【文章內(nèi)容簡介】 精度，可以省去某些對分析影響不大的特征，這樣可以簡化網(wǎng)格的劃分，避免在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)一些畸形單元的產(chǎn)生，提高計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性。4 驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析汽車在行駛過程中，驅(qū)動橋殼既是承載件又是傳力件，主要承受路面不平度和輪胎不平度所產(chǎn)生的激勵(lì)。因此研究驅(qū)動橋殼是驅(qū)動橋設(shè)計(jì)的重要研究項(xiàng)目，也是研究汽車傳動系振動、噪聲控制和故障診斷的基礎(chǔ)。模態(tài)是振動系統(tǒng)特性的一種表征，它是構(gòu)成各種工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜振動的那些最簡單基本的振動形態(tài)。模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種方法，通過它可以得到固有頻率和振型等系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。固有頻率表明在哪幾階頻率下會產(chǎn)生振動，固有振型則表明在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對變形，它們是進(jìn)行各項(xiàng)動力分析的前提和基礎(chǔ)，為振動系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及故障診斷提供了依據(jù)。模態(tài)分析的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：1）評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)參數(shù)，從而評價(jià)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否符合要求，并檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。2）在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)3）診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障4）控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲結(jié)構(gòu)振動時(shí)，各階模態(tài)對噪聲所產(chǎn)生的影響并不相同，通過調(diào)整或抑制對噪聲影響較大的“優(yōu)勢模態(tài)”，便可達(dá)到降低噪聲的目的。5）識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的載荷 （一）ANSYS公司由John Swanson博士創(chuàng)立于1970年，總部位于賓夕法尼亞州的匹茲堡，ANSYS軟件是該公司的主要產(chǎn)品，它是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)既相互耦合分析于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船生物醫(yī)藥、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。ANSYS程序不但功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍很廣，而且其直觀形象化的圖形用戶界面（GUI）及優(yōu)秀的程序構(gòu)架使其易學(xué)易用。該程序使用了基于Motif標(biāo)準(zhǔn)的GUI，可方便地訪問ANSYS的多種控制功能和選項(xiàng)。通過GUI可以方便地交互訪問程序的各種功能、命令、用戶手冊和參考資料。同時(shí)該軟件提供了完整的在線說明和狀態(tài)途徑的超文本幫助系統(tǒng)，以協(xié)助有經(jīng)驗(yàn)的用戶進(jìn)行高級應(yīng)用[11]。1）ANSYS的處理器ANSYS按功能可分為若干處理器：包括1個(gè)前處理器、N個(gè)求解器、2個(gè)后處理器，幾個(gè)輔助處理器如優(yōu)化處理器等。ANSYS前處理器用于生成有限元模型，指定隨后求解中所需的選擇項(xiàng)；ANSYS求解器用于施加載荷及邊界條件，然后完成求解運(yùn)算；ANSYS后處理提供了強(qiáng)大的后處理功能，使用戶很方便地獲得分析結(jié)果。2）ANSYS的分析功能ANSYS軟件的分析功能包括結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、電磁分析、諧波分析、瞬態(tài)分析、響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動分析和屈曲分析。3）ANSYS與CAD及CAE軟件的接口ANSYS可提供于大多數(shù)的CAD軟件的接口，例如Pro/E、UG、CATIA、IDEAS、SolidWorks等，可直接讀取這些CAD文件的圖形或圖形轉(zhuǎn)換文件。ANSYS還可以直接集成到Pro/E、UG等CAD環(huán)境中，真正作到CAD/CAE一體化。4）優(yōu)化模塊ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)允許優(yōu)化任何合理參數(shù)，包括形狀、應(yīng)力、自然頻率、溫度、磁勢等，可應(yīng)用于任何類型的分析（結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁），并且是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)電磁場、流場以及耦合場優(yōu)化的有限元分析。5）ANSYS的數(shù)據(jù)庫ANSYS使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)及求解結(jié)果。模型數(shù)據(jù)通過前處理器寫入數(shù)據(jù)庫；載荷和求解結(jié)果通過求解器寫入數(shù)據(jù)庫；后處理結(jié)果通過后處理器寫入數(shù)據(jù)庫，如果需要，可為其他處理器所用。（二）ANSYS模態(tài)分析的基本步驟在使用ANSYS軟件分析前，明確其操作過程是相當(dāng)重要的?；静襟E有：1）創(chuàng)建有限元模型(1) 創(chuàng)建或讀入幾何模型；(2) 定義材料屬性，選擇單元類型；(3) 劃分網(wǎng)格（節(jié)點(diǎn)及單元）。2）施加載荷并求解(1) 施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件；(2) 求解。3）查看結(jié)果(1) 查看分析結(jié)果；(2) 檢查結(jié)果（分析是否正確）。在進(jìn)行ANSYS模態(tài)分析時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）必須輸入密度，注意單位2）模態(tài)分析是線性分析，所有非線性選項(xiàng)忽略。3）模態(tài)分析唯一的邊界條件是零約束位移，即自由振蕩。也可以不輸入約束，這將輸出剛體模態(tài)。4）模態(tài)分析的自由度解沒有意義，它只表明了振型，即各個(gè)節(jié)點(diǎn)相對于其它節(jié)點(diǎn)是如何運(yùn)動的（單元應(yīng)力也沒有實(shí)際意義）。5）模態(tài)分析不要采用對稱性（循環(huán)對稱除外）。 自由模態(tài)分析1）導(dǎo)入模態(tài)分析有限元模型，，： ANSYS中驅(qū)動橋殼導(dǎo)入圖圖形導(dǎo)入后，通過Utility Menu/PlotCtrls/Style/Solid Model Facets/Normal Faceting將導(dǎo)入圖轉(zhuǎn)換為實(shí)體圖，： 驅(qū)動橋殼導(dǎo)入ANSYS中的實(shí)體圖驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析，定義驅(qū)動橋殼的單元類型為Solid 45 (Solid Brick 8node 45)，即分析過程選擇的單元為8節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid 45的單元，這種單元有較強(qiáng)的邊界擬合性。對于像驅(qū)動橋殼的這類復(fù)雜的幾何體，采用Solid 45單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格比較理想 。，選擇的單位制如下：彈性模量E的單位是GPa（N/m3），密度單位是kg/m3。只有單位統(tǒng)一了，才能得到一個(gè)合理的有限元分析模型，才能進(jìn)行接下來的分析，從而避免因單位不一致，出現(xiàn)的結(jié)果錯(cuò)誤問題。材料屬性定義：彈性模量(EX)：207GPa；泊松比(PRXY)：；材料密度(DENS)：7850kg/m3。： 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析網(wǎng)格模型圖劃分網(wǎng)格后，查得單元格數(shù)為17331，節(jié)點(diǎn)數(shù)為40972。自由模態(tài)分析在有限元網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，不添加任何約束和載荷力進(jìn)行分析。2）求解后查看分析結(jié)果~： 驅(qū)動橋殼自由模態(tài)分析固有頻率階數(shù)固有頻率（Hz）階數(shù)固有頻率（Hz）一階0七階二階0八階三階0九階四階十階五階十一階六階十二階1048： 自由模態(tài)第一階振型圖 自由模態(tài)第六階振型圖 自由模態(tài)第七階振型圖 自由模態(tài)第八階振型圖 自由模態(tài)第九階振型圖 自由模態(tài)第十階振型圖 自由模態(tài)第十一階振型圖 自由模態(tài)第十二階振型圖橋殼結(jié)構(gòu)雖然左右對稱，但是模態(tài)分析是分析整個(gè)結(jié)構(gòu)的特性，因此模態(tài)分析的模型應(yīng)該是橋殼完整的模型。而不能取其一半進(jìn)行分析，否則就破壞了理論模態(tài)分析的真實(shí)性。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束，如果在某個(gè)DOF處指定了非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束在該DOF處的位置。載荷可以加在實(shí)體模型上或加在有限元模型上。在計(jì)算自由模態(tài)時(shí)，不加約束與力。這種自由狀態(tài)必然導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)剛體模態(tài)：三個(gè)位移模態(tài)，三個(gè)轉(zhuǎn)動模態(tài)。位移模態(tài)由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量決定，轉(zhuǎn)動模態(tài)由三個(gè)轉(zhuǎn)動慣量決定。剛體模態(tài)對應(yīng)的固有頻率為零。考慮到驅(qū)動橋殼在實(shí)際工作狀態(tài)中是受到約束的，所以本課題在下面的模態(tài)分析中，對驅(qū)動橋殼也進(jìn)行了約束模態(tài)的分析，并且在不同的約束情況下對驅(qū)動橋殼頻率的影響比較。 約束模態(tài)分析考慮到驅(qū)動橋殼的實(shí)際工況，下面對其進(jìn)行約束模態(tài)分析。： 驅(qū)動橋殼約束模態(tài)分析固有頻率模態(tài)階數(shù)固有頻率（Hz）一階二階三階四階五階六階，在前面自由模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對彈簧座施加固定約束，： 驅(qū)動橋殼約束模態(tài)施加約束圖： 約束模態(tài)第一階振型圖 約束模態(tài)第二階振型圖 約束模態(tài)第三階振型圖 約束模態(tài)第四階振型圖 約束模態(tài)第五階振型圖 約束模態(tài)第六階振型圖 模態(tài)分析總結(jié)根據(jù)自由模態(tài)分析的情況來看，前6階模態(tài)為剛體模態(tài)，頻率為零或接近為零，前6階振型整體上是作為一個(gè)剛體發(fā)生位移。所以第七階模態(tài)頻率對應(yīng)的模態(tài)為實(shí)際的第一階模態(tài)，后面的依此類推。： 頻率階數(shù)固有頻率（Hz）振型描述第一階0單側(cè)橋殼斜向擺動第六階單側(cè)橋殼上下擺動第七階垂直Y軸U形彎曲第八階垂直Z軸U形彎曲第九階垂直Z軸S形扭轉(zhuǎn)第十階沿X軸橫向縮張第十一階垂直Y軸S形扭轉(zhuǎn)第十二階1048垂直X軸扭轉(zhuǎn) 頻率階數(shù)固有頻率（Hz）振型描述第一階繞X軸前后擺動第二階垂直Z軸U形彎曲第三階垂直Y軸彎扭組合第四階垂直Z軸S形扭轉(zhuǎn)第五階垂直Y軸兩端異向擺動第六階垂直Z軸W形彎曲汽車行駛時(shí)，由路面不平以及發(fā)動機(jī)、傳動系和車輪等旋轉(zhuǎn)部件激發(fā)汽車的振動。通常，路面不平度汽車振動的基本輸入，～25Hz[12]。從自由模態(tài)分析的第七階，即實(shí)際的第一階模態(tài)來看，（考慮到模型簡化的問題，實(shí)際中有一定的差別，但在理論上是可行的），不在上述的激振頻率范圍之內(nèi)，所以不會引起橋殼的共振。對于實(shí)際約束模態(tài)（彈簧座固定約束）第一階模態(tài)來看。從上面的分析結(jié)果可以看出，第一階模態(tài)都遠(yuǎn)離激振頻率范圍。所以此驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)合理，符合動態(tài)設(shè)計(jì)的要求。 基于HYPERWORKS的模態(tài)分析 HYPERWORKS的簡介及其模態(tài)分析步驟（一）HYPERWORKS簡介，它為產(chǎn)品生命周期管理PLM（Product Lifecycle Management）的應(yīng)用提供功能完備的仿真技術(shù)套件。該版本提供高度集成的多學(xué)科仿真工程平臺，大幅度提高仿真效率，可以幫助制造企業(yè)更快地開發(fā)出創(chuàng)新的產(chǎn)品，使得CAE真正成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的核心技術(shù)。它在界面風(fēng)格及操作上較以往版本有較大的變化，操作更為簡單、快捷，使用戶更容易學(xué)習(xí)和掌握[13]。Hyperworks是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級CAE平臺，它集成設(shè)計(jì)與分析所需各種工具，具有強(qiáng)大的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面，具有五大類解決方案，共18大模塊，以滿足CAE技術(shù)發(fā)展的未來趨勢，五大類解決方案如下：1）優(yōu)化設(shè)計(jì)和魯棒性研究2）CAE前后處理平臺3）先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)求解器技術(shù)4）高度集成的制造工藝仿真解決方案5）流程自動化和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（二）HYPERWORKS模態(tài)分析步驟利用HyperWorks進(jìn)行有限元分析的主要步驟，前處理在HyperMesh中完成；求解時(shí)可以根據(jù)分析對象的要求選擇不同的求解器，一般的分析問題可以使用Analysis或OptiStruct求解，優(yōu)化設(shè)計(jì)問題則必須使用OptiStruct求解；后處理可以直接使用HyperMesh的后處理功能，也可以選用HyperView。主要步驟如下：1）前處理，其任務(wù)包括：導(dǎo)入文件（HM/CAD/FEM）設(shè)計(jì)模板（TEMPLATE）幾何清理（Geometry Cleanup）建立材料卡片（Mat Collectors）建立幾何及單元集（Comp Collectors）劃分單元（1D/2D/3D）單元檢查與優(yōu)化（Check Elems/Quality Index）建立載荷集（Load Collectors）施加載荷（Forces/Constrains/Pressure）建立載荷工況（Load Step）設(shè)置計(jì)算參數(shù)輸出有限元文件2）利用Analysis/OptiStruct求解器求解3）HyperMesh或HyperView后處理 自由模態(tài)分析1）建立模態(tài)分析有限元模型本課題所進(jìn)行的模態(tài)分析。將模型導(dǎo)入HYPERWORKS中，并且針對其中出現(xiàn)的幾何模型數(shù)據(jù)丟失問題進(jìn)行局部修復(fù)，比如刪除重合面，填補(bǔ)缺失體等，即前處理任務(wù)中的幾何清理（Geometry Cleanup）。因?yàn)榭紤]到這是兩個(gè)不同軟件之間的交換，所以模型的幾何清理是一個(gè)細(xì)致反復(fù)的過程。： 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析網(wǎng)格模型由于模型在建模過程中選擇的長度尺寸是mm，由此確定一組單位制，在HYPERWORKS的模態(tài)分析中，E的單位是MPa（N/mm3），密度單位是T/mm3。材料屬性定義：彈性模量(EX)：*105MPa；泊松比(PRXY)：；材料密度(DENS)：*109T/mm3。自由模態(tài)分析在有限元網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，不添加任何約束和載荷力進(jìn)行分析。2）求解后查看結(jié)果求解后，查得單元格數(shù)為10733，節(jié)點(diǎn)數(shù)為32033。： 自由模態(tài)第一階振型圖 自由模態(tài)第七階振型圖 自由模態(tài)第九階振型圖 自由模態(tài)第十階振型圖 自由模態(tài)第十二階振型圖 約束模態(tài)分析考慮到驅(qū)動橋殼的實(shí)際工況，下面對其進(jìn)行約束模態(tài)分析。對驅(qū)動橋殼作了如下兩種不同位置的約束：