3.1復(fù)合材料板簧的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

為了獲取復(fù)合材料板簧樣件的模態(tài),通過剛度可忽略不記的橡皮繩對(duì)復(fù)合材料板簧樣件進(jìn)行整體懸掛,如圖4所示。復(fù)合材料板簧的尺寸較小,且根據(jù)KRALLS和ZEMANNR的研究結(jié)果,錘擊法可更準(zhǔn)確地測(cè)試復(fù)合材料板簧的模態(tài),因此采用錘擊法來對(duì)復(fù)合材料板簧樣件進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。試驗(yàn)采用LMSTEST.LAB測(cè)試系統(tǒng)和B&K/PCB公司的三向振動(dòng)加速度傳感器。傳感器布置位置和錘擊點(diǎn)分別如圖5所示,其中橢圓標(biāo)示為力錘錘擊點(diǎn),立方體標(biāo)示為傳感器布置位置。為了更合理地展示復(fù)合材料板簧的試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型,傳感器的布置位置參考了計(jì)算模態(tài)分析的結(jié)果,將傳感器都布置在復(fù)合材料板簧的上表面,分兩排沿簧身縱向均勻布置。由于復(fù)合材料板簧中部需要預(yù)留錘擊區(qū)域,且端部的金屬接頭表面與簧身上表面不共面,布置傳感器比較困難,因此未在復(fù)合材料板簧中部和端部布置加速度傳感器,但不影響試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型的展示。由于三向振動(dòng)加速度傳感器數(shù)量有限,利用同一組三向振動(dòng)加速度傳感器分別采集不同布置區(qū)域的試驗(yàn)信號(hào),再利用LMS軟件對(duì)試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行合成處理。試驗(yàn)照片如圖6所示。

利用LMSTEST.LAB軟件的Polymax模塊對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,得到的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)過程如下:首先在LMSTEST.LAB軟件中建立包含測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)等幾何元素的幾何模型,并在通道設(shè)置界面設(shè)置相關(guān)參數(shù),讀取傳感器靈敏度并建立測(cè)點(diǎn)和通道之間的關(guān)聯(lián)。然后進(jìn)行錘擊示波設(shè)置通道量程,并通過錘擊試驗(yàn)設(shè)置觸發(fā)級(jí)、帶寬、加窗及驅(qū)動(dòng)點(diǎn),其中帶寬設(shè)置為1024Hz。最后,在Measure模塊進(jìn)行測(cè)試并采集試驗(yàn)信號(hào)。

3.2模態(tài)預(yù)測(cè)方法及模型正確性的驗(yàn)證

有限元模型的外形相對(duì)逼真,通過計(jì)算模態(tài)分析能夠更加形象地展示復(fù)合材料板簧的模態(tài),并從理論角度預(yù)測(cè)復(fù)合材料板簧的模態(tài),但可信度較低。而試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析采集的測(cè)點(diǎn)有限,導(dǎo)致模型的外形與樣件實(shí)際外形有顯著的差別,但可信度較高。因此,計(jì)算模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果可以相互驗(yàn)證,并取長(zhǎng)補(bǔ)短,最終確定復(fù)合材料板簧的模態(tài)。

分別通過計(jì)算模態(tài)分析預(yù)測(cè)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析獲得的復(fù)合材料板簧各階模態(tài)頻率的對(duì)比如表2所示。

根據(jù)表2,各關(guān)鍵模態(tài)的預(yù)測(cè)頻率與試驗(yàn)頻率之間的誤差均低于6%。對(duì)比圖3和圖7,各關(guān)鍵模態(tài)的預(yù)測(cè)振型與試驗(yàn)振型基本吻合。因此,模態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果基本上反映了復(fù)合材料板簧樣件的真實(shí)模態(tài),說明忽略復(fù)合材料的非線性特性對(duì)復(fù)合材料板簧計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性影響不大,且復(fù)合材料板簧的有限元模型是正確的。復(fù)合材料板簧的計(jì)算模態(tài)分析早于試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,可同時(shí)證明復(fù)合材料板簧樣件的模態(tài)得到了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

4復(fù)合材料板簧動(dòng)態(tài)性能的評(píng)價(jià)和模態(tài)影響因素分析

4.1復(fù)合材料板簧動(dòng)態(tài)性能的評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)復(fù)合材料板簧動(dòng)態(tài)性能的目的是考察復(fù)合材料板簧的模態(tài)能否避開外界激勵(lì)的頻率范圍,最終避免復(fù)合材料板簧與外界激勵(lì)耦合發(fā)生共振。由于復(fù)合材料板簧服役過程中的外界激勵(lì)主要為低頻激勵(lì),因此評(píng)價(jià)復(fù)合材料板簧動(dòng)態(tài)性能的好壞主要看其低階模態(tài),尤其是一階模態(tài)。根據(jù)復(fù)合材料板簧的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果,其前三階振型的固有頻率分別為38.39Hz、107.31Hz和217.61Hz。

 汽車在行駛過程中與板簧有關(guān)的振動(dòng)激勵(lì)分為路面激勵(lì)、車輪不平衡激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)及傳動(dòng)軸不平衡激勵(lì)。下面分別進(jìn)行分析:

 (1)路面激勵(lì):由道路條件及車速?zèng)Q定。當(dāng)汽車在較好路面上正常行駛時(shí),激勵(lì)頻率多為1～3Hz;在高速公路上高速行駛時(shí),路面激勵(lì)可達(dá)到15Hz左右。復(fù)合材料板簧的一階模態(tài)頻率遠(yuǎn)高于15Hz,因此不存在與路面激勵(lì)耦合發(fā)生共振的可能性。

 (2)車輪不平衡激勵(lì):因車輪不平衡引起的激勵(lì)頻率一般低于11Hz,遠(yuǎn)低于復(fù)合材料板簧的一階模態(tài)頻率,因此不存在與車輪不平衡激勵(lì)耦合發(fā)生共振的可能性。

 (3)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì):此激勵(lì)對(duì)復(fù)合材料板簧影響較大。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率計(jì)算公式為:f=Mn/120式中,M為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目,n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。某輕型客車采用四缸發(fā)動(dòng)機(jī),怠速轉(zhuǎn)速為800r/min,按式(1)計(jì)算出激振頻率為26.7Hz;空調(diào)開啟時(shí),怠速轉(zhuǎn)速為850r/min,則激振頻率為28.3Hz。復(fù)合材料板簧的一階模態(tài)頻率遠(yuǎn)高于28.3Hz,因此復(fù)合材料板簧與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)耦合的可能性很小。

(4)傳動(dòng)軸不平衡激勵(lì):參考某輕型客車傳動(dòng)軸的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果,傳動(dòng)軸的一階固有頻率在100Hz以上,且復(fù)合材料板簧的模態(tài)頻率均避開了傳動(dòng)軸的固有頻率。因此,不存在復(fù)合材料板簧與傳動(dòng)軸不平衡激勵(lì)耦合發(fā)生共振的可能性。

除了避開外界激勵(lì)的頻率范圍,還應(yīng)使復(fù)合材料板簧的模態(tài)頻率避開簧載質(zhì)量及非簧載質(zhì)量的固有頻率,以防止其耦合發(fā)生共振。試驗(yàn)測(cè)得滿載狀態(tài)下某輕型客車后懸架簧載質(zhì)量偏頻為1.72Hz,非簧載質(zhì)量偏頻為12.12Hz,空載狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的偏頻稍高,但均遠(yuǎn)低于復(fù)合材料板簧的一階模態(tài)頻率。因此不存在復(fù)合材料板簧與簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量耦合發(fā)生共振的可能性。

 綜上所述,某輕型客車的復(fù)合材料板簧不存在與外界激勵(lì)及其他零部件發(fā)生共振的可能性,動(dòng)態(tài)性能良好。

4.2復(fù)合材料板簧模態(tài)影響因素分析

 雖然某輕型客車的復(fù)合材料板簧不存在發(fā)生共振的可能性,但在其他車型的復(fù)合材料板簧開發(fā)后期,若復(fù)合材料板簧的一階模態(tài)頻率過低并導(dǎo)致共振的現(xiàn)象,將嚴(yán)重威脅復(fù)合材料板簧的實(shí)際應(yīng)用,導(dǎo)致研發(fā)周期和成本急劇上升。為了避免這一現(xiàn)象,除了需要在開發(fā)初期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)復(fù)合材料板簧設(shè)計(jì)方案的模態(tài)性能外,還需要在設(shè)計(jì)過程中規(guī)避對(duì)復(fù)合材料板簧模態(tài)不利的設(shè)計(jì)因素,防止共振的發(fā)生。因此,本節(jié)對(duì)復(fù)合材料板簧一階模態(tài)的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

根據(jù)模態(tài)分析理論,復(fù)合材料板簧的模態(tài)從根本上取決于復(fù)合材料板簧的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和剛度等固有特性。結(jié)構(gòu)方面,為了保證與鋼板彈簧的互換性及本身的可靠性,復(fù)合材料板簧的主要結(jié)構(gòu)及尺寸不宜變動(dòng)。質(zhì)量方面,在結(jié)構(gòu)及尺寸不變的情況下,主要取決于復(fù)合材料的密度。剛度方面,在結(jié)構(gòu)及尺寸不變的情況下,主要取決于復(fù)合材料板簧的鋪層方案,包括鋪層角度的選擇、纖維體積含量及鋪層數(shù)量的確定。然而,除了模態(tài)之外,復(fù)合材料板簧的性能指標(biāo)還包括強(qiáng)度、剛度等。鋪層數(shù)量對(duì)復(fù)合材料板簧的剛度、強(qiáng)度等性能指標(biāo)有非常顯著的影響,應(yīng)主要由復(fù)合材料板簧的剛度匹配目標(biāo)來決定;小部分鋪層中鋪層角度的改變對(duì)復(fù)合材料板簧的剛度、強(qiáng)度等性能指標(biāo)也有一定的影響,但影響作用有限,這種小幅度的性能波動(dòng)在工程上是可以接受的。纖維體積含量方面,纖維體積含量越高,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能越好。但纖維體積含量越高,對(duì)模具及工藝的要求就越高,應(yīng)主要由工藝及生產(chǎn)條件確定,所以纖維體積含量只能進(jìn)行小幅度的調(diào)整。綜上所述,考慮到工程實(shí)際,雖然影響復(fù)合材料板簧模態(tài)的因素很多,但大部分影響因素主要基于復(fù)合材料板簧其他性能及工藝條件來考慮,可以單獨(dú)考慮的設(shè)計(jì)變量只有復(fù)合材料密度、鋪層角度及纖維體積含量,且需在設(shè)計(jì)初期就加以確定。由于復(fù)合材料板簧一階模態(tài)頻率的高低在很大程度上決定了復(fù)合材料板簧與外界激勵(lì)耦合發(fā)生共振的概率,且上述復(fù)合材料板簧有限元模型的正確性已經(jīng)得到驗(yàn)證,因此可通過調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析的方法來研究相關(guān)設(shè)計(jì)因素對(duì)復(fù)合材料板簧一階模態(tài)頻率的影響。下面分別予以說明: