摘要：應(yīng)用Hypermesh分析某中型載貨汽車車架的固有頻率，驗(yàn)證與外部激勵發(fā)生共振的可能性，同時得出分析結(jié)論。

關(guān)鍵詞：Hypermesh車架結(jié)構(gòu)有限元

中圖分類號：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)12-20ppp-0c

The Modal Analysis of Mobile Frame Based on Hypermesh

LU Li-fu1，YUE Ling1，HUANG Xue-tao2

(1.Tai'an Dongyue Heavy Industry Co. Ltd. Technology Center，Tai'an 271000，China;2.China Automotive Group 5 levy Design Institute，Rizhao 262300)

Abstract: This paper mainly deals with the analysis of the frequencies of medium-sized lorry car， it verifies the responance possibility of the frequencies with the exterior encourage and brings forward the analysis result.

Key words: Hypermesh; Frame Structure; Finite Element

1 概述

Altair公司研發(fā)的HyperWorks系列產(chǎn)品可以解決工程優(yōu)化及分析問題，其中的Hypermesh軟件可以完成有限元前處理任務(wù)，它可以很好的對幾何模型數(shù)據(jù)完整讀取，進(jìn)行有限元的四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格的剖分，還有設(shè)置完備的網(wǎng)格檢查功能，如今Hyperwork已成為航空、航天、汽車等領(lǐng)域CAE應(yīng)用的利器之一。

車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是新車型開發(fā)中有限元法應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，是新產(chǎn)品開發(fā)中結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容。尤其是車架結(jié)構(gòu)的低階彈性模態(tài)，它不僅是控制汽車常規(guī)振動的關(guān)鍵指標(biāo)而且反映了汽車車身的整體剛度性能，而且，應(yīng)作為汽車新產(chǎn)品開發(fā)的強(qiáng)制性考核內(nèi)容。實(shí)踐證明，用有限元法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可在設(shè)計(jì)初期對其結(jié)構(gòu)剛度、固有振型等有充分認(rèn)識，盡可能避免相關(guān)設(shè)計(jì)缺陷，及時修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車架結(jié)構(gòu)具有足夠的靜剛度，以保證其裝配和使用的要求，同時有合理的動態(tài)特性達(dá)到控制振動與噪聲的目的。使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就可驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否能滿足使用要求，從而縮短設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期，節(jié)省大量的試驗(yàn)費(fèi)用，是提高產(chǎn)品可靠性的有效方法。

2 車架有限元模型的建立

車架的Ug模型和有限元模型分別如圖1和圖2所示。有限元建模在前處理軟件HyperMesh中進(jìn)行。為了保證計(jì)算結(jié)果的正確性和經(jīng)濟(jì)性，在建模過程中盡量保持和原始結(jié)構(gòu)一致的同時，也需要進(jìn)行必要的簡化。因?yàn)檫^于細(xì)致地描述一些非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，不但增加建模難度和單元數(shù)目，還會使有限元模型的單元尺寸變化過于劇烈而影響計(jì)算精度。對于必要的簡化要以符合結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性為前提。車架結(jié)構(gòu)中的小尺寸結(jié)構(gòu)，如板簧吊耳、副簧限位件等，對車架的整體振型影響不大，可以忽略不計(jì)。而對于鏈接兩個零件的鉚釘，則采用剛性單元代替。

車架結(jié)構(gòu)都采用板殼單元進(jìn)行離散。單元形態(tài)以四邊形單元為主，避免采用過多的三角形單元引起局部剛性過大；為了使整個車架有限元模型規(guī)模不致過大保證計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，單元尺寸控制在10～25mm。

車架板殼結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)取:彈性模量E＝2.1e11pa，伯松比u＝0.3，密度均?。害眩?900kg/m3。模型規(guī)模：車架單元總數(shù)為36378個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為39064個。

3 車架結(jié)構(gòu)振動分析

在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，伴隨著計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，有限元分析在汽車數(shù)字化開發(fā)過程中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其是對轎車承載式車身基本力學(xué)性能的分析，已經(jīng)作為新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容。然而對于載貨車，由于其非承載式的結(jié)構(gòu)且在行駛過程中懸架系統(tǒng)和撓性橡膠墊較好的緩沖、吸振、吸能作用，故對其強(qiáng)度剛度和振動模態(tài)特性的要求要低于承載式車身，目前還沒有明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以概念設(shè)計(jì)階段的有限元分析校核往往容易被忽視。也正因此，國內(nèi)某些車型在投產(chǎn)后出現(xiàn)了局部損壞和駕駛室共振問題，給企業(yè)造成了聲譽(yù)和經(jīng)濟(jì)上的雙重?fù)p失。為避免同類問題的出現(xiàn)，縮短開發(fā)周期，本文以大型有限元軟件HyperWorks和Optistruct為平臺，對某中型載貨汽車車架數(shù)模進(jìn)行了有限元分析，并依據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作出了評價(jià)，使企業(yè)在概念設(shè)計(jì)階段便可以了解產(chǎn)品基本力學(xué)性能，從而有的放矢的進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析改進(jìn)，避免重復(fù)設(shè)計(jì)。

模態(tài)分析可定義為對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的解析分析和試驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動態(tài)持性用模態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動微分方程的特征值和特征矢量；而在試驗(yàn)方面則是試驗(yàn)測得的系統(tǒng)之極點(diǎn)（固有頻率和阻尼）和振型（模態(tài)向量）。構(gòu)件的模態(tài)就是指構(gòu)件本身的固有特性，可以利用模態(tài)分析得出構(gòu)件的相應(yīng)特性，然后對其設(shè)計(jì)加以改進(jìn)以達(dá)到使用要求。

自由模態(tài)分析的邊界條件為：無任何約束。

本計(jì)算采用自由模態(tài)分析方案，將Hypermesh中建立的有限元模型導(dǎo)入OPTISTRUCT進(jìn)行計(jì)算，對比分析了車架結(jié)構(gòu)前4階自由模態(tài)（固有頻率值和振型），并在Hypermesh后處理器中查看結(jié)果。

由于對駕駛室的振動響應(yīng)影響相對較大的激勵頻率多集中在低頻域，為此分析了車架前4階典型振型。模態(tài)分析結(jié)果如表1所示，各階振型如圖3—6所示。

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4 結(jié)論

汽車的激勵一般分為路面激勵、車輪不平衡激勵、發(fā)動機(jī)激勵、傳動軸激勵。路面激勵一般由道路條件決定，目前在高速公路和一般城市較好路面上，此激勵頻率多為1-3Hz，對低頻振動影響較大；因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11Hz，隨著現(xiàn)在輪輞制造質(zhì)量及檢測水平的提高，此激勵分量較小，易于避免；發(fā)動機(jī)引起的扭轉(zhuǎn)振動和垂向激振分別在10±1.67Hz和20±1.67Hz以上（取怠速為600r/min，4缸發(fā)動機(jī)），此激勵分量較大；城市中一般車速控制在40～80km/h ，高速公路上一般車速控制在90km/h 左右， 傳動軸的不平衡引起的振動的頻率范圍在30Hz以上，此激勵分量較小。從模態(tài)分析結(jié)果可知，1090項(xiàng)目車架各低階模態(tài)頻率值在7.88hz左右，對駕駛室的影響不大，不會和路面激勵形成共振。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于開平，周傳月，譚惠豐，等.Hypermesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] 王皎.重型特種車車架強(qiáng)度分析及其輕量化問題研究[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[3] 劉勝乾，顧力強(qiáng)，呂文匯.軍用某型牽引車車架靜動態(tài)特性分析[J]，機(jī)械，2006，33(4):10-13.

[4] 任佩紅，魏中良，王其云.HFC6100KY 客車底盤車架的有限元分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，28(8):936-939.

[5] Saeed Moaveni. Finite Element Analysis—Theory and Application with ANSYS， Second Edition[D].Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2005(8).

收稿日期：2008-03-12