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基于ANSYS Workbench的弯梁车车架模态优化设计
&&& 摘要：针时摩托车研发过程中的振动问题，先通过锤击试验获取车架的固有频率，再通过有限元模态仿真计算和测试值时比，验证有限元模型的正确性，通过对比看到，发动机的激励须率与车架一阶固有频率接近，是导致结构共振的根源，最后通过仿真手段，对摩托车车架结构进行了优化，并通过了试制验证。
&&& 振动舒适性是影响产品品质的关键因素之一，对摩托车产品而言，振动问题是摩托车设计过程中经常遇到的一类问题，由于振动激励往往与发动机、路面等诸多因素相关，因此，解决这类问题往往要消耗大量的人力、财力和时间成本。
&&& 笔者针对企业实际生产中的某款弯梁车振动问题，采用试验和仿真并举的方法，对车架进行了模态优化，优化后的车架经测试，振动问题得到了较好的改善。
&&& 某款弯梁车在开发过程中发现，当车以50 km/h行驶时，手把和尾部振动比较严重；在此特以锤击测试的方法对车架进行静态测试，4个测试点的布置如图1所示。此外，为了解车辆在行驶状态下的振动特性，特将车辆在试验台架上进行了动态振动特性测试，行驶过程中测试点布置如图2所示。
&&& 试验设备：数据采集箱，试验台架，加速度传感器5个（500 g或50 g），力锤1个，传感器连接线若干和笔记本电脑等。
&&& 测试原点频响函数曲线如图3所示，原点频响函数曲线就是当力锤击点与振动拾振点于同一位置时获得的振动响应函数，从测试结果看，车架的低阶固有频率主要有72 Hz、147 Hz、175 Hz和201 Hz。
&&& 50 km/h下测点1/3倍频程振动曲线如图4所示，由图中看到，在该工况下，发动机的主要激励频率为73.8 Hz及其整数倍，除发动机外，在低频段，振动剧烈程度依次是把手、机架尾部、机架中间；在中高频段依次是机架尾部，机架前端。对比看出，在低频段手把振动较剧烈，甚至超过了发动机位置的振动。
&&& 从测试结果看，当车速为50 km/h时，发动机的激励频率是73.8 Hz，与车架的一阶固有频率72 Hz较接近，故初步判定为共振引起的振动。[1]&&&
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页面执行时间：39,218.75000 毫秒某中型客车车架动态性能分析与结构优化--《吉林大学》2014年硕士论文
某中型客车车架动态性能分析与结构优化
【摘要】：随着国内外法规和用户对汽车乘坐舒适性要求的不断提高，如何降低车内振动与噪声成为热点研究问题。本文是以某整车场的两个客车车架作为研究对象,项目遇到的问题便是车架振动剧烈。汽车车架是汽车整体最重要的部分之一，承受着来自装载和道路的各种复杂激励，同时汽车上许多重要总成件都是以车架作为载体。因此，车架的设计在汽车总体的设计中便显得尤为重要。这时，运用现代的分析方法，把有限元方法，模态分析方法和优化设计进行完美结合，对汽车车架进行动态分析和优化，以减少与非簧载质量耦合发生共振的可能性，提高整车的NVH性能，对汽车的设计具有重要的实际意义。
本文总结了有限元方法在车架动态特性分析和结构优化中国内外的研究现状，国外发展的较早也较成熟，国内研究的相对落后但越来越深入。本文在此基础上主要在以下几个方面展开了研究：
首先，将车架几何模型导入有限元软件Hypermesh中，进行几何清理、划分网格、网格质量检查等技术,建立高质量的车架有限元网格模型。对车架各结构赋予相应的厚度属性和材料属性，并建立载荷，设定相关参数，以替代实体进行模态分析计算，得出两个型号车架的理论固有频率。对计算模态的分析为之后实验模态的传感器布置做指导，从车架的模态计算结果分析车架的前几阶振型，从而分析出车架发生剧烈振动的原因。
然后，项目组利用LMS.TEST.LAB系统，BK/PCB公司振动加速度传感器和霍尔传感器等设备对车架进行模态实验，通过模态实验验证有限元模型的正确性，并对整体模态进行评价。说明模态实验值与计算值的固有频率和振型存在差异的原因。对比后分析后，总结出发生剧烈振动的根本原因。对车架结构进行模态分析是解决是否需要改进车架结构以及怎样改进这些重要问题的依据和参考。在实验后以两个型号车架为例总结模态实验方法，为今后的模态实验分析提供理论依据和工程应用背景。
最后，根据对车架模态计算和试验模态的分析和查明的振动原因，提出多种结构优化方案，通过改变车架板材厚度，增加焊弯梁、焊斜梁等方式对结构进行优化。将优化后的结果再次进行模态计算，并和原模态进行对比，最终选出一个优化效果明显并且可行的择优方案。
本文从前期的有限元建模及分析，到模态实验验证，最后根据分析的结果对车架进行结构优化，形成了一套完整的利用有限元方法分析动态性能并进行优化的技术流程与研究思路。本文的研究成果对汽车车架的有限元分析和模态分析有一定的参考价值和指导作用。
【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：U463.32【目录】：
摘要4-6ABSTRACT6-13第一章 绪论13-21 1.1 研究背景和意义13-14 1.2 国内外研究现状14-17
1.2.1 国内研究现状15-16
1.2.2 国外研究现状16-17 1.3 优化技术的研究方法17-18 1.4 本文主要研究内容18-21第二章 有限元建模及模态计算21-33 2.1 有限元方法介绍21-23
2.1.1 基本思想及特点21-22
2.1.2 有限元分析求解的步骤22-23 2.2 有限元模型建立23-27
2.2.1 有限元网格模型建立的基本原则24-25
2.2.2 车架有限元模型的简化25-26
2.2.3 单元类型的选择26
2.2.4 有限元模型建立26-27 2.3 车架模态计算27-33
2.3.1 车架 A 模态计算28-29
2.3.2 车架 B 模态计算29-33第三章 车架模态实验33-57 3.1 引言33-36
3.1.1 模态分析理论基础34-36 3.2 模态实验方法36-46
3.2.1 试验简介36-37
3.2.2 试验步骤37-46
3.2.3 注意事项46 3.3 车架模态实验46-51
3.3.1 试验目的46-47
3.3.2 试验条件47
3.3.3 试验方法与仪器47-49
3.3.4 车架 A 模态试验结果49-50
3.3.5 车架 B 模态试验结果50-51 3.4 车架整体模态评价51-53 3.5 试验验证结果53-57第四章 车架结构优化57-67 4.1 设计缘由及目标57 4.2 方案验证结果（仿真）57-64
4.2.1 车架 A 优化方案及结果验证57-61
4.2.2 车架 B 优化方案及结果验证61-64 4.3 设计优化方案与结论64-67
4.3.1 车架 A 优化结论64-65
4.3.2 车架 B 优化结论65-67第五章 总结与展望67-69 5.1 全文总结67-68 5.2 研究展望68-69参考文献69-72致谢72
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装《备制造技术))2012年第4期
计算模态分析在发动机设计中的应用
(柳州五菱柳机动力有限公司 研发中心，广西 柳州 545005)
摘 要：介绍了模态分析基本理论和作用，以及计算模态分析在发动机零部件设计及结构性能校核与优化上的分析方
法与应用范围，还着重阐述了计算模态分析在发电机支架、进气歧管系统等的校核与优化上的应用。总结了提高结构
系统固有频率的方法。
关键词：模态分析；发动机设计；有限元；结构优化
中图分类号：U464．02
文献标识码：A
文章编号：X(5—03
随着汽车产业的飞速发展，发动机行业也是在
根据达朗贝尔原理，结构动力学方程为-【】
快速推进，对发动机的要求越来越高 ，既要求发动机
[．7I幻{】+C【】{u)+网【{l={)
总成开发周期更短，产品成本更低 ，又要求发动机的
品质更高(高动力、低油耗、少的排放、低振动、低噪
[』为结构质量矩阵；
声、轻量化、高强度、高可靠性等)。基于以上要求，对
C【]为结构阻尼矩阵；
发动机设计开发以及发动机量产后的产品维护与零
[K]为结构刚度矩阵；
部件更改 ，都面临巨大的挑战。就零部件结构设计来
为节点加速度矩阵；
说，由于成本的压缩 ，企业盈利的需求 ，零件不能使
用高性能的材料，但同时又要求零部件整体质量小，
)为节点速度矩阵；
且又能承受足够的强度，能降低振动与表面辐射噪
㈨为节点位移矩阵；
声，有 良好的动态响应 ，有高可靠性和耐久性。
{}为节点等效载荷矩阵。
计算模态分析，是通过有限元的方法对结构或
发动机的零件材料多为金属，阻尼小，对结构及
系统模态进行提取，获知零部件结构振型、固有频
系统地固有频率与振型影响小，故结构动力学方程中
率、各阶次动态位移、应变能、应变能密度、动态刚度
[C]结构阻尼矩阵为0，在模态分析时，没外力作用，则
等结果，运用这些结果对结构及系统进行评价，寻找
()为0，则得结构无阻尼 自由振动矩阵方程为
结构优化方案。计算模态分析是对进行零部件结构
[蜘 ()+网 {u)=0
动态响应分析的基础，计算模态分析结合结构动态
弹性自由体振动的振型可分解为一系列简谐振
响应分析，可有效校核结构振动特性，通过结构优
动的叠加，则上式解的形式可设为
化，大大降低结构固有频率和表面辐射噪声。
{)={)sin(~+6)
本文主要通过列举发动机零部件模态分析实例
将式(3)带人式(2)，得
(发动机支架、进气歧管系统等)，来分析计算模态分
(陶 一 嗍 ){‰l=0
析在发动机零部件结构设计中的重要作用 。
在 自由振动时，结构中各节点的振幅{‰)不全为
零，则由式
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