貨艙橫梁模態(tài)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

王新博 ，朱學(xué)斌 ，楊少東 ，王玉剛 ，安光樂(lè) ，劉智云

(1．泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000；2.火箭軍駐濟(jì)南地區(qū)代表室，山東濟(jì)南 250000)

0 引言

在車輛運(yùn)輸中，貨艙是常用的裝載工具，它一般通過(guò)支撐橫梁將運(yùn)載的貨物質(zhì)量傳遞到車架上。某貨艙支撐橫梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)了焊縫開(kāi)裂的情況，針對(duì)此情況，本文作者從有限元仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面分析其原因，并提出解決方案。實(shí)驗(yàn)分為兩部分：振動(dòng)測(cè)試及靜載逐級(jí)加載實(shí)驗(yàn)。

1 橫梁振動(dòng)特性的有限元仿真

該橫梁承受的正常載荷為100 kN，由于下方需要通過(guò)變速箱到分動(dòng)箱的傳動(dòng)軸而做了避讓處理，出現(xiàn)了穹窿型的內(nèi)凹形狀，形成了承載上的薄弱環(huán)節(jié)，致使此處焊縫產(chǎn)生開(kāi)裂。穹窿結(jié)構(gòu)開(kāi)口大的方向朝向車前，車架橫梁三維圖如圖1所示。

首先建立橫梁的有限元模型，通過(guò)仿真計(jì)算提取其前八階模態(tài)[1]，位移云圖如圖2所示。

圖1 車架橫梁三維圖

由圖可知，第一階模態(tài)的振動(dòng)頻率為317 Hz，振型表現(xiàn)為以車架中心線為對(duì)稱軸的橫梁整體上下彎折；第二階模態(tài)的振動(dòng)頻率為562 Hz，振型表現(xiàn)為橫梁整體做橫向扭振；第三階模態(tài)的振動(dòng)頻率為730 Hz，振型表現(xiàn)為以車架中心線為對(duì)稱軸的橫梁整體前后彎折；第四階模態(tài)的振動(dòng)頻率為1 142 Hz，振型表現(xiàn)為前端單側(cè)翼板的翹曲；第五階模態(tài)的振動(dòng)頻率為1 216 Hz，振型表現(xiàn)為前端雙側(cè)翼板的翹曲；第六階模態(tài)的振動(dòng)頻率為1 403 Hz，振型表現(xiàn)為雙側(cè)前后翼板的翹曲;第七階模態(tài)的振動(dòng)頻率為1 498 Hz，振型表現(xiàn)為斜對(duì)角翼板的翹曲;第八階模態(tài)的振動(dòng)頻率為1 578 Hz，振型表現(xiàn)為單側(cè)前后翼板內(nèi)側(cè)上鼓。

圖2 橫梁前八階模態(tài)圖

2 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

振動(dòng)測(cè)試是在正弦波振動(dòng)信號(hào)發(fā)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的，并添加了相當(dāng)于縱梁的夾具，以提高實(shí)驗(yàn)與實(shí)際情況的吻合性。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)有自身的固有振動(dòng)頻率，會(huì)混雜到實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，因此需要在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中做甄別去除。

加速度傳感器的布置如圖3所示，在橫梁試件左右兩端分別為第1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)，中間位置為第3號(hào)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)加速度譜線如圖4所示，振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)的頻率列于表1。

圖3 傳感器布置圖

圖4 測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)加速度譜線圖

表1 測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)頻率

測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)加速度譜線如圖5所示，振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)的頻率列于表2。

圖5 測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)加速度譜線圖

表2 測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)頻率

測(cè)點(diǎn)3的振動(dòng)加速度譜線如圖6所示，振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)的頻率列于表3。

圖6 測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)加速度譜線圖

表3 測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)頻率

夾具1固有頻率振動(dòng)加速度譜線如圖7所示，振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)的頻率列于表4。

圖7 夾具1振動(dòng)加速度譜線圖

表4 夾具1振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)頻率

夾具2的振動(dòng)加速度譜線如圖8所示，振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)的頻率列于表5。

圖8 夾具2振動(dòng)加速度譜線圖

表5 夾具2振動(dòng)加速度峰值及對(duì)應(yīng)頻率

由于測(cè)試結(jié)果中耦合了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)頻率，需要通過(guò)對(duì)比分析濾除掉這些耦合的頻率，然后參照仿真結(jié)果，得到橫梁自身真實(shí)的固有振動(dòng)頻率，如表6所示。

表6 測(cè)點(diǎn)、試驗(yàn)臺(tái)與仿真結(jié)果固有振動(dòng)頻率對(duì)照分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)耦合振動(dòng)頻率進(jìn)行濾除后，以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻率值作為車輛行駛過(guò)程中該橫梁固有振動(dòng)頻率的真值[2]，即表6最后一行所列出的頻率值。

3 結(jié)論

分析有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法所得部件固有振動(dòng)頻率存在部分偏差的原因：

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果包含實(shí)驗(yàn)臺(tái)固有頻率的影響，需要甄別去除。

(2)試件與實(shí)驗(yàn)臺(tái)及夾具采用四點(diǎn)螺栓固定，會(huì)使某些實(shí)驗(yàn)值略高，也使某些振型沒(méi)有振起來(lái)。

(3)由于試件與實(shí)驗(yàn)臺(tái)及夾具的耦合效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生某些新頻率。

(4)鋼板厚薄不均，會(huì)使某些實(shí)驗(yàn)值略低。

(5)實(shí)際的材料密度與計(jì)算模型不完全一致。

(6)因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)有限，實(shí)驗(yàn)中有些局部振動(dòng)的高階頻率可能會(huì)漏測(cè)。

固有振動(dòng)頻率的仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，有限元仿真結(jié)果能清晰地看出包括幾何體內(nèi)部的所有節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移及整體振型[3]，而實(shí)驗(yàn)?zāi)馨褜?shí)際件的厚薄及密度反映到測(cè)值上，對(duì)二者取長(zhǎng)補(bǔ)短加以結(jié)合，利用仿真結(jié)果將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的耦合頻率濾除掉，得到部件真實(shí)的固有振動(dòng)頻率。從1 578 Hz這階模態(tài)可以看出仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都是準(zhǔn)確的。

基頻300 Hz的這階模態(tài)表現(xiàn)為橫梁左右對(duì)稱的整體振動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車輛行駛時(shí)路面造成的振動(dòng)頻率。由于頻率過(guò)高，一次沖擊激起該頻率的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，不會(huì)形成共振。因此進(jìn)行100、200、300 kN的逐級(jí)遞增加載實(shí)驗(yàn)，從靜力上解決該部件的破壞問(wèn)題。