复合材料汽车制动缸的模态分析
基于Amesim的电动汽车电液复合再生制动整车系统的建模与仿真
基于Amesim的电动汽车电液复合再生制动整车系统的建模与仿真第一章选题意义由于环境污染和能源短缺问题备受关注，电动汽车已成为全世界汽车工业研究的热点。
但时至今日仍难以产业化，主要是受续驶里程短和初始成本高两大因素制约。
其关键是开发廉价高性能的电池，但电池技术短期内难以取得突破性进展，而再生制动能量回收技术在不提高汽车初始成本的前提下，作为提高其续驶里程的有效手段，已成为电动汽车研究领域的一个突出亮点。
再生制动加入到传统液压制动系中会改变原有车辆制动性能，因此需对再生制动与液压制动之间进行协调一致，确保车辆制动稳定性及驾驶平顺性，并最大化提高能量回收效率，延长电动汽车的续驶里程。
目前关于再生制动和液压制动共同作为车辆制动系统的研究中，根据制动力分配模式不同可分为并联式系统和串联式系统。
并联式系统中液压制动的前后轮制动器制动力不可调，前后轮制动器制动力按照固定的比例分配，电机在不超过驱动轮最大制动力的前提下输出再生制动力，其大小与目标制动力成一定比例，其分配策略和控制方法简单，但在同等目标制动强度（相同制动踏板位置）下所获得的实际制动强度会大于无能量回收制动系统汽车的制动强度，驾驶员感觉波动大、制动能量回收效率也相对较低。
而串联式系统的前后轮制动力可调，驱动轮的制动力由电机再生制动力和制动器摩擦制动力共同组成，再生制动力占主要地位，剩余部分由摩擦制动力来提供，与无能量回收的制动系统相比，驾驶员有相同的制动感觉，且能量回收效率可实现最大化，但是前后制动器制动力要可调，结构复杂，而且与防抱死制动系统（ABS）产生干涉，控制策略也更加复杂。
目前电液复合制动系统主要研究方向为：1）制动的稳定性方面。
由于电机再生制动力随车速变化大，它的制动过程与传统内燃机车只具有摩擦制动系的制动过程有所不同，对于后驱型电动汽车，由于电机制动力矩是加在后轮上，当电机制动力矩过大时会使后轴提前抱死，从而使汽车出现后轴侧滑丧失稳定性。
发动机油底壳模态分析及复合材料结构优化
发动机油底壳模态分析及复合材料结构优化Modal analysis and structural optimization of compositematerials for engine oil pan王宇钢 WANG Yu-gang（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，锦州 121000）摘 要：为减少发动机油底壳振动噪声，同时实现油底壳轻量化，采用模态分析的方法对油底壳进行基于复合材料的结构优化设计。
以某型号国产汽车发动机油底壳为研究对象，通过Pro/E对油底壳进行有限元建模，再利用ANSYS Workbench对模型进行模态分析，得到其低阶固有频率和振型。
根据分析结果，提出基于碳纤维增强片状模塑料（SMC）的结构优化方案。
应用ACP 模块进行铺层设计并建立优化后模型，通过模态分析及谐响应分析检验优化后的油底壳动力学性能。
结果表明优化后油底壳前6阶的模态固有频率至少提升37%，响应峰值频率至少提升29%，且质量减轻41.9%。
关键词：油底壳；模态分析；谐响应分析；复合材料；轻量化中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2020)08-0117-04收稿日期：2019-06-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（51775101）；辽宁省自然科学基金资助项目（20170540445）作者简介：王宇钢（1977 -），男，辽宁锦州人，副教授，博士，研究方向为机械制造自动化。
0 引言机械振动现象普遍存在于工程实际中，由于振动引起的噪声污染、构件磨损和能量消耗对机器设备正常使用带来较大影响[1]。
发动机油底壳作为贮油槽用于收集和储存润滑油，它通过螺栓与发动机底部相连，传递发动机引起的振动和噪声。
此外，随着人们环保意识的增强，汽车轻量化已成为汽车零部件设计的主要目标。
发动机油底壳通过结构优化实现大幅减重已难以取得较大突破，新材料的应用设计正得到更多地关注[2]。
树脂基复合材料及其模压制品由于具有优异的减振降噪性能及较小的密度，已在汽车制造等领域中得到大量使用[3]。
重型特种车复合材料车架模态分析
Ｍ ｏ ａ ｄ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｏ ｍ ｐｏ ｉｅ Ｆｒ ｍ ｅ ｏ ａ ｙ ｉ ｎ Ｃｏ ｓｔ ａ ｆ
Ｓｐ ｃ ａ ｅ ｖ — ｔ ｕ ｋ ｅ ｉ ｌＨ ａ ｙ Ｄｕ ｙ Ｔｒ ｃ
ＺＨＡ ＮＧ － ｈ ｎ ｅ ｌ Ｚｉｃ ｕ ｔａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈｉ ｐ ｒ ｓ ｕ ｅ ｙｎ ｍ ｉ ｈａ ａｃｅ ｉｔｃ ｏ ｏｍ ｐ ｉｅ ｆａ ｅ ｏ ｐｅ ｉ ｌｈｅ ｖ － ｕｔ ｒ ｋ， ｂｕｌ ｓｒ ｃ ｓ ｐａ ｅ ｔ ｄｉｄ ｄ ａ ｃｃ ｒ ｔ ｒｓ ｉ ｆｃ ｏｓｔ ｒ ｍ ｆｓ ｃａ ａ ｙ ｄ ｕ ｔｕｃ ｉｔ
ｓ ａ ． Ａｃ ｏｒ ｎ Ｏ ｔ ｏｎ ｒ ｓ ａｌｓ ｓｏ ｈ ｔ ｅ ｒ ｍ ｅ，ｗ ｅｄｒ ｈ ｐｅ ｃ ｄｉｇ ｔ ｈｅ ｃ ｔ ａ ｔａｎ ｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ｓ ｅ ｌｆａ ａｗ ｏｎ ｕｓｏ ｈ ｔｉ ｓ ｆａｓｂｌ Ｏ ｕ ｅｃ ｍ ｃ ｃｌ ｉ ｎ ｔ ａ ｔｉ ｅ ｉ ｅ ｔ ｓ ｏ
代 钢 材 制 造 车 架 完全 可行 ， 量 化 效 果 明显 。 轻
关键 词 ： 型特 种 专 用 车 复 合 材 料 车 架 重ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
模 态 分析
中图分类号 ： ６．２０ ； ６． 文献标识码 ： Ｕ４ ３ ３ ． ４ Ｕ４ ９ ６ Ａ
文 章 编 号 ： ０ ４ ０ ２ （ ０ ６ ０ ０ ８０ １ ０ ２ ６２ ０ ）６０ ３ ３
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设 计 ・ 究 研
重型特种车复 合材料车架模 态分析
张 子 春 马 力 王 元 良 余 良富
武汉理 工大 学汽 车工程 学 院 湖北 武汉 ４ ０ ７ ３０ ０
摘 要 ： 究 了 某 重 型 专 用 车 复 合 材 料 车 架动 态特 性 ， 立 了复 合 材 料 车 架模 态计 算 模 型 ， 对 其 进 行 了 研 建 并 模 态分析 ， 获得 了固 有 频 率 和 振 型 ， 对 原 钢 制 材 料 车 架进 行 了对 比分 析 。分 析 研 究结 果表 明 ， 复 合 材 料 替 并 用
钢质薄壁缸套的模态分析
钢质薄壁缸套的模态分析杭州电子工业学院机电分院 张云电 陈光雄摘 要采用模态分析技术,对汽车发动机的钢质薄壁缸套进行了实验模态分析,获得了钢质薄壁缸套的振动模态参数,并可动态地观测其三维振型,为解决薄壁缸套在加工过程中的颤振问题提供了依据。
关键词: 模态 阻尼 固有频率 振型钢质薄壁缸套是当代发动机的一种趋势,钢质薄壁缸套由复合材料制成,基体采用20号钢,内表面进行松孔镀铬,形成储油结构,以提高耐磨性。
它具有缩小发动机体积,降低发动机质量,增大发动机功率,降低耗油量,提高缸套耐磨性,可以互换等一系列优点,因而在柴油发动机中获得了应用。
但是薄壁缸套的加工难度很大,尤其是镗孔、珩磨过程中,常常会发生强烈的颤振,产生刺耳的噪声,在缸套的内壁表面上留下振纹,降低了表面质量,甚至会损坏立方氮化硼刀具和油石。
因此,研究钢质薄壁缸套的加工颤振机理,有效地抑制和消除颤振,对于薄壁缸套的大批量生产有着重要的意义。
本文对钢质薄壁缸套进行了模态分析,为解决薄壁缸套在加工过程中的颤振问题提供了依据。
1 薄壁缸套模态测试实验模态分析方法是理论分析与试验研究密切结合的一种方法,它能准确地描述结构的动态特性,通过激振实验,得到测振点与激振点间的传递函数,由此可进行模态参数的识别,为进一步解决颤振问题提供了依据。
111 频域法识别模态参数的分析程序时域信号→频域信号→传递函数→模态参数112 测试系统本实验采用H P3566A 67A系统进行测试,本系统具有5个通道(10214z),同时采样采用S M SSTA R410模态分析软件,以4JA1、4JB1型钢质薄壁缸套为实验对象,外圆为 95mm,内径为 93mm,长度为156mm。
按选定的坐标系在缸套上进行网格划分,布置测点,然后把缸套用橡皮筋悬挂起来,用粘接剂把传感器固定在测点上,加速度传感器通过电荷放大器和主机相连,主机上安装了信号采集与模态分析系统的软件。
实验采用多点激振、单点拾振的方法测量传递函数,把各点测得的数据输入计算机中,并保存在磁盘上,然后利用S M SSTA R410软件进行分析,便可得出各阶模态参数—固有频率、振型、阻尼参数。
汽车复合材料制动缸的模态分析
３ ４
工程塑料应 用
２０ ０ ７年， ３ 第 ５卷 ， ｌ 第 ０期
汽 车 复 合 材 料 制 动 缸 的 模 态 分 析
孟春玲 张 力 田正兵 叶都 长
１０ ３ ） ００ ７ （ 北京工商大学机械 自动化学院 ， 北京
摘要
结合 现代 测 试 手段 和 模 态分 析技 术 ， Ｅ １ １ 以 Ｘ ０ ５型 汽 车 制 动 缸 为 例 ， 自行 研 制 的 ３种 汽 车 复 合 材 料 制 对
料制 动缸生 产工 艺 和工业 化应 用方 面 的相关报 道 。
必须遵循 以下几个基本假设 ： ①线性假设 ； ②时不变 假设 ； ③可观测性假设 ； ④互易性假设 。
在上 述 假 设 条件 下 ， 弹性 体 结构 动 力 学 的振 动
方程 为 ：
ＭＳ＋硒 ＋Ｃ ８＝ Ｆ ｔ （） （） １
率 和振 型 。 ２ 制 动缸 的实 验模态 分 析
图 １ Ｅ １１ Ｘ ０５制动缸
近 十多 年来 ， 由于计算 机技 术 、 速傅 立 叶变换 快 （Ｆ ） ＦＴ 分析 仪 、 ｒ 高速数 据采 集 系统 以及振 动传感 器 、
收稿 日期 ：０ ７ ０ —２ ２ ０ — ７１
１ 模 态 分析理 论
模 态 分 析 是 研 究 结 构 动 力 特 性 的 一 种 近 代 方 法 ， 系统 辨别 方 法 在 工程 振 动 领 域 中的 应用 。振 是
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盂春玲 ， ： 等 汽车复合材料制动缸的模态分析
动模态是弹性结构的固有 的、 整体的特性 ， 每一个模 态具有 特 定 的 固有 频 率 、 尼 比和 模 态 振 型 。这些 阻
模 态参 数 可 以通过 实验或 计算 取得 。如 果通 过实验 将 采集 的系统输 入 与输 出信号 经过参 数识 别获 得模 态参数 ， 为实 验模 态分 析 ； 称 如果模 态参 数是 由有 限 元 计算 的方 法取 得 的 ， 为计算 模态 分析 。 称 模 态分 析实 质是 一种 坐标 变换 的过程 。它 建立 了从物 理模 型 到模 态模 型之 间 的桥 梁 ， 建立 了频 率
河北工业大学科技成果——复合材料轿车活塞
河北工业大学科技成果——复合材料轿车活塞项目简介本项目是用S-L-V三态反应在电磁和机械双重搅拌条件下首次制成可应用于轿车及摩托车发动机活塞的TiNp-AlNp/Al复合材料。
本研究成果所处的领域为当今国际新材料热点之一的金属基复合材料研究领域中的第四代复合材料，即用多增强体混合增强金属或合金（Hybrid Composites），此成果为国际领先水平。
本项目的研究旨在开发低造价、高性能的发动机活塞新材料。
目前已经成功制备了摩托车活塞和夏利轿车376TiNp-AlNp/Al复合材料活塞，本项目已申报国家发明专利。
市场前景与预测汽车发动机是汽车的心脏，材料是发动机质量的关键所在，在环保意识日益增强的今天，用新材料来提高发动机的效率、降低排放并提高使用寿命具有重要的社会意义和经济意义。
TiNp-AlNp/Al比强度高、比模量高、高温性能好，因此，用TiNp-AlNp/Al复合材料来制造汽车发动机活塞将会使我省汽车发动机的效率、排放和使用寿命等指标优化到一个新的水平，并将在金属基复合材料的基础理论研究方面取得具有较高学术价值的理论成果。
从而对科技、经济发展做出应有的贡献。
可见，TiNp-AlNp/Al复合材料在汽车制造领域有广泛的应用前景。
规模与投资投资规模：基建厂房1000万元、设备投资500万元、流动资金500万元。
生产设备50KG真空感应加热炉10台、活塞模具和石墨坩埚加工机床、磨床各三台。
效益分析1、按每月150吨计，生产设备投资300万元；2、厂房投资100万元；3、原材料22000元/吨，每月原材料费330万元；电费15万度电/月×0.7元/度=10.5万元；每吨复合材料约生产2500个活塞，每月生产37.5万个活塞；每月产值375000×25=937.5万元；每月效益937.5万元-330万元-10.5万元-10万元（工资及其它）=587万元。
合作方式合作开发。
发动机缸头模态、刚度分析
1.分析目的对新开发的缸头进行校核分析，检查其模态、热变形、刚度是否满足要求。
2.模态的计算缸头网格大小3mm，其材料弹性模量E=7.2e4MPa、泊松比0.3、密度ρ=2.7e-9T/mm3 ，考察1-12000Hz频率内缸头的自由模态。
模型如下：计算结果如下：前三阶计算结果：第一阶1694Hz 第二阶2432Hz第三阶2604Hz 凸轮轴第一阶4946Hz由上图可知缸头的第一阶模态频率1694Hz，而凸轮轴第一阶模态频率4946Hz 两者相错开；而且缸头前三阶的振型接线位置基本都在凸轮轴支架上。
模态分析满足要求。
模态频率分布第一阶频率分布与链轮的频率错开）缸头第一阶1694HZ，凸轮第一阶4946Hz合格缸头的前3阶阵型的节线位置尽量放置在凸轮轴支架上缸头前三阶基本在凸轮轴支架上合格3.缸头螺栓预紧力状态下缸头的不均匀度校核3.1 螺栓预紧力校核约束缸头底面3个方向的自由度，每个螺栓施加螺栓预紧力34500N。
链条腔侧螺栓预紧力为12000N。
3.1.1座圈轴向变形差计算结果进气链前0.59-0.10=0.49S 0.61-0.19=0.42S排气链前0.58-0.06=0.52S 0.62-0.16=0.46S 3.1.2密封性计算结果由计算结果可知链条腔侧的最小面压为8Mpa。
燃烧室周围最小面压为18.3Mpa参考标准计算值结论链条腔>1Mpa 7.3 合格燃烧室>8.55Mpa(一倍缸压）15.3 合格3.2 750螺栓预紧力校核3.2.1座圈轴向变形差计算结果进气链前0.36-0.12=0.24S 0.37-0.12=0.25S排气链前0.32-0.04=0.28S 0.34-0.02=0.32S缸头螺栓预紧力作用下各项指标计算结果考察考察内容参考指标计算值结论项目188M Q螺栓预紧力作用下缸头的刚度凸轮轴轴承座的径向静变形<=3S / / 座圈的轴向变形差<0.4S链条腔侧进气座圈0.49S 不合格进气座圈0.42S 不合格链条腔侧排气座圈0.52S 不合格排气座圈0.46S 不合格燃烧室周围面压>8.55Mpa(一倍缸压）15.3 合格链条腔侧面压>1Mpa 7.3 合格同一摇臂轴两端的竖直方向变形差<2S//750螺栓预紧力作用下刚度座圈的轴向变形差<0.4S链条腔侧进气座圈0.24S合格进气座圈0.25S合格链条腔侧排气座圈0.28S合格排气座圈0.32S合格4.燃烧室刚度分析4.1 燃烧室刚度分析在燃烧室施加燃气爆发缸压，约束缸头底面和上端螺柱孔3个方向自由度，考察座圈的轴向变形量。
复合材料油底壳与常规金属油底壳实验模态对比分析
复合材料油底壳与常规金属油底壳实验模态对比分析作者：路志尧姜建中摘要：结合现代测试手段和模态分析技术，以BJ493ZLQV1 型发动机为例，对自行研制的复合材料油底壳和传统金属材料的油底壳进行了模态实验对比分析，研究结果为振动，噪声和疲劳等问题的进一步研究奠定基础，为复合材料油底壳的工业化生产提供试验基础。
为适应汽车零部件向着轻量化、低成本、长寿命方向发展的需要，复合材料在汽车上的应用越来越广泛。
重型、轻型、微型客货车无一例外的使用着复合材料，最常见的是汽车的内部装饰件，但是复合材料在其它部件的开发中也逐渐被重视起来。
随着我国汽车工业的不断迅猛发展，对汽车的NVH 性能有了更高的要求。
发动机油底壳是发动机的一个主要声源，目前国内生产的发动机油底壳多为金属材料，根据制造工艺和材料有钢板冲压件油底壳，带夹层的冲压件油底壳，铸钢油底壳，铸铝油底壳。
用复合材料代替金属制造的油底壳有减重、减振降噪、节约能源、保护环境等一系列优点。
汽车复合材料油底壳已经在国外得到了广泛的应用，而国内复合材料油底壳的研究还处于起步阶段，迄今为止尚未得到有关汽车复合材料油底壳生产工艺和工业化应用方面的相关报道。
汽车油底壳的结构较为简单，其上部是与发动机机体相连接的端面，有若干螺栓安装孔，底部有一个放油螺栓安装孔，整体成阶梯型，其内部有机油隔板。
BJ493ZLQV1 型发动机油底壳见图1。
对比试验中复合材料油底壳采用SA1800 材料，SMC 制造工艺；金属材料油底壳采用带夹层的金属冲压件油底壳。
图 1 BJ493ZLQV1 型发动机油底壳1、模态分析理论模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以通过实验或计算取得。
如果通过实验将采集的系统输入与输出信号竞购参数识别获得模态参数，成为实验模态分析；如果模态参数是由有限元计算方法取得的，称计算模态分析。
我国汽车制动材料的研究现状及发展趋势（推荐5篇）
我国汽车制动材料的研究现状及发展趋势（推荐5篇）第一篇：我国汽车制动材料的研究现状及发展趋势我国汽车制动材料的研究现状及发展趋势汽车制动器衬片，俗称刹车片，是汽车制动系统中重要的安全部件。
它将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量，从而使汽车减速或停止。
制动材料是以摩擦为主，兼有结构性能要求的多组分复合材料。
随着我国汽车制造业的不断壮大，制动材料也得到了突飞猛进的发展。
根据2005年中国刹车片市场调查报告，04年国内摩擦材料产量为19.4万吨，其中盘式和鼓式刹车片占85%以上。
国内方面，近年来我国汽车保有量已经达到2570.97万辆，全国每年需求刹车片4亿块左右，市场潜力巨大[1]。
另外，据中国摩擦与密封协会的统计，我国摩擦材料产量保持快速增长的势头，2005年产量30万吨，产值56.27亿元，出口交货值13.3亿元；2006年产量达到37.34吨，产值67.34亿元，出口交货值20.51亿元。
预计在“十一五”末期，我国摩擦材料总产量将达到60万吨，总产值超过100亿元，其中出口交易值40亿元。
随着各国汽车工业的发展和现代社会环保意识的提高，制动材料的运行条件越来越苛刻，人们对它的性能要求也越来越高，可简单将其概括为“三化”。
（1）无石棉，无污染化自从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及其高温挥发物属于致癌物后，各国家相继禁止使用石棉摩擦材料。
我国于1999年10月1日开始实施国家标准《汽车制动系统结构、性能和试验方法》（GB12676-1999），其中明确规定“制动衬片应不含石棉”，并在标准实施起48个月后强制施行。
随着人们生活水平的提高，汽车所造成的污染也越来越受到人们的重视，其中刹车片产生的污染也引起了人们的关注。
就制动材料而言，对环境的污染主要来自制动过程中产生的噪音及磨屑中的重金属污染。
为了控制噪音污染，我国于1996年通过了《中华人民共和国环境噪声污染防治法》，欧洲各国也对机动车辆的噪声释放做出了严格规定（图1，图2）。
A356复合材料制动盘热疲劳评价方法研究的开题报告
高速列车SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳评价方法研究的开题报告一、选题背景和意义：高速列车制动盘是高速列车运行过程中非常重要的安全保障设备之一，其质量和性能直接关系到列车运行的安全和稳定性。
传统的高速列车制动盘材料多采用铸铁材料，但是其强度和耐热性都存在一定的局限性。
为了满足高速列车制动盘的高强度、高耐热性以及轻量化的需求，研究人员开始将SiCp/A356复合材料应用于高速列车制动盘的制造中。
然而，由于高速列车制动盘在使用过程中需要承受高温、高压力和高速度等多重环境因素的影响，因此需要对制动盘的热疲劳性能进行评价。
目前对于高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳评价方法研究还存在一定的不足，需要进行深入探讨。
二、研究内容和目标：本研究的主要目的是开展高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳评价方法研究。
具体研究内容包括：1. 构建高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳实验平台。
2. 设计不同温度、不同载荷和不同转速下的热疲劳试验方案。
3. 测试不同工况下高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳性能。
4. 分析试验结果，建立高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳性能评价方法。
本研究旨在为高速列车制动盘制造企业提供参考依据，为提高高速列车制动盘的安全性、稳定性和可靠性提供技术支持。
三、研究方法：1. 通过文献调研和试验分析，了解高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳特性。
2. 设计热疲劳试验方案，包括试验温度、载荷、转速等参数的确定。
3. 制备高速列车SiCp/A356复合材料制动盘试样，并进行材料力学性能测试。
4. 进行热疲劳试验，记录试验数据并对试验数据进行处理和分析。
5. 利用试验数据，建立高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳性能评价方法。
四、研究预期成果：通过本研究，预计可以实现以下成果：1. 建立高速列车SiCp/A356复合材料制动盘的热疲劳实验平台。
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３３４０ ０．８２３
０，５８９
７５８５
１．７５８ ０ ７６７
玻纤／不 饱和聚酯
树脂
２７９７
０．８】０
０．５６１
６２４８
１．７４２ Ｏ ７１５
ＡＮＳＹＳ计算模态分析的步骤为：①建立结构有 限元模型；②施加约束。定义分析类型、求解方法和
输出结果控制；③扩展模态；④结果后处理。ＡＮ－
ＳＹＳ提供了７种模态提取方法，分别是Ｂｌｏｃｋ－Ｌａｎｅ－
２。
衰１实验用仪器
名称
型号
生产厂家
测力锤（配５１１０型 力传感器）
５２０ｌ
北京铡振仪嚣厂
加速度传感嚣 （带ｃｚ系列磁座）
ＹＤ一３６
北京测振仪器厂
电荷放大器
ＤＨＦ一４
北京测振仪器厂
并口数据采集仪
Ｐ６０２１６１
北京披浩世纪科 技发展有限公司
ｖｉｂｓＹｓ振动信号采囊， 处理和分祈系统
Ｆｏｒ Ｗｉｎｄｏｗ， Ｖ１．０２
北京渡谱世纪科 拄发展有限公司
３制动缸的计算模态分析 在进行制动缸计算模态分析时假设为无阻尼系
统。对于制动缸这种小阻尼结构．在动力计算中忽 略阻尼是允许的，因为就阻尼理论的发展程度及人 们对阻尼问题掌握的知识而言，还很难在有限元模 型当中较正确地处理阻尼和阻尼分布问题。因此． 即使考虑阻尼的因素也很难避免由于阻尼假设引起
ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｆａｔｉｇｕｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．ａｎｄ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｐｅｘｌｍｅｍａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｄｍｔｒｌａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ０ｆｅｏｍｐｏｓ－ ｉｔｅ ａｕｔｏｍｏｂｌｉｅ ｂｒａｋｅ ｅｙｌｌｎｄｅｒ．
２００７年中国工程甥料复合材料技术研讨会论文集
复合材料汽车制动缸的模态分析
孟春玲张力 田正兵叶都长
（北京工商大学机械自动化学院，北京１０００３７）
摘要蛄合现代濞Ｊ试手轻和模态分析技术，以ＥＸｌ０１５型汽车制动缸为例．对自行研制的三种复合材料汽车制 动缸和空属制动缸进行了模态实验和有限元模态分析．得到了模态参敷，研究结果为振动、疲劳和噪声等问题的进 一步斫完奠定基础，为蔓合材井汽车制动缸的工业化生产提供理论和实验基础。
ＫＥＹＷＯＲＩＤＳ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｒａｋｅ ｃｙｌｌｎｄｅｒ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ。ｍｏｄｅ ｆｌｉｔ山越８
能网格露Ⅱ分（Ｓｍａｒｔ Ｓｉｚｅ＝６），得到制动缸的有限元
模型。共有３９７７个节点，３０９４９个单元，见图２。
笔者选用子空间法”’（Ｓｕｂｓｐａｅｅ）对制动缸进行 计算模态分析，提取出了三种复合材料制动缸和金
属制动缸的前５阶模态参数．见表３。不同材料制 动缸具有基本相同的振型，制动缸的前５阶振型示
汽车制动缸的结构较为简单，其缸筒为通孔，需 搪磨。多数制动缸有两个等直径活塞，少数有４个 等直径活塞。ＥＸｌ０１５型汽车制动缸见图１，有一个 进油孔和一个出油孔，进油｝Ｌ和出油孔相对制动缸 轴线对称分布，两个安装的螺栓孔，也呈对称分布。 笔者根据汽车制动缸的使用性能要求．进行了复合 材料汽车制动缸的材料设计和成型工艺研究，经过 反复试验，成功研制出了玻纤／镁酚醛树脂复合材料 制动缸、玻纤／环氧树脂复合材料制动缸、玻纤／不饱 和聚酯树脂复合材料制动缸。在此基础上，笔者通 过实验模态分析和计算模态分析，对三种新型复合 材料制动缸和传统金属制动缸进行了振动性能的对 比研究。
美键词汽车刺动缸复合材料模态分析
为了适应汽车零部件向着轻量化、低成本、长寿 命方向发展的需要，复合材料在汽车上的应用越来 越广泛。各种轻、微型客货车均采用油压制动。制动 缸是汽车液压制动系统采用的活塞式制动蹄的张开 机构。随着我国汽车工业的不断迅猛发展，对制动 缸的需求非常可观。目前国内生产的制动缸是用金 属铸造成型，用复合材料代替金属制造制动缸，具有 减重、减振降噪、节约能源、保护环境等一系列的优 点…。复合材料汽车制动缸已经在国外得到了广 泛的应用“·，而国内复合材料汽车制动缸的研究还 处于起步阶段，迄今为止尚未见到有关复合材料汽 车制动缸生产工艺和工业化应用方面的相关报道。
学模型；③模态参数识别。模态测试系统”１由激振 系统、信号拾取系统、数据采集和数据处理系统三部
分组成。激振系统为力锤，力传感器测量激励信号，
安装在力锤上；加速度传感器测量测点响应信号，用
蜡粘于制动缸体的外表面。
在实验中要注意合理地选择激振点和拾振点的
位置，这对于获得正确可靠的模态分析结果十分重
要。选择激振点位置时，应尽可能避开各阶模态的
制动缸，力传感器拾取激励信号并转换成为电荷信
号，加速度传感器拾取制动缸的响应信号并转换成 为电荷信号，电荷放大器将电荷信号放大成为适合
扭４量的电压信号，并口数据采集仪将采集到的电压
信号输人到计算机中，最后使用Ｖｉｂ５ＹＳ软件对采
集到的信号进行处理、分析，在０—２００００ Ｈｚ范围内 识别出三种复合材料制动缸和金属制动缸的前２阶 模态参数（固有频率、阻尼系数和振型系数），见表
图２制动缸的有限元模型
（Ｂ）
（ｂ）
（ｃ）
（ｄ）
（ｅ）
ｏ一阶振型圈：绕ｚ轴转动；ｂ一二阶振型图；绕ｘ轴转动；
ｃ一三阶振型图：承平摆动；ｄ－－－四阶振型图：垂直摆动；
ｅ一五阶型图：绕ｘ轴摆动
圈３搌型示意图
（２）通过实验模态分析和计算模态分析，得到
了传统金属制动缸和三种新型复合材料制动缸的固 有频率、振型等模态参数。从复合材料制动缸和金 属制动缸的模态对比分析中可以看出，复合材料制 动缸的固有频率低于金属制动缸，模态阻尼高于金 属制动缸。这是因为复合材料是由基体相、增强相 和界面相组成的，增强体（增强相）与基体树脂（基 体相）的粘结界面（界面相）具有很好的吸振能力， 使复合材料制动缸具有较高的阻尼系数。阻尼系数 是衡量材料减振降噪能力的重要指标，因此复合材 料制动缸比金属制动缸具有更好的减振降噪性能。
在上述假设条件下，弹性体结构动力学的振动
方程为：
埘＋Ｊ略＋６＂８＝ｒＯ）
（１）
式中朋、Ｋ、Ｃ分别为质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩
阵；
，（‘）是随时间变化的载荷向量；
８，８、６分别是节点各自由度方向上的加速度、
速度和位移向量”ｊ。
当不受外载荷且忽略阻尼时，结构的无阻尼自
由振动方程为：胁＋渤＝０，其解是一组简谐振动的
Ｍｅｎｇ Ｃｈｎｎｌｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｌｉ，Ｔｉａｎ Ｚｈｅｎ出Ｉｌｇ，Ｙｅ ＤＩ】ｄ眦墙 （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｅｉｎｅｅ，岫ｔａｘｉ Ａｕｔｍｎａｔｌｏｎ，ＢｅｌｊｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍｔ Ｂｕｔｉｎｏｍ Ｕｎｉｖｅｎｉｔｙ，Ｂ耐ｉｎ￥１０００３７。Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ日ｔｌｏｄｅｒｌｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅａｎｓ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ¨由８ｂ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｙｐｅ．ＥＸｌ０１５ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｒａｋｅ ｃ小 ｉｎｄｅｒ∞∞ｅｘａｍｐｌｅ．ｍｏｄｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ｍｅｔａｌ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｒａｋｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｌｄｎｄｓ ｏｆ ｓｅｒｆ－ｍａｄｅ ｃｏｍｐ０６ｉｔｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｒａｋｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍＤｄｅ ａｎａｌｙｓｉＢ ｏｆ ｔｈｅｍ ｍｍ ｄｏｎｅ．Ｍｏｄｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｏｒｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔ１ｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｍｖｉｄｏｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ
社．２００２． ［５】史科骏等．轿车副车架模态试验与分析［Ｊ】．噪声与振动控制，
２００３（１）：１２—１４． 【６］叶先磊．史亚杰．ＡＮＳＹＳ工程分折软件应用实例【Ｍ］．北京：清
华大学出版社．２６０３．
ＭＯＤＥ ＡＮＡＩ—ＳＩｓ ＯＦ １ＨＥ ＣｏＭＰＯＳⅡＥ ＡＵＴｏＭｏＢⅡ凰ＢＲＡＫＥ ＣＹＬＤ∞ＥＲ
节点和节线位置，以便能够激励出尽可能多的模态。 同时应使测点响应信号的幅值足够大，使各测量信 号有良好的信噪比”，。根据汽车制动缸体的形状
结构特点以及考虑到传感器的安装等因素，在制动
缸体的外表面上均匀对称地布置多个激振点。
由于制动缸的体积较小且材质较剐硬，采用单
点激励法进行实验模态分析。实验过程中，制动缸 处于自由状态，实验用到的仪器见表１。测力锤激励
叠加。设方程的解为：６＝Ｘｃｏｓ∞ｔ。则可得齐次方程 组：（置一０）２Ｍ）Ｘ＝０。困自由振动时，各自由度的振
幅工不可能全部为０，因此要有非零解，系数矩阵行
列式的值必须为０，即：ＩＫ—ＡＭＩ－０，其中Ａ＝０）２。 在ｎ自由度系统中，矩阵足和矩阵肘均为ｎ阶方
阵，ｌＫ一＾肘ｌ＝Ｏ则为的＾ｎ阶高次方程，求Ａ值的 问题也就是求广义特征值问题。在求得方程特征值
态参数，称为实验模态分析；如果模态参数是由有限 元计算的方法取得的，称为计算模态分析。
模态分析实质是一种坐标变换的过程。它建立 了从物理模型到模态模型之间的桥梁，建立了频率
响应函数与系统的动态特性之间的关系。模态分析
必须遵循以下几个基本假设：①线性假设；②时不 变假设；③可观测性假设；④互易性假设。
意图见图３。
寰３村动缸的计算模态参数
金属缸 玻纤／镁酚醛树脂缸 ＃＃，环＃树ｌ自目 玻纤／不饱和聚酯枷自缸
颠辜 拓型系鼗 频率 振墅系萤 錾辜 拓型系鼓 赣草 振型系敷
５鼬 ｍ ５６４５ ３２聊 Ｏ ３２站 ３２Ｄ１ ０ ６１９４
鸽８３
朔ｌ ｎ８６＆ ７５３０ ０．４１３】 ７４３９ ｎ７９４３
鲫
１０５１３ ０．掰％ 躬Ｍ ０．４邸 ８７７５ ０．盯孵
的误差。
裹２翻动缸的实验模森参敏
制动缸 种类
金属
Ｉ阶额 １阶阻尼 １阶振型 ２阶频 ２阶阻尼 ２阶振型