[5]薄壳变速箱壳体动态响应仿真分析与试验验证

2009年 2月 第 23卷 第 1期 装 甲 兵 工 程 学 院 学 报 Journal of Academy of Armored Force Engineering Feb． 2009 Vo1．23 N0．1 文章编号：1672．1497(2009)叭一0031-05 薄壳变速箱壳体动态响应仿真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与试验验证 刘吉林 ，王红岩 ，芮 强 ，于 华 (1．装甲兵 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 机械工程系，北京 100072；2．65667部队，辽宁 阜新 123000) 摘 要 ：在 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)中搭建薄壳箱体的刚柔耦合虚拟仿真模型， 进行动态响应仿真分析。在相同试验条件下，搭建薄壳箱体动态响应试验台架 ，并进行动态振动试验。利用 Q一 400非接触式测试系统测量台架试验结果。对比仿真分析和试验测量结果，验证了仿真分析模型的准确性和计算 结果的可靠性。 关键词：薄壳箱体；动态响应；仿真分析；非接触测试；实验验证 中图分类号：TJ8l 0．32；TP391．9 文献标志码：A Simulation Analysis and Experimental Validati0n 0f Thin Gear．box Shell Dynamic Responses LIU Ji—lin ，WANG Hong—yan ，RUI Qiang。，YU Hua (1．Department of Mechanical Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China； 2．Troop No．65667 of PLA，Fljxin 123000．China) Abstract：The rigid-flexible coupling model is constructed and the dynamic response simulation analysis is carried out in ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)．In the same test，the tes— ring bed for dynamic response is established and dynamic vibration experiment is conducted．By using Q一 400 non—contact testing system，the experimental results on testing—bed are measured．Through compari— son of simulation analysis conclusions and testing data，the accuracy of virtual simulation analysis and the credibility of virtual computation results are verified． Key words：thin gear—box shell；dynamic response；simulation analysis；non-contact testing；experimen— ta1 validati0n 传动装置的箱体一般多为薄壳结构。目前，先 进的传动系统基本实现了动力传动的一体化设计， 其目的在于保持大功率的同时，使传动装置的质量 和体积进一步减小。因此，越来越多的薄壳箱体被 广泛采用。 以往对薄壳箱体的研究中，一般认为载荷是来 自外部的静态载荷或箱体内部齿轮啮合的动态激 励。例如文献[1]就对某坦克传动箱在 自身内部激 励下的刚强度进行了研究。实际上，车辆在行驶过 程中，更多的是受到来 自路面不平激励的冲击和振 动。这些冲击和振动会转化为随时间不断变化的动 收稿日期：2008一l0—19 基金项目：车辆传动国家重点实验室基金资助项 目(9140C3401030602) 作者简介：刘吉林(1984一)，男，硕士研究生． 态载荷 ，从而作用到传动系统的薄壳箱体上。因此， 对传动系统薄壳箱体动态响应特性的研究就具有很 重要的现实意义 。 近年来，虚拟样机技术已经越来越多地被应用 到机械产品的设计与研制过程中。应用该技术搭建 虚拟试验台架不仅减少了设计人员对物理样机的依 赖，而且节省了物力、财力。但大多的虚拟台架仿真 分析都缺少实验验证，难以保证仿真分析数据的准 确性。笔者在对研究对象进行仿真分析的基础上， 搭建薄壳箱体的实验测试台架，并进行相同实验条 件的动态响应分析试验，利用非接触测试技术，验证 32 装 甲兵 工 程学 院学 报 第23卷 仿真分析方案的可行性和模型的准确性。 1 结构动态响应分析的基本理论 动态响应问题主要是研究结构在动态力作用下的 振动问题。工程结构所受到的动态力作用，按时间的 变化规律，一般分为周期载荷、冲击载荷和随机载荷。 1．1 结构动态响应分析方程 笔者采用有限元法求解结构的动态响应问题。 有限元法的基本思想是将连续体或结构划分为许多 单元，通过一些节点把有限个单元连成集合体代替 原来的连续体或结构，即把连续体转化为离散模型 进行动力学分析。 用有限元模型来理想化实际连续体，其运动方 程可写为如下多自由度系统的运动方程 J： M +C +KU =F， (1) 式中： 为结构的总质量矩阵；K为结构的总刚度 矩阵；C为结构的阻尼矩阵；F为结构的激振力列 阵；U为结构的位移列阵。 式(1)是求解结构动力问题的理论依据，动力 响应的求解就是求解系统的运动微分方程。 对于式(1)，在给定的初始条件下，对其求解的 方法大致可分为2类：坐标变换法和直接积分法，笔 者所采用的模态振型叠加法是坐标变换法中最常用 的一种 。 1．2 模态振型叠加法 模态振型叠加法的要点是以系统的前 q阶特征 向量矩阵为变换矩阵。利用特征矢量对质量、刚度 和阻尼矩阵的正交性，使方程解耦，再通过求解解耦 后方程得到答案。 设已解出系统的前 q个特征向量，采用瑞利 一 里兹分析法，以这q个特征向量为基矢量，将节点位 移矢量 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 q U=∑咖 (t)= X (t)， (2) l 式中： =[ 。 咖 ⋯ 。]； X(t)=[ 】(t) z (t) ⋯ (t)r。 将式(2)代入式(1)，并将两边左乘 ，根据模 态正交性得 + C X+AX ：P， (3) 式中：P=~I~TF； A = 结构的阻尼矩阵近似取 C =diag(2 OJ )，i=1，2，⋯，q， (4) 式中： ，(【， 分别为第 i阶振型阻尼比和固有频率。 此时，式(3)变成完全解耦方程，其中每一个方程为 (t)+2 ∞ (t)+ 2 (t)=P (t)， (5) 初始条件为 = o ( 1，2，⋯，q) (6) ，(0)= ，J 式(6)中的初值可根据式(2)由下面关系求出： x(o)= ‘M ，1 ， x(o)= M Uo，J ． ． } ( 7) 能满足初始条件式(6)的方程(5)的解，可用杜哈米 积分表示为 (f)=—l_J P (￡)e一 一 sinw：( 一 )dr+ i J 0 e叶 ( sinm~t+ sJno9 t)， (8) 式中：02，= √1一 ； ， 由初始条件(6)给出。 上述积分一般用数值方法求解。将式(8)得到 的 (t)(i=1，2，⋯，q)代回式(2)，得即可求得响应 解 。 2 薄壳变速箱壳体动态响应模型建立 要建立薄壳变速箱壳体的动态响应仿真分析模 型，需分别建立薄壳变速箱壳体各部分的有限元模 型和实验台架的多刚体模型，并将其组合成刚柔耦 合分析模型。 2．1 柔性箱体模型 首先建立薄壳箱体的有限元模型。为了保证计 算精度和计算速度的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，在进行箱体的有限元建 模之前有必要对箱体几何形状做合理的简化。主要 有：忽略各处过渡圆角；忽略箱体上所有螺栓孔；将 箱体较厚的局部视为与相邻结构同厚。这些假设既 不会对薄壳箱体的质量及刚度产生大的影响，又能 够确保计算的精度和计算结果的真实。 箱体整体的有限元模型如图1所示。其中上箱 图 1 箱体的有限元模型 第1期 刘吉林，等：薄壳变速箱壳体动态响应仿真分析与试验验证 33 体划分97 592个4面体单元，165 660个节点；下箱 体划分 42 198个 4面体单元，75 589个节点；后端 盖划分 41 824个 4面体单元，74 755个节点。 当有限元网格划分完成后，还必须对整个网格 模型进行检查，从而保证计算结果的真实性。如检 查自由单元边、重复单元和重复节点。 2．2 动态响应仿真分析模型 要将已建立的箱体柔性模型和实验台刚体模型 进行耦合，需首先对箱体各部件有限元模型进行模 态计算，生成可表征其固有频率特性的模态中性文 件。采用模态振型叠加法生成柔性部件的模态中性 文件，然后将箱体各个部件的模态中性文件导入 ADAMS中，搭建变速箱箱体动态响应刚柔耦合仿真 分析模型，如图2所示。 激 图 2 变速箱动态响应仿真分析模型 虚拟试验台架的刚柔耦合多体动力学模型由4 个柔性体和 4个刚体组成。其 中变速箱的上下箱 体、右端盖和轴承后尾盖(模型中没能显示出来)为 柔性体，其余部件为刚体。变速箱的各个部件之间 以及变速箱和激振台之间主要靠螺栓进行连接。整 个试验台的拓扑结构如图3所示。 图3 试验台模型拓扑结构 的运动被完全限制。基于这一原 因，笔者采用一 般 6向力来模拟 2个部件之间的螺栓连接。如图 4所示，一般 6向力在力的3个分力方向的刚度和 阻尼以及 3个分力矩方向的旋转刚度和旋转阻尼 都是可调的，所以能更加准确地模拟部件间的螺 栓连接关系。 图4 一般 6向力的各个分量简图 3 非接触式振动场测试技术 大变形、大应变场测试系统 Q-4OO主要用于对 构件和材料进行非接触式三维变形场和应变场的测 量分析。 用两只 CCD(电荷耦合器件)相机对物体表面 进行观测。首先测量表面形状，用专门的图像相关 算法，对每个相机记录的图像的对应点予以识别，获 得物体表面的三维图像。相机的全部内在参数(焦 距、焦点、径向和横向畸变)和外部参数(相机位置、 物体坐标系统等)均由相机前面加一块校准板来测 定，多次记录校准板在不同方位的观察图像即可完 成校准，如图5所示。校准参数可在几秒钟内算出。 采用这些校准参数就可以用三角测量原理确定物体 上每点的三维坐标。如果连续记录的是物体受载荷 作用时发生变形后的图像，那么就可测量出物体每 个表面点的位移及表面的变形场，再计算得到表面 的应变场。 Q-4oo系统可用于测量在任何载荷如拉伸、压 模型中的螺栓模型主要用于连接 2个部件，主 要参数有螺栓的连接刚度和螺栓的预紧力。在文 特体 献[6]中，作者用一个平移约束副和一个弹簧的组 合来模拟连接的力学特性。这样可以用弹簧来调 节螺栓的连接刚度和预紧力，但同时沿螺栓径向 7 摄影测绘原理 ■ 校准板 图5 非接触振动场测试系统原理 34 装 甲 兵 工 程 学 院 学 报 第 23卷 缩、弯曲、扭转载荷下的三维材料参数及构件的应变 场。配高速相机也可测量构件的动态变形和应变， 用于疲劳研究、断裂力学及许多其他应用。 4 动态响应仿真分析与试验验证 4．1 试验工况设置 图6所示的仿真分析和图7所示的试验测试工 况设置相同。采取惯性模拟加载的方式，测出关注 点的位移时间历程曲线。质量块重心与变速箱另一 侧端面距离 565 mm，质量块参数：长 ×宽 ×高为 205 mm×100．5 mm X 58．5 mm；质量为9．4 kg。在 动态响应测试实验中，激振器都使激振台产生冲击 载荷，阶跃信号，如图8所示，行程为60 mm，速度为 3 m／s，从高处下落停止。 2种试验按相同的坐标各取 14个测试点，如图 6和表 1所示，并依据相同的次序命名各点，其编号 依次取测点 1、测点 2、⋯、测点 14。 图6 动态响应仿真分析模型及测点分布 3 000 2 250 曼 J 500 扛 750 O 图7 动态响应试验测试台架 0．O2 lI 问，s 图 8 速度激励信号 表 1 动态响应测试点位置分布 位置 坐标(X，y) 位置 坐标(x，y) 点 1 (一512．26，7．02) 点 8 (一275．19，31．89) 点 2 (一484．75，35．48) 点9 (一227．74，30．62) 点 3 (一455．85，34．70) 点 10 (一188．69，30．81) 点4 (一424．69，34．13) 点 11 (一145．12，29．61) 点5 (一387．27，33．18) 点 12 (一100．94，27．35) 点6 (一352．03，32．94) 点 13 (一41．77，26．31) 点7 (一313．12，32．45) 点 14 (一3．56，24．22) 4．2 试验结果对比分析 经过数据处理和图像采集，通过非接触测试技 术得到了在 t=0．045 S时变速箱整体动态振动变形 场云图，如图9所示。 图9 变速箱整体动态振动变形场 观察图9，在整个试验过程中，薄壳变速箱壳体 相当于一个悬臂梁，加上惯性质量块的作用，在力臂 延长杆端，位移和变形较大，在另一侧的激振台固定 端则较小。 图 1O一13给出了仿真分析计算结果和非接触 试验测试结果的对比情况。 根据测得的试验数据，仿真分析和非接触试验 测试中，测点 1的最大振动幅值都在 1 mm附近；在 接近激振台的根部，箱体的振动和变形均较小，测点 14的最大振动幅值为0．15 mill左右。同时各测点 振动持续的时间大致相同，测点 1振动消退的速度 要大于测点 14。 由图 10、11可见，试验曲线和仿真计算曲线中 各测点随时间振动的幅值、频率和减缓趋势均有较 强的一致性。将各测点垂直方向随时间振动的位移 变化曲线作 FFT变换，得到位移功率谱密度曲线， 如图 l2、l3所示。对比试验瞌线和仿真计算曲线， 峰值的大小和出现的时刻也都能保持一致。综合以 上分析，变速箱动态响应仿真分析和试验测试结果 能够很好的吻合，模型和仿真结果都得到了很好的 验证。 第 1期 刘吉林，等：薄壳变速箱壳体动态响应仿真分析与试验验证 35 鲁 皇 魁 l 乏 稍 麓里 料 图 10 测点 1垂直方向振动情况对比 图 12 测点 1垂直方向振动位移功率 谱密度曲线对比 5 结论 笔者建立了某型薄壳变速箱壳体的动态响应刚 柔耦合模型，并在此基础上，对薄壳箱体进行了动态 响应的仿真分析。完全按照仿真分析的试验条件， 搭建了薄壳箱体的动态响应试验测试台架，并进了 相同条件的动态振动试验。应用非接触式振动场测 试系统 Q-4oo对试验进行非接触式测量，对比试验 结果，各个测点垂直方向位移振动曲线、功率谱密度 曲线均有较强的一致性，验证了仿真分析模型的准 确性和计算结果的可靠性。 吕 g 量 宝 船 碍 图 11 测点 8垂直方向振动情况对比 图13 测点8垂直方向振动位移功率 谱密度曲线对比 参考文献： [1] 杨帆，王红岩，尚其刚，等．基于虚拟样机技术的坦克传动 箱箱体结构强度分析[J]．装甲兵工程学院学报，2008，22 (2)：35—38． [2] 彭铁文．基于 CAE技术的运动型多功能车整车结构静态与 动态响应分析[D]．长沙：中南大学，2004． [3] 杨伯荣．机械结构分析的有限元法[M]．武汉：华中理工大 学出版社，1989． [4] 张义民．机械振动[M]．北京：清华大学出版社，2007． [5] 周于海．基于APDL的甲板吊臂架结构参数化建模及动态响 应研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006． [6] 王红岩，芮强．基于虚拟台架的变速箱箱体动态应力测试及影 响因素分析[J]．装甲兵工程学院学报，2007，21(6)：49-53． ( 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 编辑：张瑞清)