客车车身的有限元模态及谐响应分析

付长虎，刘红光，陆森林

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)

车身设计一直是新车型开发的重点，一款性能良好的车身必须具备美观、安全、舒适等特点。而车身的刚度和强度更是车身的重要指标，车身必须有足够的静刚度和强度，才能满足客车的装配，疲劳寿命及其使用要求［1］。而在实际应用中常常用仿真软件来代替实验，例如现在利用有限元软件来分析车辆的刚度和模态的方法就非常普遍的，这不仅可以节约大量的开发和实验经费，还能缩短产品的开发周期［2］。笔者也是用有限元软件ANSYS对车身进行模态以及谐响应分析。

1 车身有限元模型的建立

根据某轻型客车的白车身形状，用三维建模软件CATIA进行三维建模。建立模型时，应该尽量精确，以保证计算结果的准确性。同时为了节省建模及计算时间，对一些不重要的部件进行简化，如圆角、安装孔、工艺孔、不规则的曲面形状等。并且忽略了一些非承载件和装饰件，如扶手、制动踏板、方向盘、仪表盘等［3-4］。然后将模型导入有限元软件Hypermesh中划分网格，建立有限元模型。划分网格时，单元类型选板壳单元SHELL63，该单元有4个节点，每个节点有6个自由度，每个节点上的厚度都可以不相等，这种参数的设置能构成一个变截面的壳单元［5-6］。网格类型选择四边形，在一些曲面复杂的地方采用了少量的三角形网格。单元大小选择为40 mm。最终有限元模型如图1，整个模型的网格单元数为32 853个，其中三角形网格有659个，占2%。

图1 车身有限元结构模型Fig.1 Finite element structural model of bus body

2 模态分析计算及实验

2.1 模态分析的固有频率

将有限元模型导入到ANSYS中进行模态分析。在ANSYS中模态分析共有7种方法，笔者采用的是Block Lanczo法，这种方法适用于大多数场合，它是一种功能强大的算法，当需要提取中型到大型模型的大量振型(≥40)时，这种方法很有效［7-8］。求得前60阶有蒙皮车身的固有频率和振型，与实验测得的固有频率和振型相对比。其前6阶固有频率对比结果如表1。

表1 模态固有频率计算值与实验值对比Table 1 Calculated values of modal frequencies compared with the experiment ones

2.2 模态分析的固有振型

计算得到的各阶主要振型与实验振型如图2。由图2可以看出:计算结果与实验结果基本保持一致，证明所建的有限元模型具有一定的可信度。至于模态阶数不一致的情况，那是因为在计算时，只要车身有微小变化都会反应在计算的模态阶数上;而实验时，由于实验条件的限制，不能保证每一个细微变化都能测出来，因而出现了计算与实验的模态阶数不一致的现象。例如与实验模态，1阶相对应的是计算的第4阶模态，是车身整体扭转振型，而计算的前3阶模态分别是车身后部、前部、顶棚中部的局部振型。因而对于前3阶模态并未列出，也未作分析。从振型图上可以看出模型的振动形式主要以扭转，顶棚振动，侧面振动为主。车顶棚在几个振型图中振动都比较明显，说明车顶棚刚度较差，可能是车顶棚的横梁数目少或横梁的刚度不够。

图2 车身振型对比Fig.2 Bus body modal shapes compared with the experiment ones

3 在发动机激励下的谐响应分析

在模态分析的基础上对车身进行在发动机激励力下的谐响应计算。在做车身振动响应实验时，采取的是任意激励力，所以计算时采用单位简谐力，作用点选择在发动机支架上，左右两点方向相反，以平衡扭矩。

约束的设置要按照一定的要求进行:要有足够的约束，使结构消除刚体运动的可能，才能获得位移的确定解;但同时不得有多余的约束，多余的约束会使结构产生实际不存在的附加约束力。在此要求之下对于4轮着地的情况，其约束情况可模拟为表2。

表2 车身约束条件Table 2 Constraint conditions of the bus body

对车身模型进行谐响应计算，得到车身各处谐波振动响应的结果，如图3。

图3 车身上关键点的振动响应Fig.3 Harmony response of key points of bus body

通过模态及谐响应分析可以得出结论:从振动位移来看，车顶棚与客车两侧的振动位移比较大，尤其是车身两侧。顶棚和两侧的振动会产生车内噪声，必须加以抑制。从振动的频率来看:顶棚振动峰值出现在79，100，130 Hz附近;车身两侧峰值主要出现在38，79 Hz附近;底板峰值出现在79，130 Hz附近。并且车身各处的振动最大峰值均出现在79 Hz附近，也就是发动机转速在2 400 r/min左右，车身各处均出现波峰。

4 结语

研究得到车身主要振动的部位以及频率。为了减轻振动，可以考虑通过增加顶梁以及在侧面增加加强筋，来提高车顶棚以及车侧面的刚度。另外车身振动峰值主要发生在79，130 Hz左右，因此在车辆实际工作时，应尽量避免发动机长时间在2 400 r/min或3 900 r/min左右的转速内工作。

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