某轻型载货车车架有限元模态分析

杨宗宝，肖路路，杨潘

（江淮汽车股份有限公司轻卡研发部，安徽 合肥 230601）

某轻型载货车车架有限元模态分析

杨宗宝，肖路路，杨潘

（江淮汽车股份有限公司轻卡研发部，安徽 合肥 230601）

车架是轻型载货车的主要承载系统，车辆的大部分部件（如动力总成、驾驶室、货箱、前后桥等）均与车架直接相连。由于车架系统结构复杂，无法用传统的计算方法实现对车架的精确计算。而近年来随着有限元方法的迅速发展，可以用计算机对车架模态进行仿真分析，模态的设计与分析克服了静态方法的局限性，强调从车架结构的整体考虑，在整车校核中考虑了振动的因素。以便了解车架的振动特性是否满足整车需求，以规避由于布置不当导致的共振现象，进而为后续的车架设计提供有力的理论依据。

文章以某轻型载货车车架为研究对象，采用HyperWorks软件中的HyperMesh模块建立车架的有限元模型，并用MSC.Nastran求解器分析车架的自由模态，得到车架的固有频率及振型，从而对车架的振动特性做出评估。

车架；模态；共振；HyperMesh

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-108-03

1 轻卡车架介绍

目前车辆常用车架有边梁式车架、中梁式车架及综合式车架和承载式车身。

轻卡车架多为边梁式结构，即两侧由两个纵梁、辅以若干横梁及横梁连接板组成，再通过铆钉或螺栓的链接方式组成刚性构架。纵梁通常用大梁钢冲压而成，断面形状多为U型，根据车辆形式不同和结构布置需求，纵梁可以在水平面内或纵向平面内做成弯曲的等断面或非等断面结构。横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，还可以支撑汽车上的主要部件，通常轻卡车架有多根横梁，横梁同样多为U型断面结构。

车架在工作时不仅起支撑连接车辆各零部件作用，还需承受扭转、弯曲等载荷产生的弯矩和剪切力，同时受到来自路面和车桥的激振而产生振动。因此在车架设计中除了保证要有足够的强度、刚度外，合理的振动特性也十分重要，以免车辆在使用过程中各个部件之间产生的共振现象，导致某些零件的早期损坏，从而降低车辆的使用寿命。本文研究车架纵梁板厚5mm，长度为5765mm，横梁厚度分别为3.5mm、4mm。

2 固有模态求解

根据振动系统理论，多自由度系统通常以某个固有频率振动时所呈现出的振动形态称为模态。模态分析是动态分析的重要内容，因此在进行车架模态分析时，首先要求出各阶固有频率，并对各阶频率进行识别。

固有频率和振型向量是表示振动系统特征的重要物理量，是进行车架结构设计必不可少的参数，振动系统的特征值问题为：

式中：M、C和K为对应的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，分别为加速度和速度矩阵，F为作用力向量。

对于无阻尼自由振动系统，上述方程可简化为：

自由振动时，各点做简谐振动，各节点位移为：

由（2）式、（3）式可求得：

3 HyperWorks建模及分析流程

利用HyperWorks分析流程如下图所示：

图1 yperWorks分析流程

4 轻卡车架的CAD模型

由于UG软件与HyperWorks软件有着良好的接口，故本文分析所用的轻卡车架的三维模型由UG进行建立，建立好的三维CAD模型图1所示：

图2 车架CAD模型

图3 车架有限元模型

5 车架的有限元模型

由于车架纵梁上的小孔只影响纵梁上的局部刚度，而对整个车架的计算精度影响较小，因此在有限元建模过程中，为方便网格划分，减少畸异形网格，缩短计算机运算时间，可以对模型进行简化处理，比如忽略半径 5mm以下的孔，仅保留有影响的大孔，同时去除过渡圆角等结构，最后铆接、螺接等结构采用RBE2及BEAM单元进行简化处理。

为减少工作量及网格划分时间，可将 CAD模型导出为IGS格式，通过HyperWorks软件的BatchMesher模块对车架各纵梁及横梁进行网格划分，再对质量不合格的网格进行必要的处理。然后在 HyperMesh-Nastran模块中根据纵梁、横梁实际情况进行材料、属性的添加工作，最后再利用 REB2及BEAM单元进行链接，最终得到车架总成有限元模型，该模型共有82109个节点，77369个单元，如图2所示。

接下来需要对车架各横梁、纵梁等添加好材料、属性等项目，车架所用钢板材料、属性如下表：

表1

待以上工作完成后，在 Analysis面板创建载荷边界条件，然后勾选自己想要输出的项目，最后导出BDF文件，再用Nastran求解器进行求解计算，结果如下所示：

图4 车架1到6阶频率

得到车架1到6阶频率依次为：8.19Hz、19.6Hz、25.7Hz、37.1Hz、48.5Hz、56.8Hz，各阶频率分别代表一阶扭转、一阶横弯、一阶竖弯、二阶扭转、二阶横弯、二阶竖弯及局部模态。

6 结论

载货车车架是动力总成、底盘各部件以及车身总成的安装基础，工作时需要承受扭转、弯曲、剪切等多种载荷工况，车架应具备足够的抗弯刚度和适度的扭转刚度，以保证车辆对路面的适应性。同时车架在受到外界激励时会产生振动，当外界的激振频率与系统的固有频率接近时，将产生共振，共振现象不仅影响车辆的舒适性，还会导致部件的早期疲劳失效。因此，合理的车架模态设计对提高整车的可靠性、舒适性具有十分重要的意义。

1）在（1～60）Hz频带内，车架具有6阶模态，车架模态较为分散，同时从频率与阶次的递增中可以看出，车架模态频率变化平缓，没有突变现象发生；

2）一般由路面不平引起的激励频率为（1～20）Hz，该轻型载货车车架的一阶垂向弯曲模态频率25.7Hz，在垂直方向避开了这个范围，避免由路面而引起的较大幅度的车架共振现象产生；

3）载货车前、后悬架偏频一般为（2～4.5）Hz，而该车架的一阶弹性模态频率为8.19Hz，表明该车架结构能够避开悬架系统的固有频率；

4）车身部分固有频率一般为（10～15）Hz，而该车架的一阶扭转和一阶横向弯曲模态正好避开了该频段，不会引起车身较大幅度的振动；

5）该载货车发动机怠速时转速在（750～850）r/min，怠速频率在（27～30）Hz之间，一阶垂向弯曲能够避开该频段。

综合以上分析，本文所研究的载货车车架各横梁布置得当，固有频率过渡平缓，能够很好的避开动力总成、路面等传递过来的频率段，不会引起车辆的共振现象，从而提高了车辆的平顺性、可靠性能。且经过实车测试，并无不良震动现象发生，从而大大缩短了产品开发周期，为后续产品开发、结构改进等提供了有力的理论依据。

[1] 余志生.汽车理论[M].机械工业出版社.

[2] 卢立富,岳玲.基于 HyperMesh的车架结构模态分析[J].计算机工程应用技术.

[3] 张润生,侯炜.车架刚度及强度的有限元分析[J].

[4] 阮君.某轻卡车架结构性能分析及拓扑优化[J].汽车科技.

[5] 高文杰.某轻型卡车车架有限元模态分析[J].机械工程与自动化.

Finite element mode analysis of a light truck frame

Yang Zongbao, Xiao Lulu, Yang Pan
( Jianghuai automobile co., LTD. Light card r&d department, Anhui Hefei 230601 )

The frame is the main load system of the light truck, and most parts of the vehicle (such as power assembly, cab,container, front and rear bridge, etc.) are directly connected with the frame. Because the frame system is complex, it is impossible to calculate the frame accurately by traditional calculation method. In recent years, with the rapid development of the finite element method, simulation analysis of the modal frame can be used in computer, design and modal analysis overcomes the limitations of static methods, emphasize from the overall consideration of the frame structure in the vehicle,considering the factors of vibration check. In order to understand whether the vibration characteristics of the frame meet the needs of the vehicle, in order to avoid the resonance caused by improper layout, and then provide a strong theoretical basis for the subsequent frame design.

Taking a light truck frame as the research object, using the finite element HyperMesh module in HyperWorks software to establish the model of the frame, and using MSC.Nastran solver free modal analysis of the frame, get the natural frequency and vibration mode of the frame, thus the vibration characteristic of the frame to make assessment.

Frame; Mode; Resonance; HyperMesh

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-108-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.038

杨宗宝，就职于江淮汽车股份有限公司。