驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的建立與仿真

唐云 王桂龍 杜勇

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.合肥工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院）

驅(qū)動(dòng)橋殼作為汽車本身的重要零部件，既是承載件又是傳力件，它能夠影響到汽車的舒適性、安全性與可靠性等方面的性能，要求其一定要滿足足夠的強(qiáng)度和剛度要求。目前，對(duì)橋殼靜態(tài)特性的分析，主要依賴于經(jīng)驗(yàn)公式，即對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力進(jìn)行靜力學(xué)估算，致使驅(qū)動(dòng)橋在某些工況下的強(qiáng)度和剛度不能滿足使用要求，在高應(yīng)力的局部區(qū)域極易發(fā)生破壞，在低應(yīng)力部位所用材料有過剩，有很大的局限性。文章基于新興的虛擬樣機(jī)技術(shù)[1]，輔以有限元計(jì)算，建立精確的橋殼虛擬樣機(jī)模型，能夠很好地解決傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的局限性，更精確地計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋殼的靜態(tài)性能，可以用于驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)指導(dǎo)、開發(fā)和試驗(yàn)研究。

1 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬試驗(yàn)臺(tái)架理論

1.1 基于模態(tài)分析的柔性體動(dòng)力學(xué)求解

在ADAMS 軟件中，柔性體模型的彈性是由其模態(tài)來表示的。其基本思想是賦予柔性體一個(gè)模態(tài)集，借助模態(tài)矢量及模態(tài)坐標(biāo)來表示彈性位移。利用拉格朗日方程，定義柔性模型上任意一點(diǎn)在總體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為q，得到動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)化方程[2-3]:

式中:M——質(zhì)量矩陣；

C——柔性體的阻尼矩陣；

FT——外力矩陣。

1.2 模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)

當(dāng)有限元（柔性體）模型的第i 階固有圓頻率（ωi）、振型矢量（{Φi}）及模態(tài)位移（Qi）已得到，則可由模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)算法求得有限元模型上節(jié)點(diǎn)的模態(tài)應(yīng)力（σ）和反作用力（F）[2-3]。

模態(tài)應(yīng)力:

式中:Eσ——模態(tài)應(yīng)力矩陣，其各元素的值與材料彈性模量及泊松比有關(guān)，取決于有限元模型；

Φ——模態(tài)位移矢量。

模態(tài)反作用力:

式中:ω——ωi的矢量表達(dá)；

U——定義的基于{Φi}和Φ 的節(jié)點(diǎn)位移；

K——橋殼剛度矩陣。

在式（2）中，由于Φ 是柔性體動(dòng)力學(xué)求解中根據(jù)式（1）解得的隨時(shí)間變化的矢量集 Φ（t），因此由式（2）和式（3）即可分別得到節(jié)點(diǎn)模態(tài)載荷歷程{σ（t）}與 F（t）。

2 橋殼中性文件的建立

在建立橋殼的虛擬試驗(yàn)臺(tái)時(shí)橋殼需為柔性體，從而能更為真實(shí)地模擬橋殼的變形運(yùn)動(dòng)，得到橋殼的彈性位移等參數(shù)曲線。在ADAMS 中，柔性體建模方法一般有3 種[4]:1）以柔性梁的形式把構(gòu)件離散為有限段的剛性構(gòu)件；2）直接導(dǎo)入有限元軟件求解結(jié)果（模態(tài)中性文件.mnf）；3）ADAMS/AutoFlex 模塊實(shí)現(xiàn)柔性體的.mnf文件建立。

綜合分析比較這3 種方法，文章選用方法2 建立橋殼的模態(tài)中性文件。

在Hypermesh 中建立有限元模型時(shí)，需要建立與ADAMS 中的剛性體連接的外部節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)將在ADAMS 中實(shí)現(xiàn)與其他部件的連接使用。文章以在有限元模型中創(chuàng)建的剛性區(qū)域的中心點(diǎn)作為外部節(jié)點(diǎn)，借助Hypermesh 自帶的求解器Nastran 模塊，輸出可以提交到Nastran 運(yùn)算的文件[5]，然后在Nastran 中運(yùn)行仿真，生成ADAMS 程序所需要的模態(tài)中性文件和結(jié)果文件Output file(.op2)[6]。將結(jié)果文件導(dǎo)入Patran 中可以看到其應(yīng)力結(jié)果。圖1示出橋殼第1，2 階的模態(tài)應(yīng)力圖。

圖1a 中的模態(tài)應(yīng)力對(duì)應(yīng)于有限元求解中的模態(tài)階次為第7 階，以此類推。

3 虛擬臺(tái)架的建立及仿真分析

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中有關(guān)橋殼臺(tái)架試驗(yàn)程序和流程的介紹，在ADAMS/View中建立簡(jiǎn)單的模型。建立橋殼虛擬試驗(yàn)臺(tái)架的過程為:1）啟動(dòng)ADAMS/View 進(jìn)入建模界面；2）建立包含橋殼中性文件的虛擬試驗(yàn)臺(tái)架；3）驗(yàn)證橋殼中性文件的準(zhǔn)確性，確定模型連接拓?fù)潢P(guān)系的準(zhǔn)確性，并設(shè)置參數(shù)運(yùn)行仿真。

3.1 橋殼試驗(yàn)臺(tái)架的建立

首先，確定ADAMS 中需要的外接點(diǎn)的位置，即剛性區(qū)域的中心節(jié)點(diǎn)，在ADAMS 中相應(yīng)位置對(duì)稱建立2 個(gè)臺(tái)架底座用于安裝固定橋殼，并與大地相連；然后，導(dǎo)入橋殼.mnf 文件，做相應(yīng)調(diào)整使外接點(diǎn)與ADAMS 中的marker 點(diǎn)重合。橋殼虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示。

3.2 橋殼中性文件檢查及校改

將有限元分析的結(jié)果導(dǎo)入ADAMS/View 后需要對(duì)橋殼的中性文件進(jìn)行檢查和校驗(yàn)。相應(yīng)的檢查及校驗(yàn)的項(xiàng)目有:柔性體的尺寸、質(zhì)量、模態(tài)階數(shù)、模態(tài)陣型和頻率等[8]。對(duì)橋殼的阻尼進(jìn)行設(shè)置，提高其與實(shí)際狀態(tài)的差異。在橋殼柔性體上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇Modify，并清除Damping Ratio 旁邊缺省選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中輸入如下的修改函數(shù)：

STEP（FXFREQ，1 000，0.005，3 000，0.1）

此STEP 函數(shù)所表示的含義是:橋殼的模態(tài)頻率在1 000 Hz 以下的模態(tài)，取0.5%的阻尼；頻率在3 000 Hz以上的模態(tài)，取10%的阻尼；頻率在1 000～3 000 Hz 的模態(tài)，由STEP 函數(shù)對(duì)應(yīng)于其頻率大小取阻尼的值。ADAMS 中橋殼的頻率在 198.68～3 617.77 Hz，通過STEP 函數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)橋殼的阻尼都在10%的范圍內(nèi)。

3.3 橋殼的約束及載荷

ADAMS 中的柔性體文件.mnf 導(dǎo)入后可以在其上直接定義約束及各種力元，也可以借助施加模態(tài)力實(shí)現(xiàn)在柔性體對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上的載荷加載等[9]。其中，模態(tài)力通常用來描述加載在柔性體表面的分布載荷，模態(tài)力的施加需要通過編輯有限元載荷文件的方式加載到柔性體上，即編輯載荷文件時(shí)需要準(zhǔn)確描述在哪些節(jié)點(diǎn)上施加何種分布規(guī)律的載荷。

在ADAMS 中的約束要較好地模擬國(guó)標(biāo)中對(duì)橋殼的約束條件。在橋殼與臺(tái)架底座的約束為:左側(cè)外接點(diǎn)處與臺(tái)架底座用固定副約束，右側(cè)外接點(diǎn)處與臺(tái)架底座用移動(dòng)副約束，以保證橋殼仿真過程中不出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉。橋殼載荷施加方式是以模態(tài)力的形式均布在2 個(gè)彈簧底座處，即在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置施加載荷。文章的模態(tài)力在施加后通過相關(guān)函數(shù)編輯改變了其變化規(guī)律。兩側(cè)的臺(tái)架底座用固定副與大地相連。圖3示出橋殼的模態(tài)力、約束及臺(tái)架底座的約束。

3.4 橋殼模態(tài)力的加載

在Nastran 下運(yùn)算生成的模態(tài)中性文件并不包含節(jié)點(diǎn)的載荷信息，需借助ADAMS Flex/Toolkit 命令，實(shí)現(xiàn)將外載荷以載荷文件的形式加載到柔性體中，從而實(shí)現(xiàn)模態(tài)力的加載。文章中實(shí)現(xiàn)模態(tài)力加載的具體步驟（windows7 系統(tǒng)）如下。

首先在Nastran 中生成.mnf 中性文件，編輯生成相應(yīng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)的載荷文件.txt，然后轉(zhuǎn)換成ADAMS Flex/Toolkit 命令可以識(shí)別的文件（文件格式為.loads），把這2 個(gè)文件放在電腦盤符下（如:D 盤）備用。啟動(dòng)cmd，輸入 D:（.mnf 文件及.loads 文件在 D 盤下），然后回車。

接下來輸入命令符:ADAMS2012 flextk mnf.load qiaoke.mnf qiaoke_new.mnf qiaoke.loads解釋:

ADAMS2012——啟動(dòng)ADAMS2012；

flextk——啟動(dòng)flextk 模塊；

mnf.load——mnfload 命令，用于把載荷加載到有限元模型；

qiaoke.mnf——之前創(chuàng)建的橋殼.mnf 文件；

qiaoke_new.mnf——命令執(zhí)行后生成的.mnf 文件，即已經(jīng)關(guān)聯(lián)了載荷的文件；

qiaoke.loads——橋殼的載荷文件。

通過上面的準(zhǔn)備即可完成模態(tài)中性文件均布載荷的加載。按照橋殼滿載的2.5 倍對(duì)橋殼彈簧座的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)施加相應(yīng)大小的載荷。

3.5 橋殼試驗(yàn)臺(tái)架仿真分析及后處理

按照橋殼滿載的2.5 倍對(duì)橋殼彈簧座的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)施加相應(yīng)大小的載荷，在完成載荷文件創(chuàng)建及導(dǎo)入步驟后，可以對(duì)載荷進(jìn)行后續(xù)處理，從而得到同類型不同頻率的模態(tài)力載荷曲線。借助ADAMS 中的STEP函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)幅值為滿載2.5 倍狀態(tài)下不對(duì)稱載荷的創(chuàng)建，其中STEP 函數(shù)表達(dá)式為:

STEP（time，0，0，0.01，2.5*（SIN(ω*time)+0.6））

式中的ω=2πf，f 為頻率。設(shè)置仿真時(shí)間為1 s，仿真步幅STEP Size 為0.01。仿真參數(shù)設(shè)置完成后運(yùn)行仿真，模擬不對(duì)稱載荷下2，5，8，11 Hz 4 種頻率的仿真。仿真結(jié)束后，得到的柔性橋殼記錄下了各階模態(tài)的位移時(shí)間歷程，如圖4所示。

從圖4可以看出，橋殼在ADAMS 中，在不同頻率不對(duì)稱循環(huán)的模態(tài)分布力的作用下，各階次模態(tài)位移時(shí)間歷程的變化趨勢(shì)總體一致，且大部分都處在較小的數(shù)值范圍內(nèi)，僅個(gè)別階次的模態(tài)位移曲線的變化規(guī)律稍有變動(dòng)。圖4中曲線上標(biāo)有“+”的數(shù)值相對(duì)于其他曲線的數(shù)值較大，此曲線即為14，15，26 階對(duì)應(yīng)的模態(tài)位移的時(shí)間歷程曲線，對(duì)橋殼的影響較大。

綜合分析圖4可以看出，在相同形式的載荷作用下，盡管載荷的頻率不同，但是各個(gè)階次模態(tài)位移的時(shí)間歷程曲線的趨勢(shì)和范圍基本相同，即加載的0～15 Hz頻率范圍內(nèi)的載荷對(duì)橋殼的仿真分析影響極其微弱。

通過應(yīng)力云圖，可以找到ADAMS 仿真下橋殼的最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置，依此能夠大概判斷橋殼的靜態(tài)特性，找出危險(xiǎn)區(qū)域。圖5示出橋殼在滿載2.5 倍狀態(tài)不對(duì)稱載荷不同頻率下仿真時(shí)最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置。

圖5中，橋殼左下彈簧座（近后蓋側(cè)）與主體焊接處為node67877；橋殼右下彈簧座（近后蓋側(cè)）與主體焊接處為node19689；橋殼左下彈簧座（近后蓋側(cè)）與主體焊接處為node67878；橋殼左上彈簧座（近后蓋側(cè)）與主體焊接處為node55539；橋殼左側(cè)凸緣盤第1 階軸肩過渡處為node51348。其他的應(yīng)力最大點(diǎn)在此不做相關(guān)解釋。

這樣，一整套橋殼的靜態(tài)特性分析的虛擬樣機(jī)流程已完成。與經(jīng)驗(yàn)公式相比，建立的虛擬樣機(jī)能更快捷與方便地找到橋殼相對(duì)薄弱的區(qū)域，確定橋殼的靜態(tài)特性。

4 結(jié)論

文章介紹了橋殼試驗(yàn)臺(tái)架虛擬模擬的理論基礎(chǔ)，并在ADAMS 中建立橋殼的虛擬樣機(jī)模型，仿真模擬試驗(yàn)的加載及約束等條件，得到不對(duì)稱循環(huán)不同頻率載荷下的時(shí)間歷程文件，可作為后續(xù)疲勞分析的載荷譜。ADAMS/View 作為ADAMS 的基本模塊可以建立橋殼的臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，利用在Nastran 中仿真得到的橋殼的中性文件（.mnf 文件），建立柔性橋殼的虛擬樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，更加真實(shí)地反映了實(shí)際驅(qū)動(dòng)橋殼的狀況，從而能夠精確地進(jìn)行一系列的驅(qū)動(dòng)橋殼試驗(yàn)，節(jié)省了時(shí)間和資源，縮短了試驗(yàn)周期。