重型半掛式車架路況振動特性分析

關鍵詞：車架；模態分析；諧響應分析；固有頻率；共振

中圖分類號：U463.32 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025)16-0044-06

DOI: 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.009

AnalysisofVibration CharacteristicsofHeavySemi-TrailerFrame under Three Road Conditions

WANGLei CHENG Lin HU Bin (Chuzhou Polytechnic， Chuzhou 2390oo， China)

Abstract: [Purposes] This study aims to analyze the vibration characteristics of a heavy-duty semitrailer frame under three typical driving conditions.[Methods] Modal analysis was performed using ANSYS WorkBench finite element software to systematically determine the first six-order natural frequencies and corresponding mode shapes of the frame under full-load bending，full-load torsion，and full-load combined (bending-torsion) conditions.Based on the modal results，harmonic response analysis was further conducted to investigate the stress distribution and displacement response characteristics of the frame under dynamic excitation.[Findings] The results indicate that under the full-load bending condition，the frame exhibiteda first-order natural frequencyof71.30 Hz，demonstrating effctive resistance to resonance.However，significant resonance risks were observed near the first three natural frequencies under the full-load torsion condition and near the first four natural frequencies under the fullload combined condition. Notably，the maximum stress occurred at 22 Hz in the torsion condition，while the maximum displacement was observed at 12 Hz in the combined condition.[Conclusions] These findings provide an important theoretical foundation for the optimal design of the frame structure. Keywords: frame; modal analysis; harmonic response analysis; natural frequency; resonance

0 引言

作為車輛承載體系的核心組件，車架的結構可靠性直接影響整車的安全性能[1]。現代車架設計已從傳統的靜強度校核轉向多物理場耦合分析，設計過程中不僅需要滿足靜態工況下的剛強度指標，更需系統評估行駛系統與傳動裝置引發的復合振動效應，以及路面激勵譜與變速工況產生的寬頻隨機振動對結構耐久性的影響[2]。

通過建立精確的有限元動力學模型，開展模態分析與諧響應研究，可有效識別結構的薄弱模態并制定頻率避讓策略，這對提升車架的全生命周期可靠性具有重要工程價值3。基于實驗模態分析與運行模態分析的驗證方法，能夠為動力學模型修正提供數據支撐，從而構建高置信度的數字化樣機體系，為結構優化設計奠定理論基礎。借助Ansys仿真工具，彭笛4針對特定型號半掛車車架開展了結構優化研究。通過迭代優化設計，在確保車架靜力學與動力學性能達標的前提下，成功實現車架自重7.61% 的減重效果。該優化方案在保持車輛行駛安全性和操作穩定性的同時，有效提升了整車燃油經濟性與載重效率，為同類運輸裝備輕量化設計提供了工程參考范例。

本研究針對某重型半掛車車架在三種典型工況下的動態特性展開分析。首先采用ANSYSWorkBench有限元分析軟件開展模態仿真，系統獲取了車架結構各階模態參數，包括振動形態特征及對應的固有頻率值。在模態分析結果基礎上，進一步實施諧響應分析，重點考察車架在確定幅值與頻率的正弦激勵作用下的持續振動響應特性，從而揭示其在動態載荷作用下的力學響應規律。

1模態分析

1.1有限元模型建立

1.1.1 網格的劃分

基于UG平臺構建了車架的三維實體模型，其外廓尺寸參數為：縱向長度 9915mm 、橫向寬度835mm 垂向高度 280mm 。采用 50mm 均勻尺度對幾何模型實施有限元網格離散化處理，生成標準化網格單元后，將預處理模型通過數據接口傳輸至ANSYSWorkBench環境進行后續分析計算[5]。單元數網格節點為90172，單元數為45646，車架網格模型如圖1所示。

圖1車架網格模型

1.1.2 材料的定義

研究對象車架選用Q345（原 16Mn_? 低合金高強度結構鋼材料。該材料通過微量合金元素強化，在保持良好焊接加工性能的同時，具備優異的綜合力學性能，其強度等級與可加工性平衡特性使其成為機械裝備制造領域的通用型結構材料。 16Mn 的力學性能參數為：密度 7850kg/m³ ，彈性模量 2.05MPa ，泊松比0.33，屈服強度 345MPa^[6] 。

1.2滿載彎曲模態結果

本研究定義的滿載彎曲工況模擬半掛車在額定載荷狀態下，四輪與平整路面保持完全接觸的勻速行駛狀態。針對該工況設定邊界條件：在車架與板簧連接區域，對左側連接點實施垂直方向運動約束，對右側連接點施加3個正交方向平動限制，其余方向運動自由度均處于無約束狀態。對中后軸右輪的橫向和垂向，以及左輪的垂向平動自由度進行約束，釋放其他自由度，得到結果見表1和圖2。

由圖2可知，在半掛式汽車在滿載彎曲情況下，第一階模態最大變形為 8.77mm ，發生最大變形位置在車架的中部區域，車間頭部和尾部模態變形較小。說明車架中部因跨度大、支撐少，抗彎剛度顯著低于靠近支撐點的區域。在彎曲振動中，低剛度區域更易發生變形。

表1滿載彎曲模態結果

基于滿載彎曲工況的仿真分析得出以下結論：① 車架一階固有頻率達 71.30Hz ，顯著高于典型路面激勵頻率( 20Hz 量級），表明在常規行駛條件下該結構不會因路面激勵產生共振現象。 ② 二階至五階模態呈現頻段密集分布特征。其中，二階91.83Hz 與三階 94.34Hz ，四階 101.89Hz 與五階

圖2彎曲第一階模態云圖

108.77Hz 的頻差均小于 10Hz ，這種模態簇集現象可能導致動態響應分析時出現模態耦合效應。③ 變形云圖顯示，在滿載彎曲載荷作用下，車架結構的主要變形區域集中在左側縱梁的Y向位移，該方向最大變形量可作為結構優化設計的重點關注指標。

1.3滿載扭轉模態結果

滿載彎曲工況定義為半掛式汽車在額定載荷狀態下，各軸系車輪與高附著力鋪裝路面保持完全接觸，且維持勻速直線行駛的準靜態力學狀態。基于多體動力學耦合原理，對車架與懸掛系統連接界面實施差異化約束：左側板簧支座施加垂向全約束，右側采用三向全約束；中后軸系執行運動學邊界條件設置，右輪組橫向/垂向運動自由度全鎖定、左輪組垂向自由度全鎖定，其余運動自由度均保持釋放狀態。這種約束模式有效模擬了車輛在典型承載工況下的復合受力特征，為后續開展多軸系載荷分配優化提供了基準模型。

圖3為車架滿扭情況下第一階云圖。由圖3可知，車間在滿載扭轉情況下發生最大變形為1.52mm ，最大變形位置在車架后方。由于扭轉工況為非對稱載荷或單側路面沖擊引起，車架繞縱軸（后方向）發生扭轉變形。

表2為滿載扭轉工況的模態分析結果。由表2可知： ① 車架前三階固有頻率均處于 2.73Hz 至低頻區間，顯著低于典型路面不平度激勵頻段( 20Hz 量級），表明在復雜路況下存在共振風險； ② 四階與五階模態呈現頻段密集分布特征，兩階頻率差值小于 5Hz ，這種模態簇集現象可能導致動態響應分析時出現模態耦合效應； ③ 振動變形特征顯示，車架結構在Y向存在全局性變形趨勢。其中，縱梁系統為主要變形承載區域，該方向動態位移響應可作為結構抗扭設計的重要考量指標。

表2滿載扭轉模態結果

1.4滿載彎扭模態結果

復合彎扭工況作為車架結構最嚴苛的加載模式，模擬車輛對角線輪組離地引發的非對稱載荷狀態。基于多體動力學約束理論，實施如下邊界條件：前橋右側車輪全自由度約束形成固定支點，中后橋左側車輪橫向與垂向運動鎖定，其余自由度保持釋放以反映真實懸架特性。表3和圖4所示的數值求解結果表明，車架呈現顯著的空間扭轉變形特征，最大VonMises應力達 318MPa ，出現在縱梁與腹板連接處，接近Q345材料屈服強度 (345MPa) ；對角線位移極值達 1.95mm ，通過相關標準中框架結構抗扭剛度評價指標。該約束體系成功消除剛體位移同時精確再現了極端工況下的力學響應，為結構拓撲優化與加強筋布置提供了臨界載荷數據。

圖3滿扭轉第一階云圖

圖4為車架滿載彎扭情況下第一階云圖。從圖4可知，車架在滿載彎扭2情況下發生最大變形為 1.42mm ，最大變形位置在車架后方。由于彎扭工況為非對稱載荷或單側路面沖擊引起，車架繞縱軸（后方向）發生扭轉變形。

表3滿載彎扭模態結果

基于前六階模態分析結果可得出以下結論： ① 隨著模態階次提升，在輸入能量恒定條件下，高階模態因能量衰減導致振動激發難度增大，同時振動節點數量增加使得結構變形更趨局部化。 ② 第二階 12.04Hz 與第三階 13.13Hz 的固有頻率間距較窄，這種頻段密集分布特征可能引發模態耦合效應，在動態載荷作用下存在疊加風險。

2 諧響應分析

基于車架在滿載彎曲、滿載扭轉及滿載彎扭組合工況下的模態分析結果，可得出以下結論：在滿載彎扭和滿載扭轉的復雜路況條件下，車架結構存在共振風險；而在滿載彎曲工況下，車架前六階固有頻率均顯著高于路面不平度引發的典型激勵頻率（ 20Hz 量級），因此該工況下不易發生共振現象。鑒于上述分析結果，后續研究將重點針對滿載扭轉和滿載彎曲兩種工況開展諧響應分析，以進一步評估車架結構的動態響應特性。

2.1滿載扭轉分析結果

從扭轉模態分析結果得到：車架固有頻率范圍為 2.73～33.25Hz ，因此諧響應給激振頻率范圍取0～35Hz ，載荷步數取35，并選取整個車架作為響應面進行諧響應分析，目的是找到應力、位移和頻率之間的關系，并得到最大峰值初步位置，如圖5、圖6所示。從圖5和圖6可以看出，應力與位移 X， Y，Z 三個方向在頻率 22Hz 下處于最大，在滿載扭轉工況下車架前四階模態易出現共振。

2.2 滿載彎扭分析結果

從滿載彎扭模態分析結果得到：車架固有頻率范圍為 3.58～27.92Hz ，因此諧響應給激振頻率范圍取 0～30Hz ，載荷步數取30，并選取整個車架作為響應面進行諧響應分析，目的是找到應力、位移和頻率之間的關系并得到最大峰值初步位置，如圖7、圖8所示。

圖4彎扭第一階模態云圖

圖5應力一頻率曲線

圖6位移一頻率曲線

由圖7可知， .X，Y，Z 三個方向的應力在 12Hz 時時達到峰值，隨后開始下降。盡管應力在 20～25Hz 頻率區間內有所上升，但未超過 12Hz 時的數值。由圖8可知，在 0～12Hz 范圍內， X，Y，Z 三個方向的位移持續增加，至 12Hz 時位移達到最大值，之后開始下降。雖然位移在 20～25Hz 區間內有所增加，但均未超過 12Hz 時的峰值。

圖7應力一頻率曲線

圖8位移一頻率曲線

圖7和圖8得到車架在受到外界激勵時，位移與應力在 12Hz 時處于最大。而模態分析得到車架第一階固有頻率為 3.58Hz ，低于諧響應分析得到位移與應力峰值頻率 12Hz ;而第二階固有頻率12.04Hz 和第三階固有頻率 13.13Hz 與諧響應得到峰值頻率很接近，故三階固有頻率易出現共振。

3結論

通過有限元軟件WorkBench對車架三種路況振動分析可以得到以下結論。

① 對車架進行滿載彎曲、滿載扭轉及滿載彎扭模態分析發現，滿載彎曲下不會出現共振現象，而滿載扭轉在前三階易產生共振現象，滿載彎扭在前四階易產生共振現象。

② 對車架諧響應分析得到，滿載扭轉時車架最危險，其在 22Hz 時產生的應力與位移最大；而滿載彎扭工況下，車架在 12Hz 時產生的應力與位移最大。

因此，在該款重型半掛車車架的結構設計中，應盡可能避免共振，以提高車架在行駛中的安全性。

參考文獻：

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