1、第9章 装配体结构模态分析实例精讲副车架分析,本章内容简介本实例以某工程自卸车副车架结构为计算对象，进行车架联接装配体的模态分析，计算该装配结构在无约束条件下的自由模态参数与在约束条件下的约束模态参数，对识别装配体模型的自由与约束模态参数提供了可借鉴的方法，也为后续进行装配组件结构的动态响应分析提供了基础参数。,本章节主要内容:,问题描述 问题分析 操作步骤 本节小结,9.1问题描述,在车辆设计中，副车架作为车身主要质量的直接承载体，在工程应用中承受多种复杂载荷，如承载卸料时举升作用产生的集中力与满载时传递全部受力到主车架，是决定整车寿命的关键结构部件，如图所示。车架工作时产生的振动，会加速某
2、些零部件的损坏，影响整体性能的发挥，增加运营与维护成本，因此对副车架进行模态分析，对其模态参数进行识别，对进行整车动力性能分析，降低整车振动，减少部件的疲劳失效有着重要的作用。,工况条件,车架由钢结构件焊接而成，使用Steel材料，约束工况按照副车架安装到车辆主车架上的实际情况进行设定（副车架纵梁与主车架的联接设计通常采用形夹紧螺栓或联接支架联接，使副车架与主车架纵梁紧密贴合，以发挥其增强作用），重点考察多个部件装配在一起的车架系统模态参数，要得到该车架的自由模态参数（前10阶）及该车架在工作状态下的模态参数（前4阶），具体计算工作如下所述： （1）计算车架系统（焊接联结）自由条件下的结构模态
3、（前10阶） （2）计算车架系统（焊接联结）约束工况下的结构模态（前4阶）,9.2 问题分析,在第8章实例中介绍了单个零部件的模态分析方法与思路，本章与上一章不同之处是分析的对象不再是单个零部件，而是由若干个零部件按照某种装配关系装配在一起的装配体，本章实例中使用的装配关系为粘结，主要模拟各个部件焊接在一起的效果，如果部件间存在滑移，需要接触关系中定义摩擦系数并设定非线性接触参数；结构的模态频率只和它的质量与刚度有关，在几何尺寸、材料属性确定的情况下，影响结构模态频率的只有刚度，一般来说与材料的弹性模量、部件间的接触关系、所受的约束等因素有关，这些因素的改变会改变结构的模态参数。目前NX中还不
4、能计算施加预应力或预载荷条件下的结构模态，读者分析实际项目时要注意模态分析的使用范围。,9.3 操作步骤,9.3.1 结构自由模态的求解 建立副车架系统的FEM模型 创建FEM的仿真模型 自由模态解算参数的设置及求解 自由模态结果分析9.3.2结构约束模态的求解,9.3.1 结构自由模态的求解,在三维建模环境中打开文件夹路径：Book_CDPartPart_CAE_UnfinishCh09_Frame，打开文件Truck frame.prt，窗口中出现如图所示车架装配主模型。,（1）建立副车架系统的FEM模型,1）依次左键单击【开始】和【高级仿真】，在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Truck
5、 frame.prt】节点，新建FEM，并进行其他操作；单击【确定】按钮即可进入了创建副车架系统FEM模型的环境，注意到仿真导航器的窗口分级树中，出现新增加的仿真数据节点，,设置相关参数,单击确定,仿真导航器新增节点,2）指派材料,单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指定材料】对话框；,设置相关参数,单击确定,3)创建物理属性,单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框,单击【创建】,选择材料,单击【确定】,4)网格属性定义,单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框,单击【确定】,5）划分网格,单击工具栏中的【3D四面体网格】图标
6、，弹出【3D四面体网格】对话框；,设置相关参数,单击确定,划分好网格示意图,单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框，如图所示。,6）检查单元质量,单击该命令,设置相关参数,仿真导航器新增节点,（2）创建FEM的仿真模型,单击【Truck frame_fem1.fem】节点，右键单击弹出【新建仿真】命令，弹出【新建仿真】对话框，默认【名称】为【Truck frame_fem1_sim1.sim】，选择本实例高级仿真相关数据存放的【文件夹】，单击【确定】按钮，如图所示。,单击确定,1）创建解算方案,弹出创建【解算方案】对话框，在【解算方案类型】中切换为【SOL 103 Real E
7、igenvalues】，如图所示，单击【确定】按钮，弹出【解算步骤】对话框，如图所示，默认所有选项参数，单击【确定】按钮即可进入仿真模型环境,设置相关参数,单击确定,单击确定,在工具栏中单击【仿真对象类型】图标，单击弹出的【面对面粘合】命令，弹出【面对面粘合】对话框；,设置参数,单击确定,2）设置仿真对象类型,设置好面对面粘结的模型,1）在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【编辑】命令，弹出【编辑解算方案】对话框，单击【解算方案】下面的【工况控制】选项，设置相关选项及参数；,（3）自由模态解算参数的设置及求解,设置参数,单击该命令,单击确定命令,2018
8、/11/20,2）求解,单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮。稍等相关窗口出现，等待出现【作业已完成】的提示后，如图所示，关闭各个信息对话框。双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境。,后处理导航器新增节点,解算监视器信息状态,2018/11/20,（4）自由模态结果分析,1）在【后处理导航器】窗口出现了结构自由模态计算结果，其中【模式1】至【模式6】的特征值均接近0，它们分别代表刚性体在6个方向上自由度对应的模态值，依次展开【模式1】、【位移-节点的】和【x】，双击【x】节点在图形窗口出现了结构变形云图，如果单击工具栏上的【
9、动画】命令，可以查看结构在受到外界激励下，在空间变形的运动方向，也称之为第1阶模态的模态形状，或者第1阶主振型。具体的振型形式和描述，可以借助动画功能进行查看和评价,2018/11/20,2）自由模态下模式7云图查看,展开【模式7】、【位移-节点的】，双击【幅值】节点即可在窗口出现模型在第1阶固有频率36.44Hz共振时的变形云图，如图所示,第1阶自由模态振型云图,2018/11/20,3）自由模态下模式8云图查看,展开【模式8】、【位移-节点的】，双击【幅值】节点即可在窗口出现模型在第2阶固有频率53.25 Hz共振时的变形云图，如图所示。,第2阶自由模态振型云图,2018/11/20,4）
10、自由模态下模式9云图查看,展开【模式9】、【位移-节点的】，双击【幅值】节点即可在窗口出现模型在第3阶固有频率54.65 Hz共振时的变形云图，如图所示。,第3阶自由模态振型云图,2018/11/20,5）返回到仿真模型环境,单击工具栏中的【保存】命令，保存上述操作成功的计算结果；单击工具栏中的【返回到模型】命令；单击资源条上的【仿真导航器】图标，返回到仿真模型环境。,在上述车架自由模态分析基础上，下面进行工况（约束）条件下的结构模态分析，查看副车架系统结构在约束条件下的模态参数（固有频率和模态形状）的变化。,9.3.2结构约束模态的求解,1）新建解算方案,在【仿真导航器】窗口分级树中单击【S
11、olution 1】节点，右键单击弹出的【克隆】命令，单击复制的【Copy of Solution 1】节点，右键单击弹出的【重命名】命令，将此名称修改为【Solution 2】，如图所示，注意该节点处于激活状态,导航器新增节点,2）添加约束,单击【约束】节点，右键单击弹出的【新建约束】和【固定约束】命令，弹出【固定约束】对话框,设置相关参数,单击确定,3）设置解算步骤相关参数,单击【Subcase - Eigenvalue Method 1】节点，右键单击弹出的【编辑】命令，弹出编辑现有【解算步骤】对话框，修改相关参数，并单击确定；,设置相关参数,单击该命令,单击确定,4）求解,单击【Sol
12、ution 2】节点，右键单击弹出的【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮。稍等相关窗口弹出，等待出现【作业已完成】的提示后，如图所示，关闭各个信息对话框。双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境。,约束模态解算监视器信息,5）结果查看,在【后处理导航器】窗口出现了结构约束模态计算结果，如图所示显示出副车架系统结构在约束状态下的第1至第4阶的频率值，分别为第1阶固有频率97.20Hz，第2阶固有频率为118.8 Hz，第3阶固有频率为157.5 Hz。,约束模态计算结果情况,6）模式1下云图查看,展开【模式1】、【位移-节点的】，双击【幅值】节点即可在窗口出现模型在第1阶频率
13、97.20Hz共振时的变形云图，如图所示。,第1阶约束模态整体振型云图,7）模式2下云图查看,展开【模式2】、【位移-节点的】，双击【幅值】节点即可在窗口出现模型在第2阶频的变形云图，如图所示。,第2阶约束模态整体振型云图,8）模式3下云图查看,展开【模式3】、【位移-节点的】，双击【幅值】节点即可在窗口出现模型在第3阶频的变形云图，如图所示。,第3阶约束模态整体振型云图,2018/11/20,9）退出后处理导航器,单击工具栏中的【保存】命令，保存上述操作成功的计算结果；单击工具栏中的【返回到模型】命令；单击资源条上的【仿真导航器】图标，返回到仿真模型环境。 本实例中其他计算结果和显示模式请参
14、考随书光盘Book_CDPart Part_CAE_FinishCh09_frame文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考影像文件Book_CDAVICh09_ frame _AVI。,2018/11/20,10）自由模态与约束模态分析,通过上述对副车架系统的自由模态与约束模态分析，从表中可以看出，同一个结构，在自由模态与约束模态下求解的频率与振型完全不同，因为约束的施加，改变了系统的刚度，导致系统频率与振型发生变化；约束的不同，会产生不同的模态结果；自由模态反映了系统本身结构的固有属性，而约束模态更能反映结构在实际工况条件下的模态特性。,2018/11/20,9.4本章小结,（1）本实例以工程车辆中副车架系统联接结构的模态分析为对象，重点介绍了装配体结构的模态分析处理方法，依次计算了结构的自由模态和工况模态，并且对比分析了两种模态方法对模态参数的影响，阐述了两种方法的使用区别。 （2）介绍了装配体的两种处理方法，即非关联FEM装配方法和FEM装配方法，再通过本实例非关联FEM装配模型的操作练习，在实践中灵活掌握它们的使用方法，可以为大型装配件做结构分析提供基础。 （3）在上述基础上可以进行结构模态优化分析，比如以整个模型的重量最小为目标，以控制某个频率范围为约束条件，以非重要尺寸为设计变量，对整个模型进行修正和优化，具体可以参加第3章所述,
