CN115169168A - 车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法、存储介质和电子设备 - Google Patents
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Abstract
车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法、存储介质和电子设备,涉及车身悬臂结构仿真技术领域,解决了现有技术振动强度与疲劳验证结果不够精确的问题,可应用于车身零部件的振动强度评价工作中。所述方法包括:S1、车身悬臂结构系统模型截取与有限元建模;S2、车身悬臂结构预载荷分析;S3、根据信号类型进行模态分析;S4、基于试验数据的系统模态阻尼标定,将悬臂结构系统的试验结果与仿真结果进行对标比对,并调整模型;S5、载荷信号处理与CSD矩阵构建;S6、频率域模态参与因子计算;S7、多轴随机振动强度及疲劳分析。
Description
技术领域
本发明涉及车身悬臂结构仿真技术领域,具体涉及车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法。
背景技术
近年来,汽车产品的开发周期越来越短,而市场对产品质量要求越来越高。在整车开发中,有限元仿真发挥着不可替代的作用。尤其是在样机试制之前的数据阶段,不仅要通过仿真发现问题,还要准确地评估与预测,因此精确、可靠的仿真方法尤为重要。
在整车开发过程中由于布置的需要,会将一些必要的功能部件通过支架与车身总成建立连接,因空间限制等因素的影响,导致出现较多的悬臂结构,此类结构为单点或多点支撑在车身总成上,由于结构的特点,容易产生共振破坏。
对于车身零部件的振动强度评价,目前单轴扫频仿真分析较为常见,每个方向考核安全裕度较大,评价结果只反映单轴激励方向,三个轴的综合影响没有有效手段,且激励曲线为标准的功率谱密度,验证情况单一,振动强度与疲劳验证结果不够精确。
发明内容
为了解决现有技术振动强度与疲劳验证结果不够精确的问题,本发明提出了一种车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法、存储介质和电子设备。
本发明的技术方案如下:
一种车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,所述车身悬臂结构包括功能部件、支架和悬臂固定点,所述方法包括以下步骤:
S1、车身悬臂结构系统模型截取与有限元建模;
S2、车身悬臂结构预载荷分析;
S3、根据信号类型进行模态分析;
S4、基于试验数据的系统模态阻尼标定,将悬臂结构系统的试验结果与仿真结果进行对标比对,并调整模型;
S5、载荷信号处理与CSD矩阵构建;
S6、频率域模态参与因子计算;
S7、多轴随机振动强度及疲劳分析。
优选地,所述步骤S1进一步包括:
在悬臂结构的支架根部进行截取,对截取后的模型进行有限元建模,根据功能部件的具体特征划分网格单元。
优选地,所述步骤S2进一步包括:
进行预载荷分析,得到结构在装配预载或外力预载作用下的预应力场,在ABAQUS求解器平台基础上,使用关键字*static实现静态加载工况,加载设置根据结构外载具体情况而定,输出结构件的应力以及位移,作为后续步骤的数据引用。
优选地,步骤S3中所述信号类型包括加速度信号类型和力信号类型;
所述加速度信号类型的载荷激励,模态类型采用约束模态,截取位置全约束,抽取结构模态结果;
所述力信号类型的载荷激励,模态类型采用自由模态,模型截取后无任何约束信息,抽取结构模态结果;
所述结构模态结果的抽取方法为:
根据经验选择模态抽取范围0Hz-50Hz,或阶段频率在传感器采样率的1/10;或者根据PSD频率范围选取,大于50Hz的忽略不计。
优选地,步骤S4中所述系统模态阻尼标定,可通过随机振动试验台或实车试验实现,所述步骤S4进一步包括:
S41、在应用随机振动试验台的情况下:按照系统模态抽取范围准备样件,并将样件固定装夹至随机振动试验台上,在车身悬臂外端部布置加速度传感器作为检测信号,X、Y和Z三个方向分别加载白噪声或任一PSD加速度信号激励;
在应用实车试验的情况下:分别在车身悬臂结构系统模型对应的样件的截取位置与车身悬臂外端部分别布置加速度传感器1与加速度传感器2,进行样车路试试验;
S42、在应用随机振动试验台的情况下:对比试验检测位置的X、Y和Z三个方向加速度信号的伪损伤,选择伪损伤最大的方向作为“主方向”,将试验检测位置“主方向”的加速度时域信号转换为PSD曲线;
在应用实车试验的情况下:对比加速度传感器2的X、Y、Z 3个方向加速度信号的伪损伤,选择伪损伤最大的方向作为“主方向”。将加速度传感器2的“主方向”的加速度时域信号转换为PSD曲线;
S43、以试验台的“主方向”工况,进行单轴有限元随机响应仿真验证,即在应用随机振动试验台的情况下,载荷输入信号为台架的“主方向”加速度激励PSD信号,模态阻尼参数在计算频率范围内任意取一个恒定值,输出加速度PSD结果;在应用实车试验的情况下,仿真的载荷输入为加速度传感器1的“主方向”的加速度时域信号转换的PSD曲线;
S44、仿真验证得到检测位置的“主方向”的加速度响应PSD曲线,与步骤S42得到的试验检测位置“主方向”加速度PSD曲线做对比;
S45、调整模态阻尼参数恒定值,循环以上步骤,直到检测位置“主方向”的加速度响应PSD曲线仿真结果幅值与试验测定PSD幅值区域一致,确定模态阻尼值为后续计算确定的参数。
优选地,所述步骤S5进一步包括:
构建多轴载荷激励的CSD矩阵,共n个相互独立的激励信号,则矩阵为n×n元素的对角阵,对每个激励信号的时间域历程信号X(t)、Y(t)和Z(t)转换为频率域谱密度,其中,对角元素为每个激励信号的自功率谱密度,借助matlab软件工具平台,利用periodogram函数求解;非对角元素为两个不同激励信号的互功率谱密度,利用cpsd函数求解;以上函数命令通过for循环,将信号批量处理的语句通过M文件存储成脚本,以调用来自动化构建CSD矩阵的数据文本。
优选地,所述步骤S6进一步包括:
对激励信号做单位载荷频率响应分析,在ABAQUS/standard求解器平台中,应用*STEADY STATE DYNAMICS关键字定义频率响应分析,应用
*MODAL DAMPING关键字定义模态阻尼,在选定的频率域中设定为同一值;若激励信号为加速度类型,载荷激励信号应用关键字*BASE MOTION实现;若激励信号为力类型,载荷激励信号应用关键字*cload实现;输出模态位移变量,即全局位移与全局角位移;重复上述过程,将所有激励载荷模态参与因子计算完成。
优选地,所述步骤S7进一步包含:
S71、通过以下公式计算每个激励信号单位载荷应力场:
S72、将CSD矩阵所有元素叠加后累积得到多轴载荷作用后计算应力PSD;
S73、应用多轴疲劳分析理论工具结合材料S-N曲线,采用miner法则得到疲劳损伤结果,应用FEMFAT软件工具spectral模块计算得到零部件的振动强度。
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序,所述计算机程序执行如上所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法。
一种电子设备,包括处理器和存储器,其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信;存储器,用于存储计算机程序;处理器,用于执行存储器上所存放的计算机程序时,实现如上所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法。
与现有技术相比,本发明解决了振动强度与疲劳验证结果不够精确的问题,具体有益效果为:
本发明提供的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,给定了一组多轴随机振动强度与疲劳仿真工作流程,基于实际结构的特尼特性、真实的时域激励载荷以及多轴输入激励载荷的相关影响作用,基于实际预载情况的预应力模态等关键产品实际信息的状态下,对其进行随机振动强度与疲劳验证,与现有技术相比,结果的精确性和可信性可大大提升。
附图说明
图1为本发明所述车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法流程示意图;
图2为实施例2中所述悬臂结构及截取位置示意图;
图3为实施例4中所述截取位置全约束示意图;
图4为实施例5中所述应用随机振动试验台对系统模态阻尼标定示意图;
图5为为实施例5中所述应用实车试验对系统模态阻尼标定示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚,下面将结合本发明的说明书附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,需要说明的是,以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案,而不应理解为对本发明的限制。
实施例1.
本实施例提供了一种车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,方其流程示意图见图1所示,所述车身悬臂结构包括功能部件、支架和悬臂固定点,所述方法包括以下步骤:
S1、车身悬臂结构系统模型截取与有限元建模;
S2、车身悬臂结构预载荷分析;
S3、根据信号类型进行模态分析;
S4、基于试验数据的系统模态阻尼标定,将悬臂结构系统的试验结果与仿真结果进行对标比对,并调整模型;
S5、载荷信号处理与CSD矩阵构建;
S6、频率域模态参与因子计算;
S7、多轴随机振动强度及疲劳分析。
实施例2.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明,所述步骤S1进一步包括:
在悬臂结构的支架根部进行截取,对截取后的模型进行有限元建模,根据功能部件的具体特征划分网格单元。
本实施例所述悬臂结构及截取位置如图2所示,由于结构件具体特征不同,网格划分细节,如单元大小、单元类型等,本实施例不做要求,但原则为考察的部件按照详细结构进行划分,其余则本着单元数量最小原则。例如:仅仅考察钣金支架,则推荐钣金支架按照5mm左右六面体单元划分网格,其余则不作限制。
实施例3.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明,所述步骤S2进一步包括:
进行预载荷分析,得到结构在装配预载或外力预载作用下的预应力场,在ABAQUS求解器平台基础上,使用关键字*static实现静态加载工况,加载设置根据结构外载具体情况而定,输出结构件的应力以及位移,作为后续步骤的数据引用。
结构在装配后或使用前通常会受到外力,比如卡接、螺栓预紧、自重等,在进行随机振动分析前,首先进行预载荷分析,得到结构在装配预载或外力预载作用下的预应力场。在此基础上,进行后续的模态分析,或疲劳分析。
进一步地,对于预应力场数据向模态分析步的传递,可有两种方式:第一种方式为将模态分析定义在预载工况的下一步,基于预载分析得到的结构预应力场数据抽取模态结果。第二种方式为使用*import关键字功能进行网格数据及应力场数据在文件之间传递,该方式适用于在预应力数据基础上进行模型的二次处理。
实施例4.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明,步骤S3中所述信号类型包括加速度信号类型和力信号类型;
所述加速度信号类型的载荷激励,理论上缺失质量(m)分量形成载荷作用力,模态类型采用约束模态,截取位置全约束,抽取结构模态结果,如图3所示;
所述力信号类型的载荷激励,理论上不缺失任何分量,力(F)信号中包含质量(m)和加速度(a)信息,模态类型采用自由模态,即如图2所示的模型截取后无任何约束信息,直接抽取结构模态结果;
所述结构模态结果的抽取方法为:
根据经验选择模态抽取范围0Hz-50Hz,或阶段频率在传感器采样率的1/10;或者根据PSD频率范围选取,如加速度传感器采样率500Hz,根据奈奎斯特采样定律,加速度PSD截断频率为500Hz/2,即250Hz。一般地,大于50Hz的的PSD能量成分较低可忽略不计。
实施例5.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明,步骤S4中所述系统模态阻尼标定,可通过随机振动试验台或实车试验实现,所述步骤S4进一步包括:
S41、在应用随机振动试验台的情况下如图4所示:按照系统模态抽取范围准备样件,并将样件固定装夹至随机振动试验台上,在车身悬臂外端部布置加速度传感器作为检测信号,X、Y和Z三个方向分别加载白噪声或任一PSD加速度信号激励;
在应用实车试验的情况下如图5所示:分别在车身悬臂结构系统模型对应的样件的截取位置与车身悬臂外端部分别布置加速度传感器1与加速度传感器2,进行样车路试试验;
S42、在应用随机振动试验台的情况下:对比试验检测位置的X、Y和Z三个方向加速度信号的伪损伤,选择伪损伤最大的方向作为“主方向”,将试验检测位置“主方向”的加速度时域信号转换为PSD曲线;
在应用实车试验的情况下:对比加速度传感器2的X、Y、Z 3个方向加速度信号的伪损伤,选择伪损伤最大的方向作为“主方向”。将加速度传感器2的“主方向”的加速度时域信号转换为PSD曲线;
S43、以试验台的“主方向”工况,进行单轴有限元随机响应仿真验证,即在应用随机振动试验台的情况下,载荷输入信号为台架的“主方向”加速度激励PSD信号,模态阻尼参数在计算频率范围内任意取一个恒定值,输出加速度PSD结果;在应用实车试验的情况下,仿真的载荷输入为加速度传感器1的“主方向”的加速度时域信号转换的PSD曲线;
S44、仿真验证得到检测位置的“主方向”的加速度响应PSD曲线,与步骤S42得到的试验检测位置“主方向”加速度PSD曲线做对比;
S45、调整模态阻尼参数恒定值,循环以上步骤,直到检测位置“主方向”的加速度响应PSD曲线仿真结果幅值与试验测定PSD幅值区域一致,确定模态阻尼值为后续计算确定的参数。
本实施例所述步骤在产品开发过程中可逐渐积累,逐步形成经验参数范围,根据实际开发情况省略该步骤,选取相应经验参数,可大大缩短工作周期。
实施例6.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明,所述步骤S5进一步包括:
构建多轴载荷激励的CSD矩阵,共n个相互独立的激励信号,则矩阵为n×n元素的对角阵,对每个激励信号的时间域历程信号X(t)、Y(t)和Z(t)转换为频率域谱密度,其中,对角元素为每个激励信号的自功率谱密度,借助matlab软件工具平台,利用periodogram函数求解;非对角元素为两个不同激励信号的互功率谱密度,利用cpsd函数求解;以上函数命令通过for循环,将信号批量处理的语句通过M文件存储成脚本,以调用来自动化构建CSD矩阵的数据文本。
本实施例所述多轴载荷信号是指:载荷输入不是唯一一组PSD激励信号,系统模型或者存在多个激励点,或者每个激励点多于1个激励方向,或者二者情况兼有。
下面以图2为例进行举例说明,该案例为1个激励点:情况1为加速度类型的激励信号,3个激励方向,共3个加速度激励信号;情况2为力类型的激励信号,6个激励方向,共6个激励信号。不同信号之间各自独立,同时作用于结构上时,各自相互影响。
以加速度类型激励信号为例,构建多轴载荷激励的CSD矩阵,共3个相互独立加速度激励信号,则矩阵为3X3元素的对角阵如下:
对每个加速度信号的时间域历程信号X(t)、Y(t)、Z(t),转换为频率域谱密度,其纵轴单位为谱密度g^2/Hz,横轴单位为为频率Hz。其中,对角元素为每个加速度信号的自功率谱密度,非对角元素为两个不同加速度信号的互功率谱密度。
自功率谱密度曲线表达式:
X向时域信号X(t)的自相关函数:
X(t)的自功率谱密度即为对上式进行傅里叶变化:
互功率谱密度曲线表达式:
时域信号X(t)、Y(t)的互相关函数为:
X(t)、Y(t)的互功率谱密度即为对上式进行傅里叶变化:
实施例7.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明,所述步骤S6进一步包括:
对激励信号做单位载荷频率响应分析,在ABAQUS/standard求解器平台中,应用*STEADY STATE DYNAMICS关键字定义频率响应分析,应用*MODAL DAMPING关键字定义模态阻尼,在选定的频率域中设定为同一值;若激励信号为加速度类型,载荷激励信号应用关键字*BASE MOTION实现;若激励信号为力类型,载荷激励信号应用关键字*cload实现;输出模态位移变量,即全局位移与全局角位移;重复上述过程,将所有激励载荷模态参与因子计算完成。
实施例8.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明,所述步骤S7进一步包含:
S71、通过以下公式计算每个激励信号单位载荷应力场:
S72、将CSD矩阵所有元素叠加后累积得到多轴载荷作用后计算应力PSD;
S73、应用多轴疲劳分析理论工具结合材料S-N曲线,采用miner法则得到疲劳损伤结果,应用FEMFAT软件工具spectral模块计算得到零部件的振动强度。
实施例9.
本实施例提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序,所述计算机程序执行如实施例1-8任意一项所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法。
实施例10.
本实施例提供了一种电子设备,包括处理器和存储器,其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信;存储器,用于存储计算机程序;处理器,用于执行存储器上所存放的计算机程序时,实现如实施例1-8任意一项所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法。
Claims (10)
1.一种车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,所述车身悬臂结构包括功能部件、支架和悬臂固定点,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1、车身悬臂结构系统模型截取与有限元建模;
S2、车身悬臂结构预载荷分析;
S3、根据信号类型进行模态分析;
S4、基于试验数据的系统模态阻尼标定,将悬臂结构系统的试验结果与仿真结果进行对标比对,并调整模型;
S5、载荷信号处理与CSD矩阵构建;
S6、频率域模态参与因子计算;
S7、多轴随机振动强度及疲劳分析。
2.根据权利要求1所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,其特征在于,所述步骤S1进一步包括:
在悬臂结构的支架根部进行截取,对截取后的模型进行有限元建模,根据功能部件的具体特征划分网格单元。
3.根据权利要求1所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,其特征在于,所述步骤S2进一步包括:
进行预载荷分析,得到结构在装配预载或外力预载作用下的预应力场,在ABAQUS求解器平台基础上,使用关键字*static实现静态加载工况,加载设置根据结构外载具体情况而定,输出结构件的应力以及位移,作为后续步骤的数据引用。
4.根据权利要求1所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,其特征在于,步骤S3中所述信号类型包括加速度信号类型和力信号类型;
所述加速度信号类型的载荷激励,模态类型采用约束模态,截取位置全约束,抽取结构模态结果;
所述力信号类型的载荷激励,模态类型采用自由模态,模型截取后无任何约束信息,抽取结构模态结果;
所述结构模态结果的抽取方法为:
根据经验选择模态抽取范围0Hz-50Hz,或阶段频率在传感器采样率的1/10;或者根据PSD频率范围选取,大于50Hz的忽略不计。
5.根据权利要求1所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,其特征在于,步骤S4中所述系统模态阻尼标定,可通过随机振动试验台或实车试验实现,所述步骤S4进一步包括:
S41、在应用随机振动试验台的情况下:按照系统模态抽取范围准备样件,并将样件固定装夹至随机振动试验台上,在车身悬臂外端部布置加速度传感器作为检测信号,X、Y和Z三个方向分别加载白噪声或任一PSD加速度信号激励;
在应用实车试验的情况下:分别在车身悬臂结构系统模型对应的样件的截取位置与车身悬臂外端部分别布置加速度传感器1与加速度传感器2,进行样车路试试验;
S42、在应用随机振动试验台的情况下:对比试验检测位置的X、Y和Z三个方向加速度信号的伪损伤,选择伪损伤最大的方向作为“主方向”,将试验检测位置“主方向”的加速度时域信号转换为PSD曲线;
在应用实车试验的情况下:对比加速度传感器2的X、Y、Z 3个方向加速度信号的伪损伤,选择伪损伤最大的方向作为“主方向”。将加速度传感器2的“主方向”的加速度时域信号转换为PSD曲线;
S43、以试验台的“主方向”工况,进行单轴有限元随机响应仿真验证,即在应用随机振动试验台的情况下,载荷输入信号为台架的“主方向”加速度激励PSD信号,模态阻尼参数在计算频率范围内任意取一个恒定值,输出加速度PSD结果;在应用实车试验的情况下,仿真的载荷输入为加速度传感器1的“主方向”的加速度时域信号转换的PSD曲线;
S44、仿真验证得到检测位置的“主方向”的加速度响应PSD曲线,与步骤S42得到的试验检测位置“主方向”加速度PSD曲线做对比;
S45、调整模态阻尼参数恒定值,循环以上步骤,直到检测位置“主方向”的加速度响应PSD曲线仿真结果幅值与试验测定PSD幅值区域一致,确定模态阻尼值为后续计算确定的参数。
6.根据权利要求1所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,其特征在于,所述步骤S5进一步包括:
构建多轴载荷激励的CSD矩阵,共n个相互独立的激励信号,则矩阵为n×n元素的对角阵,对每个激励信号的时间域历程信号X(t)、Y(t)和Z(t)转换为频率域谱密度,其中,对角元素为每个激励信号的自功率谱密度,借助matlab软件工具平台,利用periodogram函数求解;非对角元素为两个不同激励信号的互功率谱密度,利用cpsd函数求解;以上函数命令通过for循环,将信号批量处理的语句通过M文件存储成脚本,以调用来自动化构建CSD矩阵的数据文本。
7.根据权利要求1所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法,其特征在于,所述步骤S6进一步包括:
对激励信号做单位载荷频率响应分析,在ABAQUS/standard求解器平台中,应用*STEADY STATE DYNAMICS关键字定义频率响应分析,应用*MODAL DAMPING关键字定义模态阻尼,在选定的频率域中设定为同一值;若激励信号为加速度类型,载荷激励信号应用关键字*BASE MOTION实现;若激励信号为力类型,载荷激励信号应用关键字*cload实现;输出模态位移变量,即全局位移与全局角位移;重复上述过程,将所有激励载荷模态参与因子计算完成。
9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序,所述计算机程序执行如权利要求1-8任意一项所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法。
10.一种电子设备,其特征在于,包括处理器和存储器,其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信;存储器,用于存储计算机程序;处理器,用于执行存储器上所存放的计算机程序时,实现如权利要求1-8任意一项所述的车身悬臂结构多轴随机振动强度与疲劳损伤仿真计算方法。
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CN117787017A (zh) * | 2024-02-26 | 2024-03-29 | 中国第一汽车股份有限公司 | 车用功率模块随机振动分析方法、装置和计算机设备 |
CN118095018A (zh) * | 2024-04-25 | 2024-05-28 | 陕西重型汽车有限公司 | 一种考虑振动频率的重型汽车驾驶室疲劳耐久分析方法 |
CN118153208A (zh) * | 2024-05-09 | 2024-06-07 | 徐州徐工汽车制造有限公司 | 一种新能源电池包支架结构性能分析及评价方法 |
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- 2022-05-31 CN CN202210606211.4A patent/CN115169168A/zh active Pending
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