驱动桥壳虚拟样机试验台的建立与仿真

唐云 王桂龙 杜勇

（1.合肥工业大学机械与汽车工程学院；2.合肥工业大学交通运输工程学院）

驱动桥壳作为汽车本身的重要零部件，既是承载件又是传力件，它能够影响到汽车的舒适性、安全性与可靠性等方面的性能，要求其一定要满足足够的强度和刚度要求。目前，对桥壳静态特性的分析，主要依赖于经验公式，即对驱动桥壳的最大应力进行静力学估算，致使驱动桥在某些工况下的强度和刚度不能满足使用要求，在高应力的局部区域极易发生破坏，在低应力部位所用材料有过剩，有很大的局限性。文章基于新兴的虚拟样机技术[1]，辅以有限元计算，建立精确的桥壳虚拟样机模型，能够很好地解决传统经验公式的局限性，更精确地计算驱动桥壳的静态性能，可以用于驱动桥的设计指导、开发和试验研究。

1 驱动桥壳虚拟试验台架理论

1.1 基于模态分析的柔性体动力学求解

在ADAMS 软件中，柔性体模型的弹性是由其模态来表示的。其基本思想是赋予柔性体一个模态集，借助模态矢量及模态坐标来表示弹性位移。利用拉格朗日方程，定义柔性模型上任意一点在总体坐标系中的坐标为q，得到动力学的简化方程[2-3]:

式中:M——质量矩阵；

C——柔性体的阻尼矩阵；

FT——外力矩阵。

1.2 模态应力恢复

当有限元（柔性体）模型的第i 阶固有圆频率（ωi）、振型矢量（{Φi}）及模态位移（Qi）已得到，则可由模态应力恢复算法求得有限元模型上节点的模态应力（σ）和反作用力（F）[2-3]。

模态应力:

式中:Eσ——模态应力矩阵，其各元素的值与材料弹性模量及泊松比有关，取决于有限元模型；

Φ——模态位移矢量。

模态反作用力:

式中:ω——ωi的矢量表达；

U——定义的基于{Φi}和Φ 的节点位移；

K——桥壳刚度矩阵。

在式（2）中，由于Φ 是柔性体动力学求解中根据式（1）解得的随时间变化的矢量集 Φ（t），因此由式（2）和式（3）即可分别得到节点模态载荷历程{σ（t）}与 F（t）。

2 桥壳中性文件的建立

在建立桥壳的虚拟试验台时桥壳需为柔性体，从而能更为真实地模拟桥壳的变形运动，得到桥壳的弹性位移等参数曲线。在ADAMS 中，柔性体建模方法一般有3 种[4]:1）以柔性梁的形式把构件离散为有限段的刚性构件；2）直接导入有限元软件求解结果（模态中性文件.mnf）；3）ADAMS/AutoFlex 模块实现柔性体的.mnf文件建立。

综合分析比较这3 种方法，文章选用方法2 建立桥壳的模态中性文件。

在Hypermesh 中建立有限元模型时，需要建立与ADAMS 中的刚性体连接的外部节点，此类节点将在ADAMS 中实现与其他部件的连接使用。文章以在有限元模型中创建的刚性区域的中心点作为外部节点，借助Hypermesh 自带的求解器Nastran 模块，输出可以提交到Nastran 运算的文件[5]，然后在Nastran 中运行仿真，生成ADAMS 程序所需要的模态中性文件和结果文件Output file(.op2)[6]。将结果文件导入Patran 中可以看到其应力结果。图1示出桥壳第1，2 阶的模态应力图。

图1a 中的模态应力对应于有限元求解中的模态阶次为第7 阶，以此类推。

3 虚拟台架的建立及仿真分析

根据文献[7]中有关桥壳台架试验程序和流程的介绍，在ADAMS/View中建立简单的模型。建立桥壳虚拟试验台架的过程为:1）启动ADAMS/View 进入建模界面；2）建立包含桥壳中性文件的虚拟试验台架；3）验证桥壳中性文件的准确性，确定模型连接拓扑关系的准确性，并设置参数运行仿真。

3.1 桥壳试验台架的建立

首先，确定ADAMS 中需要的外接点的位置，即刚性区域的中心节点，在ADAMS 中相应位置对称建立2 个台架底座用于安装固定桥壳，并与大地相连；然后，导入桥壳.mnf 文件，做相应调整使外接点与ADAMS 中的marker 点重合。桥壳虚拟样机模型，如图2所示。

3.2 桥壳中性文件检查及校改

将有限元分析的结果导入ADAMS/View 后需要对桥壳的中性文件进行检查和校验。相应的检查及校验的项目有:柔性体的尺寸、质量、模态阶数、模态阵型和频率等[8]。对桥壳的阻尼进行设置，提高其与实际状态的差异。在桥壳柔性体上点击鼠标右键，选择Modify，并清除Damping Ratio 旁边缺省选项，在弹出的对话框中输入如下的修改函数：

STEP（FXFREQ，1 000，0.005，3 000，0.1）

此STEP 函数所表示的含义是:桥壳的模态频率在1 000 Hz 以下的模态，取0.5%的阻尼；频率在3 000 Hz以上的模态，取10%的阻尼；频率在1 000～3 000 Hz 的模态，由STEP 函数对应于其频率大小取阻尼的值。ADAMS 中桥壳的频率在 198.68～3 617.77 Hz，通过STEP 函数设置可以实现桥壳的阻尼都在10%的范围内。

3.3 桥壳的约束及载荷

ADAMS 中的柔性体文件.mnf 导入后可以在其上直接定义约束及各种力元，也可以借助施加模态力实现在柔性体对应的节点上的载荷加载等[9]。其中，模态力通常用来描述加载在柔性体表面的分布载荷，模态力的施加需要通过编辑有限元载荷文件的方式加载到柔性体上，即编辑载荷文件时需要准确描述在哪些节点上施加何种分布规律的载荷。

在ADAMS 中的约束要较好地模拟国标中对桥壳的约束条件。在桥壳与台架底座的约束为:左侧外接点处与台架底座用固定副约束，右侧外接点处与台架底座用移动副约束，以保证桥壳仿真过程中不出现运动干涉。桥壳载荷施加方式是以模态力的形式均布在2 个弹簧底座处，即在对应节点位置施加载荷。文章的模态力在施加后通过相关函数编辑改变了其变化规律。两侧的台架底座用固定副与大地相连。图3示出桥壳的模态力、约束及台架底座的约束。

3.4 桥壳模态力的加载

在Nastran 下运算生成的模态中性文件并不包含节点的载荷信息，需借助ADAMS Flex/Toolkit 命令，实现将外载荷以载荷文件的形式加载到柔性体中，从而实现模态力的加载。文章中实现模态力加载的具体步骤（windows7 系统）如下。

首先在Nastran 中生成.mnf 中性文件，编辑生成相应节点编号的载荷文件.txt，然后转换成ADAMS Flex/Toolkit 命令可以识别的文件（文件格式为.loads），把这2 个文件放在电脑盘符下（如:D 盘）备用。启动cmd，输入 D:（.mnf 文件及.loads 文件在 D 盘下），然后回车。

接下来输入命令符:ADAMS2012 flextk mnf.load qiaoke.mnf qiaoke_new.mnf qiaoke.loads解释:

ADAMS2012——启动ADAMS2012；

flextk——启动flextk 模块；

mnf.load——mnfload 命令，用于把载荷加载到有限元模型；

qiaoke.mnf——之前创建的桥壳.mnf 文件；

qiaoke_new.mnf——命令执行后生成的.mnf 文件，即已经关联了载荷的文件；

qiaoke.loads——桥壳的载荷文件。

通过上面的准备即可完成模态中性文件均布载荷的加载。按照桥壳满载的2.5 倍对桥壳弹簧座的各个节点对应施加相应大小的载荷。

3.5 桥壳试验台架仿真分析及后处理

按照桥壳满载的2.5 倍对桥壳弹簧座的各个节点对应施加相应大小的载荷，在完成载荷文件创建及导入步骤后，可以对载荷进行后续处理，从而得到同类型不同频率的模态力载荷曲线。借助ADAMS 中的STEP函数可以实现幅值为满载2.5 倍状态下不对称载荷的创建，其中STEP 函数表达式为:

STEP（time，0，0，0.01，2.5*（SIN(ω*time)+0.6））

式中的ω=2πf，f 为频率。设置仿真时间为1 s，仿真步幅STEP Size 为0.01。仿真参数设置完成后运行仿真，模拟不对称载荷下2，5，8，11 Hz 4 种频率的仿真。仿真结束后，得到的柔性桥壳记录下了各阶模态的位移时间历程，如图4所示。

从图4可以看出，桥壳在ADAMS 中，在不同频率不对称循环的模态分布力的作用下，各阶次模态位移时间历程的变化趋势总体一致，且大部分都处在较小的数值范围内，仅个别阶次的模态位移曲线的变化规律稍有变动。图4中曲线上标有“+”的数值相对于其他曲线的数值较大，此曲线即为14，15，26 阶对应的模态位移的时间历程曲线，对桥壳的影响较大。

综合分析图4可以看出，在相同形式的载荷作用下，尽管载荷的频率不同，但是各个阶次模态位移的时间历程曲线的趋势和范围基本相同，即加载的0～15 Hz频率范围内的载荷对桥壳的仿真分析影响极其微弱。

通过应力云图，可以找到ADAMS 仿真下桥壳的最大应力对应的节点位置，依此能够大概判断桥壳的静态特性，找出危险区域。图5示出桥壳在满载2.5 倍状态不对称载荷不同频率下仿真时最大应力对应的节点位置。

图5中，桥壳左下弹簧座（近后盖侧）与主体焊接处为node67877；桥壳右下弹簧座（近后盖侧）与主体焊接处为node19689；桥壳左下弹簧座（近后盖侧）与主体焊接处为node67878；桥壳左上弹簧座（近后盖侧）与主体焊接处为node55539；桥壳左侧凸缘盘第1 阶轴肩过渡处为node51348。其他的应力最大点在此不做相关解释。

这样，一整套桥壳的静态特性分析的虚拟样机流程已完成。与经验公式相比，建立的虚拟样机能更快捷与方便地找到桥壳相对薄弱的区域，确定桥壳的静态特性。

4 结论

文章介绍了桥壳试验台架虚拟模拟的理论基础，并在ADAMS 中建立桥壳的虚拟样机模型，仿真模拟试验的加载及约束等条件，得到不对称循环不同频率载荷下的时间历程文件，可作为后续疲劳分析的载荷谱。ADAMS/View 作为ADAMS 的基本模块可以建立桥壳的台架试验台，利用在Nastran 中仿真得到的桥壳的中性文件（.mnf 文件），建立柔性桥壳的虚拟样机试验台，更加真实地反映了实际驱动桥壳的状况，从而能够精确地进行一系列的驱动桥壳试验，节省了时间和资源，缩短了试验周期。