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Altair?2011?HyperWorks? 技术大会论文集?

基于 HyperWorks 的汽车转向系统模态分析
李飞亚 王卓 张剑 长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院 CAE 工程所 重庆 401120

摘要:本文针对某款车的转向系统,运用 HyperMesh 建模,进行模态分析。然后用后处
理软件 Hype

rView 观察其结果,并通过对应变能云图进行分析来进行模态优化。优化后, 转向系统的一阶垂向模态提高了 1Hz,而转向系统的质量减轻了 0.45kg,在降低成本的同 时提升了产品的性能。 关键词:转向系统 建模 后处理 优化 性能 成本

1 概述
转向系统是汽车结构中一个非常重要的子系统,其性能的好坏会给用户最直观的体现。 如果其设计刚度不足, 就容易在低频时产生较高的灵敏度响应, 进而发生方向盘振动的现象。 在很多时候,转向系统性能的好坏会直接影响到顾客是否会购买该汽车。因此,在进行转向 系统设计的时候,要充分考虑其刚度要求。 在传统的开发流程中, 需要对样车进行测试才知道方向盘是否会发生振动现象。 如果这 个时候再采取补救措施,会面临改动空间小,成本大、周期长等问题,而且往往效果不甚理 想。如果运用 CAE 方法对转向系统进行模态分析,前期发现问题,进行整改优化,那么就 可以避免上述问题。本文案例运用 Altair 公司的有限元前处理软件 HyperMesh 和后处理软 件 HyperView 对某款车的转向系统进行分析,在前期发现了问题,并提出了解决方案。实 现了该车在性能上和成本上的领先。

2 有限元理论
N 自由度系统振动微分方程

M x + C x + Kx = f ( t ) ?
其中,M 为质量矩阵,C 为阻尼矩阵,K 为刚度矩阵, f ( t ) 为激励力。对于无阻尼自

??

?

‐?1?‐? ?

Altair?2011?Hy yperWorks? 技术 术大会论文集

由振 振动, C = 0 , f ( t ) = 0 ,方程变为:?

M x + Kx = 0 ?
设特解?

??

x = ? jωt ?
程化为? 则微分方程

( K ? ω M )? = 0 ?
2

得特征方程 程?

K ? ω 2M = 0 ?

ω 为系统的 的固有频率, ? 为相应的 的振型。?
?

3模 模态计算
3.1 建模
转向系 系统可以分为 3 个部分:转向支撑(C CCB)、转向柱以及转向 向盘。转向支 支撑 用 shell 单元 元模拟,支架 架与横管之间 rbe2 单元 间用 元进行连接。 。转向柱外壳 shell 单元模 壳用 单 拟,轴心用 beam 单元模拟,衬套用 用弹簧单元模 模拟,并附上 上合适的刚度 度值。转向盘用实 体单元建模 模。

图1 转 转向系统有限 限元模型

3.2 计算参数
把转向 向系统放在 TB 车身里进行 行模态计算。 。计算参数可 可以在 Hype erMesh 里面进行 设置,频率 率计算范围 0 到 40Hz。

‐?2?‐? ?

Altair?2011?Hy yperWorks? 技术 术大会论文集

3.3 模态结果
用 Alta 公司的后处 air 处理软件 Hy yperView 可以查看模态结 结果:

图 2 转向系统 统模态振型图 图

通过 H HyperView,可以看到其 其模态值并观察 察转向系统的 的振型。

4优 优化
从整车的设 设计要求来看 转向系统的 看, 的模态值偏低 在发动机怠 低, 怠速时方向盘 盘有振动的风 风险, 所以 以需要进行优 优化。 用 HyperView 查看计算 算结果的应变 变能分布:

? 图 3 转向系统应 3? 应变能分布图 图?

以看出,转向柱上支架承受了很大的应 应变能,且在 在缺口位置有 有应力集中现 现象; 从图中可以 而转 转向支撑上面 面的盖板有很 很大面积没有应变能分布。 。进而提出优 优化方案:
‐?3?‐? ?

Altair?2011?Hy yperWorks? 技术 术大会论文集

方案 1:转向柱上安 安装支架加厚 厚,并把缺口 口应力集中处 处适当拉宽 方案 2:优化转向轴 轴托架的结构 构 方案 3:去掉两个转 转向托架加强 强件 优化后,转 转向系统的一 一阶垂向模态比优化前提高 1Hz。 高了

5结 结论
通过对转向 向系统结构的 的优化,有效地降低了转向系统对低频 频振动的灵敏 敏度。

图 4 转向系统灵 灵敏度分析图 图

从上图可以 以看出, 转向系 系统的一阶模 模态有了提高 对低频振 高, 振动的灵敏度 度也有很大程 程度的 降低 低。通过对应 应变能的分析对 对结构进行优 优化,可以使 使材料得到充 充分的利用,提高了系统 统的刚 度。与此同时,系 系统的质量也 也减轻了 0.4 45kg。从而,转向系统的 的一阶垂向模 模态提高了 1H Hz, 规避 避了怠速时方 方向盘振动的 的风险。 可见,把 C CAE 手段融入 入开发流程,可以有效的 的提高产品的 的性能,缩短 短开发周期,降低 成本 本,而 Hyper rWorks 在其 其中扮演者至关重要的作用 用。

6 参 参考资料:
[1] HyperMesh 从入门到精 h 精通 于开平 平、周传月等 等编著 张胜 胜兰等编著

[2] 基于 Hyper rWorks 的结 结果优化设计技 技术 [3] Nastran 快速 速入门与实例 例 [4] 振动结构模 模态分析 李增刚 刚编著

曹树谦、张文 曹 文德等编著

姓名 名:李飞亚 电 电话:023-6 67921060 手 手机:135942 265151 地址 址:重庆市渝 渝北区双凤桥 桥空港 大道 589 号邮箱 道 箱:flycava@ @163.com
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Modal Analysis of Steering System Based on HyperWorks
Abstract: In this paper, a van's steering system, the use of HyperMesh modeling, modal analysis. HyperView post-processing software and then observe the results, and through the cloud of the strain energy analysis for modal optimization. Optimization, the steering system of first-order vertical mode increases 1Hz, while the steering system reduces the quality of 0.45kg, reducing costs while improving product performance. Key words: Steering system, modeling, post-processing, optimization, performance, cost

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