轻型客车复合材料板簧模态的预测和分析

摘要:为了预测某轻型客车复合材料板簧的模态并预判复合材料板簧的模态是否会与相关激励耦合发生共振,在ABAQUS软件中建立了针对复合材料板簧模态计算问题的有限元模型。对复合材料板簧的有限元模型进行了计算模态分析,根据计算模态分析结果预测了复合材料板簧的模态。对复合材料板簧的样件进行了试验模态分析,通过对比模态预测结果和试验模态分析结果的方法验证了模态预测结果的准确性和有限元模型的正确性。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。利用经过验证的复合材料板簧有限元模型分析了各设计变量与复合材料板簧一阶模态频率之间的关系。分析结果表明,选用0°铺层角度、较低密度的复合材料和较高的纤维体积含量能够降低复合材料板簧发生共振的可能性。得到的研究结果可显著降低复合材料板簧的研发风险和成本。

关键词:客车;复合材料;板簧;有限元分析;模态分析

随着环境危机和能源危机的日益严重,汽车轻量化已经成为汽车发展的重要方向。与钢板弹簧相比,复合材料板簧的重量可降低50%～70%",疲劳寿命至少是钢板弹簧的两倍,有利于降低汽车的油耗和排放,对汽车的舒适性和安全性都有明显的提升作用。因此,复合材料板簧成为了国内外学者竞相研究的热点领域。在汽车行驶过程中,复合材料板簧会受到路面、发动机等产生的振动激励。如何在复合材料板簧开发初期准确预测复合材料板簧的模态,并使复合材料板簧的固有频率避开外界激励的频率范围,最终避免复合材料板簧与外界激励耦合发生共振,这对保证复合材料板簧的疲劳寿命及整车的NVH性能均具有重要的意义。

目前,对复合材料板簧的研究主要集中在复合材料板簧的结构优化、接头设计和疲劳性能方面,与复合材料板簧模态相关的研究很少。KRALL等采用锤击法和谱分析法对碳纤维复合材料板簧进行了模态试验,并对碳纤维复合材料板簧的模态进行了理论计算。其研究结果表明,锤击法可更准确地测试复合材料板簧的模态。该报道提出了一种针对复合材料板簧模态的Euler-Bernoulli梁理论,但没有给出可操作的计算方法,且该理论没有体现出复合材料的各向异性,是否适用于变截面复合材料板簧的模态计算还存在疑问。SURESHKUMAR等通过试验发现复合材料板簧的模态频率是钢板弹簧的两倍,说明复合材料板簧与激励耦合发生共振的可能性较小。管鸣等对形状记忆合金复合材料板簧进行了计算模态分析,研究了温度、SMA纤维含量对复合材料板簧的固有频率以及模态振型的影响,但没有对铺层角度等关键参数进行讨论,相关结论也缺乏试验的支持。综上所述,国内外已经对复合材料板簧进行过模态试验,并采用有限元方法进行过计算模态分析。但是,仍然缺乏针对变截面复合材料板簧模态的有效预测方法,关键铺层参数、工艺参数与复合材料板簧模态之间的关系还需要进一步的明确和验证。

针对上述问题,本文首先建立了针对变截面复合材料板簧模态分析问题的有限元模型,利用该模型进行计算模态分析,预测了某轻型客车复合材料板簧的模态。然后,对复合材料板簧样件进行了试验模态分析。通过对比模态预测结果和试验模态分析结果验证了有限元模型的正确性和模态预测结果的准确性,并评价了复合材料板簧的动态性能。然后,利用经过验证的复合材料板簧有限元模型研究了铺层角度、材料密度及纤维体积含量对复合材料板簧一阶模态频率的影响,并得到了有价值的结论,为类似研究提供参考。

1某轻型客车复合材料板簧简介

若复合材料板簧的刚度、强度等基本性能达不到要求,研究复合材料板簧的模态是没有意义的。因此,在对某轻型客车复合材料板簧的模态进行系统研究之前,需要对复合材料板簧的总成结构和铺层方案进行匹配设计,并进行样件试制和台架试验,以确定其质量、刚度、强度、抗蠕变性能和疲劳寿命等关键性能满足设计目标。限于篇幅,上述研究工作将在其他论文中系统阐述。经过系统的匹配计算及试验,确定某轻型客车复合材料板簧的结构如图1所示。其中,复合材料簧身采用E玻璃纤维增强聚氨酯基复合材料制作,各铺层的铺层角度均为0°。

2复合材料板簧模态的预测方法

2.1复合材料板簧模态预测模型的建立

纤维增强树脂基复合材料是典型的非线性材料,具有各向异性及黏弹性,显然这对复合材料板簧的实际模态有一定的影响。然而,在模态分析中,材料的非线性特性将被忽略,即使指定了非线性单元,也将被视作线性单元来处理。因此,在有限元建模过程中只能考虑复合材料的各向异性,这与树脂基复合材料的实际力学性能有一定的差异。但是,如果模态预测结果与试验模态分析结果的误差可以接受,那么这种简化就可认为是合理的。

首先,将复合材料板簧的三维几何模型导入ABAQUS软件中,建立部件和装配件。然后,在Property模块中,定义复合材料和金属部件材料的力学性能。其中,复合材料簧身采用E玻璃纤维/聚氨酯复合材料制作,材料性能参数如表1所示。金属部件采用40Cr钢制作,弹性模量为206000Mpa,泊松比为0.3,密度为7.9g/cm3 。在Property模块中,为了体现复合材料的各向异性,采用工程常数的方式定义E玻璃纤维/聚氨酯复合材料的力学性能,通过compositelayupmanager对话框定义复合材料板簧的铺层参数。其中,铺层方向的定义直接影响模态预测结果的准确性。由于各铺层是沿板簧圆周方向铺设的,具有一定的曲率,因此应在compositelayupmanager对话框中按照discretemethod方式定义铺层方向,选定簧身上表面外法线方向为铺层坐标系的Z轴,簧身上表面边线为铺层坐标系的X轴。需要说明的是,复合材料板簧的铺层设计方案已经通过台架试验的验证,因此利用此有限元模型得到的刚度、强度等仿真结果与样件的性能是基本一致的。

然后,在Step模块建立一个线性摄动载荷步:Frequency,设定采用Lanczos法求解,频率计算范围设置为0～1024Hz。此外,在Interaction模块中,根据实际装配关系建立各金属部件与复合材料簧身的绑定约束。最后,在Mesh模块对模型进行网格划分。为了保证计算精度,全部利用六面体单元来对模型进行离散,单元类型为C3D8R。建立的复合材料板簧有限元模型如图2所示,模型共有140784个单元和167861个节点。最后,将建立的有限元模型提交ABAQUS的求解器进行计算。

2.2复合材料板簧模态的预测结果

计算完成后,利用ABAQUS的后处理模块对计算结果进行后处理,得到的模态预测结果如图3所示。需要说明的是,复合材料板簧在服役过程中的振动激励主要为低频激励,且大部分来源于竖直方向,应主要关注复合材料板簧的低阶振型和竖直弯曲振型。因此,图3只给出了复合材料板簧的四个关键计算模态振型,其中图3(a)～(c)为计算模态分析得到的前三阶振型,图3(d)为三阶竖直弯曲振型,其模态频率已高达528.56Hz。计算模态分析还得到了复合材料板簧的其他振型,研究意义不大,限于篇幅本文未列出。

3复合材料板簧模态预测结果的验证