專利名稱：識別零部件特征頻率的方法
技術領域：
概括地說，本發(fā)明涉及一種識別零部件特征頻率的方法；具體地說，本發(fā)明涉及一種基于有限元分析識別零部件特征頻率的方法、特別是識別復雜系統(tǒng)特征頻率的方法。
背景技術：
眾所周知，模態(tài)(振型)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)均具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。如果了解了機械結構在易受影響的頻率范圍內各階主要模態(tài)的特性，則可以預言該結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因而， 模態(tài)分析即對這些模態(tài)進行分析從而獲取相應的模態(tài)參數(shù)是結構動態(tài)設計及設備的故障診斷的重要方法。因而，盡管機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動千姿百態(tài)、瞬息變化，但模態(tài)分析提供了研究各種實際結構動力特性的一條有效途徑?，F(xiàn)有技術中的模態(tài)分析方法包括試驗模態(tài)分析法和計算模態(tài)分析法。試驗模態(tài)分析法通過試驗采集系統(tǒng)輸入與輸出信號，然后經(jīng)過參數(shù)識別從而獲得模態(tài)參數(shù)；而計算模態(tài)分析法采用有限元方法計算獲得。隨著電子計算機以及軟件行業(yè)的發(fā)展，目前有很多軟件都可以用來進行有限元模態(tài)分析，如OPTISTRUCT、NASTRAN、ANSYS等。上述現(xiàn)有技術的有限元模態(tài)分析過程中，特別是在研究對象是較為復雜的系統(tǒng)時，計算得出的振動模態(tài)往往過于凌亂，難以辨識出真正關心的零部件特征頻率；或者當由許多局部振型組成某階振動時，會非常難以判斷特征頻率的數(shù)值。例如，圖1是現(xiàn)有技術中有限元模態(tài)分析計算結果的一個示例。具體地說，圖1中示意性地示了出車輛儀表板總成的計算模態(tài)分析結果?？梢?，從該圖中很難判斷出哪一階為轉向管柱的垂直以及水平方向的模態(tài)，這對儀表板結構設計問題的辨別及其解決都造成了困難。

發(fā)明內容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種識別零部件特征頻率的方法，其特征在于， 所述方法包括如下步驟建立所述零部件的有限元模態(tài)模型；在所述有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上施加白噪聲激勵；計算獲得所述有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上的頻率輸出，從而獲得每個頻率上的加速度響應；以及通過加速度曲線的波動判斷零部件的特征頻率。通過如上所述的識別零部件特征頻率的方法，由于采用頻響分析更能夠直觀的判斷出特征頻率，從結果中讀出零件的頻率響應曲線，進而通過各個峰值大小來判斷特征頻率的大小，判斷非常準確，特別是與根據(jù)經(jīng)驗辯識振動模態(tài)相比更為準確清晰，并且應用簡單，有益于幫助工程師更準確地判斷并解決零部件的振動問題。該方法也可以應用于復雜系統(tǒng)特征頻率的識別，以解決所計算得到的振動模態(tài)過于紛亂、難以判斷各子系統(tǒng)特征頻率的問題。
可選地，在如上所述的方法中，所述關注區(qū)域為所述有限元模態(tài)模型上相應于所述零件上材料較硬區(qū)域的區(qū)域。通過這種方法，使得激勵能夠更好的傳遞而不受到零件局部柔度的影響?？蛇x地，在如上所述的方法中，所述關注區(qū)域為所述有限元模態(tài)模型上相應于所述零部件的安裝支架的區(qū)域。對于大多數(shù)的系統(tǒng)安裝支架通常會比其他區(qū)域剛度更高，所以，通過這種方法，選擇支架區(qū)域會使得激勵能夠更好的傳遞?？蛇x地，在如上所述的方法中，所述有限元模態(tài)模型的結構阻尼的幅值設定在 0. 01至0. 02之間。優(yōu)選地，對于由金屬零件組成的系統(tǒng)，選取結構阻尼0. 01，而對于塑料零件組成的系統(tǒng)，選取結構阻尼0. 02?？蛇x地，在如上所述的方法中，所述結構阻尼的幅值設定為0. 015。本發(fā)明涉及的總成多為部分金屬部分塑料，因此可以選擇結構阻尼為0. 015?？蛇x地，在如上所述的方法中，所述有限元模態(tài)模型是多個零部件模型的組合。對于復雜系統(tǒng)，尤其是多個零部件組成的系統(tǒng)，能夠更好地體現(xiàn)出本發(fā)明的優(yōu)點?？蛇x地，在如上所述的方法中，所述計算過程采用模態(tài)疊加法。由于模態(tài)疊加法比直接法計算效率高，計算時間是直接法的1/3。所以，通過上述方法，能夠更有效地進行計
笪弁。


參照附圖，本發(fā)明的公開內容將更加顯然。應當了解，這些附圖僅僅用于說明的目的，而并非意在限制本發(fā)明的范圍。圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的有限元模態(tài)分析的計算結果的一個示例；圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式識別零部件特征頻率的方法的流程圖；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式得到的復雜零部件的有限元模型；其中，左圖是整個模態(tài)分析計算模型，右圖單獨示出了儀表板模型；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的計算模型激勵點以及結果輸出點； 以及圖5示意性地示出了本發(fā)明的實施方式的計算結果。
具體實施例方式下面參照附圖詳細地說明本發(fā)明的具體實施方式
。附圖中相同的附圖標記用于標記相同的技術特征。如下的說明僅是說明性、示例性的，雖然其中根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式
進行了說明，但是應當了解，在不背離本發(fā)明的原理的情況下，經(jīng)過改型或變型的其它實施方式也將落入在本發(fā)明的保護范圍內。圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的有限元模態(tài)分析的計算結果的一個示例。圖1中的六幅圖列出了作為示例的某儀表板系統(tǒng)的前6階模態(tài)振型情況。由于模型的復雜性，模態(tài)振型是由一些局部模態(tài)和整體模態(tài)耦合而成。具體地說，在圖1中示意性地示出了車輛儀表板總成的有限元模態(tài)分析的計算結果，從中可以看出，儀表板總成的模態(tài)結果非常復雜，難以判別哪個頻率為所關注的轉向管柱的特征頻率。
圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式識別零部件特征頻率的方法的流程圖。從圖中可以看出，根據(jù)本發(fā)明的該實施方式，識別零部件特征頻率的方法包括如下步驟建立所述零部件的有限元模態(tài)模型；在所述有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上施加白噪聲激勵；計算獲得所述有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上的頻率輸出，從而獲得每個頻率上的加速度響應；以及通過加速度曲線的波動判斷零部件的特征頻率。圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式得到的復雜零部件的有限元模態(tài)模型。具體地說，圖3中示出了車輛儀表板總成3的有限元模態(tài)模型，關注的零件為其中的轉向管柱零件(參見圖3)。圖1為圖3示出了模型的模態(tài)計算結果，在該模型基礎上進行修改亦可以獲得本發(fā)明所述的計算模型。下面詳細描述本發(fā)明一個實施方式中建立零部件有限元模型的具體步驟。具體的步驟包括了解待分析系統(tǒng)的零件組成和配合關系；從TEAMCENTER中下載系統(tǒng)中各零件的幾何模型；將這些幾何模型導入到有限元前處理軟件例如HYPERMESH中劃分網(wǎng)絡并附以材料和屬性；建立各零件之間的連接關系并建立邊界條件進行模態(tài)分析；以及在HYPERVIEW 中讀取結果。為了很好地建立有限元模型，首先了解總成中零件的組成，下載零件幾何數(shù)模；分別導入HYPERMESH進行劃分網(wǎng)格，根據(jù)零件特點可以選擇采用殼單元或是實體單元來劃分網(wǎng)格；根據(jù)零件的實際材料進行材料屬性的添加；然后依照零件的真實配合關系進行裝配連接，通常會使用剛性單元來進行連接；根據(jù)總成真實的使用環(huán)境來建立邊界條件，必要時安裝夾具或是車身模型需要加入模型中從而獲得更加準確的邊界條件。計算結束后可以將結果導入HYPERVIEW中，讀出各監(jiān)測點每個方向上的隨頻率變化的加速度曲線?？梢钥闯?，在上述步驟中，借助了 HYPERMESH作為有限元前處理器；但是，所屬領域的技術人員可以了解，應用其它軟件同樣也可以進行本項技術的實施。應當了解，在此導入的有限元模型可以為多個零部件模型的組合。在建立了零部件的有限元模型之后，即可對該模型進行有限元分析計算。分析計算的具體步驟包括建立白噪聲表格和結構阻尼，例如白噪聲的頻率可以為從OHz到 1000Hz、幅值可以為1，結構阻尼的頻率可以為從OHz到1000Hz、幅值為0. 015 ；在模態(tài)分析結果中預設特征頻率的頻率范圍，據(jù)此設定頻率輸出的起始點、步長和步數(shù)以及模態(tài)疊加所需要分析的頻率范圍，例如，該頻段范圍可以為輸出頻率的3倍以上；在所關注的零件或所關注的零件附近材料比較堅硬的位置上，選擇幾個點，并在相應的有限元模態(tài)模型的這幾個點的位置上施加單位激勵(白噪聲激勵)，結合之前建立的白噪聲表格相應建立頻響動態(tài)激勵，從而建立動態(tài)載荷；采用模態(tài)疊加法進行頻響分析，調用約束、動態(tài)載荷、頻率范圍、頻率輸出、阻尼，并輸出關注零件上的加速度結果數(shù)值。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的計算模型激勵點以及結果輸出點，其中測點用附標記1示出，激勵點用附圖標記2示出。應當了解，所謂的白噪聲，即為在所有頻率上幅值均一致的一條加速度曲線，其在軟件中轉化為實際的載荷。換言之，白噪聲是一種包含所有頻率的激勵波，在頻域中為一條加速度值始終一致的直線載荷。在軟件中施加該載荷時，如果零件的材質比較軟，例如塑料零件，就需要選擇硬度較高的、其金屬支架的某個節(jié)點來施加該載荷。所述有限元模態(tài)模型的結構阻尼的幅值可以設定在0.01至0.02之間。優(yōu)選地，所述結構阻尼的幅值可以設定為0. 015。所謂的約束可以是按照實際車輛情況施加的約束，例如通過位移來約束。通過對模態(tài)模型的關注區(qū)域進行如上的有限元分析計算，便可獲得關注區(qū)域上的頻率輸出、加速度計算結果，然后根據(jù)這些頻率輸出和加速度計算結果作圖，例如作成曲線圖，即可直觀地得到每個頻率上的加速度響應結果；通過該曲線的波動即可判斷零部件的特征頻率。對于上述計算，在此可以借助于NASTRAN作為求解器。并且，考慮到計算時間和效率，在此還推薦采用模態(tài)疊加法進行計算。所屬領域的技術人員可以了解，本發(fā)明并未排除其它適當?shù)挠嬎惴椒ǎ徊捎闷渌m當?shù)挠嬎惴椒ㄒ矊ㄔ诒景l(fā)明的范圍內。圖5示意性地示出了本發(fā)明的實施方式的計算結果。其中，左上圖分別為5個監(jiān)測點的X方向的加速度響應曲線，右上圖分別為5個監(jiān)測點的Y方向的加速度響應曲線，左下圖分別為5個監(jiān)測點的Z方向的加速度響應曲線，右下圖分別為5個監(jiān)測點的總的加速度響應曲線。右下圖中曲線為其他3附圖曲線的加權結果。在圖5中表述的是在某一頻率下該零件的加速度響應，橫坐標為頻率(Hz)，縱坐標為加速度(m/s2)。從圖5中可以看出在各個監(jiān)測點的頻響結果。如圖中所示，加速度響應的波峰點即為關注零件的特征頻率點。 左上圖分別為5個監(jiān)測點的X方向的加速度響應曲線，右上圖分別為5個監(jiān)測點的Y方向的加速度響應曲線，左下圖分別為5個監(jiān)測點的Z方向的加速度響應曲線，右下圖分別為5 個監(jiān)測點的總的加速度響應曲線。右下圖中曲線為其他3附圖曲線的加權結果。當輸入是恒定的單位白噪聲時，輸出的曲線的波動顯示了系統(tǒng)對于激勵的放大效果，可見當輸入系統(tǒng)的激勵頻率與曲線波峰的頻率相一致的時候系統(tǒng)將會將激勵放大非常多，出現(xiàn)共振的結果，這便是該系統(tǒng)的特征頻率。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，根據(jù)如前的描述以及相關附圖的教示， 也可以對本發(fā)明的具體實施方式
做出其它的改型和變型，但毫無疑問，這些改型和變型將落在本發(fā)明的保護范圍之內。總而言之，應當理解，本發(fā)明的保護范圍并不局限于在此所披露的具體實施方式
，本發(fā)明的改型、變型及其他等同實施方式也將落入本發(fā)明所要求保護的范圍內。
權利要求
1.一種識別零部件特征頻率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 建立所述零部件的有限元模態(tài)模型；在所述有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上施加白噪聲激勵；計算獲得所述有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上的頻率輸出，從而獲得每個頻率上的加速度響應；以及通過加速度曲線的波動判斷零部件的特征頻率。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述關注區(qū)域為所述有限元模態(tài)模型上相應于所述零件上材料較硬區(qū)域的區(qū)域。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述關注區(qū)域為所述有限元模態(tài)模型上相應于所述零部件的安裝支架的區(qū)域。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元模態(tài)模型的結構阻尼的幅值設定在2%至5%之間。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述結構阻尼的幅值設定為3%。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述有限元模態(tài)模型是多個零部件模型的組合。
7.如權利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，所述計算過程采用模態(tài)疊加法。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述計算過程采用模態(tài)疊加法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種識別零部件特征頻率的方法。該方法包括如下步驟建立零部件的有限元模態(tài)模型；在有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上施加白噪聲激勵；計算獲得有限元模態(tài)模型的關注區(qū)域上的頻率輸出，從而獲得每個頻率上的加速度響應；以及通過加速度曲線的波動判斷零部件的特征頻率。通過上述方法，可以清晰的識別出復雜零部件中各子系統(tǒng)的特征頻率，幫助工程師更準確地判斷并解決零部件的振動問題，并且這種方法應用更簡單、效率更高。
文檔編號G06F17/50GK102270249SQ20101019434
公開日2011年12月7日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權日2010年6月7日
發(fā)明者王聰昌, 董丹丹 申請人:上海通用汽車有限公司, 泛亞汽車技術中心有限公司