輕型客車結構模態分析及方法比較

摘要：輕型客車是用于山區的鄉村公路營運客車的常見結構形式。對某款輕型客車建立車身骨架有限元模型，采用Block Lanczos法進行模態分析，采用分析評價法進行評價，得出該車的動態性能良好。比較梁單元模型與殼單元模型的計算結果得出，兩種方法計算的前10階振型不完全一致，梁單元模型計算得出的固有頻率比殼單元模型的高，而主要振型產生較大誤差，故不宜采用。

Abstract： Light buses are a common structural form used for rural buses in mountainous areas. A finite element model of the body frame of a light bus was established， the Block Lanczos method was used for modal analysis， and the analysis evaluation method was used for evaluation. It is concluded that the bus has good dynamic performance. Comparing the calculation results of the beam element model and the shell element model， it is found that the first 10 modes calculated by the two methods are not completely consistent. The natural frequency calculated by the beam element model is higher than that of the shell element model， and the main mode shapes are relatively higher. It is not suitable for large errors.

關鍵詞：輕型客車;鄉村公路營運客車;模態分析;有限元法

Key words： light bus;rural bus;modal analysis;finite element method

中圖分類號：U463.66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0060-03

0? 引言

鄉村公路營運客車（以下簡稱鄉村客車）是在三級及三級以下公路上進行經營性道路旅客運輸的[1]，設計制造時常以輕型客車為結構基礎，進行改進及優化。由于其運行道路條件較為復雜，鄉村客車在行駛過程中，車身結構會受到多種激振。因此，在設計鄉村客車時，有必要對車身結構進行動態分析，以避免客車產生共振，減少噪聲，提高舒適性和疲勞壽命。

傅強等對大客車整車進行了模態綜合分析，并對部分結構模態進行了實驗驗證，分析了整車模態動態特性，以此為據提出結構設計的評價原則[2]。

沈浩等對大客車車身結構進行了模態分析和評價，認為以板簧結構為主要形式的客車，其車身自由邊界模態分析結果可直接應用于車身動強度評價。并認為若能夠用梁單元模擬結構，則可以不用板殼單元模擬。該文還論述了評價方法[3]。

多篇論文對客車進行過模態分析[4-8]，但是這些論文都以城市客車而不是鄉村客車結構作為研究對象。尚未見到鄉村客車動態分析的論述，本文將就鄉村客車車身結構進行模態分析。

1? 研究對象

本文以我省生產的某款6米鄉村客車為研究對象，該車是在某款輕型客車基礎上，按要求設計制造的，如圖1。該客車主要用于山區農村營運，采用四缸柴油發動機前置，后輪驅動，鋼板彈簧懸架，半承載式車身結構。車身骨架大部分采用型鋼焊接而成，其中絕大部分是閉口矩形鋼管。

2? 方法

計算使用ANYSYS軟件。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換。用UG建立三維實體模型，導入ANSYS中，經處理后轉化為有限元模型。

車身結構建模時坐標的定義如下：前軸中心線為X向基準，車尾方向為正;車體縱向中心線為Y向基準，朝車體前進方向，右向為正;車架上平面為Z向基準，向上為正。

在建立該車的有限元模型時，做了如下簡化：

①忽略車身蒙皮對骨架總體結構強度和剛度的加強作用，從而使計算結構偏安全。

②忽略某些對車身結構變形和應力分布影響較小的非承載件和裝飾件，如：安裝固定板等。

③不考慮構件連接的焊縫，將其簡化為剛性連接。

④對于梁單元模型，將一些曲率較小的構件近似的看作由直梁組成，即“以直代曲”。兩個相近的交點，可簡化為一個節點。

采用SHELL63殼單元和Beam4梁單元，對該車骨架建立兩種有限元模型。采用殼單元時，將車身結構離散化為196558個殼單元，195250個節點，如圖2所示。為了探討梁單元模型的適用性，采用Beam4梁單元，將車身結構離散化為1551個單元，1953個節點，共用19組不同截面參數的梁單元來模擬骨架桿件和底架。殼單元模型能全面的反映結構的應力分布狀況，特別是桿件接頭的應力分布，梁單元模型便于模型修改，求解效率高，但是不能詳細反映桿件接頭的應力分布。

動態分析主要計算車身骨架的固有頻率和振型。計算時，車身骨架處于自由振動狀態，不施加任何約束和外載。

采用Block Lanczos法對車身骨架進行模態分析，并采用分析評價法對結果進行評價。分析評價參照如下原則：[2]

①車身結構的低階頻率，即整體一階扭轉和一階彎曲頻率的值，應避開車輪不平衡引起的振動頻率和發動機頻率，以避免發生整體共振的現象。

②車身骨架固有頻率應盡可能避開發動機經常工作頻率。

③車身骨架振型應盡可能光滑，避免突變。

3? 計算結果

將車身結構前10階振型圖列于圖3，為便于比較，將兩種模型的同1階振型圖并列，其中左邊為殼單元模型振型圖，右邊為梁單元模型振型圖[9]。兩種模型的前10階剛體模態頻率及振型特征見表1，主要振型見表2。

4? 計算結果分析

4.1 動態性能分析

鄉村客車行駛中所受激勵主要來自路面、發動機、車輪不平衡重、傳動軸不平衡等，其中路面、發動機的激勵對車身動態性能影響最大[3]。針對該車的山區使用環境，其路面、發動機的激勵頻率范圍分析如下：

①鄉村客車的最大車速不大于70千米/小時[1]，設路面波長取為10米，可計算出路面激勵在2Hz以下。

②發動機的怠速激振頻率取決于怠速轉速和氣缸數目。該客車配置的是某型四缸柴油機，怠速穩定轉速為1000-1200r/min，怠速激振頻率的計算公式為：

式中r——怠速穩定轉速;n——發動機缸數。

可算出該車發動機怠速激振頻率在33.3-40Hz之間。

由表1可知，按殼單元模型算出的該車身結構低階固有頻率，一階扭轉固有頻率為13.507Hz，一階彎曲固有頻率為19.256Hz，都避開了路面激勵頻率以及發動機激振頻率，且振型無突變。因此，該車的動態性能良好。

4.2 梁單元模型與殼單元模型結果比較

將梁單元模型的計算結果與殼單元模型的進行比較。據圖2和表1：

①梁單元模型計算得出的前10階振型中，1、2、3、7、10階振型與殼單元模型計算結果一致，其它階振型則不同。②總體來說，振型相同時，梁單元模型計算得出的固有頻率比殼單元模型的高，這是由于梁單元模型的節點剛度較大造成的。③從表2可知，梁單元模型計算得出的主要振型的固有頻率，除整車一階扭轉相差較小外，整車二階扭轉和整車一階彎曲的固有頻率相差較大。所以，對鄉村客車進行模態分析不宜采用梁單元模型。

5? 結束語

對某6米鄉村公路營運客車進行模態分析，并根據分析評價法，對該車的動態性能進行評價，得出結論：①該車的動態性能良好。②通過比較梁、殼單元模型計算結果。可知：梁單元計算的前10階振型與殼單元的結果不完全一致。梁單元模型計算得出的固有頻率比殼單元模型的高，主要振型產生較大誤差，所以，對鄉村客車進行模態分析不宜采用梁單元模型。

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通運輸部.JT/T 616-2016，鄉村公路營運客車結構和性能通用要求[S].北京：人民交通出版社，2016，7.

[2]傅強，等.大客車整車模態綜合分析及應用[J].汽車技術，1992，9.

[3]沈浩，陳昌明，雷雨成，姚曉冬.客車車身模態分析及評價[J].公路交通科技，2003，4.

[4]陳志勇，史文庫，等.輕型客車車身車架整體結構有限元模態分析[J].振動與沖擊，2010，10.

[5]顧響中.ZGT6739DS城市客車車身結構模態分析[J].客車技術與研究，2012，34（05）.

[6]姚春革.半承載式客車車身結構模態分析[J].機電信息，2020（33）：104-105.

[7]曾小蘭，孫長存，周翔，余麗娜，程江.某純電動客車模態分析[J].客車技術與研究，2020（1）：13-14.

[8]張亞飛.客車車身結構模態分析[J].汽車實用技術，2018（18）：74-75.

[9]梁霖鋒.6米鄉村公路營運客車車身結構分析[D].福州：福建農林大學，2009.