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轻型客车复合材料板簧模态的预测和分析
(1)铺层角度对一阶模态频率的影响
为了方便批量生产并控制制造成本,复合材料板簧实际使用的铺层角度只有0°、45°和90°,因此只讨论这三个角度即可。通过compositelayupmanager对话框改变复合材料板簧的部分铺层角度,并计算模型对应的一阶模态频率,计算结果如图8(a)所示。图中横坐标代表复合材料板簧中被45°铺层或90°铺层取代的铺层数目,纵坐标代表模型的一阶模态频率。需要说明的是,复合材料板簧之前全部采用0°铺层,图8(a)中横坐标0处对应的点即为全0°铺层对应的复合材料板簧一阶模态频率,如图中箭头标志所示。根据图8(a),复合材料板簧的一阶模态频率随着全0°铺层中45°或90°铺层的增多有下降的趋势,且90°铺层的下降幅度大于45°铺层的下降幅度。这说明采用0°铺层后复合材料板簧的一阶模态频率最高。因此,为了降低复合材料板簧发生共振的概率,应尽量采用0°铺层。
(2)复合材料密度对一阶模态频率的影响
改变复合材料的材料密度,并计算模型对应的一阶模态频率,计算结果如图8(b)所示。图中横坐标代表复合材料密度的改变量,纵坐标代表模型的一阶模态频率。根据图8(b),模型的一阶模态频率随着复合材料密度的增大而逐渐降低,这说明为了降低复合材料板簧发生共振的概率,应选用较低密度的复合材料来制作复合材料板簧。用来制造复合材料板簧的基体材料主要有环氧树脂和聚氨酯树脂,两者密度相近,但聚氨酯树脂具有更好的韧性,因此应选择聚氨酯树脂作为复合材料板簧的基体材料;用来制造复合材料板簧的纤维增强材料主要有玻璃纤维和碳纤维。碳纤维的密度明显比玻璃纤维小,因此从模态性能方面考虑,应选用碳纤维作为复合材料板簧的纤维增强材料。
(3)纤维体积含量对一阶模态频率的影响
对于0°铺层而言,纤维体积含量的影响主要体现在0°铺层的纵向拉伸模量。纤维体积含量越高,0°铺层的纵向拉伸模量就越高。因此,改变0°铺层的纵向拉伸模量,并计算模型对应的一阶模态频率,计算结果如图8(c)所示。图中横坐标代表材料纵向拉伸模量的改变量,纵坐标代表模型的一阶模态频率。根据图8(c),模型的一阶模态频率随着纵向拉伸模量的增大而逐渐增大,这说明为了降低复合材料板簧发生共振的概率,应选用较高的纤维体积含量。综合考虑力学性能及工艺条件,复合材料板簧的纤维体积含量一般为50%～65%。从模态性能方面考虑,应将纤维体积含量取为较高的60%～65%,具体值根据工艺条件及树脂的浸润效果来综合确定。
5结论
(1)提出的复合材料板簧建模及模态计算方法可以准确地预测复合材料板簧的模态,从而显著降低复合材料板簧的开发风险和成本。
(2)根据复合材料板簧的模态分析结果,设计的复合材料板簧能够避免共振现象的发生。
(3)选用0°铺层角度、较低密度的复合材料(推荐选用碳纤维增强聚氨酯基复合材料)和较高的纤维体积含量(推荐选用60%～65%)可提高复合材料板簧的一阶模态频率,降低复合材料板簧发生共振的概率,可为类似工程问题提供参考。
来源：期刊—振动与冲击
史文库1，钱琛1，柯俊1，高博1，李国民2，袁可3
1．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室
2．宁波华翔汽车零部件研发有限公司
3．南京依维柯汽车有限公司
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