基于储物柜模态分析研究振动特性

张龙威，张泽豫



张龙威，张泽豫

（天津科技大学，天津 300222）

建立某款储物柜的几何模型，运用Hypermesh在已建立的几何模型的基础上进行网格划分，根据实际实际情况定义边界条件与施加载荷，完成有限元模型的建立；通过模态分析验证该储物柜的固有模态频率与发动机激励频率相差在3Hz以上，保证储物柜不会与发动机激励产生共振，从而提高NVH性能。

模态分析；储物柜；NVH

前言

近年来，随着汽车行业的不断发展，消费者对于汽车的各项性能提出了更高的要求，而NVH(Noise、Vibration、Harshness)是衡量汽车制造水平的重要标志[1]，它可以直接反映消费者对汽车舒适性的体现。据相关数据调查，整车1/3的故障都与车辆NVH有关，因此NVH问题是国际各大汽车行业和零部件制造商关注的问题一。而我国汽车物流行业在汽车工业中占比较大，但是在NVH行业大多人只是关注整车自身的振动与噪声，极其少数人关注货物是否与汽车发生共振。本文将以储物柜为例研究其运输过程的动态特性，验证储物柜与是否与发动机激励产生共振。

1 储物柜模型的建立

本文研究工作中，主要采用有限元前处理软件Hyper -mesh建立储物柜有限元模型。其中各操作所需的具体研究工作如下[2]：

1）几何模型的清理与简化。在进行有限元网格划分工作前，需要对副车架结构几何模型进行几何清理工作，修正模型导入时出现的错误孔、面、线和因软件之间兼容性产生的错误。由于有限元结构时对实际模型的近似处理，因此在有限元模型建立时，可以在不影响模型整体力学特性上进行适当的几何简化，删除对结构无影响或者影响细微的结构，以减少有限元模型建立的工作量。

2）网格划分。网格单元类型的正确选取不仅直接影响有限元分析计算的准确度，而且还会影响有限元分析计算的时间，在建立模型过程中，通常以四边形单元为主、三角单元为辅相的方式来进行网格划分。

3）网格质量的检验。根据副车架的结构特性，长度、宽度远远大于厚度，故采用壳单元来进行网格划分，经过对副车架网格的多次划分和网格质量的对比，最终以8mm的四边形单元来进行网格划分。对于过渡曲面和可能发生局部应力集中的细节采用三角单元进行划分，充分发挥三角单元的特点，使网格质量得到更好的优化。最终划分的网格单元个数为10485，节点数为10302，单元质量检查规范见表1。

表1 单元质量检查规范

4）材料定义。根据副车架的结构选取材料刚作为模型属性，屈服极限420MPa，弹性模量210000Pa，泊松比0.3，密度7800kg·m-3。

2 模态分析理论

模态是结系统的固有振动特性，其包含固有频率、频率和振型等参数。对于一个N自由度的线性系统，其微分方程如下：

式中，M为结构总质量矩阵，C为结构阻尼矩阵，K为结构刚度矩阵，X为系统节点位移，F为系统的激励力向量。

由于本文分析的储物柜是在无约束状态下进行的，故上式可以简化为无阻尼自由振动微分方程，表达为：

根据振动理论可知，系统的自由振动解析为：

式中，α为各点的节点振幅；为振型的圆频率，为相位角。将式(3)带入式(2)得：

当系统发生自由振动时必然存在位移，故式(4)有非零解，系数行列式应等于零，即

若该系统为 n 阶振动系统，则求解式( 5 )可得到 n 个特征值(频率)及特征向量(振型)[3-4]。

3 储物柜有限元分析

根据相关文献调查，在高速公路和一般城市的路况，路面激励频率大都在25Hz以下[2-3]。汽车在怠速、正常行驶和加速行驶等不同的路面工况下的发动机转速有所不同，发动机传递至后仓的激励也不同。由发动机激振频率公式为：

式中：z—发动机缸数；ω—发动机转速；τ—发动机冲程数。

根据上式得，汽车在开启空调时怠速频率在25~28Hz之间，为了避开发动机怠速频率一般上下浮动2~3Hz，即相对安全的频率范围在22~31Hz之间。所以在储物柜运输过程中，保证储物柜固有频率在安全频率范围之外，对汽车舒适性和安全性有巨大的影响。

用求解器计算出储物柜模型在0~50Hz范围内的固有频率及振型。储物柜模型共有16阶模态，其中1~6阶为刚体模态，由于在NVH模态分析中只关注弹性模态，所以忽略前6阶刚性模态，在这里只关注0~50Hz以内的模态。

表2 前五阶模态分析结果

相应的模态振型如下：

一阶模态：14.2Hz

二阶模态：18.1Hz

三阶模态：33.6Hz 四阶模态：40.9Hz 五阶模态：42.0Hz 图3 4 分析结果 本文基于HyperWorks有限元前处理软件分析研究储物柜在运输过程是否会与发动机激励频率产生共振，研究结果表明：储物柜的前六阶模态分别为14.2Hz、18.1Hz、33.6Hz、40.9Hz、42.0Hz、43.2Hz，前六阶模态都在22~31Hz之外，能够避开发动机产生的激励，故该储物柜在设计方面符合NVH特性。本文研究致力于在运输行业如何避开共振现象有巨大的帮助，增强储物柜的使用寿命，减少汽车振动，对提升NVH具有一定的帮助。 参考文献 [1] 杨年炯,钱立军,关长明.某轿车白车身模态分析[J].机械设计与制造,2010(02):235-237. [2] 郑灏.汽车前副车架有限元分析及优化[D].武汉理工大学,2012. [3] 汪成明.轿车白车身模态分析及其优化[D].合肥工业大学,2007. [4] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动理论与应用[M]北京:北京理工大学出版社,2006:7-10. Study on Vibration characteristics based on Modal Analysis of locker Zhang Longwei, Zhang Zeyu ( Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222 ) Abstract: The geometric model of a certain kind of storage cabinet is established, and the finite element model is established by using Hypermesh on the basis of the established geometric model, and the boundary conditions and applied loads are defined according to the actual situation. The modal analysis verifies that the inherent modal frequency of the lockers differs from the engine excitation frequency above 3Hz, which ensures that the lockers will not resonate with the engine excitation so as to improve the performance of NVH. Keywords: modal analysis; storage tank; NVH CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)21-68-03 中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)21-68-03 作者简介：张龙威，男，安徽滁州人，本科，天津科技大学，研究方向：遥感技术。 通讯作者：张泽豫，男，河南洛阳人，研究生，天津科技大学，研究方向：汽车车身振动与噪声。 基金项目：天津科技大学大学生创新创业训练计划项目（201810057123）。 10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.024