丁群燕

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，北湖 武漢430205）

半掛車車架有限元仿真與模態(tài)分析

丁群燕

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，北湖 武漢430205）

運(yùn)用有限元法對(duì)半掛車車架進(jìn)行了模態(tài)分析，得出結(jié)構(gòu)各階固有頻率及振型，比較車架受到的外部激振頻率，避免產(chǎn)生共振，造成車架被損壞的危險(xiǎn)，評(píng)價(jià)了半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

半掛車；模態(tài)分析；有限元

0 引言

半掛車車架是車輛載荷的主要承載部件，可靠性和穩(wěn)定性決定半掛車能否正常安全行駛。同時(shí)半掛車車架承受著來(lái)自車輛全方位的不同激勵(lì)，直接影響車輛的操控性能、舒適性能和安全性能。

上世紀(jì)五十年代，我國(guó)主要采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和方法對(duì)車架進(jìn)行設(shè)計(jì)和校驗(yàn)。這種方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的簡(jiǎn)化，雖簡(jiǎn)單易行，但無(wú)法達(dá)到對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)的目的。自60年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外就開(kāi)始運(yùn)用有限元對(duì)車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和分析。近幾十年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)普遍應(yīng)用有限元法對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，而作為車輛結(jié)構(gòu)件中結(jié)構(gòu)與載荷都很復(fù)雜的重要部件——車架，也是開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析研究的對(duì)象[1]。利用模態(tài)分析，得到車架各階固有頻率、振型及車架的彎曲和扭轉(zhuǎn)情況，可從設(shè)計(jì)上避免車架的共振現(xiàn)象。因此，在對(duì)半掛車車架進(jìn)行靜力分析，確保車架滿足車輛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求的前提下，應(yīng)用有限元法進(jìn)行半掛車車架模擬工況的仿真分析，能快速有效評(píng)價(jià)半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 半掛車車架模型的建立

由于半掛車車架結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，在半掛車車架進(jìn)行靜力分析過(guò)程中，大多采用Pro-e來(lái)建立半掛車車架的幾何模型，然后導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后再把有限元模型導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行分析計(jì)算以及后處理[2]。

本文采用殼單元SHELL63對(duì)半掛車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，該單元為4節(jié)點(diǎn)24自由度，可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷。半掛車車架材料選用Q 345（16Mn），彈性模量為E＝210 GPa；泊松比 μ＝0.3；密度ρ＝7.8e-6 kg/mm3.16Mn的屈服極限σs=360 MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[3]取安全系數(shù)k=1.4，車架許用應(yīng)力[σ]＝ σs/k≈257 MPa，允許最大變形量為 5.421 mm.

2 固有頻率和振型

固有頻率和振型是表示振動(dòng)系統(tǒng)特征的重要物理量，是進(jìn)行車架動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的參數(shù)。模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種技術(shù)，通過(guò)它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了振動(dòng)）。進(jìn)行模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)避免共振或以特定的頻率振動(dòng)，是進(jìn)一步分析車架在各種動(dòng)態(tài)激勵(lì)下響應(yīng)的基礎(chǔ)。本文采用有限元分析軟件Ansys中的Block Lanczos方法對(duì)車架進(jìn)行有無(wú)約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，即自由模態(tài)分析。由于低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響大，因此只取前六階模態(tài)。車架各階固有頻率及振型描述如表1所示。

表1 車架前六階固有頻率和振型

3 礦用半掛車車架模態(tài)分析

半掛車在行駛過(guò)程中，對(duì)車架的激勵(lì)主要來(lái)自路面，由路面不平度引起的激勵(lì)多在3 Hz以下。此外，貨車滿載時(shí)，前后懸架頻率一般在1.52.17 Hz.該車架一階固有頻率為1.873 Hz，處于路面激勵(lì)和懸架頻率之內(nèi)，容易引起結(jié)構(gòu)共振。因此，應(yīng)采取措施提高一階固有頻率。例如適當(dāng)增大主縱梁腹板厚度，在邊梁和主縱梁之間增加斜支撐等。從振型分布來(lái)看，車架前端和后端剛度較薄弱，易產(chǎn)生疲勞損傷，有待改進(jìn)。各階振型動(dòng)畫(huà)圖連續(xù)圓滑且振動(dòng)相對(duì)較小，低階振型分布沒(méi)有出現(xiàn)明顯的局部扭轉(zhuǎn)和彎曲振型，沒(méi)有振型突變點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力突變。各階振型圖如圖1～圖6所示。

圖1 第1階振型圖

圖2 第2階振型圖

圖3 第3階振型圖

圖4 第4階振型圖

圖5 第5階振型圖

圖6 第6階振型圖

4 結(jié)論

本文利用有限元法對(duì)對(duì)礦用半掛車車架進(jìn)行了無(wú)約束狀態(tài)下的理論模態(tài)分析，得出前六階結(jié)構(gòu)固有頻率和振型。模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析為車架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析提供了重要的模態(tài)參數(shù)，指出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性，為改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，并為深入研究振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題提供了參考。

[1]廖世業(yè)，夏緒輝，馮 勛.基于HyperMesh的運(yùn)輸車車架有限元分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（11）：37-40.

[2]丁群燕.半掛車車架有限元仿真與靜力分析[J].裝備制造技術(shù)，2017，273（09）：22-24.

[3]康 健.基于ANSYS的液壓支架360雙伸縮立柱有限元分析 [J].煤炭技術(shù)，2014，33（09）：218-220.

Finite Element Simulation And Modal-Analysis of Semi-trailerFrame

DING Qun-yan
（Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan Hubei 430205，China）

Using the finite element method of semi-trailer frame modal analysis is carried out to get the natural frequency and vibration mode of the frame，comparing the external excitation frequency to avoid resonance，the dangerous frame was damaged，to evaluate the rationality of semi-trailer frame structure design.

semi-trailer；modalanalysis；finite element

U463.32

A

1672-545X（2017）10-0028-02

2017-07-01

丁群燕（1975-），女，湖北麻城人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)研究。