王躍星，孫潤，李康康，侯富

（廣西科技大學(xué) 汽車與工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

某皮卡車整車模態(tài)分析

王躍星，孫潤，李康康，侯富

（廣西科技大學(xué) 汽車與工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

文章著重針對(duì)某皮卡車整車進(jìn)行模態(tài)分析。首先通過CATIA軟件對(duì)某皮卡車整車進(jìn)行幾何建模，然后運(yùn)用HyperWorks軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分生成整車有限元模態(tài)分析模型，最后運(yùn)用MSC.Nastran軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得到整車的固有模態(tài)及振型，并對(duì)計(jì)算得到的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果表明皮卡車整車結(jié)構(gòu)固有頻率能有效避開各種激勵(lì)頻率，避免發(fā)生共振，驗(yàn)證整車設(shè)計(jì)合理性。

皮卡車；模態(tài)分析；固有頻率；激勵(lì)

Abstract:This paper focuses on the modal analysis of a pickup truck. First by using CATIA software geometric model of a pickup vehicle is carried out, and then use HyperWorks software to generate the classification of geometric model for grid vehicle finite element modal analysis model, finally using MSC. Nastran modal analysis, get the vehicle's inherent modal and vibration mode, and the calculated modal parameters were analyzed, and the computational modal analysis results show that the pickup vehicle structure can effectively avoid all kinds of excitation frequency, natural frequency to avoid resonance,verifying the rationality of vehicle design.

Keywords: Pickup truck; Modal analysis; Natural frequency; Incentive

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-179-03

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)車的NVH[1]性能要求越來越高，皮卡車作為一種非常實(shí)用的交通工具深受大眾喜愛，故皮卡車的振動(dòng)噪聲控制[2]和研究越來越受到重視。振動(dòng)和噪聲是汽車行駛中無法避免的問題，有效的控制好整車的振動(dòng)和噪聲不僅可以增加汽車使用年限，而且可以提高汽車的 NVH性能，從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。整車的振動(dòng)和噪聲的控制也從過去的控制零部件與子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞯南到y(tǒng)的總體匹配。模態(tài)分析是有效的控制汽車振動(dòng)和噪聲的重要手段，能夠真實(shí)的反映整車的振動(dòng)特性，是整車振動(dòng)特性設(shè)計(jì)和優(yōu)化的有效方法。整車模態(tài)是皮卡車最重要的動(dòng)力特性，各部分模態(tài)的合理分布是整車 NVH性能有效保證的前提條件。對(duì)于整車結(jié)構(gòu)而言，主要受到的激勵(lì)有路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和傳動(dòng)軸激勵(lì)。整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要兼顧造型、布置以及動(dòng)態(tài)特性等要求。通過對(duì)整車結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率及振型分析可以判斷整車模態(tài)與路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和傳動(dòng)軸激勵(lì)發(fā)生共振的可能，通過對(duì)整車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)而避開共振頻率。

模態(tài)分析方法[3]是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的一種非常重要的方法，在汽車車架[4]及整車動(dòng)態(tài)性能中應(yīng)用非常廣泛。本文采用有限元方法對(duì)某皮卡車整車[5]結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，首先過CATIA軟后件進(jìn)行三維建模，然后運(yùn)用HyperWorks進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后使用MSC.Nastran軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，并對(duì)其模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，分析表明其固有頻率能有效的避開各種激勵(lì)頻率，驗(yàn)證皮卡車設(shè)計(jì)的合理性。

1 皮卡車模態(tài)分析理論基礎(chǔ)[6]

模態(tài)分析是將線性定常量系統(tǒng)的耦合物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成非耦合的模態(tài)坐標(biāo)，使方程解耦，得到一組用模態(tài)坐標(biāo)和模態(tài)參數(shù)來描述的獨(dú)立方程，并求出模態(tài)參數(shù)。然后，用坐標(biāo)變換，是模態(tài)坐標(biāo)下的解轉(zhuǎn)換回到物理坐標(biāo)的解。

對(duì)于一個(gè)N自由度的線性定常系統(tǒng)建立物理方程組，表達(dá)為：

式中：M—系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；

C—系統(tǒng)的阻尼矩陣；

K—系統(tǒng)的剛度矩陣；

X—系統(tǒng)的位移向量；

F—系統(tǒng)的激勵(lì)力向量；

對(duì)于無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)C 0，F(xiàn) 0

則式(1)可以簡(jiǎn)化為：

其中式(3)為標(biāo)準(zhǔn)的特征值求解問題，其特征值即系統(tǒng)的固有頻率為 ωr，特征向量即系統(tǒng)模態(tài)振型為φr。它們滿足方程其中r=1,2,…,N。

2 皮卡車整車有限元模型的建立

2.1 整車模型的導(dǎo)入

整車的數(shù)模由CATIA三維軟件建立，將由CATIA V5R20建立的整車三維模型以*.igs格式保存，利用HyperWorks軟件提供.igs接口讀入整車模型，這樣導(dǎo)入的模型沒有失真現(xiàn)象。

2.2 整車模型坐標(biāo)系的定義

整車模型坐標(biāo)系采用oxyz直角系來定義，xoz平面處于整車左右對(duì)稱平面，x軸從車頭指向車尾，z軸垂直向上，y軸指向駕駛員的右側(cè)。

2.3 整車模型的網(wǎng)格劃分

將經(jīng)過合理簡(jiǎn)化的整車三維模型導(dǎo)入 HyperWorks軟件中的前處理專用模塊 HyperMesh中，首先利用 HyperMesh中Midsurface對(duì)模型進(jìn)行中面抽取，對(duì)抽取的中面幾何質(zhì)量較差進(jìn)行幾何清理，消除孔洞，移除曲面圓角和曲線圓角以及其他可能存在的中間幾何缺陷，使模型能夠更大更合理區(qū)域劃分網(wǎng)格，得到合格的網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格劃分主要采用四邊形殼單元，避免過多使用三角形單元。整車模型的平均單元尺寸定為 8mm，整車模型重量為 1791KG，整車單元數(shù)為2476786個(gè)單元，單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為1902476個(gè)，整車模型中的焊點(diǎn)采用ACM模擬，直徑為6mm，粘膠采用SOLID單元模擬，縫焊采用MIG單元模擬；螺栓連接采用RBE2單元模擬，輪胎模型采用線性輪胎。車身和底盤系統(tǒng)通過懸置連接，懸置中的橡膠襯套和彈簧減震器采用彈性單元模擬。整車模型如圖1所示。

圖1 皮卡車整車模型Fig.1 The pickup truck model

2.4 整車的材料參數(shù)設(shè)置

整車有限元模型中用到多種材料包括金屬材料和非金屬材料，如玻璃、玻璃粘膠、鋼材和鋁等，相關(guān)材料屬性見表1。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Materials property

3 模態(tài)分析邊界條件與載荷

3.1 邊界條件

模態(tài)分析中有自由和約束兩種邊界條件，本文對(duì)整車進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)整車的邊界條件為自由邊界，即不施加任何約束，計(jì)算自由狀態(tài)下0-50Hz的模態(tài)。

3.2 載荷

進(jìn)行整車模態(tài)分析時(shí)不施加任何載荷。

4 整車模態(tài)計(jì)算與分析[7]

4.1 整車模態(tài)計(jì)算

將在 HyperWorks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，對(duì)皮卡車進(jìn)行整車模態(tài)分析，得到整車固有模態(tài)和振型[8]?？紤]到整車的振動(dòng)性能，本文重點(diǎn)關(guān)注皮卡車整車模態(tài)、懸掛模態(tài)、動(dòng)力總成剛體模態(tài)及前排座椅模態(tài)。收文章篇幅影響，本文給出主要的6階模態(tài)振型。如圖2到圖7。表2給出本文重點(diǎn)關(guān)注整車系統(tǒng)固有頻率的分析結(jié)果。

圖2 整車一階橫向彎曲模態(tài)Fig.2 First transverse bending mode of vehicle

圖3 整車一階垂向彎曲模態(tài)Fig.3 First vertical bending mode of vehicle

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

圖5 整車前端橫向彎曲模態(tài)Fig.5 Front transverse bending mode of vehicle

圖6 前懸掛結(jié)構(gòu)Hop模態(tài)Fig.6 Front suspension structure Hop mode

圖7 后懸掛結(jié)構(gòu)Hop模態(tài)Fig.7 Rear suspension structure Hop mode

表2 整車有限元模態(tài)頻率與振型Tab.2 Frequency and modes of vehicle

4.2 整車計(jì)算模態(tài)分析[8]

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，是對(duì)整車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)反應(yīng)。其固有頻率和振型與外界載荷無關(guān)。汽車在路面上行駛時(shí)，會(huì)有各種不同的激勵(lì)和載荷通過不同路徑傳遞到汽車上，引起汽車結(jié)構(gòu)本身的響應(yīng)。這些激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲頻率可能會(huì)與汽車結(jié)構(gòu)本身的固有頻率發(fā)生重合，以致發(fā)生共振，使整車噪聲和振動(dòng)更嚴(yán)重。汽車在行駛中 遇到的激勵(lì)有路面激勵(lì)、車輪不平衡激勵(lì)、傳動(dòng)軸激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)。其中發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)分量最大，本文重點(diǎn)考慮。其他激勵(lì)較小，本文不做詳細(xì)考慮。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率為：

式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min，i為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)，τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程系數(shù)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)τ=1，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)τ=2。

本文中皮卡車的動(dòng)機(jī)類型為四缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為800r/min，代入式(4)的發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下的頻率26.7Hz。由表2可知整車模態(tài)、懸掛模態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)和前排座椅模態(tài)均避開了怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率。相距怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率最近的整車前端垂向彎曲模態(tài)(25.01Hz)都有1.5Hz以上。由表2可知整車模態(tài)，懸掛模態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)均為出現(xiàn)重合。當(dāng)車在高速公路（車速90 ~ 120km/h）和一般路面(車速50 ~ 80km/h)行駛時(shí)其傳動(dòng)軸不平衡引起的振動(dòng)頻率范圍在 40Hz以上，由表 2可知本文給出的幾個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的整車系統(tǒng)模態(tài)均在 40Hz以下，未出現(xiàn)頻率重合避免發(fā)生共振。高速和一般路面激勵(lì)一般在1 ~ 3Hz，與整車系統(tǒng)模態(tài)無交錯(cuò)。輪胎不平衡引起的激勵(lì)一般影響比較小，且當(dāng)前輪輞制造質(zhì)量和檢測(cè)水平比較高，易于避免，故不再考慮。由以上分析可知整車模態(tài)分布合理，整車結(jié)構(gòu)的固有頻率能有效的避開汽車行駛中常見的激勵(lì)，避免了共振的發(fā)生的可能，驗(yàn)證整車設(shè)計(jì)的合理性。

5 總結(jié)

本文通過建立了某皮卡車整車三維有限元模型，并應(yīng)用MSC.Nastran軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到了整車固有頻率及振型。分析結(jié)果表明該車整車模態(tài)、懸掛模態(tài)、動(dòng)力總成剛體模態(tài)、前排座椅模態(tài)均未出現(xiàn)在怠速區(qū)域，模態(tài)分布合理，且能避開汽車行駛中常遇到的激勵(lì)，避免發(fā)生共振，驗(yàn)證整車設(shè)計(jì)合理性。達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本，提高產(chǎn)品可靠性的目的。為整車的 NVH性能優(yōu)化提供了有效的參考依據(jù)，對(duì)新車型的開發(fā)具有使用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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Modal analysis on the pickup trucks

Wang Yuexing, Sun Run, Li Kangkang, Hou Fu
( Department of Automotive and Transportation, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006 )

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-179-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.062

王躍星(1990-)，研究生，就讀于廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，研究方向：汽車仿真分析與NVH優(yōu)化。