专利名称：识别零部件特征频率的方法
技术领域：
概括地说，本发明涉及一种识别零部件特征频率的方法；具体地说，本发明涉及一种基于有限元分析识别零部件特征频率的方法、特别是识别复杂系统特征频率的方法。
背景技术：
众所周知，模态(振型)是机械结构的固有振动特性，每一个模态均具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。如果了解了机械结构在易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，则可以预言该结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因而， 模态分析即对这些模态进行分析从而获取相应的模态参数是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。因而，尽管机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化，但模态分析提供了研究各种实际结构动力特性的一条有效途径。现有技术中的模态分析方法包括试验模态分析法和计算模态分析法。试验模态分析法通过试验采集系统输入与输出信号，然后经过参数识别从而获得模态参数；而计算模态分析法采用有限元方法计算获得。随着电子计算机以及软件行业的发展，目前有很多软件都可以用来进行有限元模态分析，如OPTISTRUCT、NASTRAN、ANSYS等。上述现有技术的有限元模态分析过程中，特别是在研究对象是较为复杂的系统时，计算得出的振动模态往往过于凌乱，难以辨识出真正关心的零部件特征频率；或者当由许多局部振型组成某阶振动时，会非常难以判断特征频率的数值。例如，图1是现有技术中有限元模态分析计算结果的一个示例。具体地说，图1中示意性地示了出车辆仪表板总成的计算模态分析结果。可见，从该图中很难判断出哪一阶为转向管柱的垂直以及水平方向的模态，这对仪表板结构设计问题的辨别及其解决都造成了困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种识别零部件特征频率的方法，其特征在于， 所述方法包括如下步骤建立所述零部件的有限元模态模型；在所述有限元模态模型的关注区域上施加白噪声激励；计算获得所述有限元模态模型的关注区域上的频率输出，从而获得每个频率上的加速度响应；以及通过加速度曲线的波动判断零部件的特征频率。通过如上所述的识别零部件特征频率的方法，由于采用频响分析更能够直观的判断出特征频率，从结果中读出零件的频率响应曲线，进而通过各个峰值大小来判断特征频率的大小，判断非常准确，特别是与根据经验辩识振动模态相比更为准确清晰，并且应用简单，有益于帮助工程师更准确地判断并解决零部件的振动问题。该方法也可以应用于复杂系统特征频率的识别，以解决所计算得到的振动模态过于纷乱、难以判断各子系统特征频率的问题。
可选地，在如上所述的方法中，所述关注区域为所述有限元模态模型上相应于所述零件上材料较硬区域的区域。通过这种方法，使得激励能够更好的传递而不受到零件局部柔度的影响。可选地，在如上所述的方法中，所述关注区域为所述有限元模态模型上相应于所述零部件的安装支架的区域。对于大多数的系统安装支架通常会比其他区域刚度更高，所以，通过这种方法，选择支架区域会使得激励能够更好的传递。可选地，在如上所述的方法中，所述有限元模态模型的结构阻尼的幅值设定在 0. 01至0. 02之间。优选地，对于由金属零件组成的系统，选取结构阻尼0. 01，而对于塑料零件组成的系统，选取结构阻尼0. 02。可选地，在如上所述的方法中，所述结构阻尼的幅值设定为0. 015。本发明涉及的总成多为部分金属部分塑料，因此可以选择结构阻尼为0. 015。可选地，在如上所述的方法中，所述有限元模态模型是多个零部件模型的组合。对于复杂系统，尤其是多个零部件组成的系统，能够更好地体现出本发明的优点。可选地，在如上所述的方法中，所述计算过程采用模态叠加法。由于模态叠加法比直接法计算效率高，计算时间是直接法的1/3。所以，通过上述方法，能够更有效地进行计
笪弁。
参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在限制本发明的范围。图中图1是根据现有技术的有限元模态分析的计算结果的一个示例；图2示意性地示出了根据本发明的一种实施方式识别零部件特征频率的方法的流程图；图3示意性地示出了根据本发明的一种实施方式得到的复杂零部件的有限元模型；其中，左图是整个模态分析计算模型，右图单独示出了仪表板模型；图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的计算模型激励点以及结果输出点； 以及图5示意性地示出了本发明的实施方式的计算结果。
具体实施例方式下面参照附图详细地说明本发明的具体实施方式
。附图中相同的附图标记用于标记相同的技术特征。如下的说明仅是说明性、示例性的，虽然其中根据本发明的具体实施方式
进行了说明，但是应当了解，在不背离本发明的原理的情况下，经过改型或变型的其它实施方式也将落入在本发明的保护范围内。图1是根据现有技术的有限元模态分析的计算结果的一个示例。图1中的六幅图列出了作为示例的某仪表板系统的前6阶模态振型情况。由于模型的复杂性，模态振型是由一些局部模态和整体模态耦合而成。具体地说，在图1中示意性地示出了车辆仪表板总成的有限元模态分析的计算结果，从中可以看出，仪表板总成的模态结果非常复杂，难以判别哪个频率为所关注的转向管柱的特征频率。
图2示意性地示出了根据本发明的一种实施方式识别零部件特征频率的方法的流程图。从图中可以看出，根据本发明的该实施方式，识别零部件特征频率的方法包括如下步骤建立所述零部件的有限元模态模型；在所述有限元模态模型的关注区域上施加白噪声激励；计算获得所述有限元模态模型的关注区域上的频率输出，从而获得每个频率上的加速度响应；以及通过加速度曲线的波动判断零部件的特征频率。图3示意性地示出了根据本发明的实施方式得到的复杂零部件的有限元模态模型。具体地说，图3中示出了车辆仪表板总成3的有限元模态模型，关注的零件为其中的转向管柱零件(参见图3)。图1为图3示出了模型的模态计算结果，在该模型基础上进行修改亦可以获得本发明所述的计算模型。下面详细描述本发明一个实施方式中建立零部件有限元模型的具体步骤。具体的步骤包括了解待分析系统的零件组成和配合关系；从TEAMCENTER中下载系统中各零件的几何模型；将这些几何模型导入到有限元前处理软件例如HYPERMESH中划分网络并附以材料和属性；建立各零件之间的连接关系并建立边界条件进行模态分析；以及在HYPERVIEW 中读取结果。为了很好地建立有限元模型，首先了解总成中零件的组成，下载零件几何数模；分别导入HYPERMESH进行划分网格，根据零件特点可以选择采用壳单元或是实体单元来划分网格；根据零件的实际材料进行材料属性的添加；然后依照零件的真实配合关系进行装配连接，通常会使用刚性单元来进行连接；根据总成真实的使用环境来建立边界条件，必要时安装夹具或是车身模型需要加入模型中从而获得更加准确的边界条件。计算结束后可以将结果导入HYPERVIEW中，读出各监测点每个方向上的随频率变化的加速度曲线。可以看出，在上述步骤中，借助了 HYPERMESH作为有限元前处理器；但是，所属领域的技术人员可以了解，应用其它软件同样也可以进行本项技术的实施。应当了解，在此导入的有限元模型可以为多个零部件模型的组合。在建立了零部件的有限元模型之后，即可对该模型进行有限元分析计算。分析计算的具体步骤包括建立白噪声表格和结构阻尼，例如白噪声的频率可以为从OHz到 1000Hz、幅值可以为1，结构阻尼的频率可以为从OHz到1000Hz、幅值为0. 015 ；在模态分析结果中预设特征频率的频率范围，据此设定频率输出的起始点、步长和步数以及模态叠加所需要分析的频率范围，例如，该频段范围可以为输出频率的3倍以上；在所关注的零件或所关注的零件附近材料比较坚硬的位置上，选择几个点，并在相应的有限元模态模型的这几个点的位置上施加单位激励(白噪声激励)，结合之前建立的白噪声表格相应建立频响动态激励，从而建立动态载荷；采用模态叠加法进行频响分析，调用约束、动态载荷、频率范围、频率输出、阻尼，并输出关注零件上的加速度结果数值。图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的计算模型激励点以及结果输出点，其中测点用附标记1示出，激励点用附图标记2示出。应当了解，所谓的白噪声，即为在所有频率上幅值均一致的一条加速度曲线，其在软件中转化为实际的载荷。换言之，白噪声是一种包含所有频率的激励波，在频域中为一条加速度值始终一致的直线载荷。在软件中施加该载荷时，如果零件的材质比较软，例如塑料零件，就需要选择硬度较高的、其金属支架的某个节点来施加该载荷。所述有限元模态模型的结构阻尼的幅值可以设定在0.01至0.02之间。优选地，所述结构阻尼的幅值可以设定为0. 015。所谓的约束可以是按照实际车辆情况施加的约束，例如通过位移来约束。通过对模态模型的关注区域进行如上的有限元分析计算，便可获得关注区域上的频率输出、加速度计算结果，然后根据这些频率输出和加速度计算结果作图，例如作成曲线图，即可直观地得到每个频率上的加速度响应结果；通过该曲线的波动即可判断零部件的特征频率。对于上述计算，在此可以借助于NASTRAN作为求解器。并且，考虑到计算时间和效率，在此还推荐采用模态叠加法进行计算。所属领域的技术人员可以了解，本发明并未排除其它适当的计算方法；采用其它适当的计算方法也将包括在本发明的范围内。图5示意性地示出了本发明的实施方式的计算结果。其中，左上图分别为5个监测点的X方向的加速度响应曲线，右上图分别为5个监测点的Y方向的加速度响应曲线，左下图分别为5个监测点的Z方向的加速度响应曲线，右下图分别为5个监测点的总的加速度响应曲线。右下图中曲线为其他3附图曲线的加权结果。在图5中表述的是在某一频率下该零件的加速度响应，横坐标为频率(Hz)，纵坐标为加速度(m/s2)。从图5中可以看出在各个监测点的频响结果。如图中所示，加速度响应的波峰点即为关注零件的特征频率点。 左上图分别为5个监测点的X方向的加速度响应曲线，右上图分别为5个监测点的Y方向的加速度响应曲线，左下图分别为5个监测点的Z方向的加速度响应曲线，右下图分别为5 个监测点的总的加速度响应曲线。右下图中曲线为其他3附图曲线的加权结果。当输入是恒定的单位白噪声时，输出的曲线的波动显示了系统对于激励的放大效果，可见当输入系统的激励频率与曲线波峰的频率相一致的时候系统将会将激励放大非常多，出现共振的结果，这便是该系统的特征频率。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，根据如前的描述以及相关附图的教示， 也可以对本发明的具体实施方式
做出其它的改型和变型，但毫无疑问，这些改型和变型将落在本发明的保护范围之内。总而言之，应当理解，本发明的保护范围并不局限于在此所披露的具体实施方式
，本发明的改型、变型及其他等同实施方式也将落入本发明所要求保护的范围内。
权利要求
1.一种识别零部件特征频率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 建立所述零部件的有限元模态模型；在所述有限元模态模型的关注区域上施加白噪声激励；计算获得所述有限元模态模型的关注区域上的频率输出，从而获得每个频率上的加速度响应；以及通过加速度曲线的波动判断零部件的特征频率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关注区域为所述有限元模态模型上相应于所述零件上材料较硬区域的区域。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关注区域为所述有限元模态模型上相应于所述零部件的安装支架的区域。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元模态模型的结构阻尼的幅值设定在2%至5%之间。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述结构阻尼的幅值设定为3%。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述有限元模态模型是多个零部件模型的组合。
7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算过程采用模态叠加法。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算过程采用模态叠加法。
全文摘要
本发明提供了一种识别零部件特征频率的方法。该方法包括如下步骤建立零部件的有限元模态模型；在有限元模态模型的关注区域上施加白噪声激励；计算获得有限元模态模型的关注区域上的频率输出，从而获得每个频率上的加速度响应；以及通过加速度曲线的波动判断零部件的特征频率。通过上述方法，可以清晰的识别出复杂零部件中各子系统的特征频率，帮助工程师更准确地判断并解决零部件的振动问题，并且这种方法应用更简单、效率更高。
文档编号G06F17/50GK102270249SQ20101019434
公开日2011年12月7日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者王聪昌, 董丹丹 申请人:上海通用汽车有限公司, 泛亚汽车技术中心有限公司