一种考虑接触的振动强度性能分析方法与流程

1.本发明涉及一种考虑接触的振动强度性能分析方法，特别是涉及一种考虑接 触以及材料非线性关系的悬臂结构件振动强度性能计算方法。属于汽车检测技术 领域。


背景技术：

2.当汽车行驶在凹凸路面时，悬臂结构件将受到不同方向不同大小的力、扭矩 和加速度力，容易发生开裂风险，严重影响车辆的安全性和可靠性。目前对于悬 臂结构件的振动强度性能计算方法是基于线性关系的频率响应分析以获取其振 动强度性能，未考虑悬臂结构件之间相互的接触关系以及材料的非线性关系，未 能准确获取其真实的振动强度特性，直接影响其性能的评估。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种考虑接触的振动强度性能分析方法。
4.本发明一种考虑接触的振动强度性能分析方法，所述方法包括以下步骤：
5.步骤1建立悬臂结构件网格模型；
6.步骤2建立材料非线性关系和面对面接触对；
7.步骤3模态性能分析；
8.步骤4频率响应分析；
9.步骤5获取悬臂结构件振动强度应力值，评估振动特性。
10.进一步的，所述方法中步骤1具体为：
11.将悬臂结构件的三维模型导入至前处理软件中，抽取中性面，对表面进行几 何特征清理和简化处理，采用尺寸为3mm的四边形单元进行网格划分，允许采用 部分三角形单元进行过渡，螺栓连接采用刚性单元模拟，建立网格模型。
12.进一步的，所述方法中前处理软件为hypermesh。
13.进一步的，所述方法中步骤2具体为：
14.基于悬臂结构件网格模型，建立各项同性的材料参数，定义弹性模量为、泊 松比为，设置材料的塑性应力-应变关系。
15.进一步的，所述方法中步骤3具体为：
16.约束悬臂结构件的激励端的所有自由度，设置模态提取频率范围，得到各阶 的模态频率值。
17.进一步的，所述方法中步骤4具体为：
18.采用阵型叠加方法，是将n阶自由度系统的动力学方程，进行一次坐标变换， 用阵型坐标代替原有的有限元节点坐标，经过模态矩阵变换后，得到不耦合的n 个单自由度方程，进行单个求解，再叠加得到动力响应结果。
19.本发明一种考虑接触的振动强度性能分析方法，相比于现有技术的方案，具 有以下优点：
20.本发明提供的分析方法，考虑悬臂结构件之间相互的接触关系以及材料的非 线性关系，能获取其真实的振动强度特性，提高悬臂结构件性能评估的准确性。
附图说明
21.图1为本发明考虑接触的振动强度性能分析方法的流程图。
22.图2为网络模型示意图。
23.图3为频率-应力曲线。
具体实施方式
24.如图1所示，本发明的汽车悬臂结构件的考虑接触的振动性能分析方法流程 为：
25.首先基于悬臂结构件的三维数模建立其有限元模型，建立其相互之间的连接 关系，并且建立面对面接触，同时设置材料的非线性阶段，然后约束其激励端的 所有自由度，对其进行模态性能分析，以获取其各阶固有频率值，再在其激励端 加载振动加速度，对其进行频率响应分析，以获取其频率-应力响应曲线，最终 得到其准确的振动强度应力值，并且评估其振动特性是否满足设计要求。
26.以某轻卡后牌照支架为例，分析过程如下：
27.(1)建立悬臂结构件网格模型
28.将某轻卡后牌照支架的三维模型导入至前处理软件hypermesh中，采用 midsurface功能抽取其中性面，对其表面进行几何特征清理和简化处理，采用尺 寸为3mm的四边形单元对其进行网格划分，允许采用部分三角形单元进行过渡， 其中的螺栓连接采用刚性单元模拟，以此建立其网格模型，如图2所示。
29.(2)建立材料非线性关系和面对面接触对
30.基于牌照支架网格模型，建立各项同性的材料参数(材料牌号为q235)，定 义其弹性模量为2.1e 5mpa，泊松比为0.3，并且设置材料的塑性应力-应变关系， 以此能够考虑材料的非线性关系，如表1所示。
31.表1
[0032] 应力应变1235023750.2633760.9
[0033]
定义接触的摩擦系数为0.15，并且建立通用面对面接触关系，以此能够考虑 各个部件之间的接触关系，能够更准确表征其力学传递关系。
[0034]
通用接触算法能够高度自动定义接触，允许单个接触定义中包含多个接触区 域，其适用于多组件活具有复杂拓扑结构模型的建模。通用接触具有高效便捷性， 其允许表面抗原扩展到不连续的实体，允许多个表面具有公共边线，表面可以同 时包含柔性体和刚性体。面对面接触离散是通用接触对唯一可用的离散方式，其 是以从面节点的平均区域，法向离散从面为多个连续的小平面，接触建立在从面 的离散表面和与之邻近的主面上，其从面和主面都被看作是连续的面，接触方向 为从面法向。
[0035]
(3)模态性能分析
[0036]
约束牌照支架的激励端的所有自由度，基于lanczos方法并设置模态提取频 率范围为0-200hz，以此得到其各阶的模态频率值。
[0037]
lanczos方法的基本原理是首先建立求解区域并将其离散化为有限元，即将 连续体问题分解成节点和单元等个体问题，然后假设代表单元物理行为的行函数， 即假设代表单元解的近似连续函数，建立单元方程，构造单元整体刚度矩阵，施 加边界条件、初始条件和载荷，最后求解线性或者非线性的微分方程组，得到节 点求解结果。lanczos方法可以自动获取结构的固有频率及其阵型，收敛速度快， 减少计算量，提升工作效率。由于结构的低阶频率对其模态性能影响比较大，因 此只需要提取0～200hz范围内额固有频率即可。
[0038]
(4)频率响应分析
[0039]
频率响应分析采用的是阵型叠加方法，其基本原理是将n阶自由度系统的动 力学方程，进行一次坐标变换，用阵型坐标代替原有的有限元节点坐标，经过模 态矩阵变换后，得到不耦合的n个单自由度方程，进行单个求解，再叠加得到动 力响应结果。
[0040]
各个节点在自由振动中位移的一般解：
[0041][0042]
式中ωn为结构的n个固有频率，δ
0n
为其相对振幅，为其相位角。
[0043]
将式(1)求解出无阻尼自由振动的固有频率和固有阵型后，将位移向量δ(t)看 成是阵型δ
0i
的线性组合，即引入变换：
[0044]
δ(t)＝δ
01
x1(t) δ
02
x2(t) ...δ
0n
xn(t)＝δx(t)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0045]
式中δ是阵型矩阵：
[0046]
δ＝[δ
01
δ
02
δ
03
...δ
0n
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
x(t)是待求的阵型幅值向量：
[0048]
x(t)＝{x1(t)x2(t)x3(t)...xn(t)}
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0049]
代入动力学方程中，利用特征向量的正交性，方程简化为n个互不相耦合的 单自由度系统振动方程：
[0050]
mix cix kixi＝fi(i＝1,2......n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0051]
分别对每个方程直接求解，将求得xi的带入其中，由n个阵型叠加，即可得 到结构的动态响应。
[0052]
在牌照支架的激励端施加z方向1g的振动加速度，定义阻尼系数为0.05，定 义频率计算范围为0-200hz，以此对其进行振动性能分析，最后得到其频率-应力 曲线，如图3所示。由图3可知，该牌照支架在33.7hz时达到了峰值，为171.6mpa。
[0053]
根据牌照支架在33.7hz时的应力分布可知，该牌照支架的应力值为171.6mpa， 位于上端螺栓孔处，其应力水平低于材料屈服值，能够满足振动特性设计要求， 符合实际使用要求。
[0054]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明 的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本 发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护 范围内。