基于ANSYS的某型客車車架結構的模態分析

楊家印

摘 要：模態是機械結構的固有振動特性，同時模態分析是對結構進行動態分析的基礎，其分析結果能夠為結構振動、抗振動耦合設計提供基礎。根據汽車的工作特點，汽車車架結構的輸入激勵有規律性振動和地面隨機振動。為此，本文以某型客車車架結構作為分析對象，利用有限元法對其進行模態分析計算，找出了結構固有頻率和振型，為結構的動態特性提供評估，同時為其改進設計和后續動力學分析提供分析基礎。

關鍵詞：客車車架；模態分析；有限元

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

1.客車車架結構描述

該型客車車架為典型的框架結構，整個結構沿長度方向上對稱布置，且各橫梁、縱梁均采用箱形設計，最后采用搭接連接板等方式焊接聯接各橫縱梁。其結構具有這樣的顯著特征：對稱設計；焊接連接；箱體結構；縱梁承受主要載荷，橫梁承擔次要載荷。該結構的三維模型圖如圖1所示。

2.模態分析理論基礎

模態分析是基于達朗貝爾原理，在結構承受的載荷中考慮慣性作用，由結構質量、阻尼、剛度及外載荷建立其動力學方程：

根據實際經驗，大多數機械結構的阻尼很小，所以對結構的固有頻率和振型的影響極為有限，因此可以在求固有頻率和振型時，阻尼的影響可以忽略不計，也是就在結構的動力學方程中，令阻尼[C]=0，并且外力{FP}=0，這樣就可以得到無阻尼自由振動方程：

3.車架模態計算

本文利用有限元軟件，按上述理論分析的思路，選擇分塊蘭索斯法對車架結構進行模態分析計算。

根據車輛的行駛速度、客車通常行駛路面的路況、發動機的振動頻率等因素，確定提取模態分析結果的前20階模態值。同時，限于篇幅，本文列出車架前4階振型圖對其進行分析。模態值即車架各階固有頻率見表1。

從模態分析結果來看，整個固有頻率較低，前20階最大值在59Hz左右。因此該車架結構不能在低頻下工作。其第一階模態值為13Hz，第二階為18.4Hz，第三階為20.8Hz，第一、二階固有頻率值間隔較大，能夠為避免抗振動耦合設計提供很大的工作頻率設計空間。

列出客車車架前4階振型圖為，如圖2～圖5所示。

模態結果分析：

從該型客車車架的前4階模態振型圖可以看出：其第一階振動固有頻率為13.04Hz，振動表現形式為尾部（后置發動機部位）沿豎直方向振動，圖中模型坐標下振動在XZ平面內，振幅最大部位在最尾端橫梁；其第二階振動的最大部位與第一階相同，為尾端最后一根橫梁，只是振動方向不同，沿Y軸方向的上下振動；第三階模態分析結果的最大振幅發生在車架中間部位，其振動方向沿豎直方向上下振動，在幾何形狀上來看，振幅最大位置位于縱梁的中間；第四階振型圖中，車架結構的最大振幅在末端橫梁，與第一階、第二階相同，但振動形式完全不同，第四階模態振型為扭轉振。

模態振型結果表現為，前面主要幾階模態的最大振幅均發生在車架末端，該位置為發動機及相關配件放置部位，為此，要做到精確分析應當將發動機及相關部件按力學等效原則等效上去。從分析結果來看，在當發生或可能發生共振現象時，其車架的振幅最大部位在尾部和中間部位。

結語

通過對車架的模態分析，找出了車架結構的固有頻率和振型，得到了車架結構的基本動力學參數和相關特性。并進一步對固有頻率值和振型圖進行分析，找出了結構在可能發生共振時的振動特性，為車架的改進、車架上相配部件的安裝提供了參考。

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