張 科

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，重慶 401120)

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某型全地形車車架動態(tài)特性分析

張 科

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，重慶 401120)

根據(jù)全地形車在行駛過程中的實際情況和結(jié)構(gòu)特點，分別利用UG和HyperMesh建立起了用于解析模態(tài)分析的車架幾何模型和有限元模型，然后再利用Altair HyperWorks和LMS模態(tài)測試系統(tǒng)完成了車架的解析模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析。模態(tài)分析結(jié)果表明：車架有限元模型和模態(tài)分析結(jié)果是準確可靠的。最后分析了路面不平度和發(fā)動機激勵對車架動態(tài)特性的影響，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機激勵最有可能引起車架結(jié)構(gòu)的共振。

全地形車；模態(tài)分析；振動；動態(tài)特性

全地形車(ATV，all-terrain-vehicles)是一種可以在任何地形上行駛的車輛，其結(jié)構(gòu)特征明顯，越野性能突出，可廣泛應(yīng)用于沙灘、丘陵、溪流等各種惡劣地形[1]。全地形車的車架作為其主要的承載部件，不但會受到各種復(fù)雜多變的力和力矩的作用，而且還要經(jīng)受各種惡劣氣候環(huán)境的考驗[2]。因此，對全地形車車架的動態(tài)特性進行分析，不但能保證車架具有足夠的強度和剛度，提高行車的安全性和可靠性,而且還可以避免車架與其他部件產(chǎn)生共振，改善整車的乘坐舒適性。

筆者在建立某型全地形車車架有限元模型的基礎(chǔ)上，利用模態(tài)分析技術(shù)對車架結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)特性分析，并探討了外界激勵對車架動態(tài)特性的影響，可為車架的改進和優(yōu)化提供參考。

1 全地形車解析模態(tài)分析

1.1 建立全地形車車架有限元模型

正確建立全地形車車架的有限元模型是進行車架模態(tài)分析的第1步，它直接關(guān)系到車架解析模態(tài)分析結(jié)果的可靠性[3]。根據(jù)該ATV車架的實際拓撲結(jié)構(gòu)，利用UG建立起車架簡化后的幾何模型，再通過將幾何模型導(dǎo)入Hypermesh中建立車架的有限元模型，如圖1所示。

圖1 車架實物及幾何模型

該款全地形車車架主要由Q235管材和Q345管材焊接而成，“Q”意為屈服強度，Q235和Q345分別表示這種鋼材屈服強度為235和345 MPa，其主要力學(xué)性能如表1所示。

在劃分車架網(wǎng)格時，盡可能地選用四邊形單元，少用三角形單元。因為三角形單元的形函數(shù)是線性的，為常應(yīng)變單元，單元剛度矩陣偏大，會增加整體剛度。最終，車架劃分為122 600個單元，其中三角形單元占總體單元的4.1%，為5 127個，其余的都為四邊形單元。整車網(wǎng)格劃如圖2所示。

表1 車架材料力學(xué)性能

圖2 整車網(wǎng)格劃分

1.2 全地形車解析模態(tài)分析

設(shè)置好參數(shù)后提交到Altair OptiStruct求解器，得到該ATV車架的自由模態(tài)參數(shù)，如表2及圖3～10 所示。結(jié)果表明：① 車架的模態(tài)振型主要以車架的前后彎曲和左右扭轉(zhuǎn)為主；② 車架尾部的幅度相對較大，說明車架尾部的剛度相對較弱，實際使用時容易變形損壞。

表2 車架解析模態(tài)分析結(jié)果

圖3 第1階模態(tài)

圖7 第5階模態(tài)

圖8 第6階模態(tài)

圖9 第7階模態(tài)

圖10 第8階模態(tài)

2 全地形車實驗?zāi)B(tài)分析

解析模態(tài)分析時對車架實際結(jié)構(gòu)進行了簡化，其結(jié)果存在一定的誤差，必須通過實驗?zāi)B(tài)分析進行驗證[4]。實驗?zāi)B(tài)分析主要是通過外界激勵系統(tǒng)獲取系統(tǒng)響應(yīng)，再利用頻響函數(shù)來識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。該車車架均由薄壁鋼管焊接而成，宜采用錘擊法進行實驗?zāi)B(tài)分析，即利用橡皮繩將車架懸掛于空中，利用沖擊錘對該ATV車架進行激勵。

本次實驗所使用的設(shè)備主要包括ATV車架、實驗架、沖擊錘、ICP型加三向速度傳感器、ICP型力傳感器、橡皮繩、LMS.TESTLAB軟件、微機、LMS SCADAS Ⅲ前端。模態(tài)測試系統(tǒng)示意圖如圖11所示。

圖11 模態(tài)測試系統(tǒng)示意圖

在對車架進行模態(tài)實驗前，必須先將車架離散化，并以此建立測試用的幾何模型。根據(jù)該車架的幾何輪廓及解析模態(tài)分析結(jié)果，本次實驗中共布置了70個測點，并在LMS TesT.Lab軟件中利用這些測點建立了車架的幾何模型，如圖12所示。同時，根據(jù)解析模態(tài)分析結(jié)果選取了激勵點。

圖12 ATV車架測試點布置示意圖

敲擊完成后，通過實驗數(shù)據(jù)的后處理獲取實驗?zāi)B(tài)相關(guān)參數(shù)。表3中的頻率值就是從車架模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖上獲取的車架前8階穩(wěn)態(tài)頻率值。

表3 車架前8階頻率值

實驗?zāi)B(tài)的前8階模態(tài)振型如圖13～20所示。

圖13 1階實驗?zāi)B(tài)振型

圖14 2階實驗?zāi)B(tài)振型

圖15 3階實驗?zāi)B(tài)振型

圖17 5階實驗?zāi)B(tài)振型

圖18 6階實驗?zāi)B(tài)振型

圖19 7階實驗?zāi)B(tài)振型

圖20 8階實驗?zāi)B(tài)振型

3 解析模態(tài)與實驗?zāi)B(tài)對比分析

解析模態(tài)分析與實驗?zāi)B(tài)分析相輔相成。解析模態(tài)分析可以為實驗?zāi)B(tài)分析提供幫助和指導(dǎo)，實驗?zāi)B(tài)分析可以驗證解析模態(tài)分析的結(jié)果[5]。從表4可以看出：在車架前8階模態(tài)頻率中，除第4、5階的解析模態(tài)頻率與實驗?zāi)B(tài)頻率偏差較大外，其余6階的相對誤差均在8%以內(nèi)。由圖3～ 10及圖13～ 20可以看出:兩者在各階頻率值附近吻合得比較好。通過以上兩點說明車架的有限元建模是有效、準確的，運用該模型進行的模態(tài)分析結(jié)果也是可靠的。

表4 車架解析模態(tài)頻率與實驗?zāi)B(tài)頻率對比

4 全地形車動態(tài)特性分析

由振動學(xué)相關(guān)知識可知，在ATV行駛過程中如果所受到的激振頻率與車架固有頻率相同時，會引起車架的共振。共振不但會使整車的振動加劇，而且還會影響整車的使用壽命和行車安全性，甚至造成整車局部破損等[6]。而ATV在行駛過程中所受的激勵主要來自于發(fā)動機和路面不平度。因此，要改善ATV的動態(tài)特性，就必須盡量避免車架的模態(tài)頻率與來自于路面或發(fā)動機的激勵頻率相同，以防止車架與兩者間的共振。

4.1 路面不平度的影響

在行使過程中，凹凸不平的路面會給在它上面行使的ATV沖擊激勵，這種激勵會引起ATV的振動，從而影響整車的可靠性和舒適性。特別是當這種激勵的頻率與車架固有頻率接近或重疊時，車架還會因為共振劇烈振動，從而嚴重影響ATV的壽命，甚至導(dǎo)致車架的疲勞斷裂。

當全地形車在凹凸不平的路面上以一定的速度行駛時，激勵頻率可以表示為[7]

f = v/(3.6×λ)

(1)

式中：f為輸入激勵頻率；v為全地形車車速；λ為路面不平度波長。

可以推出各種路面不平度波長[8]引起ATV共振時的速度，如表5所示。

表5 不同路面譜的不平度波長及共振車速

由表5可知：只有當ATV車速高于94 km/h時，車輛才會產(chǎn)生共振。ATV為越野型車輛，駕駛時的路面狀況普遍都很差，車速一般只有30 km/h左右，設(shè)計的最高車速為80 km/h，因此路面不平度是不會引起車架共振的。

4.2 發(fā)動機激勵的影響

ATV的發(fā)動機一般是通過螺栓直接與車架剛性連接的，其產(chǎn)生的振動會直接傳遞到車架上。因此，發(fā)動機的振動對車架的振動影響很大。由發(fā)動機相關(guān)的理論可知，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會直接影響發(fā)動機的1階慣性力頻率[9],它們之間的關(guān)系為[10]

(2)

式中n為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

該車使用的是四沖程單缸發(fā)動機，工作轉(zhuǎn)速一般在3 000～6 000 r/min，因此可以求得該車發(fā)動機的1階激勵力頻率為50～100 Hz。在單缸發(fā)動機的往復(fù)慣性力中，起主導(dǎo)作用是發(fā)動機的1階往復(fù)慣性力，它可以引起整個ATV的振動[11]。對比表4可知，發(fā)動機的激勵頻率覆蓋了車架的第1、2階模態(tài)頻率，即該車在工作時，其車架的1、2階固有頻率很可能會與發(fā)動機的1階激勵力頻率重疊，進而引起發(fā)動機和車架共振。因此，為了進一步提高該車的振動舒適性，有必要對其車架結(jié)構(gòu)進行適當?shù)母倪M。

5 結(jié)束語

筆者結(jié)合某企業(yè)生產(chǎn)實際，選取某企業(yè)生產(chǎn)的某型全地形車為研究對象，利用模態(tài)分析技術(shù)對該車車架進行了動態(tài)特性分析，并找出了引起整車振動的主要原因，為進一步改善該車的乘坐舒適性奠定了基礎(chǔ)。

[1] 朱茂桃,蔡炳芳,束榮軍,等.全地形車車架的動態(tài)性能分析與減振研究[J].中國機械工程,2008,19(12):1509- 1511.

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[6] 張晉.摩托車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [D].重慶:重慶大學(xué),2009.

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Dynamic Characteristic Analysis of an All-Terrain-Vehicle Frame

ZHANG Ke

(Faculty of Vehicle Engineering, Chongqing Industry Polytechnic College,Chongqing 401120，China)

In view of the running process of the ATV and its structural feature, a computer aided design model is built using UG and a finite element method model is created using Hypermesh. The software-Altair HyperWorks, together with the modal testing and analysis system-LMS, are individually used to separately conduct the analytic modal analysis and experimental modal analysis.The results indicate that after the frame with modal analysis: the finite element model and modal analysis results are accurate and reliable. Finally, the influence of the road roughness and the engine excitation on the dynamic characteristics of the vehicle frame is analyzed, and it is found that the excitation of the engine is most likely to cause the resonance of the frame structure.

all-terrain-vehicle;modal analysis;vibration;dynamic characteristic

2016-05-20 基金項目：重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目(GZY201519-YK)

張科(1986—),男,重慶人,碩士,主要從事車輛振動特性分析優(yōu)化研究，E-mail: ohagle86@126.com。

張科.某型全地形車車架動態(tài)特性分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(11):43-48.

format：ZHANG Ke.Dynamic Characteristic Analysis of an All-Terrain-Vehicle Frame[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):43-48.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.008

U483

A

1674-8425(2016)11-0043-06