namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2023-3-6-32nami-284Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTИсследования модальных характеристик c целью комплексной валидации расчётной модели на примере кузова современного автотранспортного средстваStudies of modal characteristics aimed at comprehensive validation of a calculation model by the example of a modern vehicle bodyРахматовР. И.RakhmatovR. I.

Рахматов Рахматджон Исломович – канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор отдела «Численный анализ виброакустики»; доцент кафедры «Техническая механика и компьютерное моделирование»

г. Москва 125438

г. Москва 107023

Rakhmatov R.I. – PhD (Eng), lead design engineer CAE NVH department; associate professor of the department of “Technical mechanics and computer modeling”

Moscow 125438

Moscow 107023

rakhmatjon.rakhmatov@nami.ruТремясовВ. В.TremyasovV. V.

Тремясов Владимир Владимирович – главный специалист Центра «Автомобили и тракторы»

г. Москва 125438

Tremyasov V.V. – chief specialist of the Center “Automobiles and Tractors”

Moscow 125438

ЛикеевА. П.LikeevA. P.

Ликеев Антон Петрович – ведущий инженер-конструктор функциональной группы ФГ080 «Виброакустический комфорт»

г. Москва 125438

Likeev A.P. – lead design engineer group FG080 “NVH comfort”

Moscow 125438

МалкинИ. В.MalkinI. V.

Малкин Илья Владимирович – канд. техн. наук, заведующий Лабораторией испытаний эластомеров, исследования шума и вибрации

г. Москва 125438

Malkin I.V. – PhD (Eng), head of the Laboratory of elastomer testing, noise and vibration research

Moscow 125438

КазаковА. В.KazakovA. V.

Казаков Андрей Валерьевич – заведующий Лабораторией физико-механических свойств материалов

г. Москва 125438

Kazakov A.V. – head of the Laboratory of physical and mechanical properties of materials

Moscow 125438

КузьминА. О.KuzminA. O.

Кузьмин Александр Олегович – инженер-исследователь

пос. Автополигон, г. Дмитров 141830, Московская область

Kuzmin A.O. – research engineer

Avtopoligon, Dmitrov 141830, Moscow Region

ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»; ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”); Moscow Polytechnic UniversityRussian FederationГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian FederationНаучно-исследовательский центр по испытаниям и доводке автомототехники ФГУП «НАМИ» (НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ»)РоссияScientific and Research Center for Automotive Vehicle Testing and Refinement, FSUE “NAMI”Russian Federation20232409202303632Copyright © Рахматов Р.И., Тремясов В.В., Ликеев А.П., Малкин И.В., Казаков А.В., Кузьмин А.О., 20232023Рахматов Р.И., Тремясов В.В., Ликеев А.П., Малкин И.В., Казаков А.В., Кузьмин А.О.Rakhmatov R.I., Tremyasov V.V., Likeev A.P., Malkin I.V., Kazakov A.V., Kuzmin A.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/284

Введение (постановка задачи и актуальность). Встатье представлены расчётно-экспериментальные исследования модальных характеристик кузова автотранспортного средства (АТС), необходимые для комплексной валидации конечно-элементной модели (КЭМ) по критерию достоверности модальных форм, координатным критериям модальной достоверности и критерию достоверности по частотному отклику. В рамках исследования проведён анализ работ, посвящённых валидации расчётной модели по модальным характеристикам, приведены теоретические выкладки аналитического модального анализа, разработана КЭМ кузова, исследованы модальные характеристики кузова, проведены экспериментальные исследования характеристик металлов, вибродемпфирующих и акустических материалов, используемых в расчётной модели, а также проведены экспериментальные исследования частот и формы собственных колебаний кузова. Проведена валидация расчётной модели. Разработан алгоритм валидации расчётных моделей.

Цель исследования – изучить модальные характеристики кузова АТС с целью валидации расчётной модели.

Методология и методы

Методология и методы. Изучение модальных характеристик кузова АТС. Валидация расчётной модели. Проверка результатов экспериментальных исследований по частотам иформам собственных колебаний.

Результаты и научная новизна. Результатом исследований является разработанная и валидированная КЭМ кузова современного АТС. Разработанный алгоритм, позволяющий валидировать расчётную модель по критериям достоверности модальных форм, координатным критериям модальной достоверности и критерию достоверности по частотному отклику. Научная новизна заключается в комплексной валидации КЭМ, базирующееся на исследованиях модальных характеристик кузова АТС. Впервые при исследовании используются характеристики материалов, полученные по результатам экспериментальных исследований, а также разработан алгоритм валидации расчётных моделей.

Практическая значимость

Практическая значимость. Разработан алгоритм валидации, согласно которому проводится комплексная валидация КЭМ на примере кузова современного АТС с использованием актуальных программных комплексов, позволяющих исследовать модальные характеристики. Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и научно-образовательных учреждениях и на производственных предприятиях, специализирующихся на разработке и производстве кузовов АТС для комплексной валидации КЭМ.

Introduction (problem statement and relevance). The article presents calculation and experimental studies of modal characteristics of a motor vehicle body required for comprehensive validation of a finite element model (FEM) according to the criterion of reliability of modal shapes, coordinate criteria of modal reliability and the criterion of reliability by frequency response. Within the study, the papers related to calculation model validation in terms of modal characteristics were analyzed, theoretical calculations of the analytical modal analysis were given, a body FEM was developed, body modal characteristics were studied, experimental studies of characteristics of metals, shock absorbing and acoustic materials used in the calculation model were conducted, and also experimental studies of frequencies and mode of the body natural oscillations were performed. The calculation model validation was performed. The algorithm for the calculation models validation was developed.

The purpose of the study is to study vehicle body modal characteristics in order to validate the calculation model.

Methodology and research methods. Study of vehicle body modal characteristics. Calculation model validation. Check of experimental study results in terms of frequencies and modes of natural oscillations.

Scientific novelty and results. The result of the studies is the developed and validated FEM of a modern vehicle body. The developed algorithm that allows validating the calculation model by the criteria of reliability of modal shapes, coordinate criteria of modal reliability and the criterion of reliability by frequency response. The scientific novelty consists in comprehensive FEM validation based on the vehicle body modal characteristics study. For the first time, the materials characteristics obtained from the experimental studies are used in the course of research and a validation algorithm for calculation models has been developed.

Practical significance. The validation algorithm is developed according to which comprehensive FEM validation is performed by the example of a modern vehicle body with the use of modern software packages allowing studying modal characteristics. The research results can be used in scientific, research, educational institutions and manufacturing enterprises specializing in development and production of vehicle bodies for comprehensive FEM validation.

кузовмодальные характеристикивалидацияMACCOMACFRACанализ чувствительностипараметрическая оптимизацияалгоритм валидацииbodybodyworkmodal characteristicsvalidationMACCOMACFRACsensitivity analysisparametric optimizationvalidation algorithmReferencesПермяков Д.А., Пантилеев А.С., Махнович С.В. Расчётно-экспериментальное исследование собственных колебаний цилиндрической оболочки // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2018. – Т. 6. – № 2. – С. 3–9.Permyakov D.A., Pantileev A.S., Makhnovich S.V. [Calculated and experimental study of free vibration of a cylindrical shell]. Mashinostroenie: setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal, 2018, vol. 6, no. 2, pp. 3–9. (In Russian)Пермяков Д.А., Пономарёв И.С., Махнович С.В. Оценка влияния жёсткости торцов на частоты и формы собственных колебаний цилиндрической оболочки // Научный поиск. Материалы девятой научной конференции аспирантов и докторантов / Министерство образования и науки Российской Федерации; Южно-Уральский государственный университет. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2017. – С. 40–47.Permyakov D.A., Ponomarev I.S., Makhnovich S.V. [Estimation of the influence of end rigidity on the frequencies and forms of natural vibrations of a cylindrical shell]. [Scientific search. Materials of the ninth scientific conference of graduate and doctoral students. Ministry of Education and Science of the Russian Federation, South Ural State University]. Chelyabinsk, YuUrGU Publ., 2017, pp. 40–47. (In Russian)Пермяков Д.А., Пантилеев А.С., Махнович С.В. Оценка соответствия расчётных и экспериментальных частот и форм собственных колебаний цилиндрической оболочки // Научный поиск. Материалы восьмой научной конференции аспирантов и докторантов / Министерство образования и науки Российской Федерации, Южно-Уральский государственный университет. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2016. – С. 92–99.Permyakov D.A., Pantileev A.S., Makhnovich S.V. [Estimation of the correspondence between the calculated and experimental frequencies and modes of natural vibrations of a cylindrical shell]. [Scientific search. Proceedings of the eighth scientific conference of graduate and doctoral students. Ministry of Education and Science of the Russian Federation, South Ural State University]. Chelyabinsk, YuUrGU Publ., 2016, pp. 92–99. (In Russian)Яушев А.А., Тараненко П.А., Жестков А.В., Логиновский В.А. Расчётно-экспериментальное исследование частот и форм собственных колебаний сварного корпуса кориолисового расходомера // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. – 2018. – Т. 10. – № 1. – С. 45–51.Yaushev A.A., Taranenko P.A., Zhestkov A.V., Loginovskiy V.A. [Computational and experimental study of frequencies and natural mode of welded shell of coriolis flowmeter]. Vestnik Yuzhno-Ural’skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Matematika. Mekhanika. Fizika, 2018, vol. 10, no. 1, pp. 45–51. (In Russian)Пономарёв И.С., Махнович С.В., Пантилеев А.С. Особенности экспериментального определения частот и форм собственных колебаний цилиндрической оболочки // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2016. – № 3 (64). – С. 44–58.Ponomarev I.S., Makhnovich S.V., Pantileev A.S. [Features of experimental determination of eigenfrequencies and modes of cylindrical shell oscillations]. Nauchnyy vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2016, no. 3 (64), pp. 44–58. (In Russian)Акопьян В.А. Создание многофакторного критерия предразрушения упругих систем и алгоритм его расчёта на основе аналитических и численных решений, а также акустоэмиссонно-резонансного метода диагностики. НИР: грант № 10-08-00093. – Российский фонд фундаментальных исследований, 2010.Akop’yan V.A. [Creation of a multi-factor prefracture criterion for elastic systems and an algorithm for its calculation based on analytical and numerical solutions, as well as the acoustic emission-resonance diagnostic method. Research work: grant no. 10-08- 00093]. Russian Foundation for Basic Research, 2010. (In Russian)Яушев А.А., Махнович С.В. Экспериментально-теоретическое определение частот и форм собственных колебаний конструкции // Научный поиск. Материалы седьмой научной конференции аспирантов и докторантов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2015. – С. 224–230.Yaushev A.A., Makhnovich S.V. [Experimental-theoretical determination of frequencies and modes of natural oscillations of a structure]. [Scientific search. Proceedings of the seventh scientific conference of graduate students and doctoral students]. Chelyabinsk, YuUrGU Publ., 2015, pp. 224–230. (In Russian)Крысько В.А. Сложные колебаний нано балочно-пластичато-оболочечных систем из гетерогенных материалов под действием теплового поля и белого шума. Отчёт о НИР № 16-11-10138. – Российский научный фонд, 2016.Krys’ko V.A. [Complex vibrations of nano-beamplastic-shell systems made of heterogeneous materials under the action of a thermal field and white noise. Research report no. 16-11-10138]. Russian Science Foundation, 2016. (In Russian)Сергиевский С.А., Тумасов А.В., Герасин А.В., Трусов А.П. Валидация расчётной модели рамы грузового автомобиля // СТИН. – 2022. – № 8. – С. 4–7.Sergievskiy S.A., Tumasov A.V., Gerasin A.V., Trusov A.P. [Validation of the design model of the truck frame]. STIN, 2022, no. 8, pp. 4–7. (In Russian)Трусевич И.А., Абдулов С.В., Держанский В.Б., Тараторкин И.А., Тараторкин А.И., Волков А.А. Верификация модальной модели трансмиссии с целью прогнозирования NVH-параметров // Вестник ЮУрГУ. Серия: Машиностроение. – 2021. – Т. 21, № 3. – С. 61– 68. DOI: 10.14529/engin210306.Trusevich I.A., Abdulov S.V., Derzhanskiy V.B., Taratorkin I.A., Taratorkin A.I., Volkov A.A. [Verification of a modal transmission model to predict NVH parameters]. Vestnik YuUrGU. Seriya: Mashinostroenie, 2021, vol. 21, no. 3, pp. 61–68. DOI: 10.14529/engin210306. (In Russian)Клебанов Я.М., Бруяка В.А., Вавилов М.А., Столяров Н.Н. Применение метода оценки соответствия экспериментальных и расчётных собственных частот для уточнения конечно-элементной модели изделия // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2013. – № 1. – С. 118–125.Klebanov Ya.M., Bruyaka V.A., Vavilov M.A., Stolyarov N.N. [Application of a method of estimating experimental and calculated natural frequencies conformity for improvement the FE-model of product]. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki, 2013, no. 1, pp. 118–125. (In Russian)Gold B., Rabiner C.M. Digital processing of signals. – New-York: Mc Graw Hill, 1969. – 280 p.Gold B., Rabiner C.M. Digital processing of signals. New-York, Mc Graw Hill, 1969. 280 p.Allemang R. Vibrations: analytical and experimental modal analysis. Course text, ref: UC-SDRLCN-20-263-662. – Ohio, USA: University of Cincinnati, Ohio, 1992. – P. 158.Allemang R. Vibrations: analytical and experimental modal analysis. Course text, ref: UC-SDRLCN-20-263-662. Ohio, USA, University of Cincinnati, Ohio, 1992, p. 158.Rose Ted L. Using superelements to identify the dynamic properties of a structure / The MSC 1988 World Users Conf. Proc. – March 1988. – V. 1. – Paper 41.Rose Ted L. Using superelements to identify the dynamic properties of a structure. The MSC 1988 World Users Conf. Proc., March 1988, vol. 1, paper 41.Randall R.B. Frequency analysis. – Naerum, Brüel & Kjaer, 1987. – 344 p.Randall R.B. Frequency analysis. Naerum, Brüel & Kjaer, 1987. 344 p.Auweraer H. van der, Guillaume P., Verboven P., Vanlanduit S. Application of a faststabilizing frequency domain parameter estimation method // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. – 2001. – V. 123. – Nо. 4. – P. 651–658.Auweraer H. van der, Guillaume P., Verboven P., Vanlanduit S. Application of a faststabilizing frequency domain parameter estimation method. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 2001, vol. 123, nо. 4, pp. 651–658.Brown D., Allemang R., Zimmerman R., Mergeay M. Parameter estimation techniques for modal analysis // SAE Technical papers, no. 790221. – Warrendale, PA, SAE International, 1979. – 19 p.Brown D., Allemang R., Zimmerman R., Mergeay M. Parameter estimation techniques for modal analysis. SAE Technical papers, no. 790221. Warrendale, PA, SAE International, 1979. 19 p.Hautsch N., Okhrin O., Ristig A. Efficient iterative maximum likelihood estimation of highparameterized time series models. SFB 649 Discussion Paper. 2014-010. – Berlin: Humboldt University, 2014. – 34 p.Hautsch N., Okhrin O., Ristig A. Efficient iterative maximum likelihood estimation of highparameterized time series models. SFB 649 Discussion Paper. 2014-010. Berlin, Humboldt University, 2014. 34 p.Guillaume P., Verboven P., Vanlanduit S., Auweraer H. van der, Peeters B. A polyreference implementation of the least-squares complex frequency-domain estimator / Proceedings of IMAC 21, the International Modal Analysis Conference. – Kissimmee (FL), USA, February, 2003. – P. 9.Guillaume P., Verboven P., Vanlanduit S., Auweraer H. van der, Peeters B. A polyreference implementation of the least-squares complex frequency-domain estimator. Proceedings of IMAC 21, the International Modal Analysis Conference. Kissimmee (FL), USA, February, 2003, p. 9.Allemang R., Brown D. A correlation coefficient for modal vector analysis / Proceedings of the 1th International Modal Analysis Conference. – Orlando, Florida, 1982. – P. 110–116.Allemang R., Brown D. A correlation coefficient for modal vector analysis. Proceedings of the 1th International Modal Analysis Conference. Orlando, Florida, 1982, pp. 110–116.Blakely K., Rose T. Cross-orthogonality calculations for pre-test planning and model verification / The MSC 1993 World Users Conf. Proc. – May, 1993. – V. 1. – Paper 72.Blakely K., Rose T. Cross-orthogonality calculations for pre-test planning and model verification. The MSC 1993 World Users Conf. Proc., May, 1993, vol. 1, paper 72.Ting T., Chen T.L.C., Twomey W. Correlating mode shapes based on modal assurance criterion / The MSC 1992 World Users Conf. Proc. – May, 1992. – V. 1. – Paper 21.Ting T., Chen T.L.C., Twomey W. Correlating mode shapes based on modal assurance criterion. The MSC 1992 World Users Conf. Proc., May, 1992, vol. 1, paper 21.Lieven N., Ewins D. Spatial correlation of mode shapes, the coordinate modal assurance criteria (COMAC) / Proceedings of the 6th International Modal Analysis Conference. – Kissimmee, Florida, 1988. – P. 690–695.Lieven N., Ewins D. Spatial correlation of mode shapes, the coordinate modal assurance criteria (COMAC). Proceedings of the 6th International Modal Analysis Conference. Kissimmee, Florida, 1988, pp. 690–695.Siemens Simcenter 3D 2212 Series Documentation.Siemens Simcenter 3D 2212 Series Documentation.Lammens S. Frequency response based validation of dynamic structural finite element models. Ph.D Dissertation. – Leuven, Belgium: Katholieke Universiteit Leuven, 1995. – 250 p.Lammens S. Frequency response based validation of dynamic structural finite element models. Ph.D Dissertation. Leuven, Belgium, Katholieke Universiteit Leuven, 1995. 250 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.