姚春革

（桂林電子科技大學信息科技學院，廣西桂林541004）

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，人們的生活水平提高，對客車NVH性能指標的要求也越來越高，目前主流客車生產廠家在新車型的開發(fā)階段把車輛的NVH問題當作一個重要課題來研究[1]。本文的研究對象是一輛旅游大巴，對客車的舒適性要求較高。本文利用有限元方法分析了半承載客車車身結構的固有頻率和振型，確認其是否在合理的設計范圍內，避免其與路面和發(fā)動機怠速振動頻率產生共振現(xiàn)象，以提高乘坐的舒適性。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是在模態(tài)矩陣的基礎上通過矩陣變換實現(xiàn)坐標的轉變，從而得到一個獨立的二階微分方程組。由于整車工況復雜多變，準確模擬真實約束狀態(tài)下的動態(tài)性能比較困難，但從理論上講，可以由自由邊界模態(tài)結果得到其他約束條件下的動態(tài)特性，因此采用自由模態(tài)分析方法是可行的[2-4]。

多個自由度線性彈性系統(tǒng)的運動微分方程表達式為：

式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；x（t）″為加速度矩陣；x（t）′為速度矩陣；x（t）為位移矩陣；{f（t）}為系統(tǒng)所受的外部激勵力矩陣。

模態(tài)為物體的固有特性，目前求解模態(tài)時，常將外載荷設為零矩陣，由于阻尼對機械結構的固有頻率及其振型影響較小，因此可以忽略不計，故系統(tǒng)固有頻率及其振型可以改寫為以下方程：

當自由度n較大時，求解方程組（2）會非常復雜，模態(tài)分析的基本思想是將彈性體的振動分解為多個獨立的振動相疊加，故其簡諧振動的表達式如下：

式中：x（t）為振幅列向量；{φ}為位移；w為固有頻率。

把式（3）代入方程組（2）中，得到如下表達式：

方程組（4）為廣義的特征值的表達式，存在非零解的前提條件是：

將方程組（5）計算出的結構頻率重新代回方程組（4），即可算出所求結構的各階固有模態(tài)。

2 車身結構有限元模型建立

根據某公司提供的車身結構三維模型，利用HyperMesh軟件對其進行網格劃分，并建立車身結構的有限元模型。

2.1 網格劃分

整車車身部件過多，有許多裝飾件對車身的動態(tài)性能幾乎沒有影響，因此在保證計算精度的前提下，對幾何模型進行簡化。車身結構上的零件以鈑金件為主，厚度一般在3 mm以內，因此采用shell單元劃分網格，shell單元可以承受平面載荷和法向載荷，計算速度快，精度高。由于車身結構零件過多，如果網格尺寸過小會導致計算量大增，而計算精度幾乎不受影響，因此車身結構的網格尺寸為15 mm，單元總數(shù)：405 930，節(jié)點總數(shù)：437 961。其中三角形網格為2 500，占比為0.5%，符合精度要求。車身結構有限元模型如圖1所示。

圖1 客車車身結構有限元模型

2.2 材料屬性

客車車身五大件結構材料為Q235，車架材料為T52；各類倉封板材料為Q195；加強件材料為Q235。材料的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料的主要性能參數(shù)

2.3 連接方式模擬

客車車身結構主要采用焊接和螺栓連接。車身結構的焊接，用seam weld單元來模擬；螺栓連接，可以用rigid單元模擬。

3 模態(tài)計算及分析

進行模態(tài)分析時，只考慮車身結構質量，在自由邊界條件下對整車進行模態(tài)分析。對于復雜模型來說，振型階數(shù)越高對模型的動態(tài)響應影響越小，對客車車身動態(tài)響應影響最大的是整車扭轉模態(tài)和彎曲模態(tài)。因此，模態(tài)分析以提取整車的扭轉和彎曲模態(tài)結果（前六階為剛體模態(tài)，沒有參考意義）。車身結構前五階固有頻率如圖2—圖6所示，其振型如表2所示。

圖2 第1階車身結構模態(tài)振型

圖3 第2階車身結構模態(tài)振型

圖4 第3階車身結構模態(tài)振型

圖5 第4階車身結構模態(tài)振型

查閱旅游客車相關資料可得[5]，在高速公路行駛時，路面和輪胎激勵的固有頻率值為2～5 Hz。而客車固有頻率范圍是8.08～15.18 Hz，不會產生共振。

發(fā)動機激勵是另一個重要激勵源，如果其與客車產生共振，將嚴重影響乘客的舒適度。發(fā)動機的怠速通常為600～800 r/min，振動頻率一般為30～40 Hz。根據分析結果可知，不會產生共振。

圖6 第5階車身結構模態(tài)振型

表2 前五階固有頻率和振型

4 結論

本文對客車車身進行了模態(tài)分析，求出其相關的動態(tài)特性。在HyperMesh中建立車身結構有限元模型，利用NASTRAN計算，在Hyperview查看模態(tài)結果，對客車車身的模態(tài)參數(shù)進行研究，其結果如下：

（1）提取客車車身前五階模態(tài)固有頻率及其振型，分析了車身結構的動態(tài)性能。

（2）通過查閱資料得到路面激勵頻率和發(fā)動機激勵頻率范圍，與車身結構模態(tài)頻率比較可知，客車在行駛過程中不會產生共振現(xiàn)象。