基于ANSYS Workbench的某新型吹雪车车架模态分析

宋 荣

（山西省原平汽车修配厂，山西 原平 034100）

1 新型道面吹雪车简介

吹雪车是道路除冰雪的一种设备，由于其高效、环保，已成为高速公路和机场的必备设施。新型吹雪车摒弃了传统的鼓风机冷吹或涡喷发动机热吹的作业方式，采用发动机带动压缩机工作，提供吹雪作业所需的压缩空气［1］。为了满足新型吹雪装置的加装和整车的优化，需要对吹雪车车架结构进行改装设计。吹雪车的车架是整车的承载基体，不但承受着车身、车桥、驾驶室、发动机、变速箱等通用结构的载荷，而且承受着空气压缩机、加热装置、吹雪管道、滚雪刷、除雪铲等除雪专用装置的载荷。吹雪车工作环境恶劣，行驶过程中还会受到来自冰雪路面的各种复杂载荷。吹雪车行驶过程中，如果作用在车架上的动载荷频率与结构的固有频率相近，可能会产生较大的振动和噪声，影响驾驶员的舒适性，而且长期的振动容易造成结构的疲劳破坏，影响安全性和整车的使用寿命。因此在吹雪车车架结构的改装中，在保证车架刚度的基础上，还要满足其合理的振动特性。目前，对结构动态特性的考量通常采用模态分析，通过模态分析得到结构的固有频率和振型，为结构改良提供理论基础［2］。

2 模态分析的理论基础

模态是多自由度系统按照固有频率振动时呈现出来的振动形态，振型是结构振动时各节点位移比例关系的表征。对于一个多自由度线性运动系统，其运动微分方程为：

其中：［M］、［C］、［k］分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；｛X｝、｛X′｝、｛X″｝分别为节点的位移矢量、速度矢量和加速度矢量［3］；｛F（t）｝为随时间变化的载荷函数。

在模态分析时，设定｛F（t）｝＝0，并且忽略阻尼［C］的影响，则方程（1）变为：

其基本解的形式为：

其中：φ 为自振动时结构中各点的振幅；ω 为自振角频率。

联立求解式（2）、式（3），得：

由式（4）求得特征值ω2，由ω＝2πf 可求得结构的固有频率，即模态频率f。特征值对应的特征向量即为结构的模态振型。

3 吹雪车车架三维有限元模型的建立

该新型吹雪车的车架采用边梁式铆接结构，由2根槽型等截面纵梁和8根横梁构成［4］，板厚7mm。车架全长为5 213 mm，外宽860 mm，纵梁断面尺寸为250mm×80mm×7mm，车架材料为Q345。由于车架结构较为复杂，因此在三维有限元模型建立的过程中忽略对车架结构强度和刚度影响不大的附件。同时，为了兼顾计算速度，将车架结构的倒角、过渡圆角和一些非承载件也一并忽略。在Pro／E 中建立吹雪车车架结构的三维模型，导入ANSYS Workbench有限元分析平台，选用Solid186实体单元，采用自由划分法划分网格。生成的三维有限元模型如图1所示。

图1 吹雪车车架结构三维有限元模型

4 ANSYS Workbench模态求解

由于结构模态分析是线性的，且在ANSYS Workbench中对车架结构进行模态求解时，忽略了系统阻尼对其自身振动特性的影响，因此任何施加的力的载荷在分析中都不予考虑。在建立好三维有限元模型后，对车架的主要支撑点悬架部位施加全约束，进行结构的模态求解。由于结构的各阶固有振型之间通过特定的线性组合即可生成各阶振型，且结构的动态特性主要取决于低阶振型，因此只分析结构的前6阶固有频率和振型。其中前4 阶振型图如图2～图5 所示。求解得到的前6阶固有频率见表1。

图2 吹雪车车架结构第1阶振型图

5 模态求解结果分析

根据雪况的不同，吹雪车应相应地调整工作状态，使之能更好地适应工作需求［5］。车架的激励源一般来源于不平整路面的激励和主发动机转动过程产生的激励。该新型吹雪车的主发动机怠速转速为500r／min，爆发频率约为17Hz，低于车架结构的1阶固有频率，振动影响较小，可忽略对其的分析。对于吹雪车来说，除了上述两种激励，还有来自带动压缩机工作的副发动机激励、滚雪刷旋转产生的激励等。副发动机为上装发动机，主要用于驱动压缩机工作，此部分振动难以通过车架的改装得到改良，因此分析时主要考虑不同工作状况的路面激励、主发动机工作状态激励、滚雪刷运转的激励对吹雪车车架的影响。

图3 吹雪车车架结构第2阶振型图

图4 吹雪车车架结构第3阶振型图

图5 吹雪车车架结构第4阶振型图

5.1 吹除小雪工况

吹除小雪（厚度小于15 mm）时，车速保持在20 km／h～30km／h，路面不平整带来的激励大约为10 Hz～15Hz。以30km／h的车速行进时，发动机爆发频率为40 Hz左右。滚雪刷转速为180r／min～300 r／min，频率为3 Hz～5 Hz。路面不平整带来的激励和滚雪刷运转激励频率错开了车架结构的固有频率，不易发生共振，噪声容易出现在吹雪车工作行驶速度高于30km／h的情形下，此时发动机爆发频率处于车架前两阶固有频率之间，较易发生共振。

表1 车架结构前6阶固有频率

5.2 吹除中雪工况

吹除中雪（厚度在15mm～40mm 之间）时，由于雪层覆盖较厚，为了提高一次性吹雪效率，要适当将吹雪车的行进速度降到15km／h 上下。受到较厚积雪的影响，路面不平整带来的激励频率增大为20 Hz左右，仍然远离车架的1阶固有频率。与此同时，滚雪刷运转速度加快，达到300r／min～600r／min，频率为5 Hz～10Hz，虽然有所上升，但是仍然远离车架结构的固有频率，此种工况不易发生共振。

5.3 吹除大雪工况

吹除大雪（厚度40mm～150mm 之间）时，吹雪车的行驶速度进一步降低到5km／h～10km／h，路面极易存在车轮碾压后的板结性积雪，部分地段夹杂着积冰，此时道路不平整带来的激励增大为25Hz以上，接近车架结构的1阶固有频率；且在作业过程中，滚雪刷转速升至900r／min～1 500r／min，频率为15Hz～25Hz，接近车架结构的1阶固有频率［6］，故此种工况较易发生共振。

6 结论

应用模态分析的相关理论，在有限元分析平台ANSYS Wokkbench上，对吹雪车的车架结构进行了模态分析，得到了前6阶固有频率和振型。在不同工作状态下分析了吹雪车所受路面激励、发动机爆发激励以及滚雪刷运转激励的情况。与车架结构的固有频率比较研究，可以找到共振容易出现的状况，在后续的吹雪装置安装布局、车架的改装、整车噪声控制中，应尽可能地避开或最大限度地减小共振处的激励。

［1］ 张积洪，刘端晓，刘继峰.基于FLUENT 的吹雪车喷气管道气流场分析［J］.机械设计与制造，2011（8）：206－207.

［2］ 刘萌.车架试验模态分析及其结构动力修改研究［D］.西安：长安大学，2009：2－10.

［3］ 谢世坤，程从山.基于ANSYS的边梁式车架有限元模态分析［J］.机电产品开发与创新，2005，18（1）：76－77.

［4］ 陈家瑞.汽车构造［M］.第3版.北京：机械工业出版社，2011.

［5］ 徐达，丛锡堂.专用汽车构造与设计［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］ 徐中明，郭师峰，张志飞，等.全地形车车体动态特性分析［J］.重庆大学学报，2009，32（1）：8－9.