o d i f i c a t i o n sb a s e do nt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n dt h eg e n e r a lm e t h o do fs t r u c t u r a lm o d i f i c a t i o na n d o p t i m i z a t i o nb a s e d0 nf e am o d e li sb r o u g h tf o r w a r dw h i c hc o m b i n e st h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw i t ht h ed y n a m i cm o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y s o m ep o i n t s a r es t r e s s e d a n dw ed i s c u s st h e a l g o r i t h m o fd y n a m i c s e n s i t i v i t y t h e d i f f e r e n t i a lo rh a l f - a n a l y t i c a la l g o r i t h mf o rc o m p u t i n gt h ed y n a m i cs e n s i t i v i t y d u et ot h ef e ar e s u l ti sp u tf o r w a r dt om a k ei te a s yt or e a l i z eb yp r o g r a m s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t ，t h ef l a m em o d e l i sd e f i n e di nt e r m so f t h ep a r a m e t e r sp r o v i d e db yt h ef e as o f t w a r e t h ep r o g r a m sa b o u tt h ef l a m e h a v eb e e nd e s i g n e dt oc a r r yo u tt h ed y n a m i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i s a d d i t i o n a l l y w e p e r f o r m t h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n to fg r a p h i c a li n t e r f a c eb yu s i n g t h eu s e r i n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g et oa d dt h ep r o g r a m sa b o u td y n a m i cs e n s i t i v i t ya n d m a k ei t e a s yt o r e a l i z e b a s e do nt h er e s u l t s ，w e c a r r y o u tt h ed y n a m i c m o d i f i c a t i o n sf o rt h ef r a m ea n d g e tt h e i d e a lr e s u l t s w ec h o o s ev a l i d d e s i g n v a r i a b l e st o p e r f o r m s t r u c t u r a l d y n a m i c o p t i m i z a t i o n a n da c h i e v es o m er e a s o n a b l ec o n c l u s i o n s w ea c c o m p l i s ht h e f r e q u e n c yo p t i m i z a t i o n a n dt r yt o c a r r y o u tt h e o p t i m i z a t i o n t om e e tt h e r e q u i r e m e n to f n a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ep o s i t i o no fm o d e s h a p el i n e ( o rn o d a l p o i n t ) w ee f f i c i e n t l yi m p r o v e t h ef r a m e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c hr e s u l ti nt h i sp a p e rc a n p r o v i d ea ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o r t h en e w d e s i g n a n dp r o d u c t i ti sa l s oas a m p l ef o r a p p l y i n g t h ec a e t e c h n o l o g yt o t h em o d e ma g r i c u l t u r a lv e h i c l ed e s i g n t h eg e n e r a li d e aa n d m e t h o dt o p e r f o r mt h ed y n a m i cm o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o nb a s e do nt h e f e am o d e lc a nb eu s e dt os o l v et h ed y n a m i cm o d i f i c a t i o np r o b l e m so fs u c h c o m p l e xs t r u c t u r e s a n di th a sa ne s s e n t i a l a p p l i c a t i o nv a l u e i t i s l i k e l yt o p r o v i d e d s o m eb e n e f i c i a l e x p l o r a t i o n f o r a p p l y i n g t h e t h e o r y o fd y n a m i c i v 山东大学硕士学位论文 m o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o nt oe n g i n e e r i n g p r a c t i c e k e y w o r d s ：f r a m e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s f i n i t ee l e m e n tm o d e l d y n a m i cs e n s i t i v i t y , d y n a m i cm o d i f i c a t i o n 一 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包禽任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：毯这焦日期：圣旦盟车生圈i 团 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解【山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被杏阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存沦文和；广= 编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毯邀盛导师签名：兰边主日期：垫! 垒颦匕目i 囝 山东大学硕士学位论文 _ _ _ l l _ _ i _ _ l _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ l _ 一 1 1 论文工程背景 第一章绪论 农用运输车白7 0 年代末在我国出现到现在2 0 多年来，经历了诞生、 成长和逐步成熟的过程。虽然农用运输车行业没有汽车大型企业集团在资 金、技术、管理上的优势，但是就其目前，国内农用车从制造生产到市场 占有量，已远远超过汽车。据统计，1 9 9 9 年全国农用运输车年产量超过2 9 3 万辆，社会保有量为1 8 0 0 万辆；2 0 0 0 年上半年总产量超过1 5 8 万辆，销 售量为1 5 1 万辆，全年产销量有望突破3 0 0 万辆大关，社会保有量可突破 2 0 0 0 万辆。自1 9 9 6 年以来，农用运输车的年增长速度达到了5 1 ，其产量 和保有量都超过了汽车、拖拉机和其它运输机械的总和，已形成相当规模 的行业。农用运输车有三轮、四轮和变型运输车3 大类，品种更是数以千 计；功率从2 9 k w 到4 4 1 k w ，涵盖面相当宽阔，不但具有运输的基本功能， 还具有从事牵引、耕作、动力输出作业等多种功能。通过近几年有序的市 场竞争，生产集中度日益提高，生产技术成熟，产品质量日趋稳定；农用 运输车以其良好的农村适应性和低廉的价格，不仅迅速占领了我国农村市 场，而且还具备了一定的国际竞争力。目前农用运输车的发展有追求装饰 高档化趋势，向轻型汽车靠拢，重复汽车常用的概念和措施。因此现在有 人把农用运输车看成是汽车的一种过渡形式，是一种低档次的汽车，认为 将来农民富了，就可以直接买正规的汽车【1 2 1 。 从总体上看，农用运输车行业还很年轻，普遍存在总体设计差、整车 性能不完善和产品质量较差等问题。产品的技术水平与质量在很大程度上 取决于产品设计方法和水平。目前由于农用运输车行业大多为中小型企业， 技术力量薄弱、产品设计经验不足，设计分析方法落后。设计仍停留在经 验类比、人工计算和绘图阶段，设计周期长。有时为适应市场激烈竞争的 需要，仓促上品种，盲目设计或选用零件，甚至有时是先有样机后出图纸， 薄薄几页说明书也是为了应付鉴定会，产品的性能与质量难以得到保证【3 1 。 山东大学硕士学位论文 从我国农用运输车的市场现状以及广大农村的实际情况来看，农用运输车 有着极其广阔的发展前景，但是农用运输车产品技术仍处于初级粗放的发 展阶段，其改进提高的空间巨大，路途正长 4 1 。 有限元方法的快速发展基本上解决了过去对复杂结构精确计算的困 难，对于改变传统的经验设计方法起到了重要的作用，逐步得到了广泛的 应用。计算机技术的发展和应用，也改变了传统的设计方法，使得计算机 成为现代设计中的重要工具，大大改善了设计条件，提高了设计效率。但 总体上来说，c a e ( 计算机辅助工程) 技术在农用运输车设计中的应用还 很少，针对农用车的c a e 技术的研究工作几乎没有，故开展这方面的研究 很有必要，值得人们重视。 随着农民生活水平提高和条件改善，对农用车的安全性和整车性能的 要求也越来越高。农用运输车不但要满足基本的功能需要，也日益要求舒 适性、轻量化和高速化设计，从而对其结构的振动问题的研究提出挑战。 而车架是支撑连接整车的各零部件，并承受来自车内外载荷的主要结构， 决大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置。因此，对它的强度和刚 度进行评价计算及分析校核、以及它的动态特性分析，在设计过程中，是 必不可少的一步。因为这将关系到所设计的农用运输车的性能、可靠性及 制造成本，也影响整车的使用寿命。同时，对车架的动态性能进一步改进 及优化设计，实现轻量化并使其振动得到控制，更加有利于农用运输车的 推广和使用。 1 2 结构动态特性分析研究发展现状 随着现代工程技术的高速发展，各种机械、结构的振动噪声问题正日 益突出，迫使汽车、船舶、建筑、航空航天部门等日益重视对于产品的动 态性能的分析研究。产品的动态性能也越来越成为各行业设计人员重要的 追求目标。 众所周知，关于结构分析设计的方法，一是通过有限元分析对结构动 力学特性进行预示，二是通过结构试验对其动力特性进行验证和修正【5 1 。 一_ 山东大学硕士学位论文 随着计算机技术的发展而发展起来的有限元方法是一种分析计算复杂 结构的极为有效的数值计算方法。使用有限元法进行结构动态特性分析， 可以较快的获得结构的动态参数( 固有振型、频率) ，也可以计算各种载荷 和各种边界条件下的动力响应。有限元分析速度快，设计周期短，和结构 动力实验比较费用很低。而且有限元分析技术发展很成熟，并得到了广泛 的应用。该方法优点是可在结构设计之初，根据设计图纸，预知产品的动 态性能，预估振动、噪声的强度和其他动态问题，并可在图纸阶段改变结 构形状或消除、抑制这些问题【”。 实践证明，有限元法是一种有效的数值计算方法，利用有限元法得到 的结构位移场、应力场和低阶振动频率可作为结构设计的原始判据或作为 结构改进设计的基础。为利用有限元法更加有效、快捷解决各种工程实际 问题，国际上早在6 0 年代就投入大量人力、物力开发有限元程序，并取得 了不菲的成果。然而，对于大型复杂构件而言，由于离散化误差、边界条 件和连接条件的简化、几何模型和本构关系的不准确，系统阻尼必须人为 引入等，使得有限元建模与实际对象往往存在误差。因而，就提出了有限 元动力模型修正问题，这方面已有较多的研究成果 5 , 8 i o 】。 随着振动测试技术的快速发展，通过实验及数据来识别实际结构的动 力学模型，是近几十年来结构动力特性研究方面的一个重要发展。振动试 验建模技术是建立在实验基础上的进行动力学分析的另一种更为有效的方 法。目前，模态分析技术成为对结构动态特性的预测、测试和修改最重要 的技术之一。所谓试验模态分析技术是通过振动模态试验获得表征结构动 态特性的模态参数的一种动态分析方法。通过对结构的模态试验获得模态 参数，可以为结构设计部门设计和改型提供结构动态基本参数，进行结构 系统的振动特性分析，结构动力特性优化设计和修改等。正是由于试验模 态分析技术巨大的工程实用价值，使其成为利用振动理论解决工程问题的 最重要、应用最广泛的技术手段【m ”】。 有限元分析方法与实验模态分析方法一起，成为解决现代复杂结构动 态特性分析的相辅相成的重要手段 “】。 总的来说，目前的发展趋势就是把有限元数值计算和实验模态分析技 山东大学硕士学位论文 _ _ - _ - _ - - l _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ _ _ _ _ l _ _ 术有机结合，二者取长补短，相得益彰，在工程中应用日益广泛，并取得 了理想的结果。 1 3 结构动力修改和动力优化研究现状 随着工业和科学技术不断进步，结构的设计已有传统的静态设计逐渐 转变为动态优化设计，以重量轻、体积小、性能好的结构来满足现代化建 设的需要，使产品在使用过程中既能满足强度、刚度及稳定性的要求，又 具有较好的动态特性。因而结构动力修改工作更加重要。结构动力修改的 工程含义有计算模型的动力修改和结构动力修改两个方面。通常，采用有 限元法建立的数学模型往往不能完全准确地反映实际结构的动态特性，需 要测试数据修正，以获得能用于计算的模型，称其为计算模型的动力修改。 结构动力修改的正问题系指对已有结构做了局部改动后，在原结构模态参 数已知情况下，用简易快速方法获得改动后的模态参数，即结构重分析问 题：逆问题则指原结构动态特性不合要求，对它进行修改，使动态特性符 合给定要求。近年来被研究工作者和工程技术人员注视、并取得相当进展 的逆特征值问题就可归属于这一范畴。一般，“动力修改”多指结构动力修 改的逆问题。近3 0 年来，结构动力修改的研究发展很快，但至今没有广泛 应用于工程实际 1 5 “”。 顾松年【i5 】对结构动力修改所涉及的若干问题做了综述与探讨，评价了 一些典型的修改方法。目前基于复频响应函数修改、双模态空间修改特别 是灵敏度分析动力修改等方法已逐渐受到科研人员和工程师们的注意。复 频响应函数修改法主要是从频响函数的综合修改着手，通过改变、增加或 删除子结构来研究主结构的动力特性，包括通过改变质量、刚度等参数来 观察、研究系统的动力特性，其缺点是研究中带有盲目性，很难用于较为 复杂机械系统的修改。双模态空间修改法可利用原系统实验所得模态数据， 在不同的模态坐标下通过计算得到修改后的模态数据，而不必重新做实验， 这就为设计者选择较好的设计方案创造了条件。但对整个系统而言，双模 态空间法却无法得出哪个结构参数能显著改变系统的特性( 特征值、特征 山东大学硕士学位论文 向量) ，而基于灵敏度分析的修改方法则弥补上述之不足，使修改成为有针 对性、目的性、明确性的修改【1 9 引。 因为在工程中，希望对结构进行小修改就能使其动态性能满足要求， 而且不会由此而影响结构的静强度要求和工艺性要求。要作到这一点，就 要在结构修改之前，用适当的方法找出对动特性最敏感的结构部位，即进 行所谓结构动态特性灵敏度分析。根据其动态特性对设计参数的灵敏度信 息，进而对模型作动力修改，并在此基础上对结构进行优化设计 1 8 】。 顾松年【1 5 】提出发展直接修改或通过设计变量来修改有限元模型的动 力修改值得重视；唐小兵等f 2 5 】对动力修改逆问题中基于有限元模型的修改 法作了分析：m o d a k t 2 6 2 7 1 等提出可以利用修正后的有限元模型来预示动力 修改结果，进行动态设计。但都尚未应用于工程实际。这方面的文献资料、 研究成果也不多见。目前，人们进行结构动力修改，尚未充分利用有限元 模型来进行后续研究工作。因此，开展基于有限元模型的动力修改研究工 作很有必要，值得重视。 1 9 6 5 年n i o r d s o n 关于振动梁结构优化的文献问世，开创了结构动力优 化的先河。在此后的三十多年中，结构动力优化设计越来越引起人们的关 注，研究探索渐进深入，研究内容日益丰富，研究成果与日俱增，已涉及 到结构动力优化设计的理论、方法、建模、敏度分析、软件设计和工程应 用等诸多方面。尽管现今结构动力优化设计较之初期有了长足的发展，但 与结构静态优化设计问题相比，它的理论和方法尚不完善、系统与成熟， 研究成果依然偏少，特别是工程应用还远不尽人意【2 8 】。 从目前的发展状况来看，结构动力优化设计主体研究仍停留在理论阶 段，尚属于工程结构设计领域中难度颇大但内容新颖的前沿性课题之。 开展对它的研究不但具有十分现实的工程背景，而且有着重要的理论意义、 学术价值与实用价值。结构动力优化设计大体上可以分为两大专题：即结 构动力特性的优化设计和结构动力响应的优化设计。结构动力特性优化设 计包括结构的固有频率、振型、阻尼和刚度与质量分布等等诸多方面。其 中以结构固有频率为目标或约束的优化设计是其中最早涉及的课题，也是 迄今取得成果相对较多的一个方面。结构动力响应优化设计是结构动力优 山东大学硕士学位论文 化设计中另一主要部分，它是以在动力激励下结构响应的物理量，如：位 移、速度、加速度、应力、应变等为目标函数或约束的结构动力学优化设 计。由于该问题同时涉及到结构动力特性和动力响应分析以及优化设计， 因此求解更为困难和复杂，迄今有关研究成果不多，尚属于结构动力优化 设计中有待于进一步研究发展的方面。在优化设计中，结构动力灵敏度分 析也是其中一个时常面临的极端重要的专题。尽管结构动力灵敏度的研究 已不再是一个年轻的课题了，然而，至今它仍然是结构动力优化中的主要 瓶颈”之- - 2 耻3 扎。 通常由于实际结构复杂，刚度矩阵和质量矩阵阶数都非常可观，刚度 矩阵和质量矩阵以及其导数阵难以求解，使得动力特性灵敏度计算困难。 此外，一些文献资料进行灵敏度分析研究工作及动力修改是以具体单元为 基础的，通过修改某几个敏感单元或单元组( 按一定要求对单元分组) 的 相应参数达到动力修改目标 1 8 , 3 3 l 。对于比较复杂的结构，单元数目很多， 即使进行动力灵敏度分析也很困难，而对结构某几个单元或单元组参数进 行修改在工艺上也很难实现。这些也都限制了动力修改或动力优化理论在 实际工程中的具体应用。因此，如何快速、准确求解动力灵敏度并且简易 可行具有重要现实意义和应用价值。 1 4 论文主要研究内容和研究意义 围绕上述讨论，本文主要做了以下研究工作： 1 本文运用c & e 技术，根据车架结构特点，建立以壳单元为基本单元 的车架有限元计算模型，并进行模态分析，识别出其固有参数，对其动力 特性有了较全面的了解。 2 对该车架分别按照不同方法进行模态实验，将试验结果与有限元分 析结果对比，验证有限元建模方法极其模型的正确性、有效性，为后续工 作提供可靠的计算分析模型，并对该车架进行动力评价，提出改进意见。 3 基于车架动态特性分析结果，根据车架的实际运行情况，选择一定 的路面输入谱，进行车架的随机振动响应计算与分析 6 山东大学硕士学位论文 4 本文开展了基于有限元模型的动力修改研究工作，将有限元分析与 基于灵敏度分析的动力修改技术相结合，提出了基于有限元模型的动力修 改及优化设计的基本思路，强调了注意事项：并对动力特性灵敏度的计算 方法进行了探讨，提出基于有限元分析结果，采用差分法或半解析法进行 动力灵敏度计算，以利于程序实现，简易可行。 5 基于上述研究结果，将车架结构根据实际情况分为若干部件，以各 个部件为一组，利用有限元软件提供的参数化设计语言编制程序，建立参 数化模型，并基于有限元分析结果针对该车架编制动态特性灵敏度分析程 序，进行灵敏度分析。此外，本文利用用户界面设计语言进行图形界面二 次开发，添加部分动态特性灵敏度分析功能，使得灵敏度分析简便可行。 在此基础上，对车架进行动力修改。 6 本文针对该车架选取有效的设计变量进行动力优化设计，并得出相 应结论。本文首先进行了结构频率优化设计。由于适当的振型节线( 点) 的安置可有效地控制振动响应和降低振动水平 3 4 1 。因此尝试进行有频率、 振型节点位置要求的动力优化设计。 本文的研究意义在于： 1 通过本文的研究工作，对该车架的动态特性有了全面的了解，并提 出相应的改进意见，为农用车改型设计、推出新产品提供了有一定参考价 值的思路和设计依据。 2 本文实践为c a e 技术在现代农用车设计中的应用做了有益的尝试： 说明c a e 技术在现代农用车车架设计研究中是一种可行有效的分析方法， 开展针对农用车的c a e 技术的研究十分必要。 3 本文开展的基于有限元模型的动力修改研究问题具有较大的实际意 义和应用价值，正日益受到人们的重视：本文所提出的基于有限元分析结 果的动力灵敏度计算简便可行，易于程序实现，对工程实践具有较大意义。 4 本文提出的基于有限元模型的动力修改及优化设计的基本思路具有 普遍意义，可以解决复杂结构的动力修改问题，为结构动力修改和动力优 化设计理论应用到工程实践中作了有益的探索。 山东大学硕士学位论文 _ 一l _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ l - _ 第二章农用运输车车架有限元动态特性分析 现代车架分析设计已发展到包括有限元法、优化、动态设计等在内的 计算机分析、预测和模拟阶段【8 】。关于汽车方面的c a e 技术已有大量研究 成果，极大促进了汽车行业的发展。而农用运输车由于发展历史短，技术 含量相对低。人们对它的重视不够，它的设计主要依靠经验，缺乏系统的 分析，车的强度大小、动态性能如何等很多问题，都难以给予明确地说明， 缺乏全面的了解。长期以来，由于车架的设计与计算主要考虑静强度，所 以轻量化目标很难实现。而且过去车辆设计多用样车作参考，这种方法不 仅费用大，试制周期长，而且也不可能对多种方案进行评价。随着农民生 活水平提高和条件改善，现代农用运输车也日益要求舒适性、轻量化和高 速化设计，使得人们越来越重视对其动态特性的分析研究及设计水平、设 计效率的改善和提高。因而，c a e 技术也作为一种比较有效的分析方法， 逐渐应用于农用车的现代开发研究中。 车架作为农用运输车的主要部件，是承受来自车内外载荷的主要结构， 是整个农用运输车的基础，绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位 置。因此，车架的刚度、强度及动力性能对整车的振动舒适性、行驶平顺 性、安全性及寿命有着很大的影响。深入了解车架的动态特性在现代农用 车设计中，是必不可少的一步，是车架结构设计改进和优化的基础。本章 节运用c a e 技术对车架进行了有限元动态特性分析研究，为c a e 技术在农 用车设计中的应用作了尝试。 2 1 车架有限元模型的建立 2 1 1 车架结构特点 该农用运输车车车架是边梁式车架结构，它是由前车架和后车架两部 分焊接而成。整个车架长约3 2 m ，其中前车架长约1 6 m ，后车架长约2 0 m 。 山东大学硕士学位论文 前端宽0 6 5 m ，后端宽0 9 2 m 。除了后车架后端横梁是槽钢外，其余均为等 截面薄矩管，厚度一般为2 5 r m 或者3 o i l l i n 。熬个车架结构参见图2 1 图2 1 车架结构示意图 i 三角加固板2 前方管3 前上纵方管4 前支撑方管5 竖方管6 中间横方管7 后角 钢8 前梁竖方管9 横方管il o 横方管i i1 1 前梁加固座1 2 中间竖方管1 3 斜支撑 1 4 弹簧吊耳( 由于结构对称，相同部件未在图中标注) 在建立车架有限元分析模型过程中，根据具体结构情况对车架结构进 行了如下简化： 略去功能件和非承载件；对截面形状作适当的简化；对于一些 结构上的孔、台阶、凹槽、翻边在不影响截面形状的基础上尽量简化，对 截面特性影响不大的予以忽略；对两个靠的很近但并不重合的交叉连接 点简化为一个节点处理。 山东大学硕士学位论文 l _ _ _ _ - _ _ l _ _ _ _ - _ _ l l _ _ _ _ l - - _ - l _ 2 1 2 车架边界条件的处理 车架在进行有限元分析时，除了车架本身要将其离散为有限元模型外， 还必须引入车架约束。农用运输车车身通过两根纵梁与车架相连，地面的 反作用力通过悬架传给车架，不同的悬架系统对车架及车身的强度和刚度 影响较大，也就是说，悬架系统对车架约束的模拟正确与否直接影响计算 结果的正确性。从实际结构来看，车架约束主要来自前后悬架系统以及车 轴、轮胎和地面【3 6 ”j 。 前悬架系统采用筒式减震器，包括螺旋弹簧和减震器叉管，它可以进 行转向操纵，空间位置倾斜。对于它的模拟需要注意。既要反映其空间位 置，又需模拟其转向功能。本文在建立模型中，叉管与实际空间位置一致， 在叉管和轮胎的连接处的节点附加外部弹簧，一端固定，另一端连接到节 点上，释放竖直方向转动自由度，以模拟其转向功能。前轮胎的质量和刚 度均分到叉管上。对减震器而言，释放竖直方向平动自由度和绕横轴转动 自由度。 螺旋弹簧 图2 2 后车架钢板弹簧示意图与有限元模拟图 后悬架系统为钢板弹簧如图2 2 ，后车架钢板弹簧是由多片不同曲率、 不同长度的钢板压紧在一起而构成，形成一个等强度柔性梁。c 。为钢板弹 簧的刚度。根据钢板弹簧的特点，它除了作为弹性元件外，本身还有导向 作用，即钢板弹簧在各个方向上均有剐度，且其他方向上的刚度要比垂直 方向的刚度大的多，若忽视了这一情况，计算结果会受到很大影响。因此， 后悬架系统的模拟应遵循以下原则【3 8 1 ：1 要有足够的约束以消除结构的刚 体位移，但又不能过于约束，否则会导致错误。2 约束与真实结构应保持 一致。 为了进行有限元计算时能合理地确定计算模型，使其较好地反映实际 山东大学硕士学位论文 情况。本文将钢板弹簧模拟成两个竖放的弹簧和一个刚度较大的梁，与轮 胎的连接点根据实际情况选在中间位置，由于轮胎与地面接触，末端约束 全部自由度。其中，轮胎采用弹簧、质量系统模拟，轮胎的质量作为集中 质量单元分配在相应支撑点上。刚性梁的长度，根据实际结构，取1 0 0 0 m m 。 钢板弹簧有限元模拟图及螺旋弹簧刚度分配见图2 2 。 2 1 3 建立车架有限元计算模型 以往车架结构的有限元分析大多采用梁单元类型。其优点在于建模简 单、单元数目少、计算速度快，适合于对结构的初选方案进行分析对比， 但由于梁单元的模型过于简单，对模拟形状复杂的构件，其截面特性无法 确定，而且梁单元忽略了扭转时截面的翘曲特性，因此计算精度差。为了 提高分析计算精度【39 1 ，本文建立以壳单元为基本单元的有限元分析模型。 根据对该农用运输车车架的结构特点的分析，本文选取4 节点、2 4 个 自由度的3 d 壳单元作为基本单元来离散整个车架结构，其中联体后桥采用 梁单元模拟，前悬絮系统采用弹簧元和杆单元模拟，后悬架系统采用弹簧 单元和梁单元模拟。另外，由于发动机与车架固接在一起，构成整个系统， 对于它如何模拟，也是一个比较重要的问题。发动机体是一个铸造的箱体 结构，它的结构形状和所承受的载荷极为复杂，给有限元建模带来极大困 难。本文在计算中，采用梁单元模拟发动机支座，由于不可能考虑全部复 杂的因素，只能考虑一些起主导作用的因素来建立计算模型，因而本文选 用梁单元来模拟发动机主骨架，通过设置截面尺寸、转动惯量等来模拟发 动机对于车架系统动态特性的影响。 由于采用不同类型单元的组合，而不同类型单元节点的自由度不同， 因此必须考虑不同单元之间各节点自由度的协调关系。即将不同类型单元 的公共节点，以满足最少节点自由度要求为准则进行约束处理，而使得这 两种类型单元在它们的公共节点上具有相同自由度数目，由此解决了节点 自由度之间的协调关系【4 0 1 。 从有限元法基本准则考虑，网格划分越细，就越逼近实际结构，但动 山东大学硕士学位论文 力分析计算的时间也会成倍增加，二者相互影响，相互制约，因此必须统 筹考虑4 ”。在满足计算精度的前提下，尽量缩短机时，提高运算效率。分 析模型中单元网格的划分及所采用单元的大小将直接影响计算结果的精 度。根据该农用车实际结构特点，在建立有限元分析模型时，大部分单元 采用矩形单元，称为一般单元。在特殊部分，如连接部分、截面变化区域 和可能出现应力集中的地方，将网格划分的更细，称为细化单元。由于不 可能全部用矩形单元划分，在某些部位或细化单元与一般单元连接的地方 采用三角形单元，称为过渡单元。根据以上划分原则，在充分考虑车架结 构特点和实际使用情况的前提下，在横梁与纵梁接头区域、截面变化区域 以及可能出现应力集中的地方采用细化单元，其他区域采用一般单元，一 叔单元与细亿单元之间采用过渡单元。如果用矩形单元划分存在形状问题 时，也采用过渡单元。 按照上述单元选取、单元划分原则，整个车架共被离散为3 8 7 2 个壳单 元，2 0 个粱单元，8 个弹簧元，2 2 个杆单元和2 个集中质量单元，共3 7 8 8 个节点。经过离散后形成的车架有限元分析模型( 含悬架系统) 如图2 3 所示 y 图2 3 车架有限元分析模型 2 2 模态分析理论基础【4 2 l 为 设结构在作有限元划分后，离散为一个自由度的系统。动力平衡方程 阻】七 + 【c 】辩+ 吲- 似= 妒( f ) ；( 2 2 1 ) 山东大学硕士学位论文 其中，扩o ) ) 为激振力列阵；矗) 为位移列阵；l ：m 】、【( 1 】、暖】分别为 质量、刚度和阻尼矩阵。 在无外力作用下，即仁o ) ) = o ) ，可得到系统的