基于LMS Virtual.Lab的某轻型卡车转向系统传递函数分析

　　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对某款卡车的转向系统进行模态分析，并利用LMS Virtual.Lab快速计算转向系统的传递函数，从来辅助识别其模态，降低了对分析人员能力的要求。

0  引言

　　 LMS Virtual.Lab软件是专门从事噪声分析方面的CAE软件，在CATIA V5平台上集成了原来的SYSNOISE功能，应用范围广泛，可以仿真计算有关设备噪声的各种数据。其中的Noise&Vibration(噪声与振动)模块提供了一种将有限元建模与试验建模结合起来的独特的混合仿真方法，工业标准级的求解器可以进行快速准确的预测，专门的后处理功能为用户在振动声学响应和传递路径分析上提供了快速的反馈。

　　 转向系统是汽车系统中一个非常重要的子系统，作为用户与车辆间的“桥梁”，其性能的优劣直接影响到汽车的品质和用户的驾驶体验。转向系统在行驶过程中会受到发动机、路面等多种激励的综合影响，如果其设计刚度不足、模态偏低，就容易产生怠速抖动或低速行驶抖动等NVH问题。因此，在设计转向系统时，会采用CAE分析的方法来验证其性能。

　　 传递函数即频率响应函数，是被测系统的动力特征在频域范围内的描述，也就是被测系统本身对输入信号在频域中传递特性的描述。通过已知输入和响应得到系统的特性，通常需要测量输入力的频谱和同步的振动响应。模态试验通常测量和计算的是加速度为单位的频响函数-加速度/单位力，单位为(mm/s2)/N，机械导纳是速度/单位力，单位为(mm/s)/N。通过测量频响函数，可以进一步得到振动系统的模态参数(模态固有频率、模态阻尼比、模态质量、模态刚度及振型等)。

　　 传统的CAE仿真模态分析中，通常由分析人员依据模态振型判断其模态，对分析人员的经验和能力要求较高。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对某款卡车的转向系统进行模态分析，并利用LMS Virtual.Lab快速计算转向系统的传递函数，从来辅助识别其模态，降低了对分析人员能力的要求。

1  模态分析基本理论

　　 一个多自由度系统的线性系统微分方程：

　　[M]{x''(t)}+[C]{x'(t)}+[K]{x(t)}={F(t)} (1)

　　 式中，[M]、[C]和[K]分别为系统质量、阻尼和刚度矩阵；{x''(t)、{x'(t)}和{x(t)}分别为节点的加速度、速度和位移向量；{F(t)}为系统激励向量。

　　 式(1)是用系统的物理坐标描述运动方程组，是一组耦合方程。当系统的自由度很大时，求解十分困难。模态分析方法是以无阻尼系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使坐标耦合的微分方程解耦为各个坐标独立的微分方程组，从而求出系统的各阶模态参数。对于无阻尼自由振动系统，阻尼和激励均为零，其系统运动方程可写为：

　　[M]{x''(t)}+[K{x'(t)}]=0 (2)

　　 经变换整理，特征方程可表达为：

　　|K-X2M|=0 (3)

　　 对于n自由度白车身系统而言，有n个特征值。模态分析就是求解振动方程的特征值。即特征方程的根Xi(i=1，2，，，n)，这些特征值表示自然频率或者共振频率。自然频率对应的特征向量叫做正交模态或振型。当结构振动时，它在任何时候的运动是正交模态的线形组合。通常采用质量归一化的方法，获取正则模态。

2  运用Hyperworks的模态分析

2. 1 有限元分析模型建立

　　 利用HyperMesh建立转向系统和内饰车身(Trimmed Body)有限元模型，Trimmed Body模型包含以下部件：BIP、仪表板总成、前翻总成、转向管柱总成(带方向盘)、车门、三踏板、驾驶员座椅、副驾驶员座椅、卧铺垫、后视镜、下视镜、补盲镜、洗涤壶、天窗、大灯、鼓风机、暖风机、组合开关、点火锁、内护板、顶盖内护面、整体地毯总成、玻璃升降器、离合总泵、储油杯、制动总阀、扬声器、仪表、保险丝盒、收放机、门密封条等。模型中根据各部件的质量和质心进行配重，并考虑后窗、侧窗、侧门以及侧门玻璃密封条的刚度。

　　 车身采用shell单元进行网格划分、铸件采用solid单元进行模拟、焊点采用acm单元进行模拟、粘胶采用实体单元进行模拟。如图1、图2所示：

　　图1 转向系统有限元模型

　　图2 内饰车身有限元模型

2. 2 内饰车身的自由模态分析

　　 本计算采用自由模态分析方案，将HyperMesh中建立的有限元模型导入Nastran进行计算，并在HyperWorks后处理器中查看结果。

　　 自由模态分析的边界条件为：无约束。

　　 计算频率范围：0-60Hz

3  运用LMS Virtual.Lab进行模态识别

3. 1 计算模态结果导入LMS Virtual.Lab

　　 打开软件后，操作流程如下：

　　图3 操作流程

　　 导入后的模型如图4所示：

　　图4 导入后的内饰车身有限元模型

　　 本次分析主要设置转向管柱中心点为输入点，方向盘轮缘3点为输出点。

　　 分析结果如图5所示：

　　图5 传递函数分析结果

　　 由上图结果可知，在37Hz处转向系统存在峰值，从Hyperview查看模态结果，发现37.53Hz为转向系统横向摆动模态。

4  结论

　　 由以上分析可知，运用LMS Virtual.Lab进行传递函数分析可以帮助计算分析人员快速识别出复杂系统中部件的模态。