基于ANSYS的某型汽车半轴振动分析

周鑫

基于ANSYS的某型汽车半轴振动分析

周鑫

（陕西理工大学机械工程学院，陕西汉中723000）

本文以某汽车半轴为研究对象，分别利用等截面均匀梁固有频率计算方法和ANSNS有限元分析软件，对半轴的固有频率与半径关系进行计算和仿真分析。通过对数值计算和仿真结果的分析比较，得出在特定的条件下，半轴的固有频率随着半径的增大而增大，根据数值计算得到半径与半轴固有频率成线性关系。

半轴；振动；有限元；模态分析

随着重工业的迅猛发展汽车技术越来越成熟，消费者对于汽车舒适性的要求也不断提高。一般通过减少和降低振动来提高舒适性，而汽车的振动是由很多因素造成的，比如轮胎、半轴、减震等等。在研究很多机械设备构件振动的问题上，通常可以把构件转化为梁来考虑。目前国内的许多学者研究了梁横向振动固有频率，崔灿等人提出了一种变截面梁横向振动特性的半解析法，李克安通过数值计算分析了等截面悬臂梁的振动，钱波等人提出了一种计算梁的横向振动的固有频率的方法，通过振型函数导出了求解梁横向振动固有频率的微分方程，李彪等通过Mtalab研究了弹簧系数可任意变化的混杂边界下的轴向运动梁的横向振动特性。对于轴的横向弯曲自由振动，在等截面的情形下，利用常系数微分方程的通解表达式，容易求出固有频率[1]。某型汽车半轴如图1.

图1 汽车半轴

其振动影响汽车在行驶过程中的舒适性。本文通过数值计算和有限元方法的比较，研究半径与半轴的固有频率的关系，为在工程设计时，基于给定安装条件下的固有频率避免产生共振提供参考依据。

1 半轴固有频率的计算

基于某型汽车半轴测量数据，把半轴简化为长约280 mm，半径为12mm的轴模型。

1.1 等截面均匀轴固有频率的计算

变截面梁横向振动的振动方程为[2]：

式中，ω为振动频率，Y（x）为振动挠度，EI（x）、m（x）分别为所取微段的截面抗弯刚度和梁的单位长度的质量。

对于长为l的等截面均匀简支梁，由于EI（x）、m（x）为常数，则式（1）为四阶常系数线性齐次振动微分方程，求其通解后根据边界条件，可确定各阶固有频率为[3]：式（2）中I为截面的惯性矩，E为弹性模量，m为单位长度的质量，而圆形的惯性矩公式：

式（3）中R为圆的半径，把式（3）带入式（2）可推导是等截面均匀轴的各阶固有频率：

式（4）中ρ为单位长度的密度，其中R是圆形截面的半径。

由此可知，当l和E一定，随着半径的增大，半轴固有频率随着半径的增大而增大，呈现一定的线性关系。

2 有限元仿真

2.1 数值仿真前处理

在有限元仿真软件ANSYSWorkbench中建立半轴模型，长约为280 mm，半径初为12 mm，定义的材料为结构钢，其结构钢的参数如表1所示。

表1 结构钢参数

网格的疏密和质量决定了分析结果的准确性，本文采用Automatic划分网格的方法划分汽车半轴模型[4，5]。划分网格完成后，得到83 826个节点，23 402个单元，边界条件设置为两端固定。半轴网格图如图2所示。

图2 半轴网格

2.2 数值仿真结果与分析

在ANSYS Workbench-Modal分析中，求解器类型中提供了程序控制，直接算法和迭代算法3种选择，在此采取默认设置，算法由程序控制[6]，分析当半径分别为10 mm、12 mm、14 mm、17.5 mm、20 mm、25 mm时对应的等截面均匀轴的6阶频率和半径对固有频率的影响[7]。通过有限元方法分析求解后得到的不同半径对应的一阶模态图如图3所示。

（续下图）

（续上图）

（续下图）

（续上图）

图3 一阶模态变化图

对分析结果数据处理，分别绘制各阶固有频率随半径变化曲线图如图4所示，1阶固有频率随半径变化曲线图如图5所示。

图4 各阶固有频率随半径变化曲线

图5 1阶固有频率随半径变化曲线

由图4可看出，随着半径的变化各阶固有频率增长趋势基本相同。一阶、二阶固有频率相同；三阶、四阶固有频率基本相同；五阶固有频率在一定的区间内波动，六阶固有频率变化最为不规则。由图5可以得到一阶固有频率随半径的增大而增大。

3 结论

本文通过数值计算和有限元方法中的模态分析两种方法对比研究，分析两种计算结果得出以下结论：

（1）通过数值计算等截面轴的固有频率，发现半轴的固有频率与半径之间的关系。在等长、等截面和同材料的情况下，半轴一阶固有频率随着半径的增大而增大，呈线性关系。

（2）利用有限元方法中的模态分析进行了实例仿真，得出半轴一阶固有频率随着半径的增大而增大，与数值分析的结果结论一致。

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[5]张文宠，杨洪涛，王福元．三坐标GPS定位精度标定机结构设计与特性分析[J].组合机床与自动化加工技术，2015（7）：53-56．

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The Half Shaft Vibration Analysis of a Certain Type of Automobile Based on ANSYS

ZHOU Xin
（School of Mechanical Engineering，Shaanxi SCI-TECH University，Hanzhong Shaanxi723000，China）

The paper studies a certain type of automobile half shaft.We do some calculation and simulation analysis to the relationship of the half shaft natural frequency and the radius by using the method of calculating natural frequency of the uniform beam and finite element analysis software ANSYS.Through the analysis of the results of numerical calculation and simulation comparison，we come to the conclusions：under certain conditions，the natural frequency of half shaft will increase with the increasing of the radius；a linear relationship exists between the radius and the natural frequency of half shaft.

half shaft；vibration；finite element；modal analysis

U463.218

A

1672-545X（2017）02-0046-03

2016-11-23

周鑫（1992-），男，陕西宜川人，硕士研究生，主要研究方向为汽车节能与能量转换技术。