某微型客车车架模态及刚度的有限元分析❋

高 翔，赵清江，李 阳，万鑫铭

（中国汽车工程研究院 汽车轻量化工程技术研究中心，重庆 400039）

0 引言

车架是微型客车的重要组成部分，行驶过程中会受到路面激励和发动机振动等复杂载荷的影响，并且发动机总成、底盘件和车身部分总成等都是以车架为安装载体，因而其动态特性及静刚度将直接影响整车的使用寿命、稳定性和舒适性等基本性能。本文基于有限元法对某微型客车车架进行模态分析和弯扭刚度校核，从而为车架结构进一步改进优化提供参考。

1 有限元模型建立

根据微型客车车架的CAD数模，建立有限元模型。由于车架总成的零部件基本都是薄板类零件，故本文以壳单元对车架模型进行离散，焊点和焊缝采用刚性单元模拟。模型单元总数为125 443，节点数为135 680，三角形单元所占比例为1．6%。模型所赋的材料属性依据企业提供的参数设置：弹性模量E＝210 GPa，密度ρ＝7 830kg／m3，泊松比μ＝0．3。车架有限元模型见图1。

图1 车架有限元模型

2 模态分析

模态分析主要用于决定结构的固有频率和振型［1］，对微型客车车架采用Block Lanczos的方法进行自由边界的模态分析。由于结构的振动可表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶的振型对结构的动力性能影响程度比高阶振型大，即低阶振型决定了结构的动态特性［2］，因此提取前10阶模态的频率值及振型（去除前6阶的刚体模态）。车架的频率特性如表1所示。

表1 车架的频率特性

在车架的各阶模态振型中，第1阶和第4阶模态振型分别为车架整体一阶扭转和弯曲（如图2和图3所示）；第5、6阶模态振型为车架整体Y向一阶弯曲；第7阶模态振型为车架整体二阶扭转；第10阶模态振型为车架整体Y向二阶弯曲；其余为前纵梁前盖板和下滑轨后固定板等部件的局部模态。

图2 车架整体一阶扭转振型

由车架的自由模态分析结果可知，车架的一阶扭转模态的频率为11．21Hz，一阶弯曲模态的频率为29．84Hz，而该微型客车发动机的怠速转速为750 r／min，发动机怠速振动频率约为25Hz，车架的一阶弯曲和扭转模态频率避开了此频率，从而一定程度上消除了车架结构的过度振动和噪声［3］。

图3 车架整体一阶弯曲振型

3 刚度分析

3．1 弯曲刚度

3．1．1 载荷及约束定义

弯曲工况的刚度分析简化为简支梁来计算，F为简支梁中间位置施加的载荷，d为加载点位移，Δl为支撑点距离，如图4所示。

图4 车架弯曲刚度分析示意图

约束车架纵梁与前后轮心共线位置的所有平动自由度；在离前、后轮心等距的中面，左、右纵梁前端加强板的正上方，竖直向下（－Z向）加载合力为F＝2 000 N的集中力。车架弯曲刚度分析的载荷及约束如图5所示。

图5 车架弯曲刚度分析的载荷及约束

3．1．2 弯曲刚度分析结果

车架弯曲刚度KB（N／mm）的计算公式为：KB＝F／d。

其中：F为加载载荷，N；d为测量点Z负向平均位移，mm。

测量得到左测量点Z负向位移dzl为1．728mm，右测量点Z负向位移dzr为1．768mm，则得到测量点Z向平均位移大小d为1．748mm。由车架弯曲刚度计算公式可以得到KB＝1 144．2N／mm。车架弯曲刚度分析位移云图如图6所示。

3．2 扭转刚度

3．2．1 载荷及约束定义

车架扭转刚度分析简化示意图如图7所示，F分别作用在左、右前端以形成力偶，h为力偶作用下产生的左、右加载点位移绝对值之和，L为左、右前端加载点之间的距离，θ为扭转载荷作用下形成的夹角。

图6 车架弯曲刚度分析位移云图

图7 车架扭转刚度分析示意图

约束车架纵梁与后轮心共线两位置的所有转动和平动自由度，并对中点O处约束平动自由度；在左、右前轮轮心共线的刚性单元两端分别施加大小为1 000N的＋Z向和－Z向的载荷，力偶臂L为2 000mm，形成2 000N·m的力偶矩。车架扭转刚度分析的载荷及约束如图8所示。

图8 车架扭转刚度分析的载荷及约束

3．2．2 扭转刚度分析结果

车架扭转刚度KT［Nm／（°）］计算公式为：KT＝M／θ。

其中：M为力偶矩，M＝2 000Nm；θ为扭转角。扭转角θ（°）的计算公式为：

由分析可得左、右加载点位移绝对值之和为：h＝｜dzl｜＋｜dzr｜＝｜－67．35｜＋｜67．35｜＝134．7mm，所以扭转角则车架扭转刚度值KT＝2 000／3．86＝518．1Nm／（°）。车架扭转刚度分析位移云图如图9所示。

图9 车架扭转刚度分析位移云图

4 结论

（1）通过模态分析对某微型客车车架结构作了定性评价，可以保证车架在满足装配和使用要求的同时，具有合理的动态特性，控制车架结构的振动与噪声。车架模态分析结果对整车白车身的模态分析有重要参考价值。

（2）本文进行车架的弯曲和扭转刚度分析时，针对的是车架总成模型，并未考虑悬架等相关底盘部件的影响，故车架结构的刚度分析结果不能表征整车结构的弯扭刚度特性，但可为整车刚度分析作参考。

（3）在实际的车架设计及生产工艺中，不仅要考虑其自身的动态特性及静刚度要求，还要考虑到一些底盘件或其他总成零件安装的方便性等，并兼顾生产厂家的生产工艺条件等。因此，车身及其他部件对车架性能和制造工艺的影响，以及车架结构的试验验证将作为以后工作的研究重点。

（4）本文对车架的动态特性及静刚度进行分析校核，分析结果表明该车架满足设计开发及工程要求，为车架结构后续的设计开发提供了依据，缩短了产品设计开发周期，节约了成本，达到了预期的分析目的。

［1］ 蒋宜群，盛剑．南京依维柯2046车架模态分析［J］．轻型汽车技术，2003（6）：8－9．

［2］ 梅玮，谢世坤．轻型载货汽车边梁式车架的模态分析［J］．机电产品开发与创新，2005（3）：69－70．

［3］ 张胜兰，严飞．基于 HyperWorks的车架模态分析［J］．机械设计与制造，2005（4）：10－11．