某輕型載貨車車架有限元模態分析

楊宗寶，肖路路，楊潘

（江淮汽車股份有限公司輕卡研發部，安徽 合肥 230601）

某輕型載貨車車架有限元模態分析

楊宗寶，肖路路，楊潘

（江淮汽車股份有限公司輕卡研發部，安徽 合肥 230601）

車架是輕型載貨車的主要承載系統，車輛的大部分部件（如動力總成、駕駛室、貨箱、前后橋等）均與車架直接相連。由于車架系統結構復雜，無法用傳統的計算方法實現對車架的精確計算。而近年來隨著有限元方法的迅速發展，可以用計算機對車架模態進行仿真分析，模態的設計與分析克服了靜態方法的局限性，強調從車架結構的整體考慮，在整車校核中考慮了振動的因素。以便了解車架的振動特性是否滿足整車需求，以規避由于布置不當導致的共振現象，進而為后續的車架設計提供有力的理論依據。

文章以某輕型載貨車車架為研究對象，采用HyperWorks軟件中的HyperMesh模塊建立車架的有限元模型，并用MSC.Nastran求解器分析車架的自由模態，得到車架的固有頻率及振型，從而對車架的振動特性做出評估。

車架；模態；共振；HyperMesh

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-108-03

1 輕卡車架介紹

目前車輛常用車架有邊梁式車架、中梁式車架及綜合式車架和承載式車身。

輕卡車架多為邊梁式結構，即兩側由兩個縱梁、輔以若干橫梁及橫梁連接板組成，再通過鉚釘或螺栓的鏈接方式組成剛性構架。縱梁通常用大梁鋼沖壓而成，斷面形狀多為U型，根據車輛形式不同和結構布置需求，縱梁可以在水平面內或縱向平面內做成彎曲的等斷面或非等斷面結構。橫梁不僅用來保證車架的扭轉剛度和承受縱向載荷，還可以支撐汽車上的主要部件，通常輕卡車架有多根橫梁，橫梁同樣多為U型斷面結構。

車架在工作時不僅起支撐連接車輛各零部件作用，還需承受扭轉、彎曲等載荷產生的彎矩和剪切力，同時受到來自路面和車橋的激振而產生振動。因此在車架設計中除了保證要有足夠的強度、剛度外，合理的振動特性也十分重要，以免車輛在使用過程中各個部件之間產生的共振現象，導致某些零件的早期損壞，從而降低車輛的使用壽命。本文研究車架縱梁板厚5mm，長度為5765mm，橫梁厚度分別為3.5mm、4mm。

2 固有模態求解

根據振動系統理論，多自由度系統通常以某個固有頻率振動時所呈現出的振動形態稱為模態。模態分析是動態分析的重要內容，因此在進行車架模態分析時，首先要求出各階固有頻率，并對各階頻率進行識別。

固有頻率和振型向量是表示振動系統特征的重要物理量，是進行車架結構設計必不可少的參數，振動系統的特征值問題為：

式中：M、C和K為對應的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，分別為加速度和速度矩陣，F為作用力向量。

對于無阻尼自由振動系統，上述方程可簡化為：

自由振動時，各點做簡諧振動，各節點位移為：

由（2）式、（3）式可求得：

3 HyperWorks建模及分析流程

利用HyperWorks分析流程如下圖所示：

圖1 yperWorks分析流程

4 輕卡車架的CAD模型

由于UG軟件與HyperWorks軟件有著良好的接口，故本文分析所用的輕卡車架的三維模型由UG進行建立，建立好的三維CAD模型圖1所示：

圖2 車架CAD模型

圖3 車架有限元模型

5 車架的有限元模型

由于車架縱梁上的小孔只影響縱梁上的局部剛度，而對整個車架的計算精度影響較小，因此在有限元建模過程中，為方便網格劃分，減少畸異形網格，縮短計算機運算時間，可以對模型進行簡化處理，比如忽略半徑 5mm以下的孔，僅保留有影響的大孔，同時去除過渡圓角等結構，最后鉚接、螺接等結構采用RBE2及BEAM單元進行簡化處理。

為減少工作量及網格劃分時間，可將 CAD模型導出為IGS格式，通過HyperWorks軟件的BatchMesher模塊對車架各縱梁及橫梁進行網格劃分，再對質量不合格的網格進行必要的處理。然后在 HyperMesh-Nastran模塊中根據縱梁、橫梁實際情況進行材料、屬性的添加工作，最后再利用 REB2及BEAM單元進行鏈接，最終得到車架總成有限元模型，該模型共有82109個節點，77369個單元，如圖2所示。

接下來需要對車架各橫梁、縱梁等添加好材料、屬性等項目，車架所用鋼板材料、屬性如下表：

表1

待以上工作完成后，在 Analysis面板創建載荷邊界條件，然后勾選自己想要輸出的項目，最后導出BDF文件，再用Nastran求解器進行求解計算，結果如下所示：

圖4 車架1到6階頻率

得到車架1到6階頻率依次為：8.19Hz、19.6Hz、25.7Hz、37.1Hz、48.5Hz、56.8Hz，各階頻率分別代表一階扭轉、一階橫彎、一階豎彎、二階扭轉、二階橫彎、二階豎彎及局部模態。

6 結論

載貨車車架是動力總成、底盤各部件以及車身總成的安裝基礎，工作時需要承受扭轉、彎曲、剪切等多種載荷工況，車架應具備足夠的抗彎剛度和適度的扭轉剛度，以保證車輛對路面的適應性。同時車架在受到外界激勵時會產生振動，當外界的激振頻率與系統的固有頻率接近時，將產生共振，共振現象不僅影響車輛的舒適性，還會導致部件的早期疲勞失效。因此，合理的車架模態設計對提高整車的可靠性、舒適性具有十分重要的意義。

1）在（1～60）Hz頻帶內，車架具有6階模態，車架模態較為分散，同時從頻率與階次的遞增中可以看出，車架模態頻率變化平緩，沒有突變現象發生；

2）一般由路面不平引起的激勵頻率為（1～20）Hz，該輕型載貨車車架的一階垂向彎曲模態頻率25.7Hz，在垂直方向避開了這個范圍，避免由路面而引起的較大幅度的車架共振現象產生；

3）載貨車前、后懸架偏頻一般為（2～4.5）Hz，而該車架的一階彈性模態頻率為8.19Hz，表明該車架結構能夠避開懸架系統的固有頻率；

4）車身部分固有頻率一般為（10～15）Hz，而該車架的一階扭轉和一階橫向彎曲模態正好避開了該頻段，不會引起車身較大幅度的振動；

5）該載貨車發動機怠速時轉速在（750～850）r/min，怠速頻率在（27～30）Hz之間，一階垂向彎曲能夠避開該頻段。

綜合以上分析，本文所研究的載貨車車架各橫梁布置得當，固有頻率過渡平緩，能夠很好的避開動力總成、路面等傳遞過來的頻率段，不會引起車輛的共振現象，從而提高了車輛的平順性、可靠性能。且經過實車測試，并無不良震動現象發生，從而大大縮短了產品開發周期，為后續產品開發、結構改進等提供了有力的理論依據。

[1] 余志生.汽車理論[M].機械工業出版社.

[2] 盧立富,岳玲.基于 HyperMesh的車架結構模態分析[J].計算機工程應用技術.

[3] 張潤生,侯煒.車架剛度及強度的有限元分析[J].

[4] 阮君.某輕卡車架結構性能分析及拓撲優化[J].汽車科技.

[5] 高文杰.某輕型卡車車架有限元模態分析[J].機械工程與自動化.

Finite element mode analysis of a light truck frame

Yang Zongbao, Xiao Lulu, Yang Pan
( Jianghuai automobile co., LTD. Light card r&d department, Anhui Hefei 230601 )

The frame is the main load system of the light truck, and most parts of the vehicle (such as power assembly, cab,container, front and rear bridge, etc.) are directly connected with the frame. Because the frame system is complex, it is impossible to calculate the frame accurately by traditional calculation method. In recent years, with the rapid development of the finite element method, simulation analysis of the modal frame can be used in computer, design and modal analysis overcomes the limitations of static methods, emphasize from the overall consideration of the frame structure in the vehicle,considering the factors of vibration check. In order to understand whether the vibration characteristics of the frame meet the needs of the vehicle, in order to avoid the resonance caused by improper layout, and then provide a strong theoretical basis for the subsequent frame design.

Taking a light truck frame as the research object, using the finite element HyperMesh module in HyperWorks software to establish the model of the frame, and using MSC.Nastran solver free modal analysis of the frame, get the natural frequency and vibration mode of the frame, thus the vibration characteristic of the frame to make assessment.

Frame; Mode; Resonance; HyperMesh

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-108-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.038

楊宗寶，就職于江淮汽車股份有限公司。