重型货车车架模态分析与优化设计

2012-02-18欧阳天成韦齐峰黄锦成

装备制造技术 2012年4期

欧阳天成，韦齐峰，黄锦成

(广西大学机械工程学院，广西南宁 530004)

重型货车在交通运输领域中起到重要作用，车架是整个汽车的基体，是发动机、车身和悬架等部件的安装基础，并承受来自车内外的各种载荷，其强度、刚度及动力学特性，直接影响整车性能和使用寿命。由于车架结构的复杂性和行驶条件的多变性，车架的设计和校核基本以静强度为基准，但是在行驶过程中，车架受到多种动载荷，如发动机的振动载荷、路面随机振动载荷等，这些动载荷可能引起整车和局部的动态响应，导致车架产生共振。

模态分析是动态分析的基础，为了提高汽车的通过性、操纵稳定性和平顺性，有必要对车架做模态分析，确定其动态特性。本文通过有限元软件ANSYS计算出车架前10阶固有频率和固有振型，研究了车架受到的外界激励类型，分析了车架在外部激励作用下可能发生共振的情况，最后利用ANSYS自带的函数逼近法对车架模态进行优化设计，避免车架固有频率和外部激励频率相同或接近，防止发生共振。

1 模态分析的理论基础

模态分析是忽略外载荷情况下，求解有限个自由度的无阻尼线性系统运动方程，其运动方程式为

式中，

M为质量矩阵，

K为刚度矩阵，

X为位移向量，

X''为加速度向量。

自由振动时，结构上各点作简谐振动，各节点位移与特征方程为

特征值ωi为第i阶固有频率，特征向量Φi为对应的振型。

2 车架模型的建立

研究的车架为边梁式车架结构，由左右两根内外纵梁以及6根横梁组成，全长9 420 mm，宽920 mm。在ANSYS中建立车架的参数化模型，模型全部采用板壳单元，划分网格后，模型有33 848个节点，66 611个单元，车架有限元模型如图1所示。

图1 车架有限元模型

3 模态分析

3.1 边界条件与模态提取

车架的模态分析，主要是计算车架在自由状态下的模态参数。因此对车架不施加任何约束和载荷。

低阶频率对结构的动力特性影响程度，比高阶频率大，低阶振型决定了结构的动态特性。在ANSYS中选择兰索士法提取车架的前10阶固有频率和振型，各阶频率值及振型（1～6阶为刚体运动，频率为零）分别见表1和图2。

表1 车架前10阶模态频率和振型描述

图2 车架前6阶模态振型

3.2 外部激励分析

3.2.1 车架动态特性要求

车架在工作时，主要承受两类激励：一是发动机简谐激励；二是行驶时路面不平度对车轮作用的随机激励。

为防止共振，车架的固有频率应当满足以下要求：

（1）车架低阶频率（主要是1阶扭转和1阶弯曲频率）应低于发动机怠速运转频率，以避免在怠速下发生整车共振；

（2）车架的弹性模态频率，应尽量避开发动机经常工作的频率范围；

（3）车架固有频率，应避开路面不平度的激励频率；

（4）车架固有频率间有一定距离，避免频率耦合。

3.2.2 发动机激励分析

发动机激励计算公式为

式中，

n为发动机转速，r/min；

z为发动机的缸数；

τ为发动机冲程数。

货车使用六缸四冲程发动机，怠速转速为700～730 r/min，所以发动机激振频率为35～36.5 Hz。

3.2.2 路面激励分析

路面对车架激励的频率，不仅与路面状况有关，还和车速有关。

路面激励频率计算公式

式中，

Vmax为最高车速；

Lmin为路面不平度波长。

重型货车主要在3种路况上行驶，不同路况的最高车速各不相同，表2为该重型货车常规行驶状况的路面激励表。

表2 路面不平度波长和激励频率

3.3 模态分析与激励总结

根据上述分析得知，车架1阶侧向弯曲和扭转模态频率分别为15.62 Hz和19.73 Hz，均大于表2所示的3种路况产生的路面激励频率。因此货车在行驶中，不会因路面激励而产生车架共振。车架第2阶侧向弯曲模态频率37.78 Hz与怠速下发动机激励频率35～36.5 Hz比较接近，车架在怠速时可能发生共振，所以要对车架的第2阶侧向弯曲模态频率进行优化，使其避开发动机怠速频率。

4 车架的优化设计

优化设计以提高车架第5阶固有频率为目标，使第5阶固有频率偏离发动机怠速激励频率。由于重型货车车架轮廓尺寸不能改变，且安全系数要比较高，故本次优化不能过多增大或减小车架板梁厚度。以车架的第一、二、三、四横梁5块钢板板厚为设计变量，以车架质量为约束条件，采用ANSYS自带的函数逼近法对车架进行优化设计。

优化设计数学模型