基于模态分析的减震阻尼器随机振动特征研究.pdf

技术应用TECHNOLOGYANDMARKETVol.30,No.8,2023基于模态分析的减震阻尼器随机振动特征研究刘明，陈东辰，王领，朱浩然，强红宾江苏理工学院机械工程学院，江苏常州2 130 0 1摘要针对家用汽车行驶过程中的振动特征，以其减震阻尼器为研究对象提出一种基于模态分析的振动特征分析方法。采用UG软件建立减震阻尼器三维模型，将其模型进行简化处理（去除不影响计算的圆角及小孔等特征），导入有限元分析软件，并对其进行模态分析及随机振动特征仿真计算。计算结果表明：随着模态的递增，减震阻尼器的激励频率明显增大。最后基于理论计算方法验证了所提分析方法的有效性。关键词减震阻尼器；力学特征；模态分析；随机振动doi:10.3969/j.issn.1006-8554.2023.08.0100引言减震阻尼器是机械装备减震装置的主要组成部分，在机械装备运转过程中可起到减缓外部载荷对机械装备冲击的作用。减震阻尼器具有工作噪音低、隔振效果好、制造成本低等优点，被广泛应用于不同类型的汽车中 13。随着汽车性能的提高，对其驾驶过程中车身稳定性提出了更高的要求，为了避免其固有频率在高阶模态下的改变对车身产生附件共振影响，有必要对其振动特性进行深人研究。针对减震阻尼器振的力学性能问题,国内外众多学者开展了深入研究 45 。Luol6研究桥面激励引起的间接激励下拉索-阻尼器减震方法，在其阻尼模型中,基于经验法则增加了附加弹簧与阻尼器串联来优化其结构的灵活性。Xie7将线性阻尼器和非线性阻尼器相结合，研究阻尼器子系统柔性对整体地震响应的影响,分析结果表明，含柔性体的阻尼器可以获得比刚性支撑阻尼器高40%的中值峰值位移。陈昭行 8 以8 级抗震办公楼框架结构为研究对象，基于有限元分析方法对其阻尼器进行仿真计算,其计算结果为抗震办公楼框架结构优化设计提供理论支持。刘晓星 9 研究非线性菱形粘滞阻尼器的力学特性,推导了菱形粘滞阻尼器的等效阻尼比方程,结果表明：放大系数会对菱形阻尼器阻尼比产生明显的影响。40根据上述分析可知，减震阻尼器力学性能研究与其结构设计之间存在密切联系。本文提出了一种将模态分析结果引人到减震阻尼器力学性能计算的新方法，建立一种家用汽车的减震阻尼器随机振动特征模型，有助于其结构设计的改进与优化。1减震阻尼器建模与理论振动特征的预测与评估可以为减震阻尼器动力学特性分析和结构优化设计改进提供重要的理论依据，为了避免共振或特征频率扰动影响汽车稳定性，本文采用模态分析方法对减震阻尼器进行数值模拟。1.1模型建立与参数选取减震阻尼器主要零件包括合金耐磨头、活塞杆、压缩弹簧、衬套、缸体、碟簧以及固定座。当有外载荷作用时，合金耐磨头与活塞杆向缸体内部运动，通过腔内介质将载荷传递给压缩弹簧以及碟簧，以机械能转化为弹性势能的形式减缓外载所产生的振动特征，达到减震效果。采用UG软件建立减震阻尼器三维模型（见图1），为了便于计算，去除小孔、圆角、螺纹等不影响计算结果的几何特征。根据减震阻尼器实际产品参数，选取35 CrMo为减震阻尼器主要材料，其密度为7 8 7 0 kg/m,弹性模量为2 13GPa，泊松比为0.2 8 6。技术与市场2023年第30 卷第8 期技术应用缸体活塞杆合金耐磨头固定座衬套图1减震阻尼器三维模型1.2理论模型在汽车行驶过程中，由于路面不平整、运动副间隙特征、驱动转速不稳定等振动源激励作用，减震阻尼器的零部件也会随之产生不同程度的振动。当其零部件的振动频率与整车振动频率接近时，则会引起共振现象，使得车身振动更为严重。因此，有必要对减震阻尼器进行模态分析，其系统振动微分方程表达式为：Mx+Cx+Kx=F式中：M、C和K为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；F为外载荷。由于结构固有频率与阻尼项关联性较小，在计算过程中可以忽略其阻尼振动影响，故方程可改写为：Mx+Kx=0(2)其中，x=Asin(wt+p)(K-M)A=0IK-wMI=0式中：A为振型列向量；W为固有频率；t为振动时间；为初始相位角。2减震阻尼器模态分析2.1网格无关性分析将减震阻尼器三维模型导入有限元计算软件中，由于减震阻尼器结构较为复杂，为了便于提高计算效率，采用四面体单元进行网格划分，如图2 所示。图2减震阻尼器网格划分模型为了保证计算的准确性，对减震阻尼器进行网格(1)无关性分析，如图3所示。由计算结果可知，当网格划分间距为9 mm时，减震阻尼器三阶模态最大变形为1.8 8 6 9 10 3mm。随着网格数量的增加，网格划分间距为5 mm时，减震阻尼器三阶模态最大变形量为1.8 9 2 7 10-3mm。将网格数量继续增加，其计算结果趋于稳定，这说明网格数量在网格划分间距为5mm时计算效率和计算精度较高。x10-31.894(3)1.893(4)1.892(5)1.8911.8901.8891.8881.8871.88623图3网格无关性分析45划分间距/mm678419技术应用2.2模态分析结果图4为减震阻尼器模态分析结果，由计算结果可知减震阻尼器一阶模态振型主要为减震阻尼器沿轴方向左右移动，最大位移值为0.0 0 18 9 2 5 mm，出现在阻尼器整体位置；减震阻尼器二阶模态振型主要为减震阻尼器沿z轴方向左右移动，最大位移值为0.0 0 18 9 2 5 mm，出现在阻尼器整体位置；减震阻尼器三阶模态振型主要为减震阻尼器沿轴方向左右移动，最大位移值为0.0018925mm，出现在阻尼器整体位置；减震阻尼器四阶模态振型主要为减震阻尼器整体沿x轴方向转TECHNOLOGY AND MARKETVol.30,No.8,2023动，最大位移值为0.0 0 32 2 5 mm，出现在固定座位置；减震阻尼器五阶模态振型主要为活塞杆沿x轴方向上下摆动，最大位移值为0.0 0 43341mm，出现在固定座位置；减震阻尼器六阶模态振型主要为油缸体与固定座部分沿z轴方向上下摆动，最大位移值为0.0043359mm，出现在固定座位置。不同阶数下减震阻尼器的固有频率计算结果表示，减震阻尼器的高阶振动频率为4.0 Hz左右，与汽车产生的激励频率不在同一振动区间内，因此减震阻尼器不会在汽车行驶过程中产生共振现象。Ma417OMa(a)一阶模态(b)二阶模态AMnOMin(c）三阶模态AM(d)四阶模态C40N137OMn(e)五阶模态(f)六阶模态图4减震阻尼器模态分析结果3减震阻尼器随机振动分析基于减震阻尼器模态计算结果建立PSD激励响应，进一步对减震阻尼器开展随机振动分析，获得减震阻尼器振动特征，并结合随机振动理论方程验证其42有效性,该表达式为：u.=TPSD4M（2 元）fg）式中：u为位移响应；为定阶模态参与系数；0.5(6)技术与市场2023年第30 卷第8 期为模态振型；8 为阻尼系数；M为定阶振型下的广义质量；f。为定阶模态频率；PSD为功率谱密度。采用有限元法可获得一阶模态下的参与系数和位移响应结果,如图5 6 所示。由计算结果可知，仿技术应用真模拟值为5.0 6 0 5 10-4mm，理论计算值为5.101910-4mm，偏差值较小，说明本文提出的仿真分析方法具有较好的实用性。*PARTICIPATION FACTOR CALCULATION*MODEEREQUENCY10.95099020.95266431.4213541.9980152.0298062.0661673.9201483.922479422044104.53301SumDIRECTIONPERIODPARTIC.FACTOR1,051539.2001.0497385.210.703560.154890.500508.64810.4926688.4180.48399-0.765880.25509-17.6520.25494-91.4410.236940.56886E-010.22060-0.67019E-01CUMULATIVERATIOEFEECTIVEMASS0.1017611536.631.000000148390.0.0004020.239911E-010.02245074.79010.2295297817.730.0019880.5865700.045823311.5860.2373768361.380.0001480.323600E-020.0001740.449153E-02166493.RATIOEFF.MASSMASSFRACTIONTOTOTALMASS0.922943E-020.550342E-020.9005000.5314560.9005000.859237E-070.9009490.267859E-030.9479040.279990E-010.9479080.210079E-050.9497790.111594E-021.000000.299461E-011.000000.115897E-071.000000.160863E-070.596290图5一阶模态参与系数ity for stay cable under bridge deck excitation J.Ap-4ROMAN K.Influence of temperature on the dynamiccharacteristics of structures with viscoelastic damper J.Journal of structural engineering,2019,145(2):1205-1212.5张冰.弹簧-金属丝网橡胶符合减震器力学特性试验研究 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学,2 0 19.6LUO S.Design of mitigation damper with support flexibil-图6位移响应结果4结束语基于有限元仿真技术，提出了一种减震阻尼器随机振动特征分析方法，在模态分析的基础上构建减震阻尼器振动特征分析模型，将仿真模拟结果与理论计算结果相对比,验证了本文所提出方法的有效性，该方法的提出有助于减震阻尼器结构设计与优化。参考文献：1章健.航空发动机承力结构系统阻尼减振设计方法J.航空动力学报，2 0 19,34（11）：2 440-2 447.2BOSTAN M.Optimal design for shock damper with ge-netic algorithm to control water hammer effects in com-plex water distribution systems J.Water resourcesmanagement,2019,33(5):1665-1681.3张海波，孙宏伟.关于调整机械振动台幅频特性的研究 J.工程机械，2 0 2 1(2）：1-3.plied mechanics and materials,2012,2080(238):714-714.7XIE R.Effect of damper sub-system stiffness on the re-sponse of a single degree of freedom system equippedwith a viscous damper J.Journal of earthquake engi-neering,2022,26(11):5907-5926.8陈昭行.粘滞阻尼器在某办公楼中消能减震分析与设计 J.四川建材，2 0 2 0,46（5）：4446.9刘晓星.菱形阻尼器减震效果研究 J.建筑结构，2017,47(13):73-77.作者简介：刘明（2 0 0 2 一），男，吉林四平人，本科在读，研究方向：机械设计制造及其自动化。43