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转向系统模态分析方法
转向系统模态分析方法
1.概述
1.1模态分析简介
模态分析亦即自由振动分析,是研究结构动力特性的一种近代方法,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。
模态参数可以由计算或实验分析取得,这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
1.2转向系统模态分析目的
模态分析的最终目的是识别出系统的模态参数,为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析应用可归纳为:
●评价现有结构系统的动态特性。
●在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。
●诊断及预报结构系统的故障。
●控制结构的辐射噪声。
●识别结构系统的载荷。
汽车在行驶过程中,外界激励振源会引起转向系统产生共振,带来噪音,极大地降低了车辆的乘坐舒适性,造成板件的抖动开裂,零部件的疲劳损坏,转向系统表面保护层的破坏,削弱转向系统的抗腐蚀能力等。
因此,为提高汽车产品的开发设计水平,达到优化设计的目标,需要对汽车转向系统进行模态分析,通过有限元计算来得到该结构在不同频率下的振型,避免因共振等原因引起的结构破坏。
1.3模态分析的相关物理理论
模态求解根据弹性力学有限元法,经分析的车身结构的运动微分方程为:
(1)
式中,
,
分别为系统的质量矩阵,阻尼矩阵和刚度矩阵;
分别为系统的位移列向量、速度列向量和加速度列向量,
为系统的载荷列向量。
若无外力作用,即系统自由振动,有
=
;在求解车身结构自由振动的固有频率和振型时,阻尼对它们影响不大,因此,阻尼项可以略去,这时无阻尼自由振动的运动方程为:
(2)
其对应的特征方程为:
=
(3)
(3)式中,
为系统的固有频率。
对于式(3)广义特征值问题,模态分析采用Lanczos(兰索斯)法,这种方法求解精度高、速度快,特别适用于大型对称特征值求解问题。
2.转向系统模态分析流程
2.1有限元模型的建立
1.确定转向系统材料并在engineeringdata中加载。
ANSYS提供了丰富的材料库,如果材料特殊,也可以通过自定义导入新的材料。
2.划分网格,建立有限元模型。
可采用多种单元方式。
此次采用全实体单元建模,其主要优点是实体单元模型精确,能真实模拟几何模型的局部结构特征。
通过尺寸控制等命令控制生成的网格大小及质量。
2.2施加约束
模态分析中不存在结构及热载荷。
但在计算有预应力的模态分析时则需要考虑载荷,因为预应力是由载荷产生的。
对于模态分析中的约束有以下几种情况需要考虑。
●对于不存在或只存在部分的约束,刚体模态将被检测,这些模态将处于0Hz附近。
与静态结构分析不同,模态分析并不要求禁止刚体运动。
●模态分析中的边界条件很重要,他能影响零件的振型和固有频率,在分析中需要仔细考虑模型是如何被约束的。
●压缩约束是针对非线性的,因此在模态分析中不能使用。
在汽车行驶过程中,转向系统通过螺栓与车架固连。
通过装配图可知,转向系统与车架的具体固连部位A、B、C,在有限元模型中在这三点施加固定约束。
2.3设置求解项
设置求解模态数,求解方法等。
转向系统结构无阻尼系统的一般运动可以表达为各阶固有振型的线性组合。
低阶振动频率的固有振型对结构的动力影响大于高阶振型,也就是说,低阶成分的能量比较大,因此,对于一般转向系统工程结构,低阶振型对结构的动态特性起决定作用,在模态分析时只求低阶的振动频率和振型,通常取前5~10阶即可。
2.4求解并显示求解结果
1.求解并得到各阶固有频率及模态振型。
2.具体的各阶模态振型需要通过模态振型图来判断。
3.转向系统模态分析结果
转向系统结构无阻尼系统的一般运动可以表达为各阶固有振型的线性组合。
低阶振动频率的固有振型对结构的动力影响大于高阶振型,也就是说,低阶成分的能量比较大,因此,对于一般车身工程结构,低阶振型对结构的动态特性起决定作用,在模态分析时只求低阶的振动频率和振型,通常取前5~10阶即可。
前六阶模态为刚体位移模态,不在关注范围内,所以一阶模态从大于1Hz的频率开始计算。
下图为前20阶模态频率图:
以下为部分振型:
一阶模态
二阶模态
三阶模态
四阶模态
五阶模态
六阶模态
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