貨車車架的建模與模態分析

摘要：車架作為載貨汽車的承載基體，對整車的性能有很大的影響，利用CATIA軟件對汽車車架進行建模，對所建模型劃分網格，并對其加載，進行強度和剛度校核，對車架模型進行束模態分析。通過分析，得到車架各階固有頻率和振型，知道車架的彎曲和扭轉情況，在車架設計中就可以盡可能地避免共振。

關鍵詞：車架；建模；模態分析

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）04-0098-02

一、課題研究意義

對于載貨汽車來說，車架是承受載荷的主體，對整車的性能有很大的影響。上世紀五六十年代，我國對于一般車架的設計及強度校核是依靠傳統的經驗及方法[1]。這種方法對結構做了大量的簡化，因此簡單易行，但是設計中很容易出現車架各部分強度分配不合理的現象，達不到對車架進行優化設計的目的。有限元法能對工程實際中幾何形狀不規則、載荷和支承情況復雜的各種結構以及零部件進行變形計算和應力分析，而車身、車架不論是形狀還是載荷都相當復雜，所以有限元法是計算車身、車架的一種有效而實用的工具[2]。利用模態分析，可以從設計上避免車架的共振現象[3]。利用有限元分析的方法，對于加快產品的開發速度、降低設計成本、提高產品競爭力有重要意義。

二、CA1091K2型汽車車架靜態分析

1.建立有限元模型和劃分網格。首先在保證車架主要特性、確保網格劃分順利進行的同時對CA1091K2型汽車車架局部簡化。利用CATIA軟件對車架進行實體建模，建立的簡化后的車架模型如圖2-1所示。

圖2-1〓簡化后的車架模型

對建立的實體模型，利用CATIA軟件中的“分析與仿真模塊”來進行模型網格的劃分，在此模塊中，對橫梁、縱梁等其他零件設置各個參數，選用四節點直邊單元生成網格，最終建立了69587個節點，劃分的單元數為276378個。

2.車架的強度和剛度分析。汽車在實際行駛過程中，車架主要受動載荷的作用[4]，而動載荷的大小又取決于動載系數的大小。動載荷系數主要由三個因素決定：道路不平度、汽車的行駛狀況（如車速）和汽車的結構參數（如懸架的剛度、車輪剛度、汽車的質量分布等）。

FZS=KxS×■FZ （2-1）

其中：KZS為動載系數

KZS=1+■ （2-2）

式中：C1、C2——前、后懸架剛度，C1=185N/mm，C2=362N/mm.

?姿——經驗系數，取?姿=1000（km/h）2；va——車速，該車取va=80km/h

Ga——自重，Ga=43000N；h——路面不平度，取h=80mm

根據等式2-2計算得到KZS=2.08，取KZS=2.1，符合常規設計KZS=2.0～2.5的要求。

將等式2-2所得的KZS代入等式2-1，計算得FZS=1228205N，經有限元分析得到的車架應力分布圖如圖2-2所示。

圖2-2 垂直動載荷作用下應力分布圖

從應力云圖中可以看出，汽車在路面不平度為80毫米，車速為80千米/時。在垂直動載作用下車架的變形主要以彎曲變形為主，變形幅度不大，各測點的應力值都滿足材料的屈服極限，而且遠小于材料的強度極限。

當車架上作用有對稱垂直載荷時，結構處于彎曲工況，其整體的彎曲剛度可以由車架的最大垂直撓度來評價[5]。約束前懸架與車架連接點的三個平動自由度以及后懸架與車架連接點的y，z兩個平動自由度，對模型進行加載，所得的位移圖如圖2-3所示，車架的最大垂直撓度比較小，符合設計要求。

圖2-3 車架受垂直動載荷時的位移圖

三、車架的模態分析

對車架模型設置邊界條件及施加載荷，設置完成后便可以進行模態分析了。選擇里茲法進行約束模態分析，求得前四階的模態頻率振型，分別如圖3-1、3-2、3-3、3-4所示。

圖3-1 車架一階模態振型（頻率42.67Hz）

圖3-2 車架二階模態振型（頻率66.13Hz）

圖3-3 車架三階模態振型（頻率91.37Hz）

圖3-4 車架四階模態振型（頻率105.47Hz）

從以上四階振型圖可以看出，車架的固有振型分為兩類：一類是車架的整體振動，另一類是以車架一個或幾個部分振動為主的局部振動。其中，在第一、二階車架主要表現為橫梁和縱梁的彎曲變形，屬于第二類；第三、四階主要為車架的彎扭變形為主，屬于第一類。

車架激勵一般來源于路面和發動機。路面的激勵頻率多在20Hz以下，該車發動機的怠速為700轉/分鐘，相應發動機的爆發頻率為23Hz，經常使用的車速是60~80千米/小時，發動機爆發頻率為50~65Hz。根據車架的分析結果可知，車架的第二階模態頻率66.13Hz與65Hz相接近，因此車架的動態特征還需要改進，使其遠離發動機的爆發頻率。

本文對CA1091K2型貨車車架進行了建模，并進行了剛度、強度校核，體現了有限元分析設計快速、準確、高效的特點。在此基礎上對車架模型進行了約束模態分析，做出了車架的動態特征，為車架避免共振和優化提供了有力的基礎。

參考文獻：

[1]林程.重型半掛車車架有限元分析[J].車輛與動力技術，2004：24-26.

[2]胡建立.NJ1030輕型貨車車架強度分析[D].南京理工大學碩士學位論文，2000：20-25.

[3]李陽，唐應時.自卸車車架靜動態計算分析[J].汽車技術，2005：68-70.

[4]梅威.輕型載貨汽車邊梁式車架的模態分析[J].機電產品開發與創新，2005：56-58.

[5]Robert J.Melosh.Finite Element Analysis of Automobile Structure[J].SAE 740319，2003：89-93.

課題成果：《空氣懸架汽車行駛平順性仿真分析》（KJ11-17）