全地形車(chē)車(chē)架的有限元建模和模態(tài)分析

周明華，李 紅，駱 群，朱玲琳，羅 鋼

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

全地形車(chē)車(chē)架的有限元建模和模態(tài)分析

周明華，李 紅，駱 群，朱玲琳，羅 鋼

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

利用CATIA軟件建立了全地形農(nóng)夫車(chē)車(chē)架的三維模型，并導(dǎo)入有限元軟件HyperWorks中建立車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元模型,按照設(shè)計(jì)要求對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到車(chē)架的前6階彈性模態(tài)振型及其頻率特性，從而驗(yàn)證該車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

全地形農(nóng)夫車(chē)；有限元分析；自由模態(tài)分析

0 引言

全地形車(chē)(All Terrain Vehicle,ATV)是一種全新概念的新車(chē)型，全地形農(nóng)夫車(chē)(UTV)是一種沙灘越野、山區(qū)載貨、農(nóng)場(chǎng)作業(yè)等多種功能車(chē)輛，也用于軍事與野外工程方面。因全地形車(chē)主要在崎嶇的道路上行駛，使用條件相當(dāng)復(fù)雜，車(chē)架作為全地形車(chē)最重要的承載部件，在行駛過(guò)程中需要承受各種載荷、力和力矩，因此，車(chē)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度就必須要滿(mǎn)足實(shí)際要求。

本文以UTV車(chē)架為例，應(yīng)用HyperWorks的Hypermesh對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再建立其有限元模型，最后利用HyperWorks的RADIOSS求解器對(duì)該車(chē)架進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，進(jìn)而對(duì)車(chē)架的動(dòng)態(tài)特性作出評(píng)估，為今后改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供可靠的理論依據(jù)。

1 車(chē)架有限元模型的建立

1.1 模型導(dǎo)入與幾何清理

由于UTV車(chē)是四座車(chē)，所以車(chē)架結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為了減少計(jì)算工作量和時(shí)間，保證單元的質(zhì)量，模型導(dǎo)入之前對(duì)其做了一些簡(jiǎn)化:①將所有過(guò)渡圓角和倒角都簡(jiǎn)化成直角；②忽略所有工藝孔。在CATIA里建好車(chē)架三維模型后以“IGS”格式保存，然后在Hypermesh中打開(kāi)，因其出現(xiàn)了曲面縫隙、錯(cuò)位群面、曲面重疊等現(xiàn)象，故要對(duì)其進(jìn)行幾何清理，以保證接下來(lái)進(jìn)行劃分的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算求解的精度和準(zhǔn)確性。

1.2 抽取中面

車(chē)架主要由矩形管和圓形管焊接而成，皆為薄壁鋼管，鑒于UTV車(chē)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管件較多，不易采用實(shí)體網(wǎng)格，需對(duì)幾何清理后的車(chē)架模型抽取中性面，然后再對(duì)車(chē)架各部分賦予厚度屬性來(lái)模擬車(chē)架結(jié)構(gòu)。

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)UTV車(chē)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選用2D的板殼單元(Shell)作為車(chē)架網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)單元類(lèi)型，設(shè)定單元大小為5 mm。初步劃分之后需要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，對(duì)于一些質(zhì)量不好的部分需要進(jìn)行修正，以使其滿(mǎn)足計(jì)算的網(wǎng)格質(zhì)量要求。所獲得的網(wǎng)格模型中有324 219個(gè)節(jié)點(diǎn)，325 289個(gè)單元，其中三角形單元占總單元的1.8%。

UTV車(chē)架材料為Q235A鋼，其泊松比為0.288，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.9×10-9t/mm3。

抽取中面的車(chē)架單元屬性均為殼單元PShell。最終得到的UTV車(chē)架有限元模型如圖1所示。

圖1 UTV車(chē)架有限元模型

2 UTV車(chē)架自由模態(tài)分析及結(jié)果

根據(jù)邊界條件設(shè)置的不同，模態(tài)分析主要有兩種形式：自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。自由模態(tài)分析不考慮任何約束對(duì)其產(chǎn)生的影響，得到的結(jié)果是結(jié)構(gòu)本身存在的固有特性，只跟本身結(jié)構(gòu)相關(guān)，與外在激勵(lì)無(wú)關(guān)。

本文運(yùn)用HyperWorks中的RADIOSS模塊進(jìn)行自由模態(tài)分析。由于通過(guò)計(jì)算所得的UTV車(chē)架前6階模態(tài)為剛體模態(tài)，因此不將其考慮在內(nèi)。運(yùn)用Lanczos計(jì)算方法對(duì)UTV車(chē)架的前6階彈性模態(tài)進(jìn)行提取，得到的固有頻率和振型見(jiàn)表1，各階模態(tài)振型圖如圖2～圖7所示。

通常，我們會(huì)利用低階的頻率來(lái)評(píng)估車(chē)架是否能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)振動(dòng)方面的要求，其指標(biāo)如下：①車(chē)架的模態(tài)頻率應(yīng)該遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的頻率范圍；②車(chē)架的低階頻率(即指一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率)應(yīng)該比發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低,而又比非簧載車(chē)架結(jié)構(gòu)的固有頻率高,從而避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象；③車(chē)架振型應(yīng)該盡量光滑,避免出現(xiàn)突變。

表1 前6階彈性模態(tài)的固有頻率和振型

圖2 第1階模態(tài)振型

圖3 第2階模態(tài)振型

圖4 第3階模態(tài)振型

圖5 第4階模態(tài)振型

圖6 第5階模態(tài)振型

圖7 第6階模態(tài)振型

查閱相關(guān)資料可知：

UTV車(chē)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)是型號(hào)為SQR372的奇瑞水冷三缸四沖程，怠速轉(zhuǎn)速為900 r/min，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。通過(guò)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)激勵(lì)頻率為22.5 Hz，額定轉(zhuǎn)速時(shí)激勵(lì)頻率為150 Hz。查看車(chē)架模態(tài)振型圖可知，計(jì)算所得車(chē)架的一階彎曲模態(tài)頻率為19.959 Hz，這個(gè)數(shù)值低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的激勵(lì)頻率，而且躲開(kāi)了與其他激勵(lì)頻率的耦合，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生，車(chē)架基本滿(mǎn)足要求。3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某UTV車(chē)架進(jìn)行了綜合分析，模態(tài)分析結(jié)果不僅反映了車(chē)架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，得到了其固有頻率，而且還可幫助設(shè)計(jì)人員在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避開(kāi)這些頻率，或者最大限度地減小對(duì)這些頻率的激勵(lì)，這樣就減少了共振和噪聲的產(chǎn)生，整車(chē)的舒適性和平順性均能得到提高。

[1] 許佩霞,蔡炳芳.基于ANSYS的全地形車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，25(12)：56-58.

[2] 吳海波，李晉，石磊磊.輕型貨車(chē)車(chē)架的有限元建模及模態(tài)分析[J].公路與汽運(yùn),2011(4)：17-19.

[3] 王松.某商用客車(chē)車(chē)架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].武漢:武漢科技大學(xué),2012:25-28.

Finite Element Modeling and Modal Analysis of ATV Frame

ZHOU Ming-hua, LI Hong, LUO Qun, ZHU Ling-lin, LUO Gang

(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In this paper, the 3D model of an all terrain utility vehicle (UTV) frame was set up by CATIA, and then was inputted into the software HyperWorks. The finite element model of the frame was built, and the modal analysis was carried out. We used modal analysis to determine its first sixth modal modes of elasticity and the frequency characteristics, to verify the rationality of the frame structure design.

UTV; finite element analysis; modal analysis

1672- 6413(2015)06- 0034- 02

國(guó)家科技部火炬計(jì)劃項(xiàng)目(2012GH530716)

2015- 01- 16；

2015- 09- 18

周明華(1989-)，女，安徽安慶人，在讀碩士研究生，研究方向:汽車(chē)車(chē)身及其零部件設(shè)計(jì)。

TP391.7

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