宋紀(jì)俠，雷明星，董慧利，楊喜紅

(東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北武漢430057)

車輛的動(dòng)態(tài)特性除影響車輛本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞破壞性以外，還直接影響著車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性.因此，處理車輛運(yùn)行平穩(wěn)性問題時(shí)，必須清楚車輛振動(dòng)的規(guī)律并找到根本原因，對(duì)車輛動(dòng)態(tài)特性有全面的了解.模態(tài)分析將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)頻率和振型［1］.整車模態(tài)有限元分析可為車輛的振動(dòng)特性和振動(dòng)故障進(jìn)行診斷并給出預(yù)報(bào)，為車輛動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 整車有限元模型的建立

1.1 數(shù)模導(dǎo)入和幾何清理

整車數(shù)模是用Catia或Proe等CAD軟件建立的，將整車數(shù)模采用批處理的方式導(dǎo)出并存儲(chǔ)為stp格式文件，再導(dǎo)入Hypermesh中對(duì)數(shù)模進(jìn)行幾何清理，包括刪除重復(fù)面、修補(bǔ)丟失面、去除倒角和小工藝孔等.

1.2 零部件的網(wǎng)格劃分

該輕型商用車的車身為薄板沖壓件，車架和車廂為板材沖壓結(jié)構(gòu)，故采用殼單元對(duì)整車進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義單元類型為TRIA3和QUAD4.為了提高有限元模型的精度并縮短計(jì)算時(shí)間，將車身單元平均尺寸定為10 mm×10 mm，車廂和車架部分單元平均尺寸定為20 mm×20 mm，網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Gridding standard

1.3 簡化和連接方式的模擬

建立整車有限元模型的原則是最大限度地保持與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致并適當(dāng)?shù)睾喕W(xué)模型和邊界條件，從而減少模態(tài)有限元分析結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)測試結(jié)果的差異，整車有限元模型見圖1.建模時(shí)所做的簡化及處理如下:

(1)將對(duì)整車結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布影響較小的非承載零件用質(zhì)量單元代替，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器、后視鏡、電池框、備胎和座椅等.

(2)鋼板彈簧的建模方法如圖2 所示，ae，be，ce，de為 Cbush 單元，a，b，c，d 點(diǎn)為鋼板彈簧安裝點(diǎn)，e點(diǎn)為鋼板彈簧與車橋的連接點(diǎn).

圖1 整車有限元模型Fig.1 Finite element model of vehicle

圖2 鋼板彈簧有限元模型Fig.2 Finite element model of leaf spring

(3)鋼板彈簧吊耳簡化為剛體單元.因?yàn)榈醵鸀殍T件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適宜用四面體網(wǎng)格劃分，但單元數(shù)量較多，故需簡化處理.簡化后，從節(jié)點(diǎn)為與車架相連的螺栓孔，主節(jié)點(diǎn)為與板簧相連的襯套中心點(diǎn).

(4)傳動(dòng)軸由梁單元和質(zhì)量單元來共同模擬，以確保有限元模型中傳動(dòng)軸的質(zhì)量與實(shí)際傳動(dòng)軸質(zhì)量及功能一致.由于傳動(dòng)軸與變速箱通過花鍵連接，故傳動(dòng)軸與變速箱連接的剛體單元要放開X方向自由度，前后橋的有限元模型建模過程與傳動(dòng)軸的建模過程類似.

(5)輪胎用Cbush模擬，輸入各個(gè)方向剛度.

(6)車身前懸置的雙扭桿系統(tǒng)采用梁單元和殼單元共同模擬.扭桿用多段梁單元模擬，中間單元兩端需放開繞整車坐標(biāo)系Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度，并施加相應(yīng)扭矩.

(7)為避免局部變形夸張，車身懸置襯套Cbush的主從節(jié)點(diǎn)均需建立MPC單元，MPC單元的主節(jié)點(diǎn)為Cbush的主從節(jié)點(diǎn).

(8)為使有限元分析計(jì)算的強(qiáng)度結(jié)果和實(shí)際受力情況一致，車身后托架處的MPC單元連接形式見圖3.

圖3 車身后懸置有限元模型Fig.3 Finite element model of body rear bracket

1.4 材料參數(shù)的設(shè)置

整車有限元模型中用到的材料除金屬材料外還有很多非金屬材料，如駕駛室玻璃、駕駛室頂蓋處膠黏劑和車廂地板木材等，相關(guān)材料屬性詳見表2.

表2 材料屬性Tab.2 Materials property

2 約束條件

為了更精確地反映整車在工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行了整車在約束條件下的模態(tài)分析.約束左前輪胎接地點(diǎn)處X，Y，Z方向平動(dòng)自由度，右前輪胎接地點(diǎn)處X，Z方向平動(dòng)自由度，左后輪胎接地點(diǎn)處Y，Z方向平動(dòng)自由度以及右后輪胎接地點(diǎn)處Z向平動(dòng)自由度.

3 整車模態(tài)計(jì)算

將在Hypermesh軟件中做好的整車有限元模型導(dǎo)出并存儲(chǔ)成Nastran軟件的計(jì)算文件*.bdf，然后再導(dǎo)入Nastran軟件進(jìn)行整車模態(tài)有限元分析計(jì)算，整車有限元分析模態(tài)頻率和振型見表3及圖4至圖7.

圖4 整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)Fig.4 First torsion mode of vechile

圖5 整車二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)Fig.5 Second torsion mode of vechile

圖6 駕駛室一階彎曲模態(tài)Fig.6 First bending mode of body

表3 整車有限元分析模態(tài)頻率及振型Tab.3 Frequency and modes of vehicle

圖7 前懸架跳動(dòng)振型Fig.7 Hop mode of front suspension

4 多方案對(duì)比分析

對(duì)比整車模態(tài)振型與整車行駛抖動(dòng)形式可知，整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型和整車某常用車速下抖動(dòng)形式一致，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)3.47 Hz與試驗(yàn)測得的整車抖動(dòng)頻率3.5 Hz非常接近.為了提高一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻率，避免整車在該常用車速下的行駛抖動(dòng)問題，對(duì)多種方案進(jìn)行整車模態(tài)分析，結(jié)果見表4.

表4 多種方案整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)表Tab.4 First torsion frequency of mulit-projects

由表4可知，整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)由3.47 Hz提高至3.936 Hz，提高幅度較大.

5 結(jié)論

(1)對(duì)比整車有限元模態(tài)分析結(jié)果和整車某常用車速下抖動(dòng)形式可知，本研究建立的整車有限元模型可用于工程研究.

(2)整車一階扭轉(zhuǎn)振型的節(jié)點(diǎn)位于車架第3和第4橫梁位置處，將車架第3和第4橫梁做成封閉結(jié)構(gòu)，提高了車架一階扭轉(zhuǎn)剛度，進(jìn)而提高了整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài).

(3)增加車廂與車架連接的U型螺栓數(shù)量可將車廂縱梁和車架縱梁更好地連接并提高車架的剛度，從而可提高整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài).

(4)建議將車廂與車架連接角鐵換成U型螺栓，當(dāng)U型螺栓數(shù)量足夠多時(shí)適當(dāng)減少角鐵的數(shù)量.

［1］傅志方.模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2000.

［2］姚成.XML6121客車整車強(qiáng)度、剛度及模態(tài)有限元分析［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(6):37-43.