基于ANSYS的汽车传动轴模态识别.pdf
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1、第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言弯曲振动和扭转振动是目前传动轴动平衡研究的两个主要方面。当传动轴工作时,假如自身固有频率与外部激励的频率相近时就会产生共振现象,整个传动系统将发生弯曲振动1。扭转振动的研究当前仍以理论计算为主。随着有限元方法的兴起,利用有限元仿真解决传动轴振动问题的应用也越来越多。Righettini 等2提出了一种有限元分析的计算方法,得到了简化的有限元模型;张立军等3从激励传递路径响应的分析角度,探讨了十字轴万
2、向节激励、传递路径和传动轴激励的响应等三方面的解决方案;谢亮亮等4对传动轴模型进行简化并多次利用 Workbench 仿真软件进行仿真得出重要模态参数,在此基础上运用 MATLAB 进行优化设计,提高了传动轴的临界转速,使传动轴的设计得到了优化。上述研究虽取得很大进展,但多为仿真,未通过具体试验测试验证其结果的可靠性。本文首先基于 ANSYS 软件对传动轴进行有限元模态仿真,得出固有频率和振型等动态参数,进而通过 LMSSCADAS 数据采集器利用锤击法对传动轴进行试验模态分析,测试传动轴传递函数,提取其固有频率和主振型,从而验证有限元分析结果的正确性。避开传动轴工作过程中出现共振现象,从而达
3、到减振降噪的作用5。而且为选择合适的材料来满足传动轴工作时的强度、刚度要求提供可靠数据。1 有限元模态分析1.1 模型建立 本实验采用间接建模的方式,利用卷尺、直尺、游标卡尺等测量工具,测得传动轴中间轴管的大径doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.005基于 ANSYS 的汽车传动轴模态识别陈美宏,徐传燕,许春晓,李光胜(250357山东省济南市山东交通学院汽车工程学院)摘要 传动轴在汽车动力传输过程中起着传递动力和扭矩的作用,不合理的设计会导致传动轴产生较大的振动和噪声,严重时会出现弯曲甚至断裂现象。基于 ANSYS 有限元分析软件建立传动轴仿真模型,分析
4、获取传动轴固有频率及模态振型。通过锤击测试法对传动轴进行试验模态分析,与有限元分析结果对比,各阶模态固有频率的最大误差未超过 5%,验证了传动轴模态与有限元计算结果的可靠性,2 种结果存在误差的原因主要包括尺寸测量误差、材料属性误差及试验环境条件产生的误差等,为传动轴减振和降噪等提供依据。关键词 传动轴;有限元分析;试验模态 中图分类号 U463.2 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0020-05引用格式:陈美宏,徐传燕,许春晓,等.基于 ANSYS 的汽车传动轴模态识别 J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):20-24.Modal identificat
5、ion of automobile transmission shaft based on ANSYS methodCHENMeihong,XUChuanyan,XUChunxiao,LIGuangsheng(SchoolofAutomotiveEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,Shangdong,China)AbstractTransmissionshaftplaysaroleintransmittingmotionandtorqueintheprocessofautomobilepowertransmission.Unre
6、asonabledesignwillleadtolargervibrationandnoiseofthedriveshaft,seriousbending,andevenfracturephenomenonwilloccur.ThetransmissionshaftsimulationmodelwasestablishedbasedonANSYSfiniteelementanalysissoftwaretoanalyzeandobtainthenaturalfrequencyandmodalshapeofthetransmissionshaft.Comparedwiththefiniteele
7、mentanalysisresults,themaximumerrorofthenaturalfrequenciesofeachmodewaslessthan5%,whichverifiedthereliabilityofthetransmissionshaftmodalandfiniteelementcalculationresults,andanalyzedthereasonsfortheerrorofthetworesults,whichmainlyincludeddimensionmeasurementerror,materialattributeerrorandexperimenta
8、lenvironmentalconditionerror.Itprovidedbasisforvibrationandnoisereductionoftransmissionshaft.Key wordstransmissionshaft;finiteelementanalysis;testmode基金项目:山东省自然科学基金面上项目(ZR2020ME126)收稿日期:2022-05-2521第 61 卷第 8 期是 75mm、中间轴管的总长 315mm 等尺寸,传动轴中间是封闭的壳体,无法测具体厚度,查阅有关资料知其厚度为 1.53.0mm。为方便建模,忽略传动轴表面局部凹坑和凸起部分,采用
9、三维设计软件UG 建立三维实体模型6。传动轴实体和三维模型如图 1 所示。在有限元分析软件 ANSYS 中,设置传动轴参数并进行网格划分。选择尺寸长度为 0.005m 的三角形单元,共划分 15526 个单元,包括 58946 个节点,如图 2 所示。通过查阅有关资料定义传动轴的材料属性如表 1 所示。表 1 传动轴材料属性Tab.1 Material properties of drive shaft模型名称 材料 弹性模量/GPa 泊松比密度/(kg/m3)轴管40Cr2060.287820凸缘铸钢2100.3078501.2 有限元结果分析边界条件设为自由边界,进行自由模态分析计算。得到
10、传动轴自由模态前 12 阶最大位移和固有频率如表 2 所示。自由模态分析前 6 阶为刚体模态,从表 2 可以看出模态分析结果中的前 6 阶振型固有频率接近于 0,因此非刚体模态分析结果应从第 7 阶开始计算7。相邻两阶 7 和 8 阶、9 和 10 阶、11 和 12 阶固有频率值大致相等,说明它们是系统振动方程的重根,对应振型相同,相位不同。传动轴前 4 阶自由模态振型如图 3 所示。表 2 传动轴自由模态下前 12 阶最大位移及固有频率Tab.2 Maximum displacement and natural frequency of the first 12 orders under
11、free mode of transmission shaft阶数最大位移/mm频率/Hz阶数最大位移/mm频率/Hz135.2970759.3081001.1243.4230859.6391033.0342.0660942.61651.6443.6454.4269e-0031039.3741711.8543.2115.8275e-0031146.1642090.3627.8139.4669e-0031248.1142093.1有限元分析中,传动轴的第 1 阶和第 2 阶振型为膨胀,第 3 阶和第 4 阶振型为弯曲,第 5 阶和第6 阶振型仍为膨胀8-9。由于在实际中传动轴的主要破坏形式是弯曲
12、,故本文主要分析传动轴第 1 阶和第 2 阶弯曲变形的振型和固有频率,即有限元分析的第 9 阶和第 10 阶结果。如图 4 所示。表 3 为传动轴第 1 阶、第 2 阶弯曲变形振型和固有频率。(b)图 1 传动轴Fig.1 Transmission shaft (a)传动轴实体(b)传动轴三维模型(a)图 2 传动轴网格划分Fig.2 Transmission shaft grid divisionXYZ0.00150.00300.00(mm)75.00225.00A:模态总变形7类型:总变形频率:1001.1Hz单位:mm2022/5/415:4759.308最大52.72546.14139
13、.55732.97326.33919.80513.2216.63750.053666最小(a)(b)(c)XYZA:模态总变形8类型:总变形频率:1033Hz单位:mm2022/5/215:5959.639最大53.01346.38739.76133.13526.50919.88313.2576.63050.0045203最小0.00150.00300.00(mm)75.00225.000.00200.00400.00(mm)100.00300.00XYZA:模态总变形 10类型:总变形频率:1711.8Hz单位:mm2022/5/215:5539.374最大35.0430.70726.373
14、22.03917.70513.3719.03734.70340.36956最小陈美宏等:基于 ANSYS 的汽车传动轴模态识别22农业装备与车辆工程 2023 年表 3 传动轴两阶弯曲变形振型和固有频率Tab.3 Vibration mode and natural frequency of two-order bending deformation of transmission shaft模态阶数 有限元模态频率/Hz模态振型11652.61 阶弯曲,沿 Z 轴弯曲变形21716.11 阶弯曲,沿 Y 轴弯曲变形2 试验模态分析2.1 试验设置采用锤击测试法对传动轴进行试验模态分析10。模
15、态试验所用仪器如表 4 所示。传动轴测点位置选择及传感器布置应能完整反映待测构件的基本外形和特征,合理安排试件测点的位置和数量,对提高模态参数的精度有着重要的影响。高频模态的振型驻波波长相对较短,为了更好地描述这些模态,需要更多的测点11。综合考虑以上因素,沿传动轴布置 54 个测点,主要位于传动轴中间的壳体部分,从 154 开始标记,线框图如图 5 所示,布置 3 个加速度传感器,分别位于测点 18、29、38 处,将传感器贴附于传动轴,为测量传动轴自由状态下的模态参数,用有弹性的绳子将传动轴竖直悬置固定在架子上,如图6所示。表 4 模态试验仪器Tab.4 Modal test instru
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