某车型副车架模态拓扑优化设计
沈智达 陈海树 刘双宇
（华晨汽车工程研究院 辽宁沈阳 ）
摘要：本文以某车型副车架为例，介绍了基于拓扑优化方法，应用有限元软件HyperWorks的OptiStruct模块建立有限元模型的过程。通过优化计算，使一阶扭转模态值达到最佳水平，并对优化结果进行了台架试验对比验证，优化结果可为同类产品设计提供参考。
关键词：拓扑优化模态频率副车架有限元分析
引言：
汽车底盘的主要性能是舒适性和操控性，悬挂系统的设计和匹配上设计师们都尽可能的用一些复杂结构来实现舒适性和操控性的平衡，而一些对舒适性和操控性影响较大的装备和设计也应运而生，副车架就是一个典型的代表。
副车架实际是一个支撑车桥和悬架的支架，汽车的行走系统（也就是车桥，包括车轮、轮轴、差速器等部件）通过悬架元件先安装在这个支架上，再作为一个整体总成，用起减振抗扭作用的弹性橡胶垫连接到车身上。
副车架的作用，相当于在悬架和车身之间增加了一级缓冲，它减轻了车身的负荷，可以明显改善整车的舒适和操控性。另外，由于副车架结构的出现，前桥和后桥从原来的零散部件变成了整体总成，这对汽车的平台化设计以及生产装配的便利性，都有很大的好处。副车架的成本一直很高，所以它以前更多出现在豪华车身上。现在，随着技术的进步以及成本的降低，它已经逐步向低端车型扩展，甚至有的紧凑级别车型也开始采用这种设计。
优化方法概述：
汽车零部件结构优化设计是指在不影响零部件的强度和性能的基础上，通过设计质量轻的产品达到降低汽车制造成本的目的。结构优化通常分为尺寸优化，形状优化，拓扑优化和结构类型优化等。其中尺寸优化和形状优化技术已经比较成熟，但对结构优化所起的作用有限。
结构拓扑优化又称为结构布局优化，它是一种根据约束，载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法，主要应用在产品开发的初始阶段，是一种概念性设计，对最终产品的成本和性能有着决定性影响。变密度法是连续体结构拓扑优化的常用方法之一，其基本思想是引入一种假设的密度可变材料，将连续结构体离散为有限元模型后，使结构中的每个有限单元内的密度制定相同，并以每个单元密度为设计变量。当每个单元的相对密度X＝1时，则表示该单元为有材料，保留或增加该单元（实体）；当X=0时，表示该单元无材料，单元应当删除（孔洞）。拓扑优化时，尽量使该材料的相对密度为0或1分布在设计区域。
1.问题描述
副车架与车身的连接点就如同发动机悬置一样。本车型的副车架由四个悬置点与下车身连接，这样既能保证其连接刚度，又能有很好的震动隔绝效果。需要指出的是：带有副车架的悬挂能分5级来吸收震动的传入。第一级震动由轮胎台面的软橡胶变形来吸收，这一级变形能吸收大量的高频
震动，第二级为轮胎的整体变形吸收震动，这一级主要吸收比第一级稍高的路面震动，比如石子之类引起的震动。第三级为悬挂摇臂各个连接点内的橡胶衬套进行震动的隔绝，这一环节主要是减小悬挂系统的总成冲击。第四级为悬挂系统的上下运动，这一运动主要吸收长波震动，也就是过沟过槛时引起的震动。第5级为副车架悬置对震动的吸收，这里主要吸收的是前4级没有完全屏蔽的震动。
本车型的副车架的一阶扭转振动频率（148～151Hz）比较低，没有避开系统的共振频率区域，以致悬置吸收震动效果不理想。为使其一阶扭转振动频率达到benchmark水平（178~185Hz），需要对其结构进行拓扑优化。在适当区域布置加强筋的结构，以满足设计要求。
2. 拓扑优化数学模型：
该模型为副车架的有限元的模型（如图1），模型使用HyperWork通用有限元前处理软件Hypermesh搭建：导入CATIA三维数模，对其进行必要的几何清理，去掉一些细小特征（倒角、小孔等），然后进行网格划分，所有单元均采用壳单元（四边形、三角形）。副车架上下两个表面用一维焊点单元cweld 连接，用rbe2单元模拟螺栓处的连接。模型共有35088个单元，35689个节点。输入材料的相关参数:
杨氏模量：210GP
泊松比: 0.30
密度:7.8 e+3 kg/m3
长度单位：mm
图1
将副车架的上下2个表面定义为可设计区域，优化目标（目标函数）是提高第一阶扭转频率，可设计体积的35％作为等效约束。以设计区域中每个单元的伪密度为设计变量进行拓扑优化计算。优化结构的材料密度云图如图2所示。
图2
根据拓扑优化后的密度分布，可以大体确定加强筋的位置，利用拓扑形貌优化工具定义起筋的方向、高度、拔模角等参数。考虑到结构和工艺的需求进一步形状优化后，最终得到的结构如图3所示。
图3
3．优化前后的模态值对比：
A．有限元计算
优化前：
Subcase Mode Weight Frequency Eigenvalue Weight/Eigen
2 1 0.000E+00 2.374847E-0
3 2.226542E-0
4 0.000000E+00
2 2 0.000E+00 2.687890E-0
3 2.852218E-0
4 0.000000E+00
2 3 0.000E+00 2.870078E-03 3.251974E-04 0.000000E+00
2 4 0.000E+00 3.382713E-0
3 4.517415E-0
4 0.000000E+00
2 5 0.000E+00 3.426936E-0
3 4.636301E-0
4 0.000000E+00
2 6 0.000E+00 3.489427E-0
3 4.806932E-0
4 0.000000E+00
2 7 1.000E+00 1.510655E+02 1.024153E+06 9.764165E-07
2 8 0.000E+00 2.496673E+02 2.460837E+06 0.000000E+00
优化后：
Subcase Mode Weight Frequency Eigenvalue Weight/Eigen
2 1 0.000E+00 2.285723E-0
3 2.062561E-0
4 0.000000E+00
2 2 0.000E+00 2.594481E-0
3 2.657422E-0
4 0.000000E+00
2 3 0.000E+00 2.749890E-03 2.985316E-04 0.000000E+00
2 4 0.000E+00 3.324086E-0
3 4.362185E-0
4 0.000000E+00
2 5 0.000E+00 3.336604E-0
3 4.395103E-0
4 0.000000E+00
2 6 0.000E+00 3.444329E-0
3 4.683483E-0
4 0.000000E+00
2 7 1.000E+00 1.845517E+02 1.344609E+06 7.437105E-07
2 8 0.000E+00 2.655654E+02 2.784216E+06 0.000000E+00
由有限元计算的数值可以看出:优化后的副车架的扭转频率由151Hz提高到184 Hz。
B．台架试验：
优化前：
优化后：
由台架试验的数据可以看出:优化后的副车架的扭转频率由149 Hz提高到179Hz。
4．结论
a．从拓扑结构优化所得方案图和优化前后的模态频率值对比看，基于有限元拓扑优化方法得到的结构优化方案是合理的，优化结果可为今后同类产品开发设计提供参考。
b．拓扑结构优化是一种结构概念性设计，它能够为工程设计人员优化结构作为参考方案。由于目前所有的拓扑结构优化都是基于有限元平台，因此该平台的搭建对结构优化非常重要，在结构优化过程要提高优化的鲁棒性。
c．Hyper Works的OptiStruct模块是一款功能强大的优化求解器，在汽车行业的产品研发设计中有很好的作用，其仿真优化结果具有真确性和实用性。
Sub-frame Eigenvalue Design Base on Topology Optimization
Abstract: Base on the optimization theory, this paper introduced the process of building FEA model for sub-frame by using the Altair HyperWorks-OptiStruct software. The results shown the 1st torsion value was in the best level, and the actual verification was done with test. The optimization results can be referenced by similar products.
Keywords: topology optimization modal frequency sub-frame FEA
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
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
摘要 车架一般由纵梁和横梁组成。其形式主要有边梁式和中梁式两种， 边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或者焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。 纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般为槽型，也有的做成Z形或箱型。很据汽车形式的不同和结构布置的要求，纵梁可以在水平面内或纵平面内做成弯曲的，以及等断面或非等断面的。 横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还可以支撑汽车上的主要部件。通常载货车有5~6根横梁，有时会更多。边梁式车架的结构特点是便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车，因此被广泛用在载货汽车和大多数特种汽车上 关键词：车架,衡量,纵梁
Abstract The frame consists of longitudinal and cross beam. Edge beam and beam type two kind of main forms, Composition of the side frame is composed of two is located on both sides of the longitudinal beams and a plurality ofbeams, by riveting or welding the longitudinal beam and the cross beam are connected into a rigid framework rugged. Stringer is usually made by low alloy steel plate stamping, section shape is generally shaped, some made of Z shaped or box. According to the different forms of the car and structural layout, longitudinal beam can be made into a curvedin the horizontal plane and vertical plane or, as well as the section section. Not only to ensure the beam frame torsional stiffness and bearing vertical load, but also can support the main auto parts. Usually the truck with 5~6 beam, sometimes more. Structural characteristics of the side frame is easy to installthe cab, carriages and some special equipment and arrangement of other assembly, is conducive to the modifiedvariation and development of variety car, so it is widely used in the truck and the majority of special purpose vehicle
各种模态分析方法总结与比较 一、模态分析 模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。 模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。 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，则称为计算模记分析；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。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
模态分析方法搞清楚了结构物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。 模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF 二、各模态分析方法的总结 （一）单自由度法 一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。但是如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法n1。在给定的频带范围内，结构的动态特性的时域表达表示近似为： ()[]}{}{T R R t r Q e t h r ψψλ= 2-1 而频域表示则近似为： ()[]}}{ {()[]2ωλωψψωLR UR j Q j h r t r r r -+-= 2-2 单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机内存。 这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。然而实际情况通常并不是这样的，所以就需要用包含若干模态的模型对测得的数据进行近似，同时识别这些参数的模态，就是所谓的多自由度(MDOF)法。 单自由度算法运算速度很快，几乎不需要什么计算和计
模态分析技术的发展现状综述 摘要：本文首先系统的介绍了模态分析的定义，并以模态分析技术的理论为基础，查阅了大量的文献和资料后，介绍了三种模态分析技术在各领域的应用，以及国内外对于结构模态分析技术研究的发展现状，分析并总结三种模态分析技术的特点与发展前景。 关键词：模态分析技术发展现状 Modality Analysis Technology Development Present Situation Summary Abstract：This article first systematic introduction the definition of modality analysis,and based on modal analysis theory,after has consulted the massive literature and the material.Introduced application about three kind of modality analysis technology in various domains. At home and abroad, the structural modal analysis technology research and development status quo.Analyzes and summarizes three kind of modality analysis technology characteristic and the prospects for development. Key words：Modality analysis Technology Development status 0 引言 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。模态分析的过程如果是由有限元计算的方法完成的，则称为计算模态分析;如果是通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别来获得模态参数的，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。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结构物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故障诊断的重要方法。 1 数值模态分析的发展现状 数值模态分析主要采用有限元法，它是将弹性结构离散化为有限数量的具体质量、弹性特性单元后，在计算机上作数学运算的理论计算方法。它的优点是可以在结构设计之初，根据有限元分析结果，便预知产品的动态性能，可以在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题，并可改变结构形状以消除或抑制这些问题。只要能够正确显示出包含边界条件在内的机械振动模型，就可以通过计算机改变机械尺寸的形状细节。有限元法的不足是计算繁杂，耗资费时。这种方法，除要求计算者有熟练的技巧与经验外，有些参数(如阻尼、结合面特征等)目前尚无法定值，并且利用有限元法计算得到的结果，只能是一个近似值。 正因如此，大多数数学模拟的结构，在试制阶段常应做全尺寸样机的动态试验，以验证计算的可靠程度并补充理论计算的不足，特别对一些重要的或涉及人身安全的结构，就更是如此。 70 年代以来，由于数字计算机的广泛应用、数字信号处理技术以及系统辨识方法的发展 , 使结构模态试验技术和模态参数辨识方法有了较大进展，所获得的数据将促进产品性能的改进、更新[1] 。在硬件上，国外许多厂家研制成功各种类型的以FFT和
煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.34No.01 Jan.2013 第34卷第01期2013年01月 1建立车架有限元模型 在不影响分析结果精度及准确度的情况下对半挂车车架进行一些必要的简化及假设：（1）去除组合灯支架及对强度、刚度影响不大的立柱下方盒、下方盒翼板等；（2）忽略车架上细小的折弯和圆角等结构；（3）假设该车架各部件的焊接均为等强度焊接，且强度等于部件本身的强度；（4）整个组成车架的部件材料假设一致且各向材质同性。 车架的形状复杂，在建立有限元模型时，采用能较好适应不规则形状而且能满足一定精度要求的shell93号板壳单元，该单元是8节点二阶单元，单元每个节点有6个自由度。对车架进行网格划分时，要注意对网格数量、疏密、阶次、质量和布局的控制。本文采用单元边长40mm为参考划分网格（部分位置进行了细化），整个模型有43175个单元，134673个节点（模型略）。 2边界条件及载荷施加 边界条件半挂车车架前部通过牵引销座板支撑在牵引车鞍座上，车架后部有4组支架，通过钢板弹簧、轮胎支撑在路面上。由于不考虑钢板弹簧的作用，因此可将边界条件做如下处理：在半挂车前部将牵引销座板的中间位置作全约束；在半挂车后部约束各支架Y向（即垂直方向）位移。 载荷施加半挂车所受载荷比较简单，主要是自身重力及货物重力。自身重力的施加通过定义材料密度以及垂直方向振动加速度的方式实现，货物则以均布力的形式作用在主纵梁上翼板、副纵梁上翼板及边框的上表面。 3车架的有限元分析及结果 （1）静态满载弯曲工况 满载弯曲工况下半挂车车架整体应力分布如图1所示。从图中可以看出在满载弯曲工况下，车架前部以及后桥一轴前后的应力较大，最大应力为524MPa,出现在车架横梁A与纵加强板焊接的位置，如图2所示。从图中可以看出，除了2个与纵加强板焊接的位置，整个车架横梁A的应力水平都比较高。车架横梁A所用的设计材料为高强度热轧冷成型钢，其屈服极限为700MPa，所以在静态弯曲工况下，满足强度要求。但在实际使用中，由于路面冲击、车架振动等原因，此处的实际应力水平可能高于材料的屈服极限，容易发生开裂等破坏。 图1弯曲工况整体应力云图图2弯曲工况前端应力图（2）静态满载扭转工况 扭转工况是指该矿用半挂车行驶在不平路面 某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化 杜现斌，张为春 （山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博255049） 摘要：车架是整车的关键部分，为了对其进行优化设计，基于有限元分析软件ANSYS建立车架有限元模型，再对车架在弯曲、扭转2种典型工况下施加相应的边界条件和载荷进行静态分析，通过分析结果找出车架中应力较大的部位来校验其强度是否符合要求，最后对车架进行初步的拓扑优化。 关键词：有限元分析；拓扑优化；矿用半挂车车架 中图分类号：TD562文献标志码：A文章编号：1003－0794（2013）01－0113－02 Finite Element Analysis and Topology Optimization of Mine Semi- trailer Frame DU Xian-bin,Z H ANG Wei-chun (School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo255049,China) Abstract:Frame is a key part of the vehicle,and for the sake of the optimization of design,the finite element model of the frame was created based on ANSYS,and then applied the corresponding boundary conditions and loads for static analysis under the two typical operating conditions of the bending and twisting.And then identified the part suffered a relatively bigger stress in the frame by analyzing the results to verify whether it meets the requirements of its strength.And finally,a preliminary topology optimization was made for the frame. Key words:finite element analysis;topology optimization;mine semi-trailer frame NODAL SOLUTION SUB=1 TIME=1 SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011 09:15:02 NODAL SOLUTION SUB=1 TIME=1 SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011 09:48:07 0116.377232.753349.13465.507 58.188174.565290.942407.318523.6950116.377232.753349.13465.507 58.188174.565290.942407.318523.695 X X A 113
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。
模态分析与振动测试技术 固体力学 S0902015 李鹏飞
模态分析与振动测试技术 模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。 一、单自由度模态分析 单自由度系统是最基本的振动系统。虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。 二、多自由度系统模态分析 对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。即多自由度系统模态参数与模态分析。 多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。 我们以N个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。 设所研究的系统为N个自由度的定常系统。其运动微分方程为： （2—1） ++= M X CX KX F ?）阶式中M，C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。均为（N N 矩阵。并且M及K矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵M是正定矩阵，刚度矩阵K对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵C为对称矩阵（上述是解耦条件）。 N?阶矩阵。即 X及F分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为1
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。
模态分析中的几个基本概念 物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定的比例关系的，可以用一个向量表示，这个就称之为模态。模态这个概念一般是在振动领域所用，你可以初步的理解为振动状态，我们都知道每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。模态是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。有限元中模态分析的本质是求矩阵的特征值问题，所以“阶数”就是指特征值的个数。将特征值从小到大排列就是阶次。实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶。但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态，所以计算时根据需要计算前几阶的。一个物体有很多个固有振动频率（理论上无穷多个），按照从小到大顺序，第一个就叫第一阶固有频率，依次类推。所以模态的阶数就是对应的固有频率的阶数。振型是指体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。每一阶固有频率都对应一种振型。振型与体系实际的振动形态不一定相同。振型对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列，来说第一振型，第二振型等等。此处的振型就是指在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则振动周期越小。在实验中，我们就是通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时频率即为固有频率。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。 固有频率也称为自然频率( natural frequency)。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关（如质量、形状、材质等），称为固有频率，其对应周期称为固有周期。 物体做自由振动时，其位移随时间按正弦规律变化，又称为简谐振动。简谐振动的振幅及初相位与振动的初始条件有关，振动的周期或频率与初始条件无关，而与系统的固有特性有关，称为固有频率或者固有周期。 物体的频率与它的硬度、质量、外形尺寸有关，当其发生形变时，弹力使其恢复。弹力主要与尺寸和硬度有关，质量影响其加速度。同样外形时，硬度高的频率高，质量大的频率低。一个系统的质量分布，内部的弹性以及其他的力学性质决定 模态扩展是为了是结果在后处理器中观察而设置的，原因如下： 求解器的输出内容主要是固有频率，固有频率被写到输出文件Jobname.OUT 及振型文件Jobnmae.MODE 中，输出内容中也可以包含缩减的振型和参与因子表，这取决于对分析选项和输出控制的设置，由于振型现在还没有被写到数据库或结果文件中，因此不能对结果进行后处理，要进行后处理，必须对模态进行扩展。在模态分析中，我们用“扩展”这个词指将振型写入结果文件。也就是说，扩展模态不仅适用于Reduced 模态提取方法得到的缩减振型，而且也适用与其他模态提取方法得到的完整振型。因此，如果想在后处理器中观察振型，必须先扩展模态。谱分析中的模态合并是因为激励谱是其实是由一系列的激励组合成的一个谱，里面的频率不会是只有一个，而不同的激励频率对于结构产生的结果是不一样的，对于结果的贡献也是不一样的，所以要选择模态组合法对模态进行组合，得到最终的响应结果。
分析 1:关于本教程 模态分析。 类别分析 所需时间20 分钟 使用的教程文件PivotBracket.ipt 您将创建两个仿真：零件的模态分析和同一个零件上的参数化结构静态分析。 “模态分析”教程会引导您了解为零件定义和执行结构频率分析或模态分析的整个过程。分析将生成自然频率（特征值）和对应的振型，我们可以在教程结束时查看和解释这些内容。 第二个仿真是对同一个模型的参数化分析。参数化分析将更改设计参数以更新几何图元，并评估设计案例的各种配置。我们将执行结构静态分析，目的在于最小化模型重量。 目标 ?创建仿真以进行模态分析 ?使用其他材料替代模型材料 ?指定约束 ?运行仿真 ?查看并解释结果 打开用户模型分析的模型 让我们先从模态分析仿真开始入门。 1.在快速访问工具栏上，单击“打开”命令。
2.如果尚未设定项目文件，请将其设定为Tutorial_Files.ipj。 3.选择名为PivotBracket.ipt的零件模型。 4.单击“打开”。 进入应力分析环境 应力分析环境是启用模型相关的专业化活动的若干 Inventor 环境中的一个。在此情况下，该环境整合了执行零件和部件应力分析的命令。 进入应力分析环境并启动仿真的步骤： 1.在功能区栏中单击“环境”选项卡。将显示可用环境列表。 2.单击“应力分析”环境命令。 3.单击“创建分析”。 4.将显示“创建新仿真”对话框。指定名称“模态分析”。 5.在“分析类型”选项卡中，选择“模态分析”。 6.将其余的设置保留当前的状态，然后单击“确定”。将启动新仿真，且浏 览器内将填充与应力分析相关的文件夹。 指定材料 对于要分析的任意零部件，请检查材料以确保已定义材料。某些 Inventor 材料没有“仿真准备就绪”特性并且在仿真中使用它们之前进行修改。如果使用定义不充分的材料，则会显示一条消息。修改材料或选择其他材料。 您可以在不同仿真中使用不同的材料，并在报告中比较结果。指定其他材料的步骤： 1.在功能区栏中的“材料”面板中，单击“指定材料”。 2.在“替代材料”列中单击以激活下拉列表。 3.选择“铝 - 6061”。 4.单击“确定”。 注意如果材料未完整定义，请使用样式和标准编辑器来修改材料。您可以从“指定材料”对话框的左下角访问该编辑器。 添加约束 接下来我们添加边界条件 - 内部圆柱面上的单个约束。
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
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计 利用UG软件对船用螺旋桨模型进行处理，并用ANSYS有限元仿真软件分析其模态振型，首先分析无支撑情况下螺旋桨单叶片的模态振型，提取振幅最大模态。设计支撑方案，确定支撑位置并进行约束模态分析，结果显示螺旋桨单叶片频率有所提高，增加了加工刚度，最后确定优化的支撑方案，显著提高了螺旋桨的刚度，减小各阶模态的振动位移，对实际加工具有重要意义。 标签：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计 Abstract：The model of marine propeller is processed by UG software，and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly，the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed，and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally，the optimized bracing scheme is determined，and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining. Keywords：ANSYS finite element analysis；propeller modal analysis；optimal design 螺旋槳是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。目前，螺旋桨的设计技术我国已达到领先水平，但是加工制造技术还存在较大差距。我国对于船用螺旋桨现阶段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作环境差，对工人的身体有很大损伤，并且效率低下，精度也难以控制。为了解决这一问题，我国一些学者正在研究利用机器人进行螺旋桨铣削加工的工艺系统，其具有较多的优势。研究发现，铣削加工中的振动一直是影响加工质量的主要因素，所以，针对螺旋桨的振动模态分析是研究的重点内容。本文主要利用有限元分析软件ANSYS对一种型号的船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。 1 模型处理 利用三维建模软件UG对现有的螺旋桨设计模型进行简单处理，避免在后续有限元分析时遇到的一些问题。如图1所示为螺旋桨的设计模型，直径3300mm，在叶梢位置由于建模方法的原因，存留有没有闭合的曲线，对后续有限元的网格划分会带来影响，所以，利用一直径为3290mm的同心圆柱面截取设计模型，截去叶梢的尖角部分，对模型整体模态的影响可以忽略不计，处理如图2所示。另外，根据螺旋桨的结构特点，靠近桨毂部分结构较复杂，靠近叶梢部分结构简单，所以为了在后续的单元划分时保证较高精度的同时又花费较少时间，在模型处理时将螺旋桨分割为两部分实体，一部分是包含桨毂，另一部分包含叶片。最后将处理完成的模型导出x_t格式文件，以便ANSYS软件导入。
模态分析是分析结构的动力特性，与结构受什么样的荷载没有关系，只要给定了质量、弹性模量、泊松比等材料参数，并施加了边界约束就可以得到此状态下的各阶自振频率和振型（也称为模态）。 谐响应分析是分析结构在不同频率的简谐荷载作用下的动力响应，是与结构所受荷载相关的，只是结构所受荷载的都是简谐荷载，而且荷载频率的变化范围在谐响应分析时要给出来。 比如，在ANSYS谐响应分析中要给出这样的语句 FK,3,FX,7071,7071 ！指定点荷载的实部和虚部（或者幅值和相位角） HARFRQ,0,2.5, ！指定荷载频率的变化范围，也就是说只分析结构所受频率从0到2.5HZ之间的荷载NSUBST,100, ！指定频率从0到2.5之间分100步进行计算 这样，结构所受的这个点荷载的表达式实际上是 F=(7071+i*7071)*exp(i*omiga*t) !式中omiga从0到2.5*2*3.1415926变化 分析得到结果是各点物理量随频率变化的，但物理量的值一般为复数，包括实部的虚部，这可以从后处理LIST结点值看出来。 个人认为进行谐响应分析并不一定要先进行模态分析（也叫振型分析、振型分解等），而直接进行谐响应分析后查看结构的物理量随频率变化曲线时也会看到在结构的自振频率处响应会放大（共振）。如果已经进行过模态分析的话，会发现谐响应分析时的共振频率和模态分析提到的自振频率是一致的。但有些时候模态分析中得到的有些频率在谐响应分析的频响曲线里可能很不明显。因此，只能说在谐响应分析前进行一下模态分析可以对结构的自振特性有个了解，以便验证谐响应分析结果是否合理。 另外，谐响应分析应该是频域分析方法的一个部分。对于相地震那样的时间过程线，直接进行时域分析（ANSYS里用暂态分析）可得到结构随时间的响应。而如果进行频域分析，就应该通过傅立叶变换把时域地震曲线变为由多个简谐荷载的叠加，然后再以此简谐荷载做为谐响应分析时的荷载进行谐响应分析，最后再对谐响应分析得到的结果进行傅立叶逆变换得到时域的结果。不知道这种理解是否正确，我也没有用ANSYS这样做过。如果正确的话，时域分析和频域分析的结果应该是一致的。 模态分析的应用及它的试验模态分析 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，则称为计算模记分析；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。通常，模态分析都是指试验模态分析。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结构物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。 模态分析最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 模态分析技术的应用可归结为一下几个方面： 1) 评价现有结构系统的动态特性； 2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计； 3) 诊断及预报结构系统的故障； 4) 控制结构的辐射噪声； 5) 识别结构系统的载荷。 机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应