基于混和建模理论的动力传动系统结构动态特性分析技术研究
冯慧华1,马炳杰2,尚蛟1,左正兴1,鲁守卫1
(1.北京理工大学,机械与车辆学院,北京 100081
2.中国船舶重工集团711研究所,上海 200090)
摘 要:为提高对动力传动装置这类复杂、组合系统动力学建模及分析的精度与效率,将混和建模思想及相关理论引入到对该对象的结构动态分析中。分别采用拟合自试验数据的试验模态模型和有限元数值模型表征柴油机与传动箱主结构,结合合理的连接方式设置,构建了该动力传动系统结构动态求解用试验/仿真混和分析模型。基于该混和模型,完成了对关心频率域内的模态频率、振型等信息的提取,验证了该混合建模思想在复杂组合结构动态分析中应用的有效性。与整体结构均采用有限元模型的计算过程及结果对比表明,在保证计算结果精度的条件下,该动力传动系统混和模型具有较高的计算效率,可用于下一步的结构动力学响应求解工作中。
关键词:动力传动系统;混合建模;试验模态;有限元;组合结构
Structural Dynamic Analysis of a Power-train System Based on Hybrid Modeling Method
Abstract: In order to improve the accuracy and efficiency of structural dynamic analysis of complex assembled structures such as power-train system, hybrid modeling method and theory was adopted in modal modeling and analysis processes. The main structures of the gearbox and diesel engine were simulated by FEM (or Finite Element Model) and TMM (or Tested Modal Model) synthesized from experiment data respectively. Combined with reasonable joint setting between FEM and TMM, final test/simulation (or TMM/FEM) hybrid structural dynamic model was built up. Based on the hybrid model, modal information such as modal frequencies and modal shapes were extracted, which verified that the validity of hybrid modeling thought could be used in dynamic analysis of complex assembled structures. Comparisons on solving time and calculated results with wholly FEM showed that, the hybrid model has enough accuracy and most important, more solving efficiency, and is suitable for further using in structural dynamic response analysis.
Keywords: power-train system; hybrid modeling; experiment modal analysis; FEM; assembled structures
1 前言
结构动态分析混合建模是同时采用实验及数值方法来建立复杂组合结构动态分析模型的一种方法。对于组合体中已经成熟无需修改的模型采用实验分析方法,对于需要进行结构修改的部分模型采用有限元分析方法。这样得出的动力学参数中,一部分数据来源于试验,相对于整体有限元方法得到的数据而言,具有较高的精度。同时,实验模型具有较少的自由度,尤其在进行大型复杂结构的动力学分析时,该方法可以提高计算效率。
在近10年来,国外一些学者和研究机构对混合建模法做了相关研究,R VANCAUTER and N KIRTLEY最早提出了混合建模与仿真的方法[1];文献[2][3]中也有对混合建模与仿真的应用;美国宇航局曾利用混合建模方法,对伽利略航天器动态特性进行了研究。同时,在汽车业,一些公司也正在将混合建模与仿真技术应用到与汽车振动相关的噪声研究中。如福特公司采用Virtual.Lab运动学和动力学仿真分析软件包(包括刚体分析、以及刚柔混合的分析)对柴油机动力总成、汽车悬架、整车、履带等进行了混合建模及仿真计算及整车匹配优化;康明斯公司对柴油机动力总成的匹配做了混合建模和优化。而国内的一些学者也对混合建模方法给予了关注[4][5][6][7],但在动力传动系统混合建模应用方面的研究还很少见。
本文以某动力传动系统为研究对象,将结构动态分析混合建模方法引入其中,采用试验模态模型与有限元模型相结合的混合建模思想,即将传动箱有限元分析模型及其分析结果和柴油机试验建模及其试验结果,通过刚性联接进行混合建模,在不影响分析结果精度的基础上对结构进行合理简化后,对其进行了自由模态计算,并与基于有限元分析的该动力传动系统整体模态计算结果进行了对比,结果证实了混合建模方法高精度和高效率的优点。
2 混合建模理论背景
部件Ⅰ用试验模态分析法求得模态参数,部件Ⅱ用有限元法建模计算。两部件连接区为C,如图1所示。连接区两部件具有相同的位移。以此研究求取整体动力传动系统动特性的方法。
由图10和图11可知,两种方法计算的振型相符,进一步体现了混合建模的高精度性。同时可以看出,局部模态多发生在下曲轴箱和传动箱上,这是由薄壁结构的特性所决定的,其自振频率相对较低。在组合结构中,机体和缸盖相对于下曲轴箱和传动箱而言,具有较强的刚度,两者互相耦合,相互加强。
5 结论
本文以某动力传动系统为研究对象,根据混合建模的基本理论思想,将柴油机试验建模及其试验结果和传动箱有限元分析模型及其分析结果两个子结构通过刚性联接进行了混合建模及自由模态计算,并与组合级的动力传动系统有限元计算结果相对比,对比结果证实了混合建模方法高效率、高精度的优点。
参考文献:
[1] R VANCAUTER and N KIRTLEY. The role of test in the age of simulation [J]. IMechE C605/018/2002.
[2] Brughmans M,Leuridan J and Van Langenhove T. Valiation of automotive components FE models by means of test-analysis correlation and updating[J].SAE 1999.
[3] Gielen L,Development procedure for interior noise performance by virtual vehicle refinement, combining experimental and numerical component models [J].SAE 2001.
[4] 董兴建,孟光.实验模型和有限元模型的混合建模方法.振动与冲击[J].2009,28(7):38-41.
[5] 方英武,吴德伟等.整机结构混合建模方法研究.机械强度.2008,30(5):864-869.
[6] 郝淑英,陈予恕等.连结子结构在非线性动力学分析中的应用.天津大学学报[J].2001,34(3):295-299.
[7] 方明霞,吴磊,冯奇.混合子结构模态综合法建立轿车动力学模型.噪声与振动控制.2006,4(2):31-34.
[8] 杨景义,王信义.试验模态分析,北京:北京理工大学,1990.