汽车安全性能检测舱模态分析

2015-05-09 03:47李树珉焦宇飞陈成法白云川

军事交通学院学报 2015年5期

李树珉，焦宇飞，陈成法，白云川，郭正

(1.军事交通学院外训系，天津300161;2.军事交通学院研究生管理大队，天津300161;3.军事交通学院军用车辆系，天津300161)

汽车安全性能检测舱是我军移动检测的重要设备。为了确保检测舱安全可靠，其结构系统必须具有良好的动态特性［1］。舱体在运输时，由于运载车发动机运转及路面激励带动底盘产生振动，从而导致舱体及其设备振动影响设备的工作精度，缩短设备寿命。因此，对设备进行模态分析，以便通过优化设计得到具有良好动态特性、振动影响小、噪声低的产品［1］。

1 检测舱结构特点与材料特性

1.1 结构特点

汽车安全检测舱长6 058 mm、宽2 438 mm、高2 438 mm，其外形如图1所示。侧壁由波纹板及内外蒙皮组成，在波纹板与内蒙皮之间灌注聚氨酯保温材料达到降暑防寒的目的。舱体4个角设计有吊孔结构，既可实现在顺装车辆上装卸又可进行侧装和吊装。

图1 新型安全环保检测舱舱体

1.2 舱体材料

新型排放检测舱底部结构主要采用Q235钢，其主要参数为弹性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，屈服强度235 MPa。其表面与侧面采用复合夹层，由铝合金板做内外蒙皮，中间夹层灌注聚氨酯保温材料。铝合金弹性模量7×104MPa，泊松比0.33，屈服强度225 MPa。聚氨酯泡沫为低密度泡沫模型，其弹性模量10 MPa，泊松比0.3。

2 模态分析的理论基础

由有限元理论可得，舱体结构有限元分析的动力学方程可表示为

式中:M、C、K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚变矩阵，为n阶方阵。x、、、f(t)分别为系统的位移向量、速度向量、加速度向量、激振力向量，为n阶列向量。

结构的阻尼问题比较复杂，大多数结构的阻尼比都非常小，对系统的固有频率和振型的计算结果影响很小，可以忽略不计［2］。在模态分析时，令f(t)=0，考查系统无阻尼自由振动的情况，则

其解为

式中:ω为振动固有频率;φ为振动初始相位;Χ为振幅矩 Χ={Χi1，Xi2，…，Xin}T。

由式(1)和式(2)得到齐次方程组:

该齐次方程组存在非零解的充分必要条件是其系数行列式等于零，即其中，式(4)称为特征值方程，其展开式是ω2的n次代数方程，可以解得方程的特征值为n个根，即特征值的算术平方根即为系统的固有频率 ω1，ω2，…，ωn，每个特征值都对应一个特征向量 X1，X2，…，Xn。

3 模态分析

3.1 模型构建

在进行有限元建模操作之前，必须对检测舱结构进行正确的几何建模。目前，主要建模方法有实体单元建模、壳单元建模、壳单元和实体单元组合建模3种［3］。由于蒙皮较薄，实体单元建立出来的有限元模型其单元形状比较差，如果网格划得很细，满足单元形状的要求，则会因为模型太大导致计算量很大［4］;全部采用壳单元建立有限元模型，则和承载式车身模型的建立方法是一样的，但是，承载式车身是骨架式车身，骨架式车身主要由骨架承受载荷，而检测方舱具有整体力学性能，因此，采用此种方法导致方舱计算结果与实际情况不符。采用壳单元与实体梁单元建模则既可消除实体单元建模时计算过大，又可避免方舱计算结果与实际不符带来的问题。因此，采用壳单元和梁单元建模。选定几何模型后，建立检测舱有限元模型(如图2所示)。

图2 检测舱有限元模型

3.2 网格划分

在Solidworks的Simulation中将建立好的模型进行网格划分。根据实体大小并结合网格划分原则，将检测舱体划分为163 881自由度、54 627节、30 654单元格。划分网格后的检测舱模型如图3所示。

3.3 结果分析

图3 划分网格后的检测舱模型

从检测舱的机械、结构几何特性与材料特性等原始参数出发，通过有限元方法将这些几何模型离散为包含质量矩阵与刚度系数的数学模型［5］，求解其中数学模型对应的参数来分析检测舱的实际状态。通过对检测舱进行模态分析可以得到检测舱模型的固有频率和固有振型，同时根据检测车实际运行情况可以得到检测舱在各种情况下的动态激励响应。在检测模态分析中，通过Soliderworks的Simulation频率算例，可以计算检测舱前5阶固有模态(见表1)。其振型如图4—8所示。