全地形车车架的有限元建模和模态分析

周明华，李 红，骆 群，朱玲琳，罗 钢

(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)

全地形车车架的有限元建模和模态分析

周明华，李 红，骆 群，朱玲琳，罗 钢

(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)

利用CATIA软件建立了全地形农夫车车架的三维模型，并导入有限元软件HyperWorks中建立车架结构有限元模型,按照设计要求对其进行自由模态分析，得到车架的前6阶弹性模态振型及其频率特性，从而验证该车架结构设计的合理性。

全地形农夫车；有限元分析；自由模态分析

0 引言

全地形车(All Terrain Vehicle,ATV)是一种全新概念的新车型，全地形农夫车(UTV)是一种沙滩越野、山区载货、农场作业等多种功能车辆，也用于军事与野外工程方面。因全地形车主要在崎岖的道路上行驶，使用条件相当复杂，车架作为全地形车最重要的承载部件，在行驶过程中需要承受各种载荷、力和力矩，因此，车架结构的强度、刚度就必须要满足实际要求。

本文以UTV车架为例，应用HyperWorks的Hypermesh对其进行网格划分，再建立其有限元模型，最后利用HyperWorks的RADIOSS求解器对该车架进行自由模态分析，得到其固有频率和振型，进而对车架的动态特性作出评估，为今后改进结构提供可靠的理论依据。

1 车架有限元模型的建立

1.1 模型导入与几何清理

由于UTV车是四座车，所以车架结构相对复杂，为了减少计算工作量和时间，保证单元的质量，模型导入之前对其做了一些简化:①将所有过渡圆角和倒角都简化成直角；②忽略所有工艺孔。在CATIA里建好车架三维模型后以“IGS”格式保存，然后在Hypermesh中打开，因其出现了曲面缝隙、错位群面、曲面重叠等现象，故要对其进行几何清理，以保证接下来进行划分的网格质量，提高计算求解的精度和准确性。

1.2 抽取中面

车架主要由矩形管和圆形管焊接而成，皆为薄壁钢管，鉴于UTV车架结构复杂，管件较多，不易采用实体网格，需对几何清理后的车架模型抽取中性面，然后再对车架各部分赋予厚度属性来模拟车架结构。

1.3 网格划分

对UTV车架进行网格划分时选用2D的板壳单元(Shell)作为车架网格的结构单元类型，设定单元大小为5 mm。初步划分之后需要检查网格的质量，对于一些质量不好的部分需要进行修正，以使其满足计算的网格质量要求。所获得的网格模型中有324 219个节点，325 289个单元，其中三角形单元占总单元的1.8%。

UTV车架材料为Q235A钢，其泊松比为0.288，弹性模量为2.1×105MPa，密度为7.9×10-9t/mm3。

抽取中面的车架单元属性均为壳单元PShell。最终得到的UTV车架有限元模型如图1所示。

图1 UTV车架有限元模型

2 UTV车架自由模态分析及结果

根据边界条件设置的不同，模态分析主要有两种形式：自由模态分析和约束模态分析。自由模态分析不考虑任何约束对其产生的影响，得到的结果是结构本身存在的固有特性，只跟本身结构相关，与外在激励无关。

本文运用HyperWorks中的RADIOSS模块进行自由模态分析。由于通过计算所得的UTV车架前6阶模态为刚体模态，因此不将其考虑在内。运用Lanczos计算方法对UTV车架的前6阶弹性模态进行提取，得到的固有频率和振型见表1，各阶模态振型图如图2～图7所示。

通常，我们会利用低阶的频率来评估车架是否能满足动态振动方面的要求，其指标如下：①车架的模态频率应该远离发动机正常工作的频率范围；②车架的低阶频率(即指一阶扭转和弯曲频率)应该比发动机怠速时的运转频率低,而又比非簧载车架结构的固有频率高,从而避免发生整体共振现象；③车架振型应该尽量光滑,避免出现突变。

表1 前6阶弹性模态的固有频率和振型

图2 第1阶模态振型

图3 第2阶模态振型

图4 第3阶模态振型

图5 第4阶模态振型

图6 第5阶模态振型

图7 第6阶模态振型

查阅相关资料可知：

UTV车采用的发动机是型号为SQR372的奇瑞水冷三缸四冲程，怠速转速为900 r/min，额定转速为6 000 r/min。通过计算得到发动机怠速时激励频率为22.5 Hz，额定转速时激励频率为150 Hz。查看车架模态振型图可知，计算所得车架的一阶弯曲模态频率为19.959 Hz，这个数值低于发动机怠速时的激励频率，而且躲开了与其他激励频率的耦合，避免了共振现象的发生，车架基本满足要求。3 结束语

本文对某UTV车架进行了综合分析，模态分析结果不仅反映了车架结构的动态特性，得到了其固有频率，而且还可帮助设计人员在后续的结构设计中尽量避开这些频率，或者最大限度地减小对这些频率的激励，这样就减少了共振和噪声的产生，整车的舒适性和平顺性均能得到提高。

[1] 许佩霞,蔡炳芳.基于ANSYS的全地形车车架结构优化设计[J].机械设计，2008，25(12)：56-58.

[2] 吴海波，李晋，石磊磊.轻型货车车架的有限元建模及模态分析[J].公路与汽运,2011(4)：17-19.

[3] 王松.某商用客车车架有限元分析与结构优化[D].武汉:武汉科技大学,2012:25-28.

Finite Element Modeling and Modal Analysis of ATV Frame

ZHOU Ming-hua, LI Hong, LUO Qun, ZHU Ling-lin, LUO Gang

(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In this paper, the 3D model of an all terrain utility vehicle (UTV) frame was set up by CATIA, and then was inputted into the software HyperWorks. The finite element model of the frame was built, and the modal analysis was carried out. We used modal analysis to determine its first sixth modal modes of elasticity and the frequency characteristics, to verify the rationality of the frame structure design.

UTV; finite element analysis; modal analysis

1672- 6413(2015)06- 0034- 02

国家科技部火炬计划项目(2012GH530716)

2015- 01- 16；

2015- 09- 18

周明华(1989-)，女，安徽安庆人，在读硕士研究生，研究方向:汽车车身及其零部件设计。

TP391.7

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