基于Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的車架結構模態分析

摘要：應用Hypermesh分析某中型載貨汽車車架的固有頻率，驗證與外部激勵發生共振的可能性，同時得出分析結論。

關鍵詞：Hypermesh車架結構有限元

中圖分類號：TP202文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)12-20ppp-0c

The Modal Analysis of Mobile Frame Based on Hypermesh

LU Li-fu1，YUE Ling1，HUANG Xue-tao2

(1.Tai'an Dongyue Heavy Industry Co. Ltd. Technology Center，Tai'an 271000，China;2.China Automotive Group 5 levy Design Institute，Rizhao 262300)

Abstract: This paper mainly deals with the analysis of the frequencies of medium-sized lorry car， it verifies the responance possibility of the frequencies with the exterior encourage and brings forward the analysis result.

Key words: Hypermesh; Frame Structure; Finite Element

1 概述

Altair公司研發的HyperWorks系列產品可以解決工程優化及分析問題，其中的Hypermesh軟件可以完成有限元前處理任務，它可以很好的對幾何模型數據完整讀取，進行有限元的四面體網格和六面體網格的剖分，還有設置完備的網格檢查功能，如今Hyperwork已成為航空、航天、汽車等領域CAE應用的利器之一。

車架結構模態分析是新車型開發中有限元法應用的主要領域之一，是新產品開發中結構分析的主要內容。尤其是車架結構的低階彈性模態，它不僅是控制汽車常規振動的關鍵指標而且反映了汽車車身的整體剛度性能，而且，應作為汽車新產品開發的強制性考核內容。實踐證明，用有限元法對車架結構進行模態分析，可在設計初期對其結構剛度、固有振型等有充分認識，盡可能避免相關設計缺陷，及時修改和優化設計，使車架結構具有足夠的靜剛度，以保證其裝配和使用的要求，同時有合理的動態特性達到控制振動與噪聲的目的。使產品在設計階段就可驗證設計方案是否能滿足使用要求，從而縮短設計試驗周期，節省大量的試驗費用，是提高產品可靠性的有效方法。

2 車架有限元模型的建立

車架的Ug模型和有限元模型分別如圖1和圖2所示。有限元建模在前處理軟件HyperMesh中進行。為了保證計算結果的正確性和經濟性，在建模過程中盡量保持和原始結構一致的同時，也需要進行必要的簡化。因為過于細致地描述一些非關鍵結構，不但增加建模難度和單元數目，還會使有限元模型的單元尺寸變化過于劇烈而影響計算精度。對于必要的簡化要以符合結構主要力學特性為前提。車架結構中的小尺寸結構，如板簧吊耳、副簧限位件等，對車架的整體振型影響不大，可以忽略不計。而對于鏈接兩個零件的鉚釘，則采用剛性單元代替。

車架結構都采用板殼單元進行離散。單元形態以四邊形單元為主，避免采用過多的三角形單元引起局部剛性過大；為了使整個車架有限元模型規模不致過大保證計算的經濟性，單元尺寸控制在10～25mm。

車架板殼結構的材料參數取:彈性模量E＝2.1e11pa，伯松比u＝0.3，密度均取：ρ＝7900kg/m3。模型規模：車架單元總數為36378個，節點總數為39064個。

3 車架結構振動分析

在汽車設計領域，伴隨著計算技術的迅猛發展，有限元分析在汽車數字化開發過程中獲得了廣泛的應用，尤其是對轎車承載式車身基本力學性能的分析，已經作為新產品開發設計中結構分析的主要內容。然而對于載貨車，由于其非承載式的結構且在行駛過程中懸架系統和撓性橡膠墊較好的緩沖、吸振、吸能作用，故對其強度剛度和振動模態特性的要求要低于承載式車身，目前還沒有明確的設計標準，所以概念設計階段的有限元分析校核往往容易被忽視。也正因此，國內某些車型在投產后出現了局部損壞和駕駛室共振問題，給企業造成了聲譽和經濟上的雙重損失。為避免同類問題的出現，縮短開發周期，本文以大型有限元軟件HyperWorks和Optistruct為平臺，對某中型載貨汽車車架數模進行了有限元分析，并依據分析結果對結構設計作出了評價，使企業在概念設計階段便可以了解產品基本力學性能，從而有的放矢的進行結構分析改進，避免重復設計。

模態分析可定義為對結構動態特性的解析分析和試驗分析，其結構動態持性用模態參數來表征。在數學上，模態參數是力學系統運動微分方程的特征值和特征矢量；而在試驗方面則是試驗測得的系統之極點（固有頻率和阻尼）和振型（模態向量）。構件的模態就是指構件本身的固有特性，可以利用模態分析得出構件的相應特性，然后對其設計加以改進以達到使用要求。

自由模態分析的邊界條件為：無任何約束。

本計算采用自由模態分析方案，將Hypermesh中建立的有限元模型導入OPTISTRUCT進行計算，對比分析了車架結構前4階自由模態（固有頻率值和振型），并在Hypermesh后處理器中查看結果。

由于對駕駛室的振動響應影響相對較大的激勵頻率多集中在低頻域，為此分析了車架前4階典型振型。模態分析結果如表1所示，各階振型如圖3—6所示。

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4 結論

汽車的激勵一般分為路面激勵、車輪不平衡激勵、發動機激勵、傳動軸激勵。路面激勵一般由道路條件決定，目前在高速公路和一般城市較好路面上，此激勵頻率多為1-3Hz，對低頻振動影響較大；因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11Hz，隨著現在輪輞制造質量及檢測水平的提高，此激勵分量較小，易于避免；發動機引起的扭轉振動和垂向激振分別在10±1.67Hz和20±1.67Hz以上（取怠速為600r/min，4缸發動機），此激勵分量較大；城市中一般車速控制在40～80km/h ，高速公路上一般車速控制在90km/h 左右， 傳動軸的不平衡引起的振動的頻率范圍在30Hz以上，此激勵分量較小。從模態分析結果可知，1090項目車架各低階模態頻率值在7.88hz左右，對駕駛室的影響不大，不會和路面激勵形成共振。

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收稿日期：2008-03-12