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基于CAE方法探讨客车整车共振问题

发布时间:2019-11-01 浏览次数:941次

    摘要:客车是重要的交通工具,对于缓解交通压力、降低交通成本有重要的意义。为应对激烈的市场竞争,满足乘客更高层次的需求,客车厂商更加关注舒适性,通过降低振动感,减少乘客的不适。通过合理简化客车的结构,建立客车主要承载结构模型和有限元模型,模拟分析有限元模型,了解客车运行时出现整车共振的原因,帮助解决客车整车共振的问题。

    客车在行驶的过程中,由于发动机、路面等因素导致整车振动,乘客乘车的舒适性评价主要与振动感的大小有关。客车结构设计中,需要充分考虑到整车的动态性能,否则由于各种激励源的激励,共振现象比较严重,最终也会影响客车的销售。通常采用综合法、试验模拟和有限元模拟等方式对客车的动态性能进行分析,大型客车的车体比较庞大,由于实验成本和条件的制约,不适合采用综合法和实验法。随着计算机辅助工程技术(CAE)的发展,在分析客车的动态性能中,CAE发挥了重要的作用,应用CAE方法研究客车的动态性能,有利于客车整车共振问题的解决。

    1 客车整车几何建模
    车身和车架是客车整车的主要承重结构,蒙皮、骨架、内饰、预埋板和其他特定构件等是车身的主要组成部分。车身的骨架对车身的动态性能有决定性影响,加强板影响特定区域刚度,在车身模型建立中通常只考虑车身骨架和加强版。车身采用空间三维梁单元的有限元建模,加强板结构比较规整。杆件焊接组成车身骨架,骨架和加强板采用线模型建模。

    2 有限元建模
    车身骨架采用Beam 188单元,是结构分析用的三维梁单元,有两个节点,能够模拟各种截面梁结构的力学特性。车架结构用solid92单元,是十节点四面体单元。通过solid92单元划分车架模型,保证有限元分析的精度。加强板采用Beam188单元。
    有限元网格的划分关系着有限元模型的计算时间和精度,划分越精细精度越高,误差越小,同时计算时间越长,计算量更大。因此,为尽量减少计算时间,在保证计算精度的基础上,车身骨架采用20 mm的单元,车架采用30 mm的单元进行网格划分,可顺利完成计算工作。建立好车身和车架的集合模型和划分网格后,连接车身车架。采用刚性连接的方式模拟焊点,在需要连接的部分生成刚性区域。在其他地方的有限元建模中也应用焊接刚性化的方法,比如平行焊接梁作为截面相当的梁进行处理。
    建立整车几何模型时,将对整个刚性影响度不大的附属件直接忽略,比如壁板、空调、油箱、座椅、变速器和内饰等,虽然与刚度关系小,但是会影响整车的质量。整车质量受到较大的影响,会直接影响模态,所以在有限元模型中,对附属件的质量进行补偿。采用集中质量mass21单元模拟集中质合位置附属件,比如空调、油箱、变速器和发送机等。采用mass21单元均匀分布在附属件覆盖节点的方式,模式分布质量附属件,比如内饰、壁板等。

    3 结果分析
    整车有限元模型建立后,进行分析求解,模拟车身底板骨架位移,观察分析1~50.00 Hz范围内的模态,如果地板骨架位移比较小,表示变化不剧烈,振动感不激烈,乘客对客车整车共振的感觉不明显。如果地板骨架位移大,对整车共振的感觉比较明显。第1阶次固有频率为10.53Hz时,整车振动感影响非常大,整车绕车架的纵偏转。在第2阶次固有频率为12.80 Hz时,整车振动感影响比较大。在第3阶次固有频率为17.45 Hz时,整车振动感影响比较大。在第4阶次固有频率为22.25 Hz时,整车振动感影响非常大。在第5阶次固有频率为28.20 Hz时,整车振动感影响比较大。其中第1阶次和第4阶次的固有频率分别为10.53Hz和22.25Hz,对振动感的影响最严重。其他阶次模态虽然也是整车振动模态,相对来说给乘客的整车振动感比较小。

    4 结果分析和实际对比
    根据本次建立模型的模态分析,在10.53Hz和22.25Hz的激振频率时,对乘客乘坐客车的振动感影响最严重,整车共振现象最明显。在对客车的实际测试中,乘客感受到最强烈的整车共振,是客车发动机转速为661.8 r/min和1320 r/min时,刘应的频率为11.03Hz和22.00 Hz,与实验分析结果相对应。在客车怠速的情况下,661.8 r/min和11.03 Hz是第1阶模拟中的状态,激振力或者力矩激发,引起整车共振。1320 r/min和22.00 Hz是第4阶模拟中的状态,激振力、力矩或两者组合的整车共振。发动机工作时出现的振动,激发第1阶次和第4阶次的模态,出现剧烈的整车共振现象。
    本次客车的发动机是4缸发动机,振源包括3个部分:第一,活塞和连杆的运动作用下导致的惯性力;第二,飞轮旋转、曲轴部件不平衡质量,导致离心力和力矩,这类振源的激振频率和转频相等,是一次谐波的频率;第三,气体压力、惯性力出现的翻倒扭矩,这类振和第一种振源一样,激振频率是转频的2倍,都是在二次谐波上,对发动机产生的激振。往复的运动引入赓险力,会引起发动机的竖向振动。翻倒扭矩的作用,产生绕纵向的偏转振动。旋转部件不平衡质量引入的离心力,会同时产生竖向振动和横向振动。第1阶模态是整车绕车架纵轴偏转,主要由于旋转件质量不平衡引入的惯性力。第4阶模态是整车绕车竖直方向的中,心轴弯曲,主要由于转件质量不平衡引入的赓力。
    将实验结果和实际情况进行对比,表明客车怠速出现整车共振的原因,主要是由于发动机旋转件不平衡质量,导致发动机的振动。根据结果,在客车整车振动的治理问题中,需要改变客车怠速转速,可以提高转速到800 r/min,偏离固有频率。要降低发动机一次激励对整车结构的影响,更换减振垫,提高低频隔频率。
 

来源:网络

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