汽车减震器的有限元分析

汽车减震器的有限元分析 摘要汽车减震器是汽车中的关键部件，决定车辆的舒适度，汽车减震器凭借自身的阻尼力，减缓汽车在行驶过程中的振动。因此，提高减震器的阻尼特性，从而提高汽车的整体性能。减震器主要作用是通过机械相互作用产生阻力达到延缓震动的作用，从而提高汽车行驶过程中的平稳性。当外界的激振频率与某阶固有频率相近或者相等时，减震器极易产生共振现象，进而产生较大的变形及应变，造成减震器的损坏或使得减震器的减震效果变差。因此，对汽车减震器进行静力学分析和模态分析，进而确定其容易产生应变的部分和共振频率对于汽车运行的安全性和可靠性具有十分重要的意义。首先，查阅国内外相关文献，掌握汽车减震器的振动特性分析现状和发展情况，叙述了研究的主要内容和现实意义，确定了课题研究的思路和方法。其次，建立汽车减震器有限元模型。运用三维建模软件SolidWorks对单筒减震器进行三维建模，并通过简化原则进行三维模型的简化；通过分析减震器在工作过程中的受力，确定合适的力的大小；导入AnsysWorkbench中网格划分。最后，对汽车减震器进行静力学分析、模态分析。对划分好网格的模型进行接触设置、分析设置、约束与载荷，仿真分析后得到主轴的总变形图、应力分布图；对主轴模态分析，获取了其前6阶固有频率和振型。得到最大应变区域、最大变形量区域及各阶振型、固有频率，该结果有利于汽车减震器的优化设计和整体动力学分析。关键词： 汽车减震器；模态分析；静力学分析；受力分析；ANSYS目录摘要 IAbstract 11绪论 51.1研究意义与背景 51.2汽车减震器的发展历程 61.3汽车减震器国内外研究现状 71.3.1国外研究现状 71.3.2国内研究现状 82有限元基本理论基础 102.1有限元的发展 102.2有限元分析的基本解题步骤 102.3有限元法理论模型 113汽车减震器三维建模 123.1Soildworks软件介绍 123.2汽车减震器的三维模型及相关参数 144汽车减震器有限元建模 174.1ANSYS软件的主要功能和特点 174.2模型简化 184.3汽车减震器网格划分及边界条件 194.3.1网格划分 195汽车减震器有限元分析 215.1结构静力学分析 215.1.1接触设置及边界条件 215.1.2静力学仿真结果 225.2模态分析 235.2.1模态分析理论 245.2.2约束与载荷 255.2.3模态分析结果 256总结与展望 286.1总结 286.2展望 28参考文献 29致谢 31绪论目前，汽车作为日常生活中的代步工具已经被人们所熟悉，它不仅可以提高生活质量，而且极大的提高了人们生活中的效率，使得人们的生活更加便捷。现阶段，人们对汽车的舒适程度要求越来越高，然而这与汽车减震器的阻尼特性息息相关，减震器的减震效果的好坏，与乘客能否享有平稳与舒适的乘车体验有密不可分的联系。汽车减震器（如图1.1）是汽车悬架系统的主要组成部分，严重影响人们的乘车感受[1]。减震器在工作过程中产生阻尼力，有着衰减振动、降低噪声、缓和冲击的作用。因此，减震器运动特性的研究十分重要。研究意义与背景早些时候，减震器的研发和改进主要是通过结合其自身的精度要求和实际经验需求进行的，首先依据这种方法得出样品，然后通过试验验证其合理性，经过不断调整参数和试验验证才能得到一个合格的减震器。这种方法存在明显的不足：成本复杂和工序繁琐[2]。图1-1汽车减震器实况随着有限元软件的不断更迭，使得通过有限元仿真分析来分析减震器的振动特性研究成为可能，本文以单筒式液压减振器为研究目标，通过有限元仿真软件ANSYS建立汽车减震器有限元仿真模型。模态分析技术是振动工程中的一个重要分支，开始于20世纪30年代，用于确定设计的结构或机械部件的振动特性（即固有频率、振型）。本文利用SolidWorks软件建立了减震器的三维模型，进而进行有限元建模及分析，为减震器的结构设计以及后续优化设计提供理论依据，对减震器振动特性的研究提供数据支撑，同时利用仿真分析可以降低制造费用，大大的节省了设计研发的时间，提高了减震器的设计研发速度，对减震器的设计研发有十分重要的意义汽车减震器的发展历程减震器最早出现在100多年前，最原始的减震器是通过弹簧的压缩和伸张来增加汽车的舒适性，这种减震器虽然可以增加汽车的舒适性，但是比较容易发生共振现象。在20世纪初，随着伸缩式液压单元的出现，减振器有了新的研究目标，在人们的不懈努力之下，Renault对伸缩式液压单元做了改进。20世纪20年代，美国开始在汽车上应用液压减振器来降低振动，汽车减振器得到了很大的发展。20世纪50年代，发明了单缸伸缩式减震器。原气缸减振器具有成本低、使用寿命长、质量好等优点。20世纪80年代，控制技术研发取得重大突破。控制技术已逐渐应用于减振器，半可控减振器也得到了发展。随着科学技术的不断发展，全控减振器于1990年研制成功。21世纪初，流变减振器已应用于一些品牌的车辆。它具有响应速度快、阻尼可调、可控性强等特点，使得车辆的稳定性和安全性得到了提升。目前，世界上应用最广泛、技术最精湛的制造技术仍然是筒式液压减震器。虽然我国长期从事减振器的研究，但与发达国家相比，在减振器的研究、开发和生产方面仍存在较大差距。汽车减震器国内外研究现状国外研究现状减震器的出现已经有100多年的历史，早期的汽车减震器只是简单地由弹簧和橡胶垫组成[4]。众所周知，早期的减震器并不算成功。直到20世纪初，法国人才研究出世界上首个液压减震器，他的核心部件就是由两块橡胶圈组成的橡胶节流孔，油液通过节流孔产生挤压效应从而达到减震效果。在20世纪30年代，摇臂式减震器得到大众的青睐，其压力达到10MPa-20MPa。相对于上一代的液压减震器，他的性能得到了明显提升，但是其结构比较复杂，不易维修，容易破损。第二次世界大战后，筒式液压减震器得到了广泛应用，进而取代了摇臂式减震器，筒式液压减震器性价比高，且结构简单，赢得了汽车厂商的喜欢。随着汽车性能和速度的发展，筒式减震器在极其恶劣的路况下会出现很多问题，比如油腔供油匮乏、恶劣的路况下性能畸变，从而出现噪声和冲击等问题[5]。20世纪50年代，新发展起来的充气式减震器克服了上述问题，在市场应用上可与筒式液压减震器并驾齐驱。20世纪60年代之前，减震器有定参数定阻尼系数的特点，其阻尼特性较为“死板”，不能随着实际路况发生相应的调节。到60年代后期，随着汽车技术的快速发展，克服了这一缺陷，研制出阻尼可调式减震器，最典型的代表就是节流孔可调式减震器[6]。20世纪80年代，伴随着计算机技术的发展和应用，越来越多的大品牌厂商开始使用传感器来监测路况，因此来根据实际路况调节减震器的阻尼，从此，汽车减震器进入了新时代。1995年德国宝马公司率先提出了电流变液减震器，其技术先进，最快能够达到在0.0015秒内进行阻尼调节，从此，揭开了减震器发展的新纪元[7]。西方工业发达国家的减震器发展一直遥遥领先，目前西方国家已经成功研制出新型自适应式液压减振器，这款减震器可以对复杂路面进行自适应选择，可以使乘客有着舒服的乘车体验，安全方面也有了更好的保障，为后续减振器的发展起了良好的带头作用。DheemanBhuyan和KaushikKumar[8]对减震器活塞阀进行了设计，并利用FLUENT集成到ANSYS15.0Workbench中进行CFD分析，分析了仿真所得结果。Long等人[9]对天然橡胶减振器(N-RSA)和高阻尼橡胶减振器(HD-RSA)进行了研究。研究结果可为橡胶减振器非线性冲击力学模型的建立及桥梁结构的抗震设计和分析提供参考。Elvio.Bonisoli、Domenico.Lisitano和Alessandro.Vigliani[10]提出了一种实验方法来评估阻尼矩阵和模态特性的局部耗散引起的变化。通过比较三组模态振型试验的模态特性，评估了悬架系统对第一柔性模态的影响。Shi等人[11]对四种被动减振器的最优帕累托前组进行了比较和评价。结果表明，采用新型计量销结构的被动减振器多目标优化解在一定程度上减小了质量变化问题。GrządzielaAndrzej和KluczykMarcin[12]通过拉伸试验测定了减震器的静动刚度，得到了在不同载荷冲击下减震器响应的可重复性。国内研究现状我国减震器的发展较工业发达国家来说，起步晚、周期短、技术水平不高。我国较为依赖对于优质减振器进口，因此提高我国自主研发减震器的能力至关重要。当前我们应该积极学习西方的先进技术，并不断吸收利用，真正的将所学知识转化为自己的知识，为我国在减震器的制造和研发层面做出积极的贡献。东北大学的陈立杰、谢里阳和上海大众汽车有限公司的李文辉、陈善华等[13]基于大众汽车后桥的数学模型，对后桥进行了有限元分析，得到了静态条件下的弹塑性变形结果。根据分析结果，对后桥方案进行了优化调整，并得出结论。合肥工业大学的刘为、薛克敏和李萍等[14]建立了汽车后桥的有限元模型，并将其参数化，施加垂直方向的静力载荷，对桥壳进行有限元分析。根据仿真结果，得到了后桥的应力分布和位移分布。根据材料的特性曲线，进行了结构疲劳分析。最后，计算了后桥总成的疲劳寿命，并计算出相应的安全系数。唐伟[15]通过Matlab软件对减震器阻尼力进行了数值分析，得出了阻尼特性曲线；通过搭建试验台，测出了阻尼力和位移的关系；通过仿真分析，对减震器进行了流固耦合分析，将结果于试验相对比，结果一致，说明了模型的可行性。周安江[16]对汽车减震器阻尼建立数学模型计，利用Matlab/simulink对模型进行了仿真，他还对节流阀片和底阀阀片的规格、厚度等进行了分析，得出了他们对阻尼产生的影响。张新星[17]以最小势能原理为基础，对阀片变形能量进行了分析，对不同半径阀片的变形解析值进行了验证，得出阀片厚度和叠加阀片数量与刚度成正比的关系。绉琳[18]根据减震器的内部结构，建立了等效的数学模型，对补偿阀片进行运动仿真，验证了数学模型的合理性。吴思键[19]对节流阀片进行了分析、计算，得到了它的力学模型，并得到了它在受力情况下的阀片变形量，然后利用Matlab/simulink对他所建的减震器模型进行联合仿真，得出示功图。MACROBUTTONAcceptAllChangesInDocAndStopTracking有限元基本理论基础有限元的发展目前，学者们通过建立物理方程和对边界条件进行求解的方法，以解决实际工作过程中的机械振动问题、材料选择问题、热力学问题等。由于这种方法所关注的实际方面的条件比较少，与实际问题相比较都是近似解，因此，这种方法会导致求解结果不准确，与真实值存在较大的差异。随着计算机领域的迅猛发展，人们发现，将计算机技术和实际问题相结合，可以得到更加接近实际的结果。有限元法常常被用于解决工程中的实际问题，通过软件仿真，大大减少了经济成本、节约时间。从20世纪40年代初开始，人们提出来使用构架法来求解力学问题，随后，应力问题求解逐渐使用有限单元法[20]。20世纪70年代，有限单元法拓展到了流体力学、磁场分析等领域等。在材料方面，有越来越多的稀有材料可以被应用到有限单元法中来。20世纪80年代，有限元法被军工领域用来解决实际问题，慢慢的有限元软件也陆续被研发出来，如：Abaqus、ANSYS等，它们有着操作简单、误差低、效率高等优点。有限单元法计算的原理是：数目可见的小单元体的整合计算[21]。影响有限单元法的准确度的因素为：单元体数量；数量越多，精确程度越高[22]。有限元分析的基本解题步骤(1)划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号。根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。(2)选定直角坐标系，按程序要求填写和输入有关信息。(3)使用己经编好的程序进行上机计算。(4)对计算成果进行整理、分析，用表格或图线表示出所需的位移及应力。在划分单元时，单元尺寸的大小(即网格的疏密)，需要根据精度要求和计算机的速度及容量来确定。单元分得越小，计算结果越精确。所以，有限元法的核心是网格剖分与边界条件的确定，然后是选用现代数学进行运算求解，最后对求解结果进行分析。有限元法理论模型有限元方法是用来解答各种比较复杂的数学和物理问题的重要的实践方法，也是对现实生活中的工程问题进行分析和解决。有限元法的应用和实施主要包括三个方面：计算原理、计算机软件、计算机硬件。这三方面同时也是相互关联的，并且任意一个方面都是不可或缺的。计算机应用技术的快速发展，从而使得这种方法被大众普遍使用，受到广大科研学者的青睐，是最广范的分析工具之一。当下，世界上百分之九十以上的机械设备和装置，都必须要通过有限元方法进行分析，进而继续优化设计与可靠性分析。有限单元法是一种单纯的数值性的求解问题的方法，这种方法的原理是“化整为零”，也就是说把连续体离散化，分为有限个单元体。实质上，就是把连续体通过线或者面分割开来，分成无数个单元体。这种单元具有一定数量、一定大小，各个单元相互之间是由有限多个节点互相组合联系起来的，通过数值性来求解各个节点处的值，并把他们联系起来，来推断并求出其它的未知量。

汽车减震器三维建模汽车减震器是汽车中不可或缺的一部分，他的其性与汽车的动力性、舒适程度、车架稳定性息息相关。汽车减震器的功能性、先进性一定程度上代表着整车的研发设计能力的高低。为了改善以往减震器的不足，节约设计成本，缩短设计周期，利用三维软件（如SolidWorks、UG）进行减震器的研发设计成为必然趋势[23]。本文利用SolidWorks进行三维模型的设计。利用三维软件的零件设计和虚拟装配功能，设计者可以更加便捷的操控计算机，建立汽车减震器的实体模型，模拟现实环境条件，分析出在施加一定载荷的条件下，减震器所产生的应力和应变，根据结果进行优化设计，能够一定程度上减少开发时间，节约开发成本。本文利用SolidWorks软件建立了一个减震器的三维模型（如图3.1），并进行了静力学仿真和模态分析。图3-1汽车弹簧减震器Soildworks软件介绍如图3.2所示，SolidWorks基于在Windows环境下进行机械设计的软件，是一个以设计功能为主兼运动学仿真的CAD/CAE/CAM软件，其界面操作简单、有着人性化的使用风格。该软件具有功能全面、容易上手和技术创新SolidWorks三大特色，使得SolidWorks成为市面上主流的、占有一定地位的三维CAD设计软件。SolidWorks能够根据不同的需求，提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误从而提高产品质量。同时对每个工程师和设计者来说，易上手、人性化的设计界面是SoildWorks软件的特点。这款软件建模流程简洁，三维模型能够比较直观的展示在设计者的面前，这样能够大量的减小设计难度、节省大量时间。图3-2SoildWorks2018操作界面为了更好让设计产品从研发到改进，最后加工成型之间数据的完美衔接，SoildWorks专门提供了专业的生产制造与检测的全套开发环境。所以，无论是企业还是个人产品设计的数据模型可以在整个生命周期内具备极强的关联性，这种关联性体现在产品三维模型图、工程图、仿真分析等数据的交换与共享。SoildWorks软件建模方便快捷，通过草图绘制模块、特征模块等操作完成模型草图的绘制（如图3.3所示）与特征的修改等。对于复杂的模型构建，还可以采取布尔操作、参数设置等形式进行。特别的，SoildWorks提供了特征操作与特征编辑功能用于实现对模型实体各类编辑工作，简化了实体构建过程。图3-3Soildworks2018绘图区界面汽车减震器的三维模型及相关参数打开SolidWorks软件，创建一个新的界面来绘制零件。首先,新建一个二维草图，根据草图的尺寸，绘制草图；然后通过特征模块，使用“拉伸”、“切除”、“放样”等工具将二维草图绘制成三维实体；最后，在“评估”中用“测量”来测量结构的尺寸，通过最后的优化修改画出所需的零件尺寸。之后,创建一个新的装配体文件来组装各个零件,将所需的零件导入到文件中,然后按照“配合”的原则,将各零件装配在一起,最后,导出零件图,获得所需的装配图。所画零件主要包括弹簧、上支座、活塞杆、上挡环、工作缸筒、防尘套和定位环。弹簧的作用是汽车在经过颠簸路段时，或通过压缩变形与拉伸变形来减缓振动的力量，能保持车辆的平稳性和舒适性。弹簧建模主要参数：直径80mm；横截面直径5mm；高度140mm；圈数9；圈螺距20mm。弹簧建模如图3.4(a)所示。上支座与车架悬架相连接，向下与减震器的其他部件相连。上支座建模主要参数：最上端圆环支撑控内径30mm，外径50mm，最下端与活塞杆连接处直径为28.5mm，上支座建模如图3.4(b)所示。活塞杆上端连接上支座，下端带动活塞在工作筒中上下运动，同时产生一定的阻尼力，从而起到减震的作用。建模主要参数：直径16mm；长度188mm。活塞杆建模如图3.4(c)所示。上挡环可减少零件之间的摩擦，对零件起到保护作用。建模主要参数：孔径16.5mm；上圆柱高12.7mm；中圆柱高6.35mm；下圆柱高6.35mm；上圆柱直径42.55mm；中圆柱直径85.75mm；下圆柱直径69.85mm。上挡环建模如图3.4(d)所示。工作缸筒是减震器的关键零部件，为工作环境提供主要场地，弹簧吸震后带动活塞在工作缸筒中运动，带动储存油液和所需要二点减震气体运动，依次产生阻尼来减缓震动。建模主要参数：高度176.8mm；缸筒直径63.5mm；孔径30.5mm。工作缸筒建模如图3.4(e)所示。减震器防尘套的作用主要是为了防尘，保护减震器不被灰尘所覆盖从而保证减震器能保持一个最佳的工作状态。大多数人认为减震器防尘套在整个汽车零部件当中不是那么重要，其实恰恰相反，不注重减震器防尘套的更换会直接导致减震器损坏，随之便产生更多附带问题，比如发动机颠簸松动等。防尘套建模主要参数：高度50mm；孔径17.5mm。防尘套建模如图3.4(f)所示。定位环是为了避免活塞杆左右偏移而影响其工作性能。定位环建模主要参数：孔径63.5mm；厚度15.9mm；大圆直径90mm。定位环建模如图3.4(g)所示。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)图3.4减震器各零件三维图图3.5汽车减震器二维简化图对减震器每个部件所用的材料进行设定，活塞杆用45号钢，弹簧用55Si2Mn弹簧钢，定位环与上挡环用304不锈钢，防尘套外壳用304不锈钢，内部缓冲环用橡胶，工作缸筒以及其他部件用普通碳钢。所用材料的弹性模量、泊松比和材料密度值如表1所示。表3-1汽车减震器材料参数材料弹性模量()泊松比密度()45号钢0.3785055Si2Mn0.2707730304不锈钢0.2477930橡胶0.4701300普通碳钢0.2807800汽车减震器有限元建模有限元仿真是研究汽车减震器振动的有效方法。通过有限元仿真，还可单一因素、多因素地，以及所处环境影响对振动的影响程度，这对产品设计、产品优化、改进加工工艺、提高产品可靠度都有重要地指导意义。而减震器刚度、阻尼、固有频率和振型、动态响应等是表征汽车减震器动力学的几个主要物理学参数。如图4.1所示，本章将进行汽车减震器的静力学分析。图4-1有限元分析流程图ANSYS软件的主要功能和特点自20世纪中叶以来，有限单元法以其独有的计算优势赢得了广大科研爱好者的一致好评。随着有限元算法的不断精进，并由此衍生出了一批操作简单、界面简介、成熟专业的有限元商业软件。随着计算机技术的迅猛发展，各种仿真软件也在市面上广泛使用。ANSYS软件有着强大的多物理场耦合分析功能，从而成为CAE软件的应用主流，在工程分析应用中得到了较为广泛的应用。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，它在众多CAE软件中脱颖而出，迅速占领主流市。该软件包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS的功能强大，操作简单方便，现在它已经成为国际工程分析应用中主流的有限元分析软件，在历年FEA评比中都名列第一。目前，中国大多数科研院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。Workbench是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境，与传统ANSYS相比较，Workbench有利于协同仿真、项目管理，可以进行双向的参数传输功能，具有复杂装配件接触关系的自动识别、接触建模功能，可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理，自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用，并且支持几乎所有ANSYS的有限元分析功能。模型简化减震器因路况颠簸突变受到外力而做压缩或复原运动时，对于减震器本身来说是一个十分复杂的过程，会占用大量的计算资源，所以要对该部件运动过程做一系列的简化处理。在产品设计的过程中，为了尽可能的从产品的性能、外观等方面来展示模型，其中有很多细小的特征，这与仿真的最后结果以及是否能顺利完成息息相关，还影响了分析过程中所用时间的长短及最后计算的数据的准确性[24]。因此，考虑到结构力学分析，模型的简化应考虑如下几点因素：（1）删除无关的倒角特征、孔特征和螺栓的螺纹特征。这些特征会增加计算机计算的时间，占用大量的计算资源，给分析有限元带来巨大的麻烦。（2）重建细节部件。部分零件体积小且不影响整体效应，就要把这些零件进行简化，避免占用不必要的计算资源。（3）简化连接构件。在这个过程中，我们可以对焊接、螺栓连接和铆钉连接等忽略掉，但是为了不影响整个模型的整体性能，还需要保留其一定的基本特征。当然，对于具体的结构力学分析，需要根据模型各自的结构特征，采用更加切合自身的简化方式。首先，从减震器内部进结构的简化，对于橡胶密封圈、密封件等，由于其属性固定，并且对整体运动学仿真影响不大，所以这些零部件被简化掉不做分析。其次，是更改配合关系，使活塞体与活塞杆相对固定，看作一个整体，其他零部件相对固定。图4-2汽车减震器简化三维模型图汽车减震器网格划分及边界条件网格划分在模型创建后，有一项关键的步骤，就是网格划分。网格划分的好坏将直接关系到求解的准确度及速度。网格划分的基本方法就是采用ANSYSWorkbench中的Mesh应用程序，从中设置好，单元网格尺寸，需要加密的面和体，就已经自动化分网格。可以从ANSYSWorkbench的项目管理器中自Mesh系统中进入，也可以通过静力学分析集成模块中进行网格划分[25]。（1）网格划分概述Workbench中ANSYSMeshing应用程序是给用户提供一种便捷、通用的网格划分的工具。网格划分工具已经集成在各个模块中：包括进行结构动力学分析、显示动力学分析、电磁分析及进行CFD分析。ANSYS网格划分是采用Divide&Conquer（分解与克服）方法来实现的，几何体的各部分可以使用不同的网格划分方法。但所有网格的数据是统一共享到共同的中心数据中的。网格的类型如图4.3所示。图4-3三维网格的基本形状（2）网格划分流程网格划分流程如下：（1）设置目标物理环境（结构、CFD等）。自动生成相关物理环境的网格（如FLUENT、CFX或Mechanical)。（2）设定网格划分方法。（3）定义网格设置（尺寸、控制和膨胀等）。（4）为方便使用创建命名选项。（5）预览网格并进行必要调整。（6）生成网格。（7）检查网格质量。（8）准备分析的网格。将上述简化三维模型，在Soildworks中导出为.step的文件格式，并打开Ansysworkbench2020R2中的StaticStructural模块，通过Geometry<ImportGeometry<Browse导入刚才保存的.step文件，并进行网格划分。考虑到文中研究的汽车减震器，为保证计算结果以及计算机消耗的时间，将工作杠和活塞杆选用网格尺寸为3mm的六面体网格，其他部分采用网格尺寸为3mm的四面体网格。六面体网格一般比四面体网格质量高，计算比四面体更容易收敛，且同样网格尺寸下，六面体网格要比四面体网格数量少很多，计算需要的时间短一些，划分得到78989个网格和188773个节点，该网格多数为四面体网格，划分得到的结果如图4.4所示。图4-4汽车减震器整体网格汽车减震器有限元分析结构静力学分析在使用ANSYSWorkbench进行有限元分析时，静力学分析是有限元分析(FEM)中最基础、最基本的内容。接触设置及边界条件本论文主要是想得到汽车减震器在行车路况中活塞杆、弹簧、上支座的变形情况，汽车减震器在受到颠簸路况时，会因外力做压缩或复原运动，对于减震器的内部结构来说是一个比较复杂的过程，本论文将施加载荷和约束来模拟实际状况的做功。为了确定活塞杆在运动过程中所承受的载荷，先对活塞杆在运动过程中的受力进行分析，将作用于该减震器上的车身重量假定为杆上承重500kg。汽车减振器整体受力主要为上支撑的压力、弹簧弹力和活塞向上的支撑力，关系为。所以载荷和约束为：下支架为固定支撑，上支架施加5000N的力，对定位环施加固定支撑，对活塞下端面施加沿Z轴负方向的力，大小4000N。分析设置：求解时间选择1s，开启自动时间步长，载荷步加载初始时间步长0.01s，最小时间步长0.01s，最大时间步长0.1s。为防止迭代过程中发生刚体移动，弱弹簧效应开启。仿真是一个非线性仿真过程，大变形开关必须处于on状态。图5-1约束与载荷静力学仿真结果汽车减震器的静力分析主要是包括应力分析和变形分析，通过静力学分析分到汽车减震器的应力图和总变形图，如下图所示：图5-2汽车减振器总变形图图5-3汽车减振器等效应力图图5-4汽车减振器等效弹性应变图5-5活塞杆和上支架应力分布图由以上仿真结果得知，通过ANSYSWorkbench软件的仿真分析，汽车减震器在给定500N载荷的作用下，总变形量并不大，从上往下变形依次减小，最大在上支架处，为mm，平均为mm。根据图5.5可以看出，活塞杆所受最大应力集中在活塞杆与上支架的连接部位，其他部位应力相对较小很多，最大应力为166.51Mpa。等效弹性应变的分布与等效应力分布几乎一致，最大等效弹性应变为0.00083304mm/mm。模态分析为了获取减震器的固有频率，需对其进行模态分析。模态分析是动力学分析的基础，通过分析获取减震器振动的各级固有频率判断减震器设计的合理性及振型是否影响加工精度，有助于后续进行机械结构特性分析，优化设计除故障等研究。机械产品的动态特性主要由低阶模态决定，因此本文只提取减震器前六阶的固有频率[26]。模态分析理论一个N自由度线性定常振动系统，其运动方程为：(5.1)式中为该振动系统的质量、阻尼和刚度矩阵，和分别为系统各点的位移向量和激励力向量。模态分析方法就是以无阻尼的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使振动系统的微分方程解耦变成独立的微分方程组。对式(5.1)两边进行拉氏变换，可得：(5.2)令，将其代入上式则有：(5.3)这是一组耦合方程，为了解耦，引入模态坐标令，其中为振型矩阵，为模态坐标。将其带入（2.3）得：(5.4)由于振型矩阵对于质量矩阵和刚度矩阵具有正交性关系，将质量和刚度矩阵对角化，得出：如果系统的阻尼矩阵也可被对角化结构阻尼、比例阻尼或小阻尼的情况,即有：对(5.4)前乘有：(5.5)通过解耦，个互相耦合的方程就变成了在模态坐标下相互独立的方程组，后的第个方程为：(5.6)从式(5.6)可得出：采用模态坐标后，自由度振动的响应相当于个模态坐标下单自由度系统的响应之和，这就是模态叠加原理。在模态坐标下的模态参数就变成模态质量、模态刚度、模态阻尼，和模态振型。采用归一化方法，使模态质量归一，记模态质量归一化振型为，即：(5.7)(5.8)式中为模态固有频率，Hz。约束与载荷根据减震器受力情况，对减震器施加约束和载荷。约束设定在减震器的两端衬圈处，其中，下衬圈为全约束，上衬圈放松X轴。对于一个多自由度振动系统，低阶固有频率往往更接近于系统的实际工作频率，因此在求解项MaxModelstoFind中，设置数值为6，即求解前6阶模态[26]。模态分析结果根据计算结果，得到了汽车减震器前6阶固有频率和振型，如图5.6所示。第1阶振型第2阶振型第3阶振型第4阶振型第5阶振型第6阶振型图5-6汽车减震器前6阶振型图根据表5.1及图5.6可知，当外部实际工作频率接近表5.1中相应固有频率的值时，减震器可能引起共振，产生较大振幅，使减震器损坏或者起不到减震的作用；由振型图来分析，振动变形最大发生在减震器弹簧上，减震器整体的位移变形量较小,对减震器减震效果影响小。表5-1各阶固有频率表阶数第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶频率(Hz)51.53157.40963.68264.08100.69107.91总结与展望总结本论文主要介绍了有限元建模基本理论基础知识，以汽车减震器为重点研究对象，利用ANSYSWorkbench有限元分析软件建立了有限元模型，以500t作为激励，模拟汽车行驶过程中车身所带来的压力，对其进行了静力学分析和模态分析。在静力学分析中，对汽车减震器进行受力分析，对汽车减震器施加了载荷和约束，得到了汽车减震器的总变形图、等效应力图和等效弹性应变图，得到了汽车减震器的最大位移及最大应力，为今后的故障分析提供了理论依据。在模态分析中，获取汽车减震器的固有频率，通过分析获得了汽车减震器振动的各级固有频率，得出模态分析中，主要为弹簧的频率和振型较大，减震器其余部件振型较小，对汽车正常行驶没有太大的影响。展望由于汽车减震器结构十分复杂，振动时所带来阻尼的因素众多，工作缸中油液的压缩等涉及到了流体力学的知识，所以研究汽车减震器的振动机理仍然是今后的重点和难点。本文只是对汽车减震器进行了静力学分析和模态分析，以便后续更好的研究。在此基础上，还有很多方面需要研究和发现。（1）弄清楚汽车减震器工作缸和活塞之间的受力关系，看其对整体减震效果的影响。（2）弄清楚减震器的材料对振型及固有频率的影响。参考文献吴念.结构参数对汽车双筒充气式液压减振器动态性能的影响[D].西南交通大学.2016李万林.基于流—固耦合的汽车减振器仿真研究[D].吉林大学,2014.贺李平,顾亮,龙凯,等.基于流—固耦合的汽车减振器动态特性仿真分析[J].机械工程学报,2012,48(13):6.徐继.筒式减震器[J].汽车与配件,1982,4:017.张昊晗,李浙昆,谢军,等.筒式液阻减震器的阻力特性及发展状况[J].液压气动与密封,2008,28(1):4.郑思义.减振器[J].机械制造,1989,11:026．姚嘉伶,蔡伟义,陈宁.汽车半主动悬架系统发展状况[J].汽车工程,2006,28(3):5.BhuyanD,KumarK.3DCADModellingandComputationalFluidAnalysisofPistonValveofTwinTubeShockAbsorbers[J].MaterialsTodayProceedings,2017,4(8):7420-7425.XhlaB,YtmA,RongYA,etal.Experimentalstudyonimpactbehaviorsofrubbershoc