ZGT6739DS城市客车车身结构模态分析

顾响中

（江苏友谊汽车有限公司，江苏 张家港 215622）

1 引言

每一种结构都有其固有的振动特性，即模态。而每一个模态又具有其特定的固有频率、固有阻尼比和模态振型。这些模态参数都可以通过计算或者试验获得，这个过程即为模态分析。通过对若干阶次的模态进行线性叠加，即可得到一个结构复杂的振动特性。在这个复杂的振动特性中，有些阶次的模态起主要作用，而有些阶次则起次要作用；有些阶次的模态对结构振动产生显著影响，而有些阶次的模态对结构的振动则影响很小。如何对这些不同阶次的结构振动进行区分，成为认识结构动态振动特性的关键。通过模态分析，可以识别出结构的模态参数。在此基础上，还可以为结构的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力学特性的优化提供参考依据。

模态分析技术的应用可归结为以下几个方面[1-3]：评价现有结构系统的动态特性；在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；诊断及预报结构系统的故障；控制结构的辐射噪声；识别结构系统的载荷。

模态分析根据采用方法的不同，又可以分为计算模态分析和试验模态分析[4]。计算模态分析又叫解析模态分析，它是通过有限元计算分析的方法完成的。而试验模态分析则是通过试验将采集到的系统输入与输出信号通过参数识别获得模态参数的方法。一般在实际的工程应用中，则是两种方法结合运用。首先通过计算模态分析得到结构一定阶次的频率值和振型情况，再通过试验进行验证。本文应用计算模态分析方法。

2 建模及分析

在建立几何模型及有限元模型时，主要进行了以下简化[5-6]：

1）略去车身骨架蒙皮；略去一些非承载件，如挡风窗玻璃、车门、座椅等，但是仍保留这些结构件的重力作用。

2）对车顶及侧围部分的一些曲率较小的构件近似看作直梁来处理。

3）对于车架部分某些多层结构件采用较厚材料属性的单层结构进行简化。

4）整个客车骨架结构存在大量的纵横梁交叉连接处，对于这些接头位置的焊接连接采用合并节点的形式进行模拟。

5）不考虑焊接处材料特性的变化，认为焊缝处材料属性与母材属性相同。

在有限元计算软件Nastran中，设置自由模态计算工况的各个参数。这里计算前十阶模态。通过计算得到的该客车骨架结构模型前十阶频率值，如表1所示；同时还可以通过后处理软件提取出各个阶次的振型图，前三阶振型图如图1-图3所示。

表1 自由振动各阶频率值

通过对车身骨架结构前十阶频率数值以及对应的振型图的分析可以发现，第四阶和第五阶的频率值非常接近，第八阶和第九阶的频率值也非常接近，这就表明在这两个阶次车辆有可能会由于振动出现问题；通过对振型图及动画的分析发现，在车辆的纵梁中部存在刚度过渡不均衡的问题。此处的问题应该引起设计人员的重视；汽车行驶时，由于路面不平而引起的运动学激励多属于5 Hz～20 Hz的垂直振动。汽车行驶过程中，激励主要来自于路面、车轮、发动机、传动轴不平衡等。因而首先了解这些激励源的频率是分析的基础。路面激励随道路条件决定，高速公路和城市较好路面，此激励多在3 Hz以下，车轮不平衡引起的激振频率一般低于11 Hz[7-9]。该车发动机的怠速速度为700 r/min，因此，相应发动机的爆发频率为23.3 Hz，经常使用的车速是80 km/h，传动轴不平衡的弯曲振动频率为46 Hz左右。因此，要求车身的低阶频率应在11 Hz以上，并且避开发动机的爆发频率23.3 Hz，远离传动轴不平衡的振动频率46 Hz[10-12]。

[1]谭继锦.汽车有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]李晓雷,俞德孚,孙逢春.机械振动基础[M].北京：机械工业出版社,2006.

[3]黄天泽,黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，2002：223-244.

[4]顾培英，邓昌，吴福生.结构模态分析及其损伤诊断[M].南京：东南大学出版社，2008.

[5]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6]孙凌玉.汽车车身动态设计的理论与应用研究[D].南京：东南大学，2000.

[7]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[8]屈求真.轿车车身结构的有限元分析与评价[J].汽车工程，1996，13（3）：148-151.

[9]谭继锦，张代胜，陈朝阳.汽车结构有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2009.11:185-191.

[10]王羽亮，任国峰，王健.LCK6890G城市客车车身结构有限元分析[J].客车技术与研究，2008，30（5）：5-8.

[11]冯磊，郭世永，徐斌.基于MSC.Nastran的客车车架动态特性分析[J].客车技术与研究，2009，31（3）：10-11.

[12]张怡，朱玉强.管梁式车身骨架模态试验与有限元模态分析对比[J].公路与汽运，2011，（2）