宮喚春 薛冰 吳冬冬

（燕京理工學(xué)院）

車架模態(tài)結(jié)構(gòu)分析[1]是電動客車車身設(shè)計研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，低階彈性模態(tài)的變化直接影響車身的振動及乘坐舒適性。整車車架試驗?zāi)B(tài)分析方法使得臺架設(shè)計及試驗方法異常復(fù)雜，測試準(zhǔn)確性難以掌控，而通過建立車架三維模型結(jié)合有限元數(shù)值模擬技術(shù)[2]分析客車車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)參量與振動特性，可以縮短車架設(shè)計開發(fā)周期，同時可以改善優(yōu)化設(shè)計方案并提高設(shè)計精度，已經(jīng)成為車架設(shè)計研發(fā)的熱點。文章利用CATIA軟件建立了電動客車車架三維模型，結(jié)合有限元理論分析計算了不同模態(tài)下的車架振動特性，找出不同模態(tài)下車架變形特性及突變特性，對客車車尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理優(yōu)化設(shè)計，提高了整車車架的動力特性。

1 車架有限元模型

利用CATIA軟件設(shè)計車架的三維幾何模型并確定相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，直接利用CATIA的設(shè)計數(shù)據(jù)，并對車架三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，滿足有限元分析計算的需要。車架是由多個梁和螺釘?shù)攘慵M裝而成的，在使用CATIA軟件畫圖時將車架分為三部分，分別對應(yīng)于駕駛員位置部分、乘員位置部分及尾部后置發(fā)動機(jī)部分。根據(jù)不同位置選取不同結(jié)構(gòu)的梁及零件，為方便有限元計算進(jìn)行了合理的簡化。

文章中電動客車的車架由8根鋼管橫梁、40個對稱零件及30個非對稱零件，總共78個零件經(jīng)氬弧焊焊接組裝而成。在設(shè)計車身三維模型時，需要對接焊處加硬點，對接焊采用2種焊接接頭的處理方法：1）結(jié)構(gòu)上完全協(xié)調(diào)，消除存在焊縫的位置，使梁與零件相同位置硬點處的不同節(jié)點連為一體；2）部分有焊縫的地方，采用多點約束法（MPC）連接梁與零件硬點處的節(jié)點。氬弧焊縫用MPC連接相應(yīng)位置處的節(jié)點。采用殼模塊單元整體建立車架有限元模型，如圖1所示。忽略車架結(jié)構(gòu)中的孔、角及翻邊等局部結(jié)構(gòu)對剛度的影響，螺栓連接和焊縫處采用有限元網(wǎng)格單元連接，取單元基本邊長為25 mm，單元厚度依實際結(jié)構(gòu)確定。設(shè)計完成后的有限元模型單元數(shù)為110 621，有限元網(wǎng)格數(shù)為331，節(jié)點數(shù)為181 728。取鋼材的彈性模量、泊松比和體積質(zhì)量分別為 250 MPa，0.5，8 100 kg/m3。

圖1 某電動客車車架有限元結(jié)構(gòu)模型

2 車架模態(tài)分析

文章中的車架模態(tài)分析主要是依據(jù)車架的質(zhì)量和剛度，計算分析車架在不同模態(tài)頻率下的振型。對車架結(jié)構(gòu)低階有限元模態(tài)分析采用自由-自由邊界條件[3]，采用Block Lanczos法[4]對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計算，并在30 Hz以內(nèi)的頻率范圍選取模態(tài)參數(shù)，分別得出了前4階彈性模態(tài)頻率和相關(guān)模態(tài)振型，如表1所示。為了進(jìn)一步分析有限元方法的準(zhǔn)確性，利用ANSYS軟件[5]對車架進(jìn)行了模態(tài)試驗，試驗?zāi)B(tài)頻率結(jié)果，如表1所示。

表1 某電動客車車架低階模態(tài)有限元分析結(jié)果 Hz

從表1可以看出，通過軟件計算的模態(tài)頻率與試驗測試的模態(tài)頻率的誤差在2 Hz以內(nèi)，表明建立的車架三維模型及有限元計算分析結(jié)果是準(zhǔn)確的，車架振型與實際情況比較吻合。

根據(jù)汽車平順性相關(guān)法規(guī)中關(guān)于汽車振動特性的相關(guān)要求，汽車以低于100 km/h的速度行駛于水平路面時，要求汽車的激勵頻率低于20 Hz，所以汽車車架的第1階固有頻率應(yīng)高于20 Hz，以不低于23 Hz為最佳，路面的不平度激勵才不會使整車產(chǎn)生共振。某電動客車車架模態(tài)分析振型，如圖2所示。車架的1～4階計算模態(tài)頻率分別是 16.179，19.413，21.187，24.241 Hz，車架模態(tài)結(jié)構(gòu)為局部振動，所以對車架不會產(chǎn)生太大影響。在后車架的中間位置，2階和4階垂直彎曲模態(tài)的振型變化較大，局部剛度存在突變，容易導(dǎo)致車架局部振動。

圖2 某電動客車車架模態(tài)分析振型

3 車架改進(jìn)設(shè)計

電動客車在正常車速時，路面不平度的激勵能量要控制在25 Hz以內(nèi)，合理的設(shè)計應(yīng)該是將左右縱梁連接在一起，構(gòu)成一個整體框架，使車架有足夠大的抗彎扭剛度，車架剖面形狀應(yīng)該是槽形。常用的工程方法是改進(jìn)車架部件的結(jié)構(gòu)形式與尺寸，找出影響車架整體模態(tài)振動的主要位置，提高車架整體抗彎扭剛度來應(yīng)對不同的路面激振能量。

根據(jù)車架三維模型計算的結(jié)果可知，1階和2階彎曲模態(tài)都位于后車架的中間位置，使得車身整體振動增大，影響汽車平順性，因此，文章提出2條改進(jìn)措施：1）將后段車架中間位置的L型掛板改為U型掛板，加大寬度尺寸，結(jié)構(gòu)改進(jìn)比較，如圖3所示；2）改進(jìn)尾橫梁與左右縱梁連接處的形式，提高車架的彎扭剛度，結(jié)構(gòu)改進(jìn)比較，如圖4所示。

圖3 某電動客車后段車架結(jié)構(gòu)連接設(shè)計改進(jìn)前后比較

圖4 某電動客車尾橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)前后比較

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，1～4階計算模態(tài)頻率分別為15.167，18.435，20.152，23.134 Hz。改進(jìn)后的 1 階和 2 階模態(tài)頻率降低了1 Hz左右，改進(jìn)后的車架結(jié)構(gòu)振型連續(xù)性明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

文章通過分析某電動客車車架結(jié)構(gòu)，利用CATIA軟件建立了車架三維模型，利用ANSYS分析了車架不同模態(tài)的振動變形特性，找出車架變形規(guī)律，為合理設(shè)計車架結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。由于文章只是從虛擬仿真的角度模擬客車運(yùn)行時車架受到的模態(tài)振動，還需要通過實車試驗測試進(jìn)一步進(jìn)行驗證，這也是今后繼續(xù)開展的研究工作。