计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇
基于Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的车架结构模态分析
卢立富１，岳玲１，黄雪涛２
（１．泰安东岳重工有限公司技术中心，山东泰安２７１０００；２．中国五征集团汽车设计院，山东日照２６２３００）
摘要：应用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ分析某中型载货汽车车架的固有频率，验证与外部激励发生共振的可能性，同时得出分析结论。
关键词：Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ；车架结构；有限元
中图分类号：ＴＰ２０２文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）１２－２０５６９－０２
ＴｈｅＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｏｂｉｌｅＦｒａｍｅＢａｓｅｄｏｎＨｙｐｅｒｍｅｓｈ
ＬＵＬｉ－ｆｕ１，ＹＵＥＬｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧＸｕｅ－ｔａｏ２
（１．Ｔａｉ＇ａｎＤｏｎｇｙｕｅＨｅａｖｙＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．Ｌｔｄ．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，Ｔａｉ＇ａｎ２７１０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＧｒｏｕｐ５ｌｅｖｙＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｒｉｚｈａｏ２６２３００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｍｅｄｉｕｍ－ｓｉｚｅｄｌｏｒｒｙｃａｒ，ｉｔｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｒｅｓｐｏｎａｎｃｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｔｅｒｉｏｒｅｎｃｏｕｒａｇｅａｎｄｂｒｉｎｇｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ；ＦｒａｍｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔ
１概述
Ａｌｔａｉｒ公司研发的ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ系列产品可以解决工程优化及分析问题，其中的Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件可以完成有限元前处理任务，它可以很好的对几何模型数据完整读取，进行有限元的四面体网格和六面体网格的剖分，还有设置完备的网格检查功能，如今Ｈｙ－ｐｅｒｗｏｒｋ已成为航空、航天、汽车等领域ＣＡＥ应用的利器之一。
车架结构模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是新产品开发中结构分析的主要内容。尤其是车架结构的低阶弹性模态，它不仅是控制汽车常规振动的关键指标而且反映了汽车车身的整体刚度性能，而且，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。实践证明，用有限元法对车架结构进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有振型等有充分认识，尽可能避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计，使车架结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法。
２车架有限元模型的建立
车架的Ｕｇ模型和有限元模型分别如图１和图２所示。有限元建模在前处理软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中进行。为了保证计算结果的正确性和经济性，在建模过程中尽量保持和原始结构一致的同时，也需要进行必要的简化。因为过于细致地描述一些非关键结构，不但增加建模难度和单元数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。对于必要的简化要以符合结构主要力学特性为前提。车架结构中的小尺寸结构，如板簧吊耳、副簧限位件等，对车架的整体振型影响不大，可以忽略不计。而对于链接两个零件的铆钉，则采用刚性单元代替。
图１车架模型在ＵＧ环境下的实现图２车架结构有限元模型车架结构都采用板壳单元进行离散。单元形态以四边形单元为主，避免采用过多的三角形单元引起局部刚性过大；为了使整个车架有限元模型规模不致过大保证计算的经济性，单元尺寸控制在１０～２５ｍｍ。
车架板壳结构的材料参数取：弹性模量Ｅ＝２．１ｅ１１ｐａ，伯松比ｕ＝０．３，密度均取：ρ＝７９００ｋｇ／ｍ３。模型规模：车架单元总数为３６３７８个，节点总数为３９０６４个。
３车架结构振动分析
在汽车设计领域，伴随着计算技术的迅猛发展，有限元分析在汽车数字化开发过程中获得了广泛的应用，尤其是对轿车承载式车身基本力学性能的分析，已经作为新产品开发设计中结构分析的主要内容。然而对于载货车，由于其非承载式的结构且在行驶过程中悬架系统和挠性橡胶垫较好的缓冲、吸振、吸能作用，故对其强度刚度和振动模态特性的要求要低于承载式车身，目前还没有
收稿日期：２００８－０３－１２
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明确的设计标准，所以概念设计阶段的有限元分析校核往往容易被忽视。也正因此，国内某些车型在投产后出现了局部损坏和驾驶室共振问题，给企业造成了声誉和经济上的双重损失。为避免同类问题的出现，缩短开发周期，本文以大型有限元软件ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ和Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ为平台，对某中型载货汽车车架数模进行了有限元分析，并依据分析结果对结构设计作出了评价，使企业在概念设计阶段便可以了解产品基本力学性能，从而有的放矢的进行结构分析改进，避免重复设计。
模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和试验分析，其结构动态持性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量；而在试验方面则是试验测得的系统之极点（固有频率和阻尼）和振型（模态向量）。构件的模态就是指构件本身的固有特性，可以利用模态分析得出构件的相应特性，然后对其设计加以改进以达到使用要求。
自由模态分析的边界条件为：无任何约束。
本计算采用自由模态分析方案，将Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中建立的有限元模型导入ＯＰＴＩＳＴＲＵＣＴ进行计算，对比分析了车架结构前４阶自由模态（固有频率值和振型），并在Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ后处理器中查看结果。
由于对驾驶室的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，为此分析了车架前４阶典型振型。模态分析结果如表１所示，各阶振型如图３—６所示。
表１车架结构固有频率（ｈｚ）
图３车架结构一阶固有频率图４车架结构二阶固有频率
图５车架结构三阶固有频率图６车架结构四阶固有频率
４结论
汽车的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多为１－３Ｈｚ，对低频振动影响较大；因车轮不平衡引起的激振频率一般低于１１Ｈｚ，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免；发动机引起的扭转振动和垂向激振分别在１０±１．６７Ｈｚ和２０±１．６７Ｈｚ以上（取怠速为６００ｒ／ｍｉｎ，４缸发动机），此激励分量较大；城市中一般车速控制在４０～８０ｋｍ／ｈ，高速公路上一般车速控制在９０ｋｍ／ｈ左右，传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在３０Ｈｚ以上，此激励分量较小。从模态分析结果可知，１０９０项目车架各低阶模态频率值在７．８８ｈｚ左右，对驾驶室的影响不大，不会和路面激励形成共振。
参考文献：
［１］于开平，周传月，谭惠丰，等．Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ从入门到精通［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５．
［２］王皎．重型特种车车架强度分析及其轻量化问题研究［Ｄ］．武汉理工大学硕士学位论文，２００５．
［３］刘胜乾，顾力强，吕文汇．军用某型牵引车车架静动态特性分析［Ｊ］，机械，２００６，３３（４）：１０－１３．
［４］任佩红，魏中良，王其云．ＨＦＣ６１００ＫＹ客车底盘车架的有限元分析［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００５，２８（８）：９３６－９３９．
［５］ＳａｅｅｄＭｏａｖｅｎｉ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ—ＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈＡＮＳＹＳ，ＳｅｃｏｎｄＥｄｉｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｙ，２００５（８）．
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电脑知识与技术
运用HyperMesh软件对拉杆进行有限元分析 1、1 问题得描述 拉杆结构如图1-1所示,其中各个参数为:D1=5mm、D2=15mm,长度L0=50mm、L1=60mm、L2=110mm,圆角半径R=mm,拉力P=4500N。求载荷下得应力与变形。 图1-1 拉杆结构图 1、2 有限元分析单元 单元采用三维实体单元。边界条件为在拉杆得纵向对称中心平面上施加轴向对称约束。 1、3 模型创建过程 1、3、1 CAD模型得创建 拉杆得CAD模型使用ProE软件进行创建,如图1-2所示,将其输出为IGES格式文件即可。
图1-2 拉杆三维模型 1、3、2 CAE模型得创建 CAE模型得创建工程为: 将三维CAD创建得模型保存为lagan、igs文件。 启动HyperWorks中得hypermesh:选择optistuct模版,进入hypermesh程序窗口。主界面如图1-3所示。 程序运行后,在下拉菜单“File”得下拉菜单中选择“Import”,在标签区选择导入类型为“Import Goemetry”,同时在标签区点击“select files”对应得图形按钮,选择“lagan01、igs”文件,点击“import”按钮,将几何模型导入进来,导入及导入后得界面如图1-4所示。 图1-3 hypermesh程序主页面
图1-4 导入得几何模型 (4)几何模型得编辑。根据模型得特点,在划分网格时可取1/8,然后进行镜像操作,画出全部网格。因此,首先对其进行几何切分。 1)曲面形体实体化。点击页面菜单“Geom”,在对应面板处点击“Solid”按钮,选择“surfs”,点击“all”则所有表面被选择,点击“creat”,然后点击“return”,如图1-5~图1-7所示。 图1-5 Geom页面菜单及其对应得面板 图1-6 solids按钮命令对应得弹出子面板
计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇 基于Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的车架结构模态分析 卢立富１，岳玲１，黄雪涛２ （１．泰安东岳重工有限公司技术中心，山东泰安２７１０００；２．中国五征集团汽车设计院，山东日照２６２３００） 摘要：应用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ分析某中型载货汽车车架的固有频率，验证与外部激励发生共振的可能性，同时得出分析结论。 关键词：Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ；车架结构；有限元 中图分类号：ＴＰ２０２文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）１２－２０５６９－０２ ＴｈｅＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｏｂｉｌｅＦｒａｍｅＢａｓｅｄｏｎＨｙｐｅｒｍｅｓｈ ＬＵＬｉ－ｆｕ１，ＹＵＥＬｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧＸｕｅ－ｔａｏ２ （１．Ｔａｉ＇ａｎＤｏｎｇｙｕｅＨｅａｖｙＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．Ｌｔｄ．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，Ｔａｉ＇ａｎ２７１０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＧｒｏｕｐ５ｌｅｖｙＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｒｉｚｈａｏ２６２３００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｍｅｄｉｕｍ－ｓｉｚｅｄｌｏｒｒｙｃａｒ，ｉｔｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｒｅｓｐｏｎａｎｃｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｔｅｒｉｏｒｅｎｃｏｕｒａｇｅａｎｄｂｒｉｎｇｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ；ＦｒａｍｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔ １概述 Ａｌｔａｉｒ公司研发的ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ系列产品可以解决工程优化及分析问题，其中的Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件可以完成有限元前处理任务，它可以很好的对几何模型数据完整读取，进行有限元的四面体网格和六面体网格的剖分，还有设置完备的网格检查功能，如今Ｈｙ－ｐｅｒｗｏｒｋ已成为航空、航天、汽车等领域ＣＡＥ应用的利器之一。 车架结构模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是新产品开发中结构分析的主要内容。尤其是车架结构的低阶弹性模态，它不仅是控制汽车常规振动的关键指标而且反映了汽车车身的整体刚度性能，而且，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。实践证明，用有限元法对车架结构进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有振型等有充分认识，尽可能避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计，使车架结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法。 ２车架有限元模型的建立 车架的Ｕｇ模型和有限元模型分别如图１和图２所示。有限元建模在前处理软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中进行。为了保证计算结果的正确性和经济性，在建模过程中尽量保持和原始结构一致的同时，也需要进行必要的简化。因为过于细致地描述一些非关键结构，不但增加建模难度和单元数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。对于必要的简化要以符合结构主要力学特性为前提。车架结构中的小尺寸结构，如板簧吊耳、副簧限位件等，对车架的整体振型影响不大，可以忽略不计。而对于链接两个零件的铆钉，则采用刚性单元代替。 图１车架模型在ＵＧ环境下的实现图２车架结构有限元模型车架结构都采用板壳单元进行离散。单元形态以四边形单元为主，避免采用过多的三角形单元引起局部刚性过大；为了使整个车架有限元模型规模不致过大保证计算的经济性，单元尺寸控制在１０～２５ｍｍ。 车架板壳结构的材料参数取：弹性模量Ｅ＝２．１ｅ１１ｐａ，伯松比ｕ＝０．３，密度均取：ρ＝７９００ｋｇ／ｍ３。模型规模：车架单元总数为３６３７８个，节点总数为３９０６４个。 ３车架结构振动分析 在汽车设计领域，伴随着计算技术的迅猛发展，有限元分析在汽车数字化开发过程中获得了广泛的应用，尤其是对轿车承载式车身基本力学性能的分析，已经作为新产品开发设计中结构分析的主要内容。然而对于载货车，由于其非承载式的结构且在行驶过程中悬架系统和挠性橡胶垫较好的缓冲、吸振、吸能作用，故对其强度刚度和振动模态特性的要求要低于承载式车身，目前还没有 收稿日期：２００８－０３－１２ ５６９
Hypermesh 中cweld、acm、fastener焊点建立 1.车身焊点作用及技术要求 1.1焊点作用 焊接是汽车冲压件、铸造件、锻造件一种重要的链接方式，如点焊，缝焊。其中点焊在车身钣金件和部分底盘件链接中广为应用。它是将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流流经工件有限接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化而形成扁球形的熔核，达到金属结合的一种方法。它在整车动态或静态工况中承受着各个方向的拉应力、压应力、剪应力，因此对整车的安全可靠性有着重要的影响。 1.2焊点技术要求 焊点一般要求如下： 1）焊点有足够的机械强度 2）焊接可靠，保证导电性能。 3）焊点表面整齐、美观，如外观应光滑、清洁、均匀、对称、整齐、充满整个焊盘并与焊盘大小比例合适。 除上述要求，车身焊点还有直径、点距、抗剪强度等要求。点距是指相邻两焊点的中心距，与被焊金属的厚度、导电率、熔核大小及焊接层数。表1给出了几种材料焊点点距的最小极限值，在实际设计中可作为下限设计参考。对于车身焊点点距，其最小值为15-18mm，最大值为45-55mm，如低碳钢点焊点距在 30-35mm，可以在局部位置采用锯齿型布置。 表1. 焊点的最小点距（板厚指被换板中较薄着，单位mm） 表1. 源于中国机械工程学会焊接学会编著《焊接手册（第1卷）-焊接方法及设备》
对于车身焊点直径，其取值范围为4-8mm，一般焊点直径可取为6mm，关键焊点直径可取为7mm。表2给出四种钢材焊点直径的最小极限值，在实际设计中可作为下限设计参考。 表2. 焊点最小直径（板厚指被换板中较薄着，单位mm） 注：表2源于傅积和、孙玉林主编《焊接数据资料手册》 焊点失效以剪切破坏为主，其抗剪性能与其大小有直接关系，具体要求参见傅积和、孙玉林主编《焊接数据资料手册》。焊点抗剪强度测量方式如下： 图1.1 抗剪强度测量示意图 2.焊点单元 基于焊点的重要性，在汽车CAE分析中，尤其在白车身相关分析中焊点的模拟尤为重要。Fastener（abaqus 单元类型）单元、 Cweld（nastran单元类型）单元和ACM单元是现在汽车行业应用最多也是广为认可的焊点模拟方法。下面以车身接头为例，介绍在hypermesh中如何建立这三种单元。 2.1几何处理 导入几何，抽中面（以壳模拟钣金件）后如图2.1所示。黄色为焊点几何，来自于CAD模型，用于焊点单元建立定位。 图2.1 接头几何示意图
设 计 基于ＡＮＳＹＳ的混凝土搅拌车 副车架的有限元分析 高耀东１ 李 帅１ 孔祥刚２ （１．内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古０１４０１０； ２．内蒙古北方巴里巴工程专用车有限公司，内蒙古０１４０３３） 摘要：利用ＡＮＳＹＳ软件对１４ｍ３混凝土搅拌车副车架的静动态特性进行仿真分析。通过ＣＡＴＩＡ软件建立副车架的三维实体模型，并导入ＡＮＳＹＳＹ有限元分析软件对模型进行静力分析和模态分析，得到其最大应力的分布情况和固有频率及振型特点。为该类型车辆的进一步改进设计提供了理论指导。 关键词：搅拌车；副车架；有限元分析；静动态特性；模型 中图分类号：ＴＵ６４２ 文献标识码：Ａ ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＭｉｘｅｒ ＳｕｂＦｒａｍｅＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ ＧａｏＹａｏｄｏｎｇ，ＬｉＳｈｕａｉ，ＫｏｎｇＸｉａｎｇｇａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｍｕｌａｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｅｓｏｎｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ１４ｍ３ｃｏｎｃｒｅｔｅｍｉｘｅｒｓｕｂｆｒａｍｅｈａｖｅｂｅｅｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇＡＮＳＹＳ．ＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｈａｓｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｒｏｕｇｈＣＡＴＩＡ，ａｎｄｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｓｓａｎｄｍｏｄｅａｎａｌｙｓｅｓｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｑｕｏｔｉｎｇＡＮＳＹＳＹｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔ－ｗａｒｅ，ｆｉｎａｌｌｙｔｏｏｂｔａｉｎｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｅｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｅｓａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｓｗｅｌｌａｓｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃｈａｒａｃ－ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｓｉｇｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｉｓｔｙｐｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅｍｉｘｅｒ；ｓｕｂｆｒａｍｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｍｏｄｅｌ 目前我国生产的混凝土搅拌车多数是由上装部分和通用底盘组装而成的［１］。其中，上装部分由搅拌筒、前后支撑、副车架、液压系统、操纵系统、清洗系统等主要部件组成。副车架起着连接底盘和整个上装部分的重要作用。混凝土搅拌车在行驶过程中，副车架不仅要承受拉伸、扭转、弯曲的复合应力，而且还要受动载荷作用产生冲击、振动。当达到一定的工作次数后，副车架会产生疲劳失效，这也是副车架结构的常见失效形式。 针对上述的实际情况，本文以某厂生产的１４ｍ３混凝土搅拌车为研究对象，用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对该车型的副车架结构进行静力学分析和模态分析［４］，验证该结构是否具有足够的强度和刚度。 收稿日期：２０１２—１０—３０ 作者简介：高耀东（１９６６—），内蒙古科技大学教授，东南大学硕士，主要从事ＣＡＤ、ＣＡＥ技术的应用和研究工作。 李帅（１９８７—），内蒙古科技大学硕士研究生，主要从事 ＣＡＤ、ＣＡＥ技术的应用和研究工作。１ 有限元模型的建立 １．１ 副车架结构 该副车架为钢板焊接的纵截面为Ｕ型槽钢的箱型结构，主要由２根纵梁、２根横梁、８根Ｘ型斜梁组成，长６８３０ｍｍ、宽９０ｍｍ、高１４０ｍｍ。其几何模型的主要尺寸如图１所示。材料为 Ｑ３４５－Ｂ，弹性模量Ｅ＝２．０６×１０５ＭＰａ，泊松比μ＝０．３，质量密度ρ＝７８５０ｋｇ／ｍ３，抗拉强度极限σｂ的范围为４７０ＭＰａ～６３０ＭＰａ，屈服强度极限σｓ＝３４５ＭＰａ。该材料为塑性材料，故选取极限屈服强度作为极限应力，取强度安全系数ｎ＝１．４，则有许用应力值［σ］＝σｓ／ｎ＝２４７ ＭＰａ。 图１ 副车架的主要尺寸 Ｆｉｇｕｒｅ１ Ｍａｉｎｓｉｚｅｓｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ １ 枟中国重型装备枠Ｎｏ．１ＣＨＩＮＡＨＥＡＶＹＥＱＵＩＰＭＥＮＴＭａｒｃｈ２０１３
基于Workbench 的赛车车架模态分析 摘要：参照中国大学生方程式汽车大赛竞赛规则，利用SolidWorks 软件建立了车架三维模型，在Workbench 中建立车架梁单元模型，并对车架进行模态分析，求取其前阶模态频率，并利用其振型动 画，找到试验模态的最佳激励点和悬挂点，接着通过试验模态的方法对车架 进行模态测试，将试验数据与仿真结果进行对比，前五阶频率误差不超过 2Hz,结果表明，通过梁单元建立的车架模型会有较高的精 度，可以进行后续的优化设计。 关键词：赛车车架；固有频率；模态测试；模态分析车架作为赛车总成最重要的一部分，其上安装着所有的 零部件，承载着来自各个系统的载荷，车架的结构设计在汽车总体设计中显得非常重要。赛车车架承受着来自道路的各种复杂载荷，在行驶时会由于各种不同振动源激励而产生振动。由于全国方程式赛车比赛时在良好道路条件下进行的，因此路面的激励不是主要激励，发动机激励为赛车车架的主要激励源。本文采用有限元软件Workbench 对某赛车车架进行模态分析，并与实际试验数据进行对比，结果表明利用梁单元建立的车架模型具有较高的精度，可以利用此模型进行后续的优化设计。
1.发动机激励分析 发动机激励是整车最为重要的激励源，如果车架的某阶 频率与发动机激励频率接近，车架将会发生严重的振动，从 而影响赛车的平顺性及可靠性。方程式赛车采用CRF-450单缸4 冲程发动机，转速区间900-9500r/min 。发动机2 阶点火激励为最主要的激励，其频率可以表示为： 2.车架模态测试 2.1模态试验原理试验时赛车车架采用自由悬挂方式，赛车车架用四 根弹 簧绳悬挂，模拟自由约束状态。试验原理图如图1 所示，由 于赛车车架质量只有32.6kg,使用激振器不方便安装，试验 过程中容易晃动造成试验数据不准确，所以试验时使用50KN 的冲击力锤产生激励信号。6 个单向加速度传感器，用于测 量各拾振点的振动信号，DH8302 采集系统用于数据采集及 分析。加速度传感器通过磁座安装在车架钢管上。 2.2模态测试测点和激振点选择与布置方案根据赛车车架的结构特 点，对其进行模态测试时，布置 了一个激振点，57 个测点，分别测取x、y、z 三个方向的加取平均值，模态测试测点及激振点布置如图3 所示，其中红色点位测点位置。 速度信号，为提高测试结果的精度，每个测点敲击4 次，求 2.3模态试验结果
基于Hypermesh与ansys软件的模态分析 一、简单说明Hypermesh与Ansys软件各自完成的任务： 1）在Hypermesh软件中需要完成的任务是有限元网格的划分、单元类型定义、材料定义与施加约束和载荷。（本实例是按照约束载荷进行说明的 2）在Ansys软件中需要做的就简单多了，在Solution中选择选择要进行的modal就行了。 二、详细操作步骤： 1）Hypermesh软件处理 ①在Hypermesh中完成网格划分，首先要掌握网格划分的方法，那么要学会使用Hypermesh软件，此处不再详述。ET Type进行定义。 ③材料定义,在模态分析中必须定义密度和弹性模量。密度是对应惯性力，弹性模量是对应线性结构。此处要注意单位的统一。否则得到的频率值可能出现大的错误。
④施加约束和载荷（当然在Ansys中做谐响应分析时可以不在Hypermesh中施加载荷） ⑤以上步骤完成之后，就要在Ansys进行模态分析。 在进行模态分析之前我们还是要注意出现的问题，这部分是本文说明的重点。首先，其实当把网格完成之后，还需要删除三维网格以外的单元，比如二维单元、实体模型，这些都会影响有限单元的导入。我们在划分网格时候为了方便划分网格会进行切割，同样的在我们完成网格之后还要把他们进行组合，可以用Tool中的Organize命令。我们还会根据不同的零部件产生不同的Component，后面付给不同的单元类型要用到。第二点，单元类型必须在Hypermesh中定义，不然无法保存成Ansys可以识别的cbd 格式；第三点，当我们完成单元类型的定义和材料属性的定义后，还要做的工作就是在Utility中选择ComponentManager，把我们定义的单元类型和材料付给具有这些性质的Component。Ansys中打开就不会出现问题了 ２）Ansys软件处理
轿车后副车架结构强度与模态分析 郑松林王寅毅冯金芝袁锋李丽 （上海理工大学机械工程学院） 【摘要】 根据某轿车后副车架的实际结构，运用有限元软件Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ对后副车架进行有限元建模。 由有限元模型分析后副车架的结构强度，并计算后副车架的模态。从而反映后副车架可能存在的问题。在理论上为结构的进一步改进提供了重要参考二 【主题词】模态分析后副车架汽车 ０ 引言 随着轿车技术的不断进步，人们对于轿车的 舒适程度提出了更高的要求。副车架作为底盘系 统重要的承载元件，与车身和悬架系统相连，主要作用是提高悬架系统的连接刚度，减少路面震动
的传人，从而带来良好的舒适性。目前，一些中高 档轿车均采用独立式前后悬架系统，后副车架也 应用得越来越广泛。在设计时不仅要考虑到其强度，同时，为了避免振动和噪声，还要将模态特征作为对后副车架设计的约束条件。本文以某轿车后副车架为例，运用有限元软件对后副车架进行强度分析及模态分析，为轿车后副车架的设计改进提供了理论依据。 １ 后副车架有限元模型的建立 后副车架三维模型是运用ＣＡＴＩＡＶ５建立 的。后副车架如图１所示，通过４个悬置与车身相连。 使用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ软件的Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ模块对３Ｄ 模型进行网格划分建立有限元模型。为保证有限 元模型的准确性，尽可能采用了四边形壳单元。 收稿日期：２００９一∞一２１ ?２０?图１后副车架三维模型
考虑到模型的结构尺寸及运算效率采用以下划分标准：最小网格边长＞１０ｍｍ，最大网格边长≤ ２０ ｍｍ；四边形单元的长宽比≤５，最大角１５０。，最 小角＞３０。，雅可比＞０．６。三角单元的总数占总单元的比例不超过１０％；得到有限元模型如图２所示。 图２后副车架有限元模型 有限元模型计算所使用的普通钢的材料参数 上海汽车２００９．１１ 万方数据 为：密度７．８ ｘ １０３ ｋｇ／ｍ３；弹性模量２１０ＧＰａ；泊松 比０．３。
汽车前副车架模态分析与参数识别 摘要：通过了解模态分析的定义及概念，学习模态参数识别的基本方法与技术，在介绍结构模态试验方法的基础上，以汽车前副车架为研究对象，采用锤击激励法和白噪声激励法进行了模态试验，又用3种模态参数识别软件作模态参数识别，并对识别结果进行误差分析。 关键词：前副车架，模态试验，激振，模态参数识别
Modal analysis and parameters identification of car front subframe Abstract：By understanding the definitions and concepts of modal analysis, modal parameter identification of learning the basic methods and techniques, based on the introduction of structural modal test methods, automobile front subframe for the study, using a hammer and a white noise excitation method encourage a modal test method, and use three kinds of modal parameter identification software for modal parameter identification, error analysis and recognition results. Keyword: front subframe, modal test, exciting, identification modal parameters
Hypermesh和Abaqus的接口分析实例（三维接触分析） In this tutorial, you will learn how to: ?Load the Abaqus user profile and model ?Define the material and properties and assign them to a component ?View the *SOLID SECTION for solid elements ?Define the *SPRING properties and create a component collector for it ?Create the *SPRING1 element ?Assign a property to the selected elements Step 1: Load the Abaqus user profile and model A set of standard user profiles is included in the HyperMesh installation. They include: RADIOSS (Bulk Data Format), RADIOSS (Block Format), Abaqus, Actran, ANSYS, LS-DYNA, MADYMO, Nastran, PAM-CRASH, PERMAS, and CFD. When the user profile is loaded, applicable utility menu are loaded, unused panels are removed, unneeded entities are disabled in the find, mask, card and reorder panels and specific adaptations related to the Abaqus solver are made. 1. From the Preferences drop down menu, click User Profiles.... 2. Select Abaqus as the profile name. 3. Select Standard3D and click OK. 4. From the File drop down menu, select Open… or click the Open .hm file icon. 5. Select the abaqus3_0tutorial.hm file. 6. Click Open. Step 2: Define the material properties HyperMesh supports many different material models for Abaqus. In this example, you will create the basic *ELASTIC material model with no temperature variation. The material will then be assigned to the property, which is assigned to a component collector. Follow the steps below to create the *ELASTIC material model card: 1. From the Materials drop down menu, select Create. 2. Click mat name = and enter STEEL. 3. Click type= and select MATERIAL. 4. Click card image = and choose ABAQUS_MATERIAL. 5. Click create/edit. The card image for the new material opens. 6. In the card image, select Elastic in the option list.
车架的模态分析
Frame模型的模态分析 班级：T943-1 姓名：王子龙 学号：20090430124
Frame模型的模态分析 T943-1-24王子龙20090430124 一、模型问题描述 1、如图所示1，机架为一焊接件，材料为结构钢，在两根长纵梁的八个圆孔内表面采用Cylinder Support约束，分析结构的前6阶固有频率。 2、在短纵梁2另一侧增加一短纵梁，使其于短纵梁1对称，分析新结构的前6阶固有频率，并与 原结构对比。 短纵梁 短纵梁 图1 机架模型 二、模型分析 （一）无预紧力情况 1、导入模型：打开ANSYS Workbench，从左侧工具栏中双击Modal（ANSYS），右击A3项，右键选择 Import Gemetry→Browse，找到文件Frame.x_t点击打开，然后双击A4栏，打开Mechanical窗口。 2、施加约束：选择左侧结构树中的Modal，选择两根长纵梁的八个圆孔内表面，右键选择Insert→ Cylindrical Support，如图2所示。
图2 八圆孔内表面施加约束 3、在solution（A6）中插入Toal Deformation，点击Solve求解，求解结果如图3所示。
图3 无应力时的变形图及6阶频率 （二）有预紧力情况 1、回到Workbench界面，从左侧工具栏中的Static Structural(Ansys)拖至A4栏，如图4所示，双 击B5栏，进入Mechanical窗口。 图4 拖拽Static Stuctual(ANSYS)到A4 2、按住“shift”键，选择A5分支中Cylindrical Support，右键选择Copy，右键单击B5项，选择 Paste。 3、在Static Structual（B5）中施加载荷：选择焊接件底面insert→Force，Force=4000N，如图5所 示。
HyperWorks在履带车辆传动箱模态分析中的应用 2009年10月22日 Altair 1 引言 系统的模态参数（模态频率、模态阻尼、振型）对系统的动态分析和优化设计具有实用价值。通常由试验模态分析和计算模态分析两种方法。但由于受实验条件和时间的限制，组织实施往往比较困难，而且在测量次数，测量数据的处理准确性方面也难以得到充分的保证,在设计阶段难以实现。基于虚拟样机技术的虚拟实验方法在履带车辆箱体类零部件模态参数测量方面在设计阶段就能为方案优化提供指导，缩短产品开发周期，节省费用。因此，开展在虚拟环境下测试箱体类零部件的模态参数研究与探讨并扩展其应用具有重要意义。本文以某型履带车辆传动箱设计为例，应用HyperMesh为前处理软件，对其进行了有限元网格的划分，进而对箱体的模态进行了分析。 2 箱体有限元模型的建立及模态分析 首先依据传动箱体的尺寸，建立箱体的三维实体模型。利用HyperMesh对传动箱体的实体模型进行有限元网格划分，箱体的材料为铝合金，其密度为 2.66e33kg/m3，泊松系数为0.31，杨氏模量为7.7e72N/m2，强度极限为176.4MPa。整个箱体共划分76151个4面体单元，22262个节点。在此过程中，还必须考虑到箱体有限元模型建立后与各传动轴之间的连接，即柔性体与刚体间的连接。传动箱各轴都是通过轴承与箱体连接的，笔者在有限元模型中应用多点约束（MPC，Multi-point Constraint）来模拟轴承的作用。所谓多点约束是将某节点的依赖自由度定义为其他若干节点独立自由度的函数。多点约束可以用于不相容单元间的载荷传递，表征一些特定的物理现象，比如刚性连接、铰接、滑动等。笔者在箱体有限元模型中各轴孔的中心点处建立一个虚拟杆单元，如图1所示。轴孔内表面各节点的自由度则依赖于对应的虚拟杆单元。各传动轴与箱体间的约束也是在对应的虚拟单元处建立，各传动轴上的作用力则通过相应的虚拟杆单元和多点约束作用于箱体之上。文中建立的包括轴承模型的传动箱箱体有限元模型如图2所示。
运用Hypermesh计算消声器模态 1 概述 目前许多CAE分析都采用HyperMesh进行网格划分，后期计算采用其它如Nastran，Ansys等分析软件，在多个软件之间的接口，需要设置不同的控制卡片，对于CAE分析来讲比较烦琐，过多的文件转换也容易造成信息遗漏。HyperWorks自带的求解器RADIOSS和后处理软件HyperView可以很好的解决这个问题。整个分析过程在同一个操作界面中可以实现。模态分析是汽车零部件常见的分析工况，本文通过对汽车消声器的计算实例，说明HyperWorks在模态计算方面的应用。 2 消声器结构分析 消声器是汽车上重要的降噪部件。目前消声气多注重声学方面的研究，针对其振动形式研究较少，缺少量化标准。对消声器支架以及消声器安装设计来讲，消声器的振动研究是必要的。本文通过对消声器进行数字化建模，计算其振动模态，并模拟在特定激励下消声器的响应，获取消声器的动力学参数。 2.1 消声器概况 利用CATIA V5R19软件中的钣金模块建立模型。消生器内部采用焊接的方式连接。中间的消声层采用高温耐热材料，将排气的声能转化为热能。为提高计算效率，对模型的一些细节进行了简化。去除焊接部位及边缘的折棱，取消外部的隔热板以及安装的支架。模型如图1所示。 图1 几何模型 2.2 网格的前处理 对将Catia装配模型导入HyperMesh10.0进行网格划分。消声器大部分是薄壁件，用Shell单元对消声器薄板进行划分。导入HyperMesh的零件模型为面元素，进行相应的几何清理，利用HyperMesh里面的midsuface面板进行中面抽取操作。对于体的部分也进行了抽取中面的操作。 分别在各个面上划分网格，为了控制网格的数量，进排气管上，以及共振腔壁面上的圆孔用小方孔近似替代见图2，内部的薄板是焊接在外层蒙皮上的，直接合并结点，将其连接为一体见图3。
110ZH车架模态分析报告 编制： 审核： 批准： 2006年 3 月 15 日
第一章 车架模态分析 一、模态分析 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了某结构在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 由于车架的结构振动会直接引起驾驶室振动，所以分析三轮摩托车振动时，应对车架进行模态和响应分析，优化车架结构，并从工艺设计上保证乘客的安全、舒适。三轮摩托车车架是一个多自由度弹性振动系统，作用于这个系统的各种激扰力就是使摩托车产生复杂振动的动力源。引起各种激扰力的因素可概括为两类：一是摩托车行驶时路面不平度对车轮作用的随机激振；二是发动机运转时引起的简谐激振。如果这些激励力的激振频率和车架的某一固有频率相吻合时，就会产生共振，并导致在车架上某些部位产生数值很大的共振动载荷，影响乘骑的舒适性，而且往往会造成车架有被破坏的危险。因此，车架的动态设计要求车架具有一定的固有频率和振型，这样才能保证车架具有良好的动态特性。 本次分析主要针对车架进行模态分析，以期预计车架主要模态的固有频率和形状，并借以指导车架改进设计，达到优化摩托车动态性能的目的。 1、模态分析处理 本次分析采用自由边界条件下的模态分析（即不添加任何边界支撑和约束力，计算车架的自由模态。）和添加6个车架的边界条件状态下的模态分析（左右板簧4个，前轮支撑轴承处2个）。 1.1、模型材料参数 车架材料为：Q235，有限元分析过程中材料参数为： 密度 7829 kg/m^3
螺栓预紧结构用Hypermesh 做接触实例 在很多场合，要将若干个零件组装起来进行有限元分析，如将连杆与连杆盖用连杆螺栓连接起来，机体与气缸盖用螺栓连接起来，机体与主轴承盖连接起来。如何模拟螺栓预紧结构更符合实际情况，是提高有限元计算精度的关键。 螺栓+螺母的连接与螺钉的连接有所不同，螺栓+螺母的连接方式比较简单，可以假设螺母与螺栓刚性连接，由作用在螺母上的拧紧力矩折算出作用在螺栓上的拉伸力F ，将螺杆中间截断，在断面各单元的节点上施加预紧单元PRETS179，模拟螺栓的连接情况。 对于螺钉（双头螺栓）连接有些不一样，螺钉头部对连接件1施加压应力，接触面是一个圆环面，但栽丝的一端，连接件2受拉应力。一种方法是在螺纹圆周上施加拉力，相当于螺纹牙齿接触部分，而且主要在前几牙上存在拉力，如第一牙承担60~65%的载荷，第二牙承担20~25%的载荷，其余作用在后几牙，但因螺纹的螺距较小，一般为1.5~2mm ，而单元的尺寸为3~4mm ，因此可以假定在连接件2的表面的螺纹圆周节点上施加拉力。另一种方法是在连接件2的表面的整个螺纹截面的所有节点上施加拉力，这样可能防止圆周上各节点上应力过大，与实际情况差别较大，应为实际表面圆周各节点只承受60~65%的载荷。比较好的处理办法是在连接件的表面单元的圆周节点上施加70%的载荷，在第二层单元的圆周节点上施加30%的载荷，但操作比较麻烦。 随着连接件1、2的内部结构和刚度不同，以及连接螺钉的个数和分布的不均匀性，连接件1、2表面的变形不一致，产生翘曲，使表面的节点有的接触，有的分离，而导致接触面的应力分布和应变分布不均匀，因此需用非线性的接触理论来讨论合件的应力问题。 若不考察螺栓头部与连接件1表面的变形，可用将螺栓与连接件1用一个公共面连接，作为由两种不同材料的构件组成一个整体。螺钉（双头螺栓）与连接件2也用这种方法处理。 图1是一个简单的螺钉连接实体模型。图2是用hypermesh 划分网格后的模型。 图1 实体模型 图2 网格模型 该模型由三个零件组成，连接件1（蓝色）、连接件2（橙色），螺钉（紫红）。 1. 建立实体模型 在PRO/E 中建立三个零件模型，见图3、4、5，并组合成合件（见图1）。
Hypermesh & Nastran 模态分析教程 摘要： 本文将采用一个简单外伸梁的例子来讲述Hypemesh 与Nastran 联合仿真进行模态分析的全过程。 教程内容: 1.打开”Hypermesh 14.0”进入操作界面，在弹出的对话框上勾选 ‘nastran’模块，点‘ok’，如图1.1 所示。 图1.1-hypermesh 主界面 2.梁结构网格模型的创建 在主界面左侧模型树空白处右击选择‘Creat’ –‘Component’,重命名为‘BEAM’，然后创建尺寸为100*10*5mm3的梁结构网格模型。（一开始选择了Nastran后，单位制默认为N, ton, MPa, mm.）。本例子网格尺寸大小为2.5*2.5*2.5mm3，如图2.1 所示：
图2.1-梁结构网格模型 3.定义网格模型材料属性 ●在主界面左侧模型树空白处右击选择‘Creat’–‘Material’，如图3.1 所示： 图3.1-材料创建 ●在模型树内Material下将出现新建的材料‘Material 1’，将其重命名 为’BEAM’。点击‘BEAM’,将会出现材料参数设置对话框。本例子采用铁作为梁结构材料，对于模态分析，我们只需要设定材料弹性模量，泊松比，
密度即可。故在参数设置对话框内填入一下数据： 完整的材料参数设置如图3.2所示： 图3.2-Material材料参数设置 同理，按同样方式在主界面左侧模型树空白处右击选择‘Creat’ –‘Pro perty’，模型树上Property下将出现新建的‘Property1’，同样将其重命名为‘BEAM’，点击Property下的‘BEAM’出现如图所示属性参数设置对话框。由于本例子使用的单元为三维体单元，因此点击对话框的‘card image’选择‘PSOLID’，点击对话框内的Material选项，选择上一步我们设置好的材料‘BEAM’，完整的设置如图3.3所示：
模态分析报告 一．分析目的 图1 熟悉和掌握模态分析的理论及其分析方法，并能够解决工程中的一些问题。 （1）如图1所示，机器为一焊接件，在两根长纵梁的八个圆孔内表面采用Cylinder Support，分析结构的前6阶固有频率。 （2）在短纵梁2另一侧增加一短纵梁，使其于短纵梁1对称，分析新结构的前6阶固有频率，并与原结构对比。 二．建立实体模型 1. 题（1）的模型直接在GM模块中导入图1所示的模型。 启动DM，导入装配体模型。单击File，在其下拉菜单中选择“Import External Geometry File…”,打开“Frame.x_t”，单击“Generate”。即可导入现有模型。导入的模型与题目的图相同。 2.题（2）的模型需要在所给模型的基础上进行冻结、切片、对称的操作。 I．首先在DM模块中，创建Plane4后，选择“Tools”，然后选择“Freeze”将整个模型冻结。 II．在如图2所示的平面上“Creat”-“Slice”，将模型分成三个“body”。选取
三个“body”-“Form New Part”，形成一个整体。 图2 III．新建如图3所示的一个新的平面Plane5。 图3 IV．选择“Creat”-“body Operation”，相对于新建的平面将短纵梁1进行一个“mirror” 的操作。即可得到需要的模型。如图4
图4 三．有限元模型 1. 图1模型采用的单元大小、单元数和节点个数 三．对模型1进行网格划分 划分网格后为图5所示。
2. 图4模型采用的单元大小、单元数和节点个数 三．对模型进行网格划分 划分网格后为图6所示
HyperMesh梁单元与壳单元的混合建模 本文根据工程实例,应用有限元软件HyperMesh 11、0进行梁单元与壳单元的混合建模,并在其中详细论述,梁单元在与壳单元混合建模的过程中如何对梁单元进行偏置处理,保证梁单元与壳单元的所有节点完全耦合。 在焊接工艺中,梁单元与壳单元的使用可以大大提高整体焊接结构的抵抗变形能力,避免单独使用壳单元时强度与刚度的不足。HyperMesh软件中提供了大量标准梁的截面,也可以通过实际应用需求单独创建梁截面。 在1D面板中点选HyperBeam选项,如图1所示。 图1 1D面板中的HyperBeam选项 HyperBeam中提供了大量的梁截面,如图2所示。 图2 HyperBeam下的各种梁截面 图2中红色箭头所指的就是各种标准梁截面的属性,包括H型梁,L型梁,工型梁等等。可以根据实际需求进行选择,而且可以自己独立进行尺寸编辑。图2中的shell section可以建立独立的壳截面,solid section可以建立独立的实体截面。在建立完成各种梁的截面属性之后,可以通过edit section进行梁截面属性的修改。
以上主要介绍了1D梁单元的使用情况,下面将根据工程实例对壳单元与梁单元的混合建模进行详细的介绍。图3就是梁单元与壳单元焊接之后的三维图,图4就是图3中梁单元以1D显示的情况。二者之间的切换功能键如图5所示。 图3 梁单元与壳单元焊接之后梁单元以3D显示 图4 梁单元与壳单元焊接之后梁单元以1D显示 图5 梁单元1D与3D之间的切换功能键
下面介绍梁单元的具体创建方法,不再讲述壳单元的建立方法。首先建立Beam Section,在软件左侧右键create--Beam Section,在出现的对话框窗口中对Bean进行命名。具体的过程如图6所示。 图6 Beam的建立过程 之后进入1D--HyperBeam面板,选择Standard section选择Standard Channel面板,打开面板后对各个参数进行修改,如图7所示。左侧的红色框内的区域就是进行具体尺寸的修改,修改的结果会以直观的形式显示在图形界面中,右侧的红色方框就是梁界面的各个力学参数。注意梁的方向,梁的长度方向就是X 轴,图形中的就是梁的Y轴与Z轴。在梁的方向的选取过程中Y轴为第一方向。 图7 梁的各个参数的修改 之后建立梁的属性,同样在软件左侧位置右键创建属性,弹出属性创建的选项卡片,在Type中选择1D,在Card image中选择PBEAM,单击确定按钮,如图8所示。
1 引言 系统的模态参数（模态频率、模态阻尼、振型）对系统的动态分析和优化设计具有实用价值。通常由试验模态分析和计算模态分析两种方法。但由于受实验条件和时间的限制，组织实施往往比较困难，而且在测量次数，测量数据的处理准确性方面也难以得到充分的保证,在设计阶段难以实现。基于虚拟样机技术的虚拟实验方法在履带车辆箱体类零部件模态参数测量方面在设计阶段就能为方案优化提供指导，缩短产品开发周期，节省费用。因此，开展在虚拟环境下测试箱体类零部件的模态参数研究与探讨并扩展其应用具有重要意义。本文以某型履带车辆传动箱设计为例，应用HyperMesh为前处理软件，对其进行了有限元网格的划分，进而对箱体的模态进行了分析。 2 箱体有限元模型的建立及模态分析 首先依据传动箱体的尺寸，建立箱体的三维实体模型。利用HyperMesh对传动箱体的实体模型进行有限元网格划分，箱体的材料为铝合金，其密度为 2.66e33kg/m3，泊松系数为0.31，杨氏模量为7.7e72N/m2，强度极限为176.4MPa。整个箱体共划分76151个4面体单元，22262个节点。在此过程中，还必须考虑到箱体有限元模型建立后与各传动轴之间的连接，即柔性体与刚体间的连接。传动箱各轴都是通过轴承与箱体连接的，笔者在有限元模型中应用多点约束（MPC，Multi-point Constraint）来模拟轴承的作用。所谓多点约束是将某节点的依赖自由度定义为其他若干节点独立自由度的函数。多点约束可以用于不相容单元间的载荷传递，表征一些特定的物理现象，比如刚性连接、铰接、滑动等。笔者在箱体有限元模型中各轴孔的中心点处建立一个虚拟杆单元，如图1所示。轴孔内表面各节点的自由度则依赖于对应的虚拟杆单元。各传动轴与箱体间的约束也是在对应的虚拟单元处建立，各传动轴上的作用力则通过相应的虚拟杆单元和多点约束作用于箱体之上。文中建立的包括轴承模型的传动箱箱体有限元模型如图2所示。