Исследования модальных характеристик c целью комплексной валидации расчётной модели на примере кузова современного автотранспортного средства

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. 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. 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.

1. Пермяков 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Сергиевский С.А., Тумасов А.В., Герасин А.В., Трусов А.П. Валидация расчётной модели рамы грузового автомобиля // СТИН. – 2022. – № 8. – С. 4–7.

10. 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.

11. 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.

12. Gold B., Rabiner C.M. Digital processing of signals. – New-York: Mc Graw Hill, 1969. – 280 p.

13. 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.

14. 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.

15. Randall R.B. Frequency analysis. – Naerum, Brüel & Kjaer, 1987. – 344 p.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. Siemens Simcenter 3D 2212 Series Documentation.

25. Lammens S. Frequency response based validation of dynamic structural finite element models. Ph.D Dissertation. – Leuven, Belgium: Katholieke Universiteit Leuven, 1995. – 250 p.