某轎車副車架的模態分析與試驗研究

胡建泰， 吳向廷， 趙韶劍， 趙廣松， 魏瓊文

（建新趙氏科技有限公司，浙江 寧海315600）

0 引言

汽車的副車架是將車橋、車軸和差速器等懸架的構件組合在一起，并且通過橡膠襯套與汽車的主車架進行連接。副車架的作用可以降低路面對車身的振動沖擊，從而提高汽車懸掛的連接剛度，使汽車在行駛的過程中的舒適性和穩定性加以改善[1]。同時，副車架可以降低發動機和路面激勵振動所引起的噪聲，提高汽車車內的噪聲水平[2-3]。用戶在駕駛汽車的過程中，由于受到不同路面的激勵，容易使路面的激勵頻率與被迫振動的副車架固有頻率相接近，從而引起副車架產生振動疲勞，出現斷裂失效[4]。并且，共振問題也會使車內產生大的振動和噪聲，影響整車的駕駛舒適性[5]。通過模態分析，可以獲得副車架的固有頻率和振型，進而分析其動態響應頻率，避免共振現象的產生。

本文對某轎車的副車架進行模態研究，通過HyperMesh創建有限元模型，利用ABAQUS計算出該結構的固有頻率；通過模態試驗對計算結果進行驗證，為以后副車架的結構優化提供參考。

1 后副車架有限元模型建立及分析

1.1 動力學理論基礎

后副車架為一個N自由度線性定常系統，其運動的物理表達式為

在計算后副車架的固有特性時，其結構的阻尼較小，對結構的固有頻率和振型影響很小，因此用無阻尼自由振動系統進行計算，其表達式為

對于多自由度系統的振動解為

式中：f為系統自由振動時振幅列陣。

將式（3）代入式（2）中，可得：

式（4）即為該系統所求的特征方程，根據特征值ω2和特征向量f，就可求出系統的固有頻率和固有振型。

1.2 有限元模型建立

運用三維制圖軟件UG對后副車架進行幾何建模，轉化成STEP格式，導入HyperMesh，利用HyperMesh對后副車架進行網格劃分。在進行有限元模型建立時，須保持后副車架的主要結構特征，簡化處理掉影響微小的部件。由于后副車架為薄壁件，因此使用板殼Shell單元進行網格劃分。模型裝配主要采取剛性單元、點焊ACM和縫焊SEAM進行連接模擬。

車架有限元模型如圖1所示，共有51 989個節點，168 891個單元體。

1.3 計算結果

將劃分好網格的后副車架有限元模型文件導入到ABAQUS里計算模態，主要計算副車架在自由狀態下的模態參數，所以不需要施加載荷和約束。計算除剛體模態以外的前10階模態，其結果如圖2所示。

圖1 后副車架有限元模型

2 副車架試驗模態分析

2.1 模態試驗內容

1）自由邊界（狀態）建立。對于一個真正的自由邊界而言，意味著副車架應該不受任何約束，完全自由地懸浮在空中。但是現實中，由于引力的存在，不存在真正的自由邊界的試驗條件，因此需要用4根彈簧繩將整個副車架懸掛起來，模擬自由邊界的試驗條件，如圖3所示。并且要求實際支承的最高剛體模態頻率小于副車架的最低彈性模態頻率，即剛體模態頻率是最低彈性模態頻率的10%～20%，以便減少支承系統對副車架模態的影響，實現自由邊界條件的模擬。

2）測點位置布置。測點的位置應該盡量選擇重要的響應點、外力的作用點、部件或者結構的交聯點[6]。但是需要避開關心的所有模態的節點位置，并且所有的測點連線應該能夠顯示副車架的形狀輪廓，共布置的測點有16個（如圖4），采取對稱布置的方式。

3）測試方法。為了確保模態試驗的準確性，共使用了2種方法進行測試，即移動傳感器和移動力錘。在使用移動傳感器的方法測試時，因為有16個測點，所以分成2組進行測試，1組8個測點，布置8個三向加速度傳感器，并且力錘的激勵點保持同一點不變（如圖5（a））；移動力錘測試，只須布置2個三向加速度傳感器在任何2個測點上。測試時，力錘的激勵點為16個測點（如圖5（b））。

圖3 副車架自由邊界條件模擬

圖4 副車架測點位置

圖5 兩種測試方法

2.2 模態試驗結果

本文通過2種試驗方法對副車架的固有頻率進行測試，副車架的固有頻率試驗值與計算值比較如表1所示。

由表1可以看出，使用2種試驗方法對副車架的固有頻率進行測試，發現2種方法的固有頻率數據接近，最大的差值在3 Hz以內，說明2種測試方法測出的試驗數據準確。并且與副車架計算模態的固有頻率進行比較，最大的相對誤差值為4.1%，不超過5%，所以可以確定建立的有限元模型是準確的。

表1 試驗模態與計算模態前10階固有頻率比較

3 結論

創建了某轎車副車架的有限元模型，通過有限元分析，得到該結構的前10階的固有頻率；采用移動傳感器和移動力錘的試驗方法對副車架固有頻率進行測試，獲得模態實驗數據；對比了試驗模態和計算模態，兩者的差值不超過5%，可以確定建立的有限元模型是正確的；該車架的1階扭轉頻率為103.60 Hz，彎曲頻率為175.55 Hz，反映出該副車架的剛度值較高；由于來自路面的激勵頻率一般集中在1～20 Hz[7]，避免了路面引起的共振的現象，符合設計要求。模態試驗分析的結果為副車架的結構優化和設計提供了參考依據。