基于NASTRAN的汽車副車架模態頻響分析

摘 要：為研究副車架與發動機疊加共振對車體的影響，利用NASTRAN對副車架進行模態頻響分析，得出測試點的響應值；對懸置進行動剛度掃頻試驗，結合懸置的動剛度曲線，為避開副車架與發動機因頻率相近出現低階頻率耦合，而造成的副車架剛度下降提供驗證指導，文章采用有限元技術與試驗相結合的方式來進行驗證。

關鍵詞：副車架；頻響分析；NVH

引言

副車架對汽車行駛時減小路面震動，改善車體結構，提高人員舒適性具有重大作用，其合適的剛度和強度在抵抗車體疲勞破壞方面意義重大，而連接副車架與發動機的懸置在隔絕汽車震動時，必須有良好的動靜剛度，否則過硬過軟不但會對車體造成受力不均，還容易引起車體振動，產生噪聲，影響汽車穩定性及成員舒適性。文章對副車架及懸置進行動剛度分析，來驗證發動機與副車架是否發生頻率耦合而產生共振，同時也為懸置開發提供指導。

1 副車架模型建立及理論分析

1.1 有限元模型建立

由引言得知，為減緩發動機因自身激勵帶來的震動而與副車架所受激勵產生的震動疊加，需對連接兩者的懸置進行動剛度試驗，動剛度試驗采用美國MTS公司研發產的831彈性體試驗系統進行試驗（懸置動剛度曲線為圖8、圖9、圖10）。對副車架上的懸置安裝點進行頻響分析，再結合對懸置進行的掃頻試驗，根據頻響分析結果與掃頻所得的動剛度曲線來選擇所需的懸置，防止疊加共振，產生放大效應，加速車架損壞。根據懸置的共振頻率來避開發動機與副車架的疊加共振。

文章將對某轎車簡化副車架進行頻響分析，來確定副車架在路面激勵的作用下對整車底盤及副車架如何避開發動機工作時產生的激勵頻率，如圖1為簡化副車架有限元模型。

圖1 副車架有限元模型

1.2 模態頻響分析理論

模態頻率響應分析是結構在外界激勵作用下隨時間的響應[2]。模態頻率響應分析是將n階自由度系統的運動方程，進行一次坐標變換，用振型坐標代替原來的有限元節點坐標[1]。

對于模態法的頻率響應問題，可以分成兩步來求解，即第一步先結算結構的固有頻率，第二步在已計算的固有頻率基礎上再進行頻率響應的計算.根據振動微分方程

（1）

模態法首先進行模態分析得到系統的特征值？姿=？棕12和響應特征向量。系統響應可表示為特征向量X和模態響應d的數量積，u=Xdei？棕t （2）

如若不考慮阻尼，運動方程可以使用特征向量變換到模態坐標系中[2]， （3）

坐標變化的目的是用解除耦合的方法來簡化方程的計算，同時大大減少方程的求解階數。經過模態矩陣變換后，化為互不耦合的n個單自由度問題，進行逐個求解，在疊加到動力響應的結果[3]。

解耦后的方程為：

（4）

求得輸出的頻率響應函數即響應位移

根據以上理論，采用NASTRAN對副車架進行頻響分析。

2 副車架有限元分析

2.1 約束及載荷施加

采用Nastran軟件對副車架幾個安裝點施加單位載荷來模擬路面激勵[5]（方向均向上），對發動機安裝點（響應點）（id 34403）及副車架某點（響應點）（id 20668）進行頻響分析，來考察安裝點在激勵方向上產生共振的頻率范圍及車架上某點的響應位移。如圖2，副車架上選取的激勵點與響應點[4]。

圖2 激勵點與響應點位置

圖3 發動機懸置

2.2 頻響結果分析

根據約束及施加的載荷，采用Hypermesh對副車架進行模態頻響分析，如下圖3、圖4、圖5所示，計算出發動機安裝點的響應位移及共振時的動剛度曲線，可據此來選擇發動機懸置，根據懸置在不同振幅下的動剛度來減緩發動機振動，以此避開與副車架的振動的頻率。

圖4 發動機安裝點響應位移

圖5 發生共振時，安裝點的動剛度

圖6 副車架46Hz共振云圖

圖7 id號為20668點的響應位移

圖8 發動機懸置X向動剛度

（1）由圖4、圖7可知，當副車架受到單位載荷力時，在46Hz時，激勵頻率與副車架共振頻率相近，產生共振，圖6車架共振云圖，由圖可知，發動機安裝點的位移變化不大，由圖8、圖9知是因為發動機懸置在65Hz才可能發生共振，避開了副車架的共振頻率，由此可使發動機與副車架不能同時產生共振，減少車身振動。

（2）圖8，圖9、圖10為發動機懸置在0-300Hz頻率下，幅值分別為0.1mm、0.2mm時的X/Y/Z三個方向動剛度曲線，由圖可知，發動機懸置共振頻率跳過了46Hz，為60Hz，不會與副車架發生共振，在振動時剛度不會有明顯下降，能改善發動機激勵給副車架帶來的震動，由圖6可知，副車架響應位移足夠小，剛度變化也小，有效的提高了車輛的NVH性能和乘車舒適性。

（3）由圖8、圖9、圖10試驗研究發現，懸置的動剛度與振幅和頻率有關，動剛度與幅值成反比，與頻率成正比[5]。根據此關系可知，結合安裝點的共振位移和動剛度，在設計開發發動機懸置時，可對懸置的靜動剛度有整體認知，結合懸置隔振理論與頻響分析，可減少開發成本。

3 結束語

根據對某副車架進行頻響分析，得出副車架在外部激勵下何時會產生共振及相應的頻率響應，從而有助于對車架進行設計和通過對發動機懸置的改進及選取來避開兩者的共振頻率，減小車身振動及對NVH的影響，采用仿真與試驗相結合的方式，驗證了該副車架與發動機不會因頻率耦合而引起共振，有助于提高開發效率，減少成本。

參考文獻

[1]張敏.水平軸潮流發電水輪機傳動系統動力學特性分析[D].哈爾濱工程大學，2012.

[2]馮博.基于有限元和多體動力學的輕型貨車振動特性仿真分析

[D].合肥工業大學，2014.

[3]吳華杰.基于路面載荷的轎運車車架振動疲勞分析[D].揚州大學，2013.

[4]王國新.基于輪對——軌道模型的曲線尖叫噪聲的有限元研究

[D].西南交通大學，2010，27（2）：50-53.

[5]劉祖斌，劉英杰.發動機懸置設計中的動、靜剛度參數研究[J].汽車技術，2008（6）：21-23.