基于ANSYS的輕卡車架模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫加龍 肖平

摘 要：為了研究輕型卡車車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，運(yùn)用SolidWorks 2020軟件建立輕卡車架三維實(shí)體模型，進(jìn)而利用ANSYS Workbench 2021軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階固有頻率，并與車架激勵(lì)頻率進(jìn)行對(duì)比研究，從而對(duì)輕卡車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)構(gòu)的固有頻率再與激勵(lì)頻率進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：輕卡車架 ANSYS 模態(tài)分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Abstract：In order to study the dynamic characteristics of light truck frame structure， the finite element modal analysis and optimization design of the frame structure were carried out. First of all， SolidWorks 2020 software is used to establish a three-dimensional solid model of the light truck frame， and then ANSYS Workbench 2021 software is used for modal analysis to obtain the first six natural frequencies， which are compared with the excitation frequency of the frame， so as to optimize the structure of the light truck frame， and then compare the natural frequency of the optimized structure with the excitation frequency.

Key words：light truck frame， ANSYS，Modal analysis，Structural optimizati

1 引言

車架作為輕型卡車的核心部分，車架上安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等重要部件，且承受貨箱及貨物的重量。汽車是一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，在車輛行駛過程中，車架受力復(fù)雜，當(dāng)外界激勵(lì)頻率與自身固有頻率相同時(shí)，則車架發(fā)生共振，進(jìn)而影響車輛平順性與安全性，嚴(yán)重則會(huì)直接對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。本文已輕型卡車車架作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免車架發(fā)生共振，為輕卡車架設(shè)計(jì)制造提供有價(jià)值的參考。

2 輕卡車架建模

2.1 三維實(shí)體建模及簡(jiǎn)化

運(yùn)用Solidworks 2020對(duì)輕卡車架主梁、中梁、尾梁、前橫梁、加強(qiáng)軸等零件進(jìn)行三維實(shí)體建模，再將其進(jìn)行裝配，集成為車架裝配體。車架總長(zhǎng)6米；總寬8.42米；前橫梁、加強(qiáng)軸、元寶梁、尾梁各1根；主梁2根；中梁3根；鉚釘若干。材料選用Q235。Q235材料屬性如表1。車架模型如圖1所示。

2.2 有限元模型

本文運(yùn)用的是ANSYS Workbench 2020軟件進(jìn)行模態(tài)仿真研究，將輕卡車架三維實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench軟件，裝配體導(dǎo)入DM后沒有任何裝配關(guān)系，每個(gè)零部件都是完全獨(dú)立的。為了方便仿真計(jì)算，刪除鉚釘?shù)榷嘤嗔慵⑦\(yùn)用布爾運(yùn)算將車架主梁、中梁、尾梁、前橫梁、加強(qiáng)軸等零件連接成整體。然后進(jìn)入設(shè)置模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文網(wǎng)格采用自動(dòng)劃分功能，由于整體模型較大，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.05m，偏斜度設(shè)置為小于2，平滑設(shè)置為中等，其它設(shè)置保持默認(rèn)即可。網(wǎng)格劃分后，輕卡車架模型具有202568個(gè)節(jié)點(diǎn)，101857個(gè)網(wǎng)格。有限元模型如圖2所示。

3 模態(tài)分析

在實(shí)際工程中，由于車架所受到的約束非常負(fù)責(zé)，且包含非線性因素，大部分約束都不是完全剛體。若在有限元分析時(shí)，對(duì)車架進(jìn)行固定支撐設(shè)置，及約束部分為0位移，則結(jié)果可能與實(shí)際情況差距很大。所以本文模態(tài)分析采用自由模態(tài)分析，求解輕卡車架前12階模態(tài)，舍棄前6階剛體模態(tài)，保留其后6階結(jié)構(gòu)模態(tài)，為方便理解，7～12階模態(tài)后文稱1～6階模態(tài)。輕卡車架1～6階模態(tài)振型如圖3所示。

在車輛行駛過程中，因路面不凹凸不平引起的激勵(lì)頻率一般為1～20Hz。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速引起的外界激勵(lì)頻率也是造成車架共振的主要因素，其激勵(lì)頻率公式為：

式中：

z—發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)；

—發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)；

n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

本文研究車架所用發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸4沖程，怠速區(qū)間為500～600r/min，取其怠速時(shí)最高轉(zhuǎn)速，則計(jì)算得到怠速時(shí)，激勵(lì)頻率為20Hz。即若想避免輕卡車架產(chǎn)生共振，其結(jié)構(gòu)固有頻率需大于20Hz。

由模態(tài)結(jié)果可知，輕卡車架前6階固有頻率為17.004～83.151Hz，其第一階模態(tài)頻率為17.004Hz，此時(shí)車架產(chǎn)生共振，會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對(duì)比外界激勵(lì)頻率與輕卡車架固有頻率可知，其第1階模態(tài)頻率低于20Hz，容易產(chǎn)生共振，且前橫梁出變形較為明顯，易受到破壞。為提高車架使用壽命和行駛平順性，對(duì)輕卡原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在前橫梁與加強(qiáng)軸間增加加強(qiáng)筋，且增大前橫梁中間方管尺寸，以增強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。改進(jìn)輕卡車架如圖4。

對(duì)改進(jìn)后輕卡車架進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比改進(jìn)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖5改進(jìn)車架1階模態(tài)可知，改進(jìn)后1階模態(tài)為21.63Hz高于平面不平與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速引起的激勵(lì)頻率，擺脫改進(jìn)前可能發(fā)生共振的情況。由表2固有頻率對(duì)比表與表3變形對(duì)比表可知，各階模態(tài)固有頻率皆有顯著提升，都在外界激勵(lì)頻率之上，且改進(jìn)前后模態(tài)各階變形皆有明顯降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

通過對(duì)輕卡車架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，原始車架1階模態(tài)頻率在外界激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，容易引起車架共振，且前橫梁附近變形相對(duì)較大。因此，對(duì)前橫梁附近進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其1階固有頻率脫離共振帶，且減小前橫梁附近變形，車架整體模態(tài)性能得到提升，模態(tài)特性滿足使用要求，為車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考方向。

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