動剛度分析在底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計中的應(yīng)用
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隨著消費者收入水平的提高，對汽車產(chǎn)品的舒適性需求越來越高，從而導(dǎo)致了在整車開發(fā)中對影響舒適性指標的振動噪聲提出了更高的設(shè)計要求。在汽車行駛過程中，發(fā)動機和路面的激勵通過汽車底盤上的連接點、車身、座椅以及其它部件，最終影響乘員的NVH主觀感覺。汽車底盤零部件在整個傳導(dǎo)鏈中重要的一環(huán)，對整車的噪聲、振動(Noise，Vibration Harshness，簡稱NVH)性能中有著重要影響。
NVH測試試驗雖然是一種可靠的方法，但必須要在樣車完成之后才能進行試驗并發(fā)現(xiàn)問題，然后解決問題。如果問題嚴重，還將帶來開發(fā)周期的延長和巨額的設(shè)計變更費用，增加開發(fā)成本。NVH性能的仿真分析方法，其優(yōu)點在于可以在沒有實物樣車的設(shè)計階段，較為準確地評價汽車的NVH性能，并提出改進方案，盡可能在設(shè)計階段解決可能存在的NVH問題。為最后得到NVH性能優(yōu)良的汽車，在設(shè)計階段就打好良好的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)有的Altair RADIOSS軟件中的模態(tài)頻率響應(yīng)分析，可以對車輛的中低頻NVH性能進行有效地分析及評價。
2 分析理論
頻率響應(yīng)分析可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，驗證設(shè)計能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結(jié)構(gòu)破壞，是計算線形結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動激勵下的響應(yīng)的方法。對于線彈結(jié)構(gòu)，一般采用粘性阻尼或結(jié)構(gòu)阻尼振動系統(tǒng)，阻尼的作用主要是轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的能量，結(jié)構(gòu)阻尼主要是由于不完全彈性的結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)摩擦和在結(jié)構(gòu)的固定連接處，接觸面之間的摩擦力引起的。根據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)形式，對汽車車身采用結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng)。在車身仿真分析中，車身的局部剛度常采用速度導(dǎo)納進行評價。對于速度頻率響應(yīng)分析，常把載荷輸入點與響應(yīng)點取同一點，稱為Driving Point Mobility，簡稱為Point Mobility。與Mobility密切相關(guān)的一個概念是動剛度，表征了結(jié)構(gòu)在動載荷作用下抵抗變形的能力，動剛度不足將對車身疲勞壽命和整車乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響。一般情況下，在能夠滿足工程要求的基礎(chǔ)上，懸置系統(tǒng)中隔振元件的Mobility設(shè)計的越高越好，而車身、車架等隔振件的連接件的Mobility設(shè)計的越小越好。
在分析動剛度時，一般使用模態(tài)頻率響應(yīng)分析法，模態(tài)頻率響應(yīng)分析的基本流程是先進行結(jié)構(gòu)的模態(tài)計算，然后調(diào)用模態(tài)計算的結(jié)果，考察在設(shè)定的所要分析的激振頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。模態(tài)頻率響應(yīng)法計算響應(yīng)就是利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)變形來減少方程數(shù)量及解耦運動方程的。通過模態(tài)頻率響應(yīng)分析可以求出結(jié)構(gòu)在多種頻率下的位移、速度、加速度響應(yīng)，得出響應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線，進而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析。
3 分析模型
車身和底盤相連接的關(guān)鍵部位，需要其在汽車運行時能夠承受一定的載荷，因此，為了能夠滿足車輛運行的需求，需要這些部位的局部動剛度滿足一定的目標值要求，因此需要在自由模態(tài)和靜剛度分析基礎(chǔ)上獲取底盤零部件安裝點在穩(wěn)態(tài)振動激勵下的響應(yīng)。底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一些關(guān)鍵點，包括發(fā)動機懸置點、減震器安裝點、拖曳臂安裝點及副車架安裝點等是向車身傳遞振動的主要來源，對車身的振動和疲勞破壞有重要的影響作用，因此分析關(guān)鍵點的動態(tài)特性具有重要的意義。
基于有限元分析方法，計算出底盤安裝點在單位簡諧載荷作用下的響應(yīng)。利用Altair HyperMesh軟件某車輛的前副車架有限元模型，均采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，模型如圖1所示。
模型中采用計算中所使用的材料參數(shù)如下：
鋼的材料參數(shù)：彈性模量：210Gpa，材料密度：7.8e-9ton/mm3，泊松比：0.3
運用基于Altair RADIOSS的模態(tài)頻率響應(yīng)方法可以考察底盤結(jié)構(gòu)對于整車的中低頻NVH性能的影響，并可指導(dǎo)用于改進整車NVH性能的底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施，在設(shè)計階段解決潛在的NVH問題。
發(fā)動機是汽車的主要噪聲和振動源，發(fā)動機振動可以通過底盤傳到車身，并可在車內(nèi)產(chǎn)生噪音，嚴重地影響到了乘坐的舒適性。汽車很多振動噪聲的問題往往都可歸結(jié)到發(fā)動機振動上。因此，汽車發(fā)動機懸置安裝點的動態(tài)特性分析顯得非常重要。
發(fā)動機作用在底盤安裝點的載荷大小和方向具有隨汽車運行狀態(tài)而在寬頻內(nèi)變化的特征，因而要求該安裝點的剛度特性也應(yīng)具有隨頻率而變化的動態(tài)特性，即在低頻內(nèi)具有較大剛度來滿足由于工況變化和路面不平等低頻沖擊引起的過大位移時的平衡需要：同時在中、高頻內(nèi)，又要求其剛度不應(yīng)該太大且具有合適的阻尼，以便衰減發(fā)動機傳入車身的振動。顯然，傳統(tǒng)的靜態(tài)剛度校核方式不能滿足上述要求，而且該方式也無法評價安裝點對整個車身振動和噪聲的聲振靈敏度。
為了獲得發(fā)動機懸置安裝點的速度響應(yīng)函數(shù)，首先建立底盤結(jié)構(gòu)的有限元模型，并在懸置安裝點施加載荷，然后利用RADIOSS軟件的動力分析模塊求解分析。
采用Altair RADIOSS軟件的模態(tài)頻率響應(yīng)方法計算該安裝點的動態(tài)剛度。用于分析的底盤副車架模型無約束，為自由狀態(tài)，由于對副車架不施加任何約束，故該動態(tài)剛度能反映整個副車架的局部固有特性，本文采用3%的結(jié)構(gòu)阻尼。將每個連接點的每個方向(X、Y、Z)的激勵載荷定義為一個載荷工況，載荷為1N的集中力，頻率范圍為所關(guān)注的中低頻率，同時將激勵點定義為響應(yīng)點，且響應(yīng)自由度與激勵自由度相同，例如Z向單位激勵的輸出為Z向速度響應(yīng)。
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