转向系统模态分析方法
65_基于HyperWorks的汽车转向系统模态分析_李飞亚
Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 基于 HyperWorks 的汽车转向系统模态分析李飞亚 王卓 张剑 长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院 CAE 工程所 重庆 401120摘要：本文针对某款车的转向系统，运用 HyperMesh 建模，进行模态分析。
然后用后处理软件 HyperView 观察其结果，并通过对应变能云图进行分析来进行模态优化。
优化后， 转向系统的一阶垂向模态提高了 1Hz，而转向系统的质量减轻了 0.45kg，在降低成本的同 时提升了产品的性能。
关键词：转向系统 建模 后处理 优化 性能 成本1 概述转向系统是汽车结构中一个非常重要的子系统，其性能的好坏会给用户最直观的体现。
如果其设计刚度不足， 就容易在低频时产生较高的灵敏度响应， 进而发生方向盘振动的现象。
在很多时候，转向系统性能的好坏会直接影响到顾客是否会购买该汽车。
因此，在进行转向 系统设计的时候，要充分考虑其刚度要求。
在传统的开发流程中， 需要对样车进行测试才知道方向盘是否会发生振动现象。
如果这 个时候再采取补救措施，会面临改动空间小，成本大、周期长等问题，而且往往效果不甚理 想。
如果运用 CAE 方法对转向系统进行模态分析，前期发现问题，进行整改优化，那么就 可以避免上述问题。
本文案例运用 Altair 公司的有限元前处理软件 HyperMesh 和后处理软 件 HyperView 对某款车的转向系统进行分析，在前期发现了问题，并提出了解决方案。
实 现了该车在性能上和成本上的领先。
2 有限元理论N 自由度系统振动微分方程M x + C x + Kx = f ( t ) 其中，M 为质量矩阵，C 为阻尼矩阵，K 为刚度矩阵， f ( t ) 为激励力。
对于无阻尼自•••‐ 1 ‐ Altair 2011 Hy yperWorks 技术 术大会论文集由振 振动， C = 0 ， f ( t ) = 0 ，方程变为： M x + Kx = 0 设特解 ••x = ϕ jωt 程化为 则微分方程( K − ω M )ϕ = 0 2得特征方程 程 K − ω 2M = 0 ω 为系统的 的固有频率， ϕ 为相应的 的振型。
基于模态分析的汽车转向盘怠速抖动优化
基于模态分析的汽车转向盘怠速抖动优化汽车转向盘怠速抖动是许多车主普遍遇到的问题，它不仅对驾驶体验造成负面影响，还可能危及行车安全。
因此，进行优化是很有必要的。
本文基于模态分析方法，结合Vibration Analysis （VA）技术，对汽车转向盘怠速抖动进行优化。
首先，通过模态分析方法确定转向盘的自然频率和振动模态。
模态分析是通过振动模态和频率分析来研究结构振动特性的一种方法。
在模态分析过程中，需要通过振动试验来获取结构的振动响应，再通过算法处理得到结构的振动模态和自然频率。
接着，使用VA技术对转向盘进行振动测试。
VA是一种基于频域分析的测试方法，主要用于检测结构的振动响应。
在VA测试中，需要将传感器粘贴在车辆上，通过分析传感器传回的振动信号，得到转向盘在不同转速下的振动信号时序图。
这些数据可以用于分析结构振动的振幅、频率和相位。
通过以上测试和分析，我们可以得到转向盘的振动频率和振幅，进而确定转向盘的振动模态。
将这些数据与模态分析数据进行对比，我们可以初步判断是否存在共振现象，并得到转向盘的自然频率。
接下来，通过在CAD软件中对转向盘进行优化设计。
采用高精度三维建模技术，并结合CFD分析（计算流体力学）和有限元分析方法，优化转向盘的结构设计。
在改进过程中，需要对传统设计进行充分评估，提出改进方案，例如改变转向盘材料、形状或尺寸等。
最后，在试制好改进过的转向盘后，再次进行VA测试，验证优化效果。
若存在振动幅值降低或自然频率远离激励频率等现象，表明改进方案取得了成功，转向盘的怠速抖动得到了有效缓解。
综上所述，汽车转向盘怠速抖动是许多车主普遍遇到的问题，而基于模态分析和VA技术的汽车转向盘怠速抖动优化方案能够提高驾驶体验，保障行车安全。
汽车制造商应该积极采用这种技术方法，以改善汽车品质和用户体验。
除了以上所述的方法，还有一些其他的措施可以对汽车转向盘怠速抖动进行优化。
首先，可以考虑通过调整发动机的喷油量和时间来调整汽车怠速。
汽车转向系统避免怠速共振的模态优化方法
汽车转向系统避免怠速共振的模态优化方法作者：田德旺田冠男杨晋1 概述转向系统的振动是整车NVH性能的重要表现部分，方向盘的怠速振动更是驾驶员非常敏感的对汽车品质的主观感受，所以其是汽车NVH主观评价的重要指标之一。
利用有限元方法，能有效预测转向系统的模态频率，基于模态优化使之避开发动机的怠速激励频率，既能明显提高汽车NVH性能，也缩短开发时间且节约成本。
2 转向系统振动及模态转向系统的怠速振动主要是由发动机怠速工况下的二阶往复惯性力激励产生，其频率与车辆搭载的发动机汽缸数和怠速转速有关。
四缸发动机的激振频率一般为20～35Hz，六缸一般为30～37.5Hz。
转向系统模态分析的目的是确定用以描述转向系统结构系统特性的固有频率和振型等模态参数。
为避免方向盘的怠速共振，要求转向系统中方向盘的上下、左右振型的振动频率高于发动机的怠速激振频率。
3 转向系统模态频率的主要影响因素转向系统主要的结构设计因素包括：几何、惯量、刚度等。
转向柱与仪表横梁的连接支架的几何形状、转向系统的质量分布（零件板厚）是影响转向系统模态频率的主要因素，也是设计时需要着重考虑的问题。
常见的转向系统如图1所示。
提高支架1和2在XOZ平面内的抗弯刚度能明显提高方向盘的上下振动频率，提高支架3的Y向刚度能有效提高转向柱的左右振动频率。
某车型原来支架结构及更改后的结构如图2，通过加宽支架、减小支架高度和增加加强筋等改进，使得方向盘的模态频率从25.7Hz提高至34.6Hz。
设计中，可以采用拓扑和形状优化的方法来优化支架的几何结构。
图1 某车型转向系统图2 转向柱连接支架结构更改图4 模态优化方法在得到合理的支架几何结构后，转向系统零件的厚度成为影响模态频率的主要因素。
如何合理的分配零件厚度，达到既能满足NVH性能要求，又能保证系统的质量较轻成为接下来考虑的问题。
利用MSC Nastran SOL200求解器，可以分析出各零件厚度对整体质量和各阶模态频率的敏感度，进而优化部分主要钣金件的厚度，通过优化提高方向盘的模态频率并力求系统质量最小。
基于模态分析的转向系统怠速振动优化_徐伟
基于模态分析的转向系统怠速振动优化徐伟１戴云１（１南京汽车集团有限公司汽车工程研究院２南京依维柯汽车有限公司产品工程部）摘要本文针对某商用车怠速工况下方向盘抖动的问题，对转向系统的模态进行分析，发现其前两阶模态偏低，与发动机怠速二阶激励过于接近。
通过改变方向盘重量与结构以及CAE分析寻找薄弱环节并予以结构加强的方式进行不同方案的验证，取得明显的改善效果，解决了方向盘怠速抖动过大的实际问题。
关键词：方向盘怠速抖动ＣＡＥ分析模态试验汽车舒适性是决定其市场竞争力的重要因素之一，也是现代车辆设计制造水平的重要指标。
近年来，随着车辆向高速化，轻量化方向发展，结构振动和内部噪声问题日益突出，因此，减振降噪被放在日益突出的位置，受到各大汽车厂商的重视。
而转向系统振动尤其是方向盘怠速工况下的振动，关系到用户的第一主观感受，是众多ＮＶＨ控制指标中极具影响力的一个。
本文结合某高端轻卡方向盘怠速抖动明显偏大的现象，利用试验和有限元分析等方法对抖动现象进行深入研究找到了抖动原因，并重新对结构进行改进设计。
改进后试验结果表明方向盘怠速抖动明显减小，达到了预期目标。
针对某高端轻卡主观评价发现，方向盘怠速抖动现象严重，同时利用ＬＭＳ测试设备对方向盘振动量进行了客观数据测量。
通过试验获得方向盘１２点钟位置的三方向振动信号，计算得到的怠速振动量见表１。
项目组给定的方向盘怠速振动量的设计目标值为低于０．５ｍ／ｓ２，很显然样车方向盘振动相对对标车型和设计目标值而言都明显偏大，这与车型本身的高端定位严重不符，影响了整车的品质，是急需解决的一个重要问题。
＊参照《ＧＢ＿１４７９０．１－２００９－Ｔ＿机械振动＿人体暴露于手传振动的测量与评价＿第１部分》进行计算发动机怠速情况下，主要激励频率较为单一。
以本系列车型所搭载的２．８Ｔ四缸柴油发动机为例，怠速转速８００ｒｐｍ，二阶激励频率为２６．７Ｈｚ。
转向系统在怠速情况下之所以产生较大的振动，主要原因在于其本身的某个固有频率（通常为一阶）与发动机二阶激励频率接近，从而导致共振现象的产生。
运用ADAMS软件对汽车转向系统的模拟仿真分析
运用ADAMS软件对汽车转向系统的模拟仿真分析作者：刘爱志来源：《数字技术与应用》2012年第09期摘要：汽车转向系统是汽车的一个重要主成部分，它不仅影响到汽车在驾驶时的操纵稳定性和行驶平顺性，而且也是决定汽车在高速行驶时能够安全行驶的一个重要因素。
随着人们对汽车各项性能的要求不断提高，汽车的操纵稳定性日益受到广大客户的重视，也成为衡量现代汽车的重要使用性能之一。
本文通过建立整车模型，然后调试仿真模型，来完成整车模型的稳态转向特性仿真分析，首先合理地简化整车模型，先建立前悬架模型，然后在前悬架模型基础上增加了后悬架、转向系、轮胎和路面模型。
关键词：ADAMS 前悬架模型整车模型仿真试验中图分类号：U463.444 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0163-01在以前的汽车转向系统设计当中，由于缺乏先进可行的辅助手段，对系统的动力学仿真分析是通过采用简化的理想约束条件下的机构模型，用图解法和分析计算来进行，并通过多自由度的质量----阻尼刚体数学模型来仿真汽车行驶状况，通过这样的方式所获得的结果误差较大。
在工程应用领域，计算机仿真技术变的日益重要，它是以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟实验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。
这种应用在于仿真软件能够通过使用计算机代码和方程来准确地模拟真实的机械系统，通过分析、运行、评价，结果展示等手段，避免了我们在传统的产品开发过程中面对各零部件的重复制造实验过程，从而大大地加速了设计开发过程，同时通过降低硬件建设成本节省了大量的人力、财力、物力和时间。
在我们所知的传统的设计与制造过程中，首先要进行的是通过概念设计和方案论证，然后再进行产品设计。
在设计完成后，为了验证设计是否正确，通常都需要制造物理样机来进行物理实验。
在这实验期间，通常只有通过周而复始的反复多次实验、验证、论证，产品的各项性能指标才能达到要求。
因而这种传统的设计制造方式无法缩短周期，而且对市场的反应迟钝。
面向汽车转向系统NVH性能的分析与设计流程
面向汽车转向系统NVH性能的分析与设计流程田冠男杨晋谢然徐有忠(奇瑞汽车有限公司乘用车工程研究院CAE部安徽芜湖241009)摘要: 本文提出了一种面向汽车转向系统NVH性能的分析与设计流程,简述了转向系统振动的激励源，针对转向柱总成进行了模态分析与试验对比，并结合提升转向柱与仪表板安装横梁总成NVH 性能的工程实例，进一步针对转向柱安装支架进行了静强度分析与结构优化，该方法最终在奇瑞某车型开发中得到了较好的应用。
关键词: NVH 转向系统分析与设计流程MSC.Nastran 结构优化An Analysis and Design Process Oriented on VehicleSteering System NVH PerformanceTian Guannan, Yang Jin, Xie Ran, Xu YouzhongCAE Department，Passenger Vehicle Product Development, Chery Automobile Company Ltd. Wuhu, Anhui 241009,ChinaAbstract: Orienting on vehicle steering system NVH performance, an analysis and design process is given. Exciting resource of steering system shake is introduced. To analyze mode of steering system, both FEM and test method is used. An example aimed to increase NVH performance of steering column and IP is given. In the example, this analysis process is applied, at last strength analysis and structure optimization of mounting bracket is given, the performance of a Chery passenger car has increased a lot.Key words:NVH, Steering System, Analysis and Design Process, MSC.Nastran, Structure Optimization0 引言汽车上用于改变行驶方向的机构称为汽车转向系。
汽车转向系统动力学性能的仿真分析
汽车转向系统动力学性能的仿真分析汽车是现代社会的必需品之一，而转向系统作为汽车最基本的控制系统之一，也是汽车安全性能最直接相关的部件之一。
转向系统的好坏对于安全行车至关重要。
在汽车设计中，转向系统的动力学性能是一个非常重要的指标，因此对其进行仿真分析可以有效地提高汽车安全性能和行驶稳定性。
汽车转向系统的动力学性能受到多种因素的影响，如转向系统的目标点、转向系统的转向角度、车辆的速度、地面的摩擦力等等。
因此，分析转向系统的动力学性能不仅需要考虑转向系统本身的特性，还要考虑车辆的实际行驶环境以及路面的状态。
为了对汽车转向系统的动力学性能进行分析，可以利用虚拟仿真技术来模拟汽车转向过程中的各项数据，并通过数据分析来得出转向系统的动力学性能指标。
虚拟仿真技术是指利用计算机模拟现实世界中各种场景和物理过程的技术，通过分析和计算来得出需要的结果。
在进行汽车转向系统的动力学性能仿真分析时，需要先构建汽车转向系统的模型，并且确定好模型的各项参数。
一般来说，模型的参数可以根据车辆的实际情况进行调整，如车辆的长度、车宽、质量、轮胎压力等等。
通过模型构建和参数的确定，可以为汽车转向系统的仿真分析提供可靠的数据。
在进行仿真分析时，需要将模型放置在特定的环境中，如模拟特定的道路、交通状况等等。
然后，将各种力和扭矩作用于模型上，以模拟汽车在实际行驶过程中的环境和载荷。
通过对模拟过程中所得到的数据进行分析，可以得到很多有价值的信息。
如汽车的行驶稳定性、转向系统的响应速度、转向优化效果等等。
这样，设计师们可以通过仿真分析来修改和优化转向系统的设计方案，以提高汽车的行驶稳定性和安全性能。
值得注意的是，汽车转向系统的动力学性能仿真分析需要借助一些现代化的仿真软件，如Msc.Adams、MATLAB、AutoCAD等等。
这些专业仿真软件可以大大提高仿真分析的精度和准确性，从而得到更加可靠的分析结果。
总而言之，汽车转向系统的动力学性能仿真分析对于汽车设计和生产来说是非常重要的。
CW——200K型T转向架构架建模与模态分析说明书
目录1.引言2.CW——200K型T转向架构架3.载荷工况4.计算分析评估5.模态分析6.结论7.心得体会8.模态介绍CW—200K型转向架构架结构强度分析1.引言转向架构架是车辆运行时最重要的承载部件，其可靠性能对机车的走行品质和安全性具有重要的影响，必须满足强度要求。
在上世纪六十年代前，对转向架构架的强度分析，主要采用的是经典的结构力学方法，包括近似法和精确力法，这两种方法采用了大量的假定使实际结构理想化和简单化，当构架结构越来越复杂，超静定次数增多时，这种方法计算的误差越来越大，精度越来越低。
随着计算机的普及和计算方法的发展，有限元法已成为构架强度分析的主要方法：根据构架的结构特点，建立构架的力学模型，再对构架进行离散化处理，然后用有限元分析软件进行运算。
用有限元法分析得出的理论结果和试验结果的相对误差可控制在10%的范围内。
本文对CW——200K型转向架构架焊接结构进行静强度和疲劳强度评估，载荷条件和方法参见如下标准：EN 13749、UIC 515—4、和UIC 615—4进行，许用应力和评估方法依据ERRI B12/RP17(第8版)确定。
2.CW——200K型T转向架构架2.1构架结构构架为H型钢板焊接结构，由两根侧梁和两根横梁组成。
侧梁为中间下凹的鱼腹形，由4块钢板组焊成箱形封闭结构。
侧梁内部有密封隔板使侧梁内腔成为空气弹簧的附加空气室。
横梁采用日本进口无缝钢管，外径为φ165.2mm，壁厚14.3mm。
在侧梁上焊有定位座、横向减振器座、高度阀座和防过充装置座等，在横梁上焊有盘形制动吊座，抗侧滚扭杆座、牵引拉杆座等。
在构架的焊接过程中所有部件均采用“V”型坡口，以便于机械手操作，钢板材料为16MnR（材料属性见附录表格4）即保证有足够的刚度同时又保证有良好的焊接性。
本文利用PRO/E软件建立构架装配图，如图1。
图1 转向架焊接构架2.2 有限元模型综合考虑整个构架的计算量、计算精度及构架结构的实际情况,采用ANSYS 软件对构架整体进行有限元离散和计算. 网格数量决定了计算结果的精度和规模,权衡网格数量与精确度两者的关系,最终离散出的节点数为133264 ,单元数为65798. 构架有限元离散模型如图2 所示.图二构架有限元离散模型3.载荷工况3.1 超常载荷工况在此工况下，作用在侧梁上的垂向载荷F z=1.4g(m v +C1-2m+)/4=186.0 kN;作用在构架上的横向载荷F y=2[10000+(m v+C1)g/12]=128.0 kN;10‰轨道扭曲车轮的垂向位移为25mm。
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转向系统模态分析方法
1.概述
1.1模态分析简介
模态分析亦即自由振动分析，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。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
模态参数可以由计算或实验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
1.2转向系统模态分析目的
模态分析的最终目的是识别出系统的模态参数，为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析应用可归纳为：
●评价现有结构系统的动态特性。
●在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。
●诊断及预报结构系统的故障。
●控制结构的辐射噪声。
●识别结构系统的载荷。
汽车在行驶过程中，外界激励振源会引起转向系统产生共振，带来噪音，极大地降低了车辆的乘坐舒适性，造成板件的抖动开裂，零部件的疲劳损坏，转向系统表面保护层的破坏，削弱转向系统的抗腐蚀能力等。
因此，为提高汽车产品的开发设计水平，达到优化设计的目标，需要对汽车转向系统进行模态分析，通过有限元计算来得到该结构在不同频率下的振型，避免因共振等原因引起的结构破坏。
1.3模态分析的相关物理理论
模态求解根据弹性力学有限元法，经分析的车身结构的运动微分方程为：[M]{ä(t)}+[C]{ȧ(t)}+[K]{a(t)}={F(t)}（1）式中，[M]，[C]，[K]分别为系统的质量矩阵，阻尼矩阵和刚度矩阵；{a(t)}，ȧ(t)，ä(t)分别为系统的位移列向量、速度列向量和加速度列向量，{F(t)}为系统的载荷列向量。
若无外力作用，即系统自由振动，有{F(t)}={0}；在求解车身结构自由振动的固有频率和振型时，阻尼对它们影响不大，因此，阻尼项可以略去，这时无阻尼自由振动的运动方程为：
[M]{ä(t)}+[K]{a(t)}={0}（2）
其对应的特征方程为：([K]−ω2[M]){a(t)} ={0}（3）
（3）式中，ω为系统的固有频率。
对于式（3）广义特征值问题，模态分析采用Lanczos（兰索斯）法，这种方法求解精度高、速度快，特别适用于大型对称特征值求解问题。
2.转向系统模态分析流程
2.1有限元模型的建立
1.确定转向系统材料并在engineeringdata中加载。
ANSYS提供了丰富的材
料库，如果材料特殊，也可以通过自定义导入新的材料。
2.划分网格，建立有限元模型。
可采用多种单元方式。
此次采用全实体单
元建模，其主要优点是实体单元模型精确，能真实模拟几何模型的局部
结构特征。
通过尺寸控制等命令控制生成的网格大小及质量。
2.2施加约束
模态分析中不存在结构及热载荷。
但在计算有预应力的模态分析时则需要考虑载荷，因为预应力是由载荷产生的。
对于模态分析中的约束有以下几种情况需要考虑。
●对于不存在或只存在部分的约束，刚体模态将被检测，这些模态将处于
0Hz附近。
与静态结构分析不同，模态分析并不要求禁止刚体运动。
●模态分析中的边界条件很重要，他能影响零件的振型和固有频率，在分
析中需要仔细考虑模型是如何被约束的。
●压缩约束是针对非线性的，因此在模态分析中不能使用。
在汽车行驶过程中，转向系统通过螺栓与车架固连。
通过装配图可知，转向系统与车架的具体固连部位A、B、C，在有限元模型中在这三点施加固定约束。
2.3设置求解项
设置求解模态数，求解方法等。
转向系统结构无阻尼系统的一般运动可以表达为各阶固有振型的线性组合。
低阶振动频率的固有振型对结构的动力影响大于高阶振型，也就是说，低阶成分的能量比较大，因此，对于一般转向系统工程结构，低阶振型对结构的动态特性起决定作用，在模态分析时只求低阶的振动频率和振型，通常取前5～10阶即可。
2.4求解并显示求解结果
1.求解并得到各阶固有频率及模态振型。
2.具体的各阶模态振型需要通过模态振型图来判断。
3.转向系统模态分析结果
转向系统结构无阻尼系统的一般运动可以表达为各阶固有振型的线性组合。
低阶振动频率的固有振型对结构的动力影响大于高阶振型，也就是说，低阶成分的能量比较大，因此，对于一般车身工程结构，低阶振型对结构的动态特性起决定作用，在模态分析时只求低阶的振动频率和振型，通常取前5～10阶即可。
前六阶模态为刚体位移模态，不在关注范围内，所以一阶模态从大于1Hz 的频率开始计算。
下图为前20阶模态频率图：
以下为部分振型：
一阶模态
二阶模态
三阶模态
四阶模态
五阶模态
六阶模态。