韋友超，周 磊，周 思，潘 嵩

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.柳州孔輝汽車科技有限公司，廣西 柳州 545007）

引言

副車架是支承前后車橋、轉向器系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)部分零部件的支架，使車橋、轉向器系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)通過它再與“正車架”相連，習慣上稱為“副車架”。目前，隨著乘用車水平的提高和人們對經濟型乘用車要求的提高，前副車架越來越多地應用在低端的轎車和前置前驅/后驅的微型車上面。前副車架為前懸掛的控制臂和穩(wěn)定桿、轉向器、發(fā)動機后懸置提供安裝支架，并提供較高的安裝連接剛度，同時也提升了車身的局部剛度；能夠隔絕路面震動帶來良好的舒適性；能夠隔離發(fā)動機的震動和噪聲，提升NVH 性能；把懸掛變成模塊化總成部件，提高了懸掛的通用性，降低研發(fā)成本，總成部件安裝方便，降低了裝配成本；也可以增加碰撞縱梁來提高安全性能。但是副車架會增加車重，成本增加較多，燃油經濟性受影響[1]。

由于前副車架通過發(fā)動機后懸置與發(fā)動機相連，在設計時不僅要考慮到其強度，同時為了避免振動放大和噪聲，提升NVH 性能，必須將模態(tài)特征作為對前副車架設計的必要約束條件，避開發(fā)動機在各轉速下的激振頻率（中頻：25 Hz～400 Hz），當然也要避開路面的激勵頻率（低頻：25 Hz 以下）。本文以我公司某款全新MPV 的前副車架為例，運用有限元軟件ABAQUS 對前副車架進行模態(tài)分析，并結合試驗數(shù)據(jù)驗證CAE 結果的準確性，為乘用車前副車架的設計和改進提供了CAE 分析依據(jù)。

1 模態(tài)分析說明

模態(tài)分析是各種動力學分析類型中基礎的內容，結構的模態(tài)特征決定了結構對于其他各種動力載荷的響應情況。模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為CAE 計算模態(tài)分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗模態(tài)分析。本文所提的模態(tài)分析特指CAE 計算模態(tài)分析，采用有限元軟件ABAQUS 來提取結構的模態(tài)特征，包括固有頻率和振型。

本文采用的是線性瞬態(tài)動力學分析，假定結構滿足一下特征：

（1）系統(tǒng)是線性的：線性材料特性，無接觸條件，無非線性幾何效應。

（2）響應只受較少的頻率支配。當響應中各頻率成分增加時，例如碰撞和沖擊問題，振型疊加技術的有效性將大大降低。

（3）系統(tǒng)的阻尼不能過大。

副車架滿足以上的結構假定特征，可以用ABAQUS 的線性攝動步來提取固有頻率和振型，選擇Lanczos 求解器。對于具有很多自由度的系統(tǒng)，當要求大量的特征模態(tài)時，一般來說Lanczos 方法的速度更快。

2 有限元模型建立

2.1 有限元網格建立

采用前處理軟件Hypermesh 劃分有限元網格。副車架的大部分部件是薄板沖壓件，各個部件通過焊接或螺栓互相裝配在一起，根據(jù)副車架結構特點，選擇四邊形的殼單元進行網格劃分，副車架中的焊縫單獨建立了焊縫單元，也是以四邊形殼單元進行模擬。最后模型共形成了50 551 個單元體，50 862 個節(jié)點。其中，四邊形單元49 319 個，三角形單元1 232 個，三角形單元網格數(shù)量占網格總數(shù)的2.5%，單元尺寸定義為5 mm。所得有限元模型如圖1 所示。

圖1 有限元模型圖

2.2 賦材料與屬性

模型中主體及各附件殼單元的厚度根據(jù)其實際的厚度值來定義，焊縫的殼單元厚度為4 mm。之后對材料特性參數(shù)進行定義，其中彈性模量為2.06E5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.8E-9 T/mm3。點焊用ABAQUS 里的fasteners 工具來模擬[2]。

2.3 邊界條件與約束

自由模態(tài)：不施加邊界條件和約束，螺栓裝配部位用裝配孔附近節(jié)點剛性耦合來簡化。

自由模態(tài)是結構自由振動的固有屬性，只跟結構本身相關，與外在激勵無關。實際結構振動是以其模態(tài)陣型振動或者是以其某幾階或多階陣型的疊加形式振動。自由模態(tài)可以很方便地測試出來，用以驗證CAE 模型的準確性。

約束模態(tài)：在4個車身安裝點約束123456方向的自由度，其余安裝孔與相應的硬點耦合在一起。螺栓裝配部位用耦合來簡化。

圖2 約束模態(tài)的邊界與約束示意圖

3 有限元模態(tài)計算[2]

建立線性攝動步，選擇Lanczos 求解器，輸出前20 階模態(tài)。自由模態(tài)和約束模態(tài)需要分別計算。其中自由模態(tài)前6階代表結構的剛體模態(tài)，各階的固有頻率近似為0，這里不作考慮。七階及以上的各階模態(tài)為彈性模態(tài)，用以反映結構動態(tài)特性。

下表1 和表2 是本例副車架模態(tài)的CAE 分析結果（前6階）。

表1 自由模態(tài)CAE 分析結果

表2 約束模態(tài)CAE 分析結果

圖3 約束模態(tài)振型：一階振型放大圖

圖4 約束模態(tài)振型：二階振型放大圖

4 試驗模態(tài)分析

由于約束模態(tài)測試受制于夾具系統(tǒng)，模擬實際約束條件的夾具系統(tǒng)的剛度不可以無窮大，要求用于支承的夾具系統(tǒng)的最低彈性頻率遠高于400 Hz。這對于副車架系統(tǒng)來說很難實現(xiàn)約束邊界。自由模態(tài)測試則很容易實現(xiàn)，本文的試驗模態(tài)分析指的是自由模態(tài)測試分析。

用4 根彈性很好的橡皮繩，分別懸吊在副車架與車身安裝的4 個連接點處，其與副車架組成單自由度系統(tǒng)的固有頻率小于副車架第一階頻率的1/10，可以認為副車架處于自由支承狀態(tài)。采用錘擊法對副車架結構進行自由模態(tài)試驗。錘擊法為單點輸入多點輸出方法，具有高的測試效率。測試布點如圖5 所示。

圖5 測試布點示意圖

試驗結果見表3 所示。

表3 模態(tài)試驗結果

圖6 1 階振型圖

圖7 2 階振型圖

圖8 3 階振型圖

圖9 4 階振型圖

5 模態(tài)分析結果

自由模態(tài)的CAE 計算和實測結果對比見表4，CAE 計算與實測誤差在5%左右，模態(tài)振型一致。CAE 的模型和計算結果與實測相符。

表4 自由模態(tài)的CAE 計算和實測結果對比

對于副車架來說，只分析400 Hz 以內的模態(tài)和振型就可以了。副車架由于受到車身的約束，另外本例的副車架是剛性連接在車架上的，主要考慮約束模態(tài)，約束模態(tài)更具有實際意義。而約束試驗模態(tài)分析很難，約束模態(tài)的CAE 計算則很容易，本文用自由試驗模態(tài)和自由模態(tài)的CAE 計算結果對比，驗證CAE 計算的準確性，也為約束模態(tài)的CAE 計算的準確性提供了依據(jù)。

對于4 缸4 沖程發(fā)動機的激振頻率f=發(fā)動機轉速n/30[3-4]。我司發(fā)動機轉速n 小于6 000（轉/min），所以發(fā)動機的激振頻率在200 Hz 以內。一般路面激勵頻率大都在25 Hz 以下。

400 Hz 以內的自由模態(tài)只有4 階，約束模態(tài)只有2 階，一階的約束模態(tài)大于200 Hz，有效避開了發(fā)動機和路面激勵的共振頻率，滿足設計要求。從一階和二階的約束模態(tài)振型看懸置支架和下封板的位移比較大，說明該部分的剛度較小，是薄弱點。

6 結束語

模態(tài)特征作為對前副車架設計的必備約束條件之一，本文以我公司某款全新MPV 的前副車架為例，介紹了利用有限元軟件ABAQUS 對前副車架進行模態(tài)分析的方法和步驟，為乘用車前副車架的設計和改進提供了理論依據(jù)。采用前處理軟件Hypermesh 劃分有限元網格，采用ABAQUS 的線性攝動步，利用Lanczos 求解器，并用ABAQUS 自帶的后處理工具查看分析結果。并用自由試驗模態(tài)和自由模態(tài)的CAE計算結果對比，驗證CAE 計算的準確性。

本文介紹的模態(tài)分析方法，也可以用于靈敏度分析。通過對比分析不同厚度的各組成零部件的模態(tài)和振型，得出對應于各階模態(tài)最敏感的部件和最不敏感的部件，在隨后的優(yōu)化設計中可以考慮對這些關鍵零部件進行有針對性的改進[5]，從而為副車架的減重和改進優(yōu)化提供方向和依據(jù)。