汽車動(dòng)力總成慣性參數(shù)測(cè)試臺(tái)支架分析及優(yōu)化

胡 勇

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東 珠海 519090)

汽車動(dòng)力總成慣性參數(shù)測(cè)試臺(tái)所測(cè)對(duì)象的體積較大，質(zhì)量大，移動(dòng)困難。為了保證測(cè)試安全，支架必須有較大的強(qiáng)度[1]。目前，針對(duì)鐵架和鋼架類的有限元分析集中在立體車庫支架、建筑物支架、吊塔等方面，而對(duì)汽車動(dòng)力總成慣性參數(shù)測(cè)試臺(tái)的支架有限元仿真分析較少，為進(jìn)一步研究測(cè)試臺(tái)固有頻率和變形對(duì)測(cè)量誤差的影響，有必要對(duì)汽車動(dòng)力總成慣性參數(shù)測(cè)試臺(tái)的支架和擺盤進(jìn)行模態(tài)及靜力學(xué)分析[2-5]。

1 支架有限元分析模型

1.1 模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的模態(tài)方程可表示為[6]：

(1)

分析運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)時(shí)，F(xiàn)常常為零。略去阻尼矩陣C，其動(dòng)力性能求解的基本方程如下：

(2)

令

μ=X·sin(ωt)

(3)

式中：X為振幅；ω為固有頻率；t為時(shí)間。

將式(3)代入式(2)中，可得：

K-ω2·M·μ=0

(4)

求解式(4)與式(2)，所得結(jié)果就是該系統(tǒng)的固有頻率與振型。

1.2 支架有限元模型

測(cè)試臺(tái)支撐支架結(jié)構(gòu)簡單，下擺盤通過3根鋼繩與上擺盤連接，形成平行三線擺。下擺盤能承受1 200 kg的動(dòng)力總成。下擺盤由圓盤、加固圓柱和加固鋼槽組成，加固鋼槽選用8#鋼槽[7]。支撐支架實(shí)物和下擺盤實(shí)物如圖1所示。

圖1 支撐支架實(shí)物和下擺盤實(shí)物圖

由于鋼管、側(cè)柱、橫梁、上擺盤等是用螺栓連接在一起的，因此桿件之間可以傳遞力和力矩。支架總體高度為6.53 m，因此可對(duì)支架作以下假設(shè)：支架不與其他結(jié)構(gòu)有干涉，獨(dú)立矗立于密閉空間；忽略室內(nèi)風(fēng)力風(fēng)速、地面激勵(lì)等因素；不考慮待測(cè)動(dòng)力總成放置前后支架的運(yùn)動(dòng)對(duì)支架的影響；不考慮支架總成及加載后待測(cè)動(dòng)力總成的重力對(duì)地面的影響；支架無變形、缺陷。網(wǎng)格處理時(shí)需要對(duì)吊孔以及對(duì)仿真結(jié)果影響較小的螺栓孔等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行理想化處理，忽略對(duì)結(jié)果沒有明顯影響的支架過渡焊角等，假定地面硬度足夠不會(huì)發(fā)生變形。最終測(cè)試臺(tái)支架網(wǎng)格有186 623個(gè)單元、261 119個(gè)節(jié)點(diǎn)。螺栓連接選擇剛性RIGID單元連接。安裝支座與鋼管焊接后，再與地面用膨脹螺栓連接，形成固定結(jié)構(gòu)，地面約束為6自由度全約束[8]。其模型及約束如圖2所示。

圖2 有限元模型及約束圖

2 支架有限元分析

支架未放置汽車動(dòng)力總成時(shí)，主要承受支架本體、上擺盤、橫梁和頂端橫梁、下擺盤(用于懸掛下擺盤的鋼繩的質(zhì)量可以略去)的質(zhì)量等。本文將Hypermesh中的支架有限元模型放在ABAQUS中進(jìn)行計(jì)算，分析了前10階自由振型，計(jì)算出其固有頻率。表1 是支架的固有頻率，圖 3～6展示了含下擺盤的測(cè)試臺(tái)支架前4階振型情況。

表1 含下擺盤的測(cè)試臺(tái)支架固有頻率

圖3 1階模態(tài)

圖4 2階模態(tài)

圖5 3階模態(tài)

圖6 4階模態(tài)

實(shí)際上，測(cè)試臺(tái)可能受到的外部激勵(lì)有地面的激勵(lì)和測(cè)試時(shí)下擺盤擺動(dòng)而產(chǎn)生的擺動(dòng)激勵(lì)，在外部激勵(lì)情況下，測(cè)試臺(tái)可能會(huì)形成共振。

3 測(cè)試臺(tái)支架的優(yōu)化及分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

測(cè)試臺(tái)的質(zhì)量主要集中在測(cè)試臺(tái)頂端，造成上端太重。由于測(cè)試臺(tái)支架太高，頂端離最下端約束的地方太遠(yuǎn)，其固有頻率不高，因此可以通過減少頂端的質(zhì)量、增加地面強(qiáng)度、改變結(jié)構(gòu)或在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化時(shí)改變支撐元件等方式來提高測(cè)試臺(tái)支架的固有頻率。稱重法的原理要求擺線的長度和扭擺半徑是有一定比例的，比值需要大于10[9]。為方便運(yùn)送待測(cè)動(dòng)力總成，修建了強(qiáng)度足夠的高2 m左右的臺(tái)階和一條深2 m的斜溝。此外，將支架高度由6.0 m改為2.1 m，3根鋼管立柱厚度由8 mm改為20 mm，工字梁的厚度加大10 mm，測(cè)試臺(tái)改進(jìn)方案和支架如圖7所示。

圖7 測(cè)試臺(tái)改進(jìn)方案和支架示意圖

3.2 優(yōu)化后支架的模態(tài)分析

表2顯示了優(yōu)化后支架模態(tài)分析結(jié)果，圖8～11展示了測(cè)試臺(tái)支架前4階振型情況。

表2 測(cè)試臺(tái)滿載工況支架固有頻率

圖8 優(yōu)化后1階模態(tài)

圖9 優(yōu)化后2階模態(tài)

圖10 優(yōu)化后3階模態(tài)

圖11 優(yōu)化后4階模態(tài)

4 優(yōu)化后的靜力學(xué)分析

4.1 測(cè)試臺(tái)支架的應(yīng)力

應(yīng)力分析如圖12所示。下擺盤最大應(yīng)力為154.3 MPa，位置在下擺盤邊緣。支架的最大應(yīng)力為117.7 MPa，位置在上擺盤安裝孔處。

圖12 測(cè)試臺(tái)支架的應(yīng)力云圖

4.2 測(cè)試臺(tái)支架的變形

從圖13中可以看出，由于上擺盤和頂端橫梁承受的主要是吊力，其也有相應(yīng)變形。下擺盤最大變形量為3.61 mm，位于下擺盤邊緣；支架最大變形量為1.57 mm，位于上擺盤。

圖13 支架及下擺盤變形圖

5 結(jié)束語

本文對(duì)現(xiàn)有的某測(cè)試臺(tái)支架進(jìn)行了有限元分析，測(cè)試臺(tái)支架前10階振型情況顯示其固有頻率較低。根據(jù)測(cè)試臺(tái)測(cè)試原理，針對(duì)其支架的固有頻率較低易被激發(fā)的可能對(duì)測(cè)試方案進(jìn)行了新的工程設(shè)計(jì)，有限元分析結(jié)果說明優(yōu)化后的支架固有頻率有較大提高，下擺盤和支架都存在變形，分別為3.61 mm和1.57 mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。下擺盤和支架的變形對(duì)動(dòng)力總成慣性參數(shù)的測(cè)量精度有一定影響，但本文側(cè)重于測(cè)試臺(tái)支架的有限元分析，對(duì)環(huán)境、地面以及誤差等方面沒有展開研究，下一步工作可在如何減少測(cè)量總成慣性參數(shù)的誤差上展開研究，如進(jìn)一步研究測(cè)試臺(tái)支架的固有頻率與試驗(yàn)誤差之間的關(guān)系、測(cè)試臺(tái)的擺盤變形與實(shí)驗(yàn)誤差之間的關(guān)系。