基于hypermesh的某輕卡車架模態(tài)分析

朱路生

摘 要：車架是輕卡重要的承載部件，承受了各種外部激勵，對車架固有頻率進行有限元分析成為設(shè)計中的必要工作。以公司某輕卡車架為例，首先應(yīng)用UG軟件建立了車架的三維模型，然后應(yīng)用hypermesh對車架模型進行了網(wǎng)格劃分并進行自由模態(tài)分析。通過對車架前十階模態(tài)固有頻率和振型進行評價分析，得出車架各階模態(tài)固有頻率避開外部激勵源頻率，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：車架;有限元;hypermesh;自由模態(tài)

1 引言

隨著物質(zhì)生活水平的提高，用戶不僅對輕型載貨汽車的安全性有了更高的要求，還對整車的舒適性有著更高的追求。車架作為整車重要的承載件，如果其固有頻率和其他外部激勵源的固有頻率接近勢必會導致共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。共振現(xiàn)象發(fā)生時，輕則整車發(fā)生抖動影響駕駛?cè)藛T的舒適性，重則導致車架嚴重變形開裂，危機車輛和人員安全。車架模態(tài)分析必然成為輕型載貨汽車設(shè)計過程中的重要關(guān)注點，也是提升車輛安全性的有效舉措。

目前車架模態(tài)分析主要有試驗和有限元分析兩種手段。吳鐘鳴[1]針對電動車車架運用有限元剛度和模態(tài)分析優(yōu)化了車架截面和車架的體積并對車架完成了輕量化。吳凱佳[2]利用有限元分析了工程車輛車架的靜態(tài)特性和固有頻率，并基于分析結(jié)果優(yōu)化了車架尺寸，提高了車架的低階模態(tài)頻率。張增年[3]分析了固壓設(shè)備車架結(jié)構(gòu)的前12階自由模態(tài)確認車架滿足設(shè)計要求。

基于此，首先通過UG完成車架的三維建模并導出IGS格式零部件，然后利用Batchermesh模塊實現(xiàn)零部件的網(wǎng)格自動劃分，最后通過Optistrcut模塊完成車架的模態(tài)分析。有限元分析結(jié)果表明車架的低階固有頻率避開了激勵源的重合點滿足設(shè)計要求，為后期設(shè)計分析提供了參考。

2 車架模態(tài)仿真分析流程

（1）從UG中完成車架三維建模，刪除不必要的小的零部件，保留車架主要零部件參與分析。車架中各零部件按照圖號命名后逐一導出為IGS格式。

（2）將上一步導出的IGS數(shù)據(jù)導入至Batchmesher，設(shè)置Meshtype為10mm，Pre-Geom Load、Pre-Mesh、Post-Mesh為nastran_mesh，提交即可完成所有零部件自動網(wǎng)格劃分。

（3）將劃分好網(wǎng)格的hm格式文件導入至HYPERMESH，對不同零部件進行分別命名，然后調(diào)整零部件的顏色，便于后期操作時區(qū)分。

（4）利用qualityindex對二維單元網(wǎng)格進行檢查，利用element optimize等命令進行優(yōu)化，確保沒有紅色網(wǎng)格，黃色網(wǎng)格盡量消除，Comp.QI盡可能接近于0即可。

（5）建立鐵材料STEEL，彈性模量E=2.1E+05，泊松比NU=0.3，密度RHO=7.9E-09。

（6）建立二維屬性，針對不同的板材厚度建立不同的屬性。類型為2D，卡片為PSHELL，T為實際的板材厚度。

（7）將二維屬性賦予對應(yīng)的車架零部件，注意區(qū)分不同板厚的零部件，相同厚度板材的二維屬性相同。

（8）車架零部件之間基本全部為鉚接，個別孔位因為其他零部件安裝問題為螺栓連接。通常方針分析時一般通過在孔位的中心建立RIGIDS節(jié)點，然后用Cbeam連接進行模擬。也有其他研究人員直接采用Bolt進行連接展開分析。

（9）建立模態(tài)分析環(huán)境，設(shè)置輸出卡片，提交計算，輸出結(jié)果。

3 模態(tài)分析結(jié)果

（1）在0-70Hz范圍內(nèi)，車架的前十階固有頻率相互不重合，分散較開。各階固有頻率基本呈現(xiàn)遞增趨勢，沒有異常變異情況。

（2）路面引起垂直振動的頻率基本在20HZ以內(nèi)，本文研究的輕卡車架一階豎彎頻率為23.7Hz避開了與其重合范圍，由此可以推斷車架不會因路面不平情況產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

（3）輕卡懸架設(shè)計的偏頻區(qū)間基本在2-4.5Hz，文中輕卡車架的一階扭轉(zhuǎn)頻率為7.2Hz，表明該設(shè)計的輕卡車架結(jié)構(gòu)固有頻率避開了與懸架共振的區(qū)間。

（4）威斯達駕駛室固有頻率為10-15Hz，而文中仿真結(jié)果是一階扭轉(zhuǎn)頻率為7.2Hz和一階橫彎頻率為16.7Hz，一階扭轉(zhuǎn)和橫彎頻率均避開了重合區(qū)段，故車身不會產(chǎn)生共振抖動現(xiàn)象。

（5）該車型動力總成的怠速區(qū)間轉(zhuǎn)速為750-850r/min，通過計算可得出其頻率為27-30Hz之間，對比可知車架一階垂向彎曲和二階扭轉(zhuǎn)能夠避開該頻段。

（6）從第5和第7/8階模態(tài)中可以看出，第三橫梁出現(xiàn)了局部橫向擺動，實際中車架該處有懸置梁，車架強度得以補強。

（7）車架第10階的頻率與外部激勵源頻率相差較大，由此可以推斷其對車架的共振影響很小。

4 結(jié)論

基于HYPERMESH軟件對輕卡車架進行建模與仿真分析，結(jié)果表明：仿真分析提取輕卡車架前十階固有頻率分析得出其已避開外部激勵源頻率，車架設(shè)計滿足要求。

參考文獻：

[1]吳鐘鳴，徐禮輝，郭語.小型電動汽車車架的設(shè)計與輕量化改進[J].現(xiàn)代制造工程，2020（04）：77-82.

[2]吳凱佳，蘇小平.某工程車輛車架的結(jié)構(gòu)動力學分析與優(yōu)化[J].南京工業(yè)大學學報（自然科學版），2019，41（06）：688-694.

[3]張增年，席仲君，劉有平，江士凱，蔣清豐，徐延海，陳靜.某車載固壓設(shè)備車架結(jié)構(gòu)強度及模態(tài)分析[J].石油機械，2019，47（03）：68-74+80.

[4]姚艷春.搭建測試系統(tǒng)完成了玉米收割機考慮質(zhì)量時變的模態(tài)變化，為后續(xù)農(nóng)業(yè)機械分析提供了參考。

[5]姚艷春等.考慮質(zhì)量時變的收獲機械工作模態(tài)分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（09）：83-94.