周明華，李 紅，駱 群，朱玲琳，羅 鋼

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

全地形車車架的有限元建模和模態(tài)分析

周明華，李 紅，駱 群，朱玲琳，羅 鋼

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

利用CATIA軟件建立了全地形農(nóng)夫車車架的三維模型，并導(dǎo)入有限元軟件HyperWorks中建立車架結(jié)構(gòu)有限元模型,按照設(shè)計(jì)要求對其進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到車架的前6階彈性模態(tài)振型及其頻率特性，從而驗(yàn)證該車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

全地形農(nóng)夫車；有限元分析；自由模態(tài)分析

0 引言

全地形車(All Terrain Vehicle,ATV)是一種全新概念的新車型，全地形農(nóng)夫車(UTV)是一種沙灘越野、山區(qū)載貨、農(nóng)場作業(yè)等多種功能車輛，也用于軍事與野外工程方面。因全地形車主要在崎嶇的道路上行駛，使用條件相當(dāng)復(fù)雜，車架作為全地形車最重要的承載部件，在行駛過程中需要承受各種載荷、力和力矩，因此，車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度就必須要滿足實(shí)際要求。

本文以UTV車架為例，應(yīng)用HyperWorks的Hypermesh對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再建立其有限元模型，最后利用HyperWorks的RADIOSS求解器對該車架進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，進(jìn)而對車架的動(dòng)態(tài)特性作出評估，為今后改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供可靠的理論依據(jù)。

1 車架有限元模型的建立

1.1 模型導(dǎo)入與幾何清理

由于UTV車是四座車，所以車架結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，為了減少計(jì)算工作量和時(shí)間，保證單元的質(zhì)量，模型導(dǎo)入之前對其做了一些簡化:①將所有過渡圓角和倒角都簡化成直角；②忽略所有工藝孔。在CATIA里建好車架三維模型后以“IGS”格式保存，然后在Hypermesh中打開，因其出現(xiàn)了曲面縫隙、錯(cuò)位群面、曲面重疊等現(xiàn)象，故要對其進(jìn)行幾何清理，以保證接下來進(jìn)行劃分的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算求解的精度和準(zhǔn)確性。

1.2 抽取中面

車架主要由矩形管和圓形管焊接而成，皆為薄壁鋼管，鑒于UTV車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管件較多，不易采用實(shí)體網(wǎng)格，需對幾何清理后的車架模型抽取中性面，然后再對車架各部分賦予厚度屬性來模擬車架結(jié)構(gòu)。

1.3 網(wǎng)格劃分

對UTV車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選用2D的板殼單元(Shell)作為車架網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)單元類型，設(shè)定單元大小為5 mm。初步劃分之后需要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，對于一些質(zhì)量不好的部分需要進(jìn)行修正，以使其滿足計(jì)算的網(wǎng)格質(zhì)量要求。所獲得的網(wǎng)格模型中有324 219個(gè)節(jié)點(diǎn)，325 289個(gè)單元，其中三角形單元占總單元的1.8%。

UTV車架材料為Q235A鋼，其泊松比為0.288，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.9×10-9t/mm3。

抽取中面的車架單元屬性均為殼單元PShell。最終得到的UTV車架有限元模型如圖1所示。

圖1 UTV車架有限元模型

2 UTV車架自由模態(tài)分析及結(jié)果

根據(jù)邊界條件設(shè)置的不同，模態(tài)分析主要有兩種形式：自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。自由模態(tài)分析不考慮任何約束對其產(chǎn)生的影響，得到的結(jié)果是結(jié)構(gòu)本身存在的固有特性，只跟本身結(jié)構(gòu)相關(guān)，與外在激勵(lì)無關(guān)。

本文運(yùn)用HyperWorks中的RADIOSS模塊進(jìn)行自由模態(tài)分析。由于通過計(jì)算所得的UTV車架前6階模態(tài)為剛體模態(tài)，因此不將其考慮在內(nèi)。運(yùn)用Lanczos計(jì)算方法對UTV車架的前6階彈性模態(tài)進(jìn)行提取，得到的固有頻率和振型見表1，各階模態(tài)振型圖如圖2～圖7所示。

通常，我們會(huì)利用低階的頻率來評估車架是否能滿足動(dòng)態(tài)振動(dòng)方面的要求，其指標(biāo)如下：①車架的模態(tài)頻率應(yīng)該遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的頻率范圍；②車架的低階頻率(即指一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率)應(yīng)該比發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低,而又比非簧載車架結(jié)構(gòu)的固有頻率高,從而避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象；③車架振型應(yīng)該盡量光滑,避免出現(xiàn)突變。

表1 前6階彈性模態(tài)的固有頻率和振型

圖2 第1階模態(tài)振型

圖3 第2階模態(tài)振型

圖4 第3階模態(tài)振型

圖5 第4階模態(tài)振型

圖6 第5階模態(tài)振型

圖7 第6階模態(tài)振型

查閱相關(guān)資料可知：

UTV車采用的發(fā)動(dòng)機(jī)是型號為SQR372的奇瑞水冷三缸四沖程，怠速轉(zhuǎn)速為900 r/min，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。通過計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)激勵(lì)頻率為22.5 Hz，額定轉(zhuǎn)速時(shí)激勵(lì)頻率為150 Hz。查看車架模態(tài)振型圖可知，計(jì)算所得車架的一階彎曲模態(tài)頻率為19.959 Hz，這個(gè)數(shù)值低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的激勵(lì)頻率，而且躲開了與其他激勵(lì)頻率的耦合，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生，車架基本滿足要求。3 結(jié)束語

本文對某UTV車架進(jìn)行了綜合分析，模態(tài)分析結(jié)果不僅反映了車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，得到了其固有頻率，而且還可幫助設(shè)計(jì)人員在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避開這些頻率，或者最大限度地減小對這些頻率的激勵(lì)，這樣就減少了共振和噪聲的產(chǎn)生，整車的舒適性和平順性均能得到提高。

[1] 許佩霞,蔡炳芳.基于ANSYS的全地形車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，25(12)：56-58.

[2] 吳海波，李晉，石磊磊.輕型貨車車架的有限元建模及模態(tài)分析[J].公路與汽運(yùn),2011(4)：17-19.

[3] 王松.某商用客車車架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].武漢:武漢科技大學(xué),2012:25-28.

Finite Element Modeling and Modal Analysis of ATV Frame

ZHOU Ming-hua, LI Hong, LUO Qun, ZHU Ling-lin, LUO Gang

(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In this paper, the 3D model of an all terrain utility vehicle (UTV) frame was set up by CATIA, and then was inputted into the software HyperWorks. The finite element model of the frame was built, and the modal analysis was carried out. We used modal analysis to determine its first sixth modal modes of elasticity and the frequency characteristics, to verify the rationality of the frame structure design.

UTV; finite element analysis; modal analysis

1672- 6413(2015)06- 0034- 02

國家科技部火炬計(jì)劃項(xiàng)目(2012GH530716)

2015- 01- 16；

2015- 09- 18

周明華(1989-)，女，安徽安慶人，在讀碩士研究生，研究方向:汽車車身及其零部件設(shè)計(jì)。

TP391.7

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