基于有限元的某车架优化分析

王 浩

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于有限元的某车架优化分析

王 浩

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在整车开发过程中，路试与车架试验反映其动态特性及与底盘和车身匹配方面所存在的问题。为此，基于有限元模型为研究对象，进行车架动态特性的分析设计，以期提出相关改进设计方案。主要通过建立准确的有限元模型为基础，之后通过模型的简化，几何模型的建立，单元类型的选择，网格划分，部件的连接关系等详细结合设计参数进行设定。最后通过车架模态试验，调整和修正了车架模型，使其与试验结果基本一致。以此为基础，开展相关设计方案的计算论证工作。文章主要通过车架结构参数对车架动态特性（频率与振型）的影响进行分析。

有限元；车架；优化分析

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-118-03

1 模型建立

1.1 建模流程

本文建模与仿真分析是在Hyperworks中完成的，Hyper-works作为有限元分析软件之一，具有较强的前后处理技术，提高了有限元分析的效率。运用Hyperworks建立有限元模型的基本流程如下图1所示。

1.2 建模原则

建立有限元模型受到很多因素的影响，虽有一般规律可循，但在运用时要注意灵活性，以下从多个角度说明模型简化涉及到的相关问题。

影响有限元模型的主要因素如下：

（1）结构的重要性——对重要的结构应采用比较精确的模型。

（2）设计阶段——在概念设计阶段或初步设计阶段可以使用相对粗糙的模型在详细设计阶段再使用比较精细的模型。

（3）计算问题的性质——对结构做静力计算时，要使用比较复杂的模型，对结构作动力计算时，可以使用相对简单的模型。

（4）计算机配置——使用的计算机性能愈好，采用的模型就可以愈精细。网格划分愈多，对计算机性能要求愈高。

从另一角度讲，考虑到模型的经济性与可行性，应遵循以下原则：

（1）结构的简化应确保不使受力状态失真，最大限度地保留零部件的主要力学特征；

（2）选用的单元及网格划分应能保证计算精度；

（3）模型的规模在计算机资源限度范围内并尽量减少计算时间；

（4）计算的结果要经得起检验并能与计算参数相匹配。

图1 Hyperworks建立有限元模型的基本流程

在进行网格划分时，单元由三角形单元和四边形单元组成，三角形网格的数目占总网格数目的比例低于10%。网格划分严格按照相关网格质量标准执行。表1为对车架网格划分所采用的划分单元质量标准。

表1 车架网格划分单元质量标准

参数主要有弹性模量E=2.1E5MPa，泊松比Nu=0.3，密度RHO=7.9E-9t/mm3。最终建立的车架有限元模型如图2所示，SHELL63单元总数为85400个，其中三角形单元2016个，四边形单元79285个，三角形单元数目占单元总数的2.4%。

图2 车架有限元模型

1.3 模型验证

1.3.1 有限元模型质量验算

BEST车架经实际称重为269kg，而计算模型质量为248kg。考虑到车架焊缝的质量、纵横梁连接板及车架部分结构特征没有计入模型中，所建模型质量误差是处在许可范围之内的。为了更准确反映质量参数对模态参数的影响，对车架材料密度进行修改，使其模型质量与车架的实际质量一致，修订后材料的密度为8.68E-9t/mm3。基于研究对象的车辆增加测点，对其频率特性进行测试如下：

图3 试验仪器设备

图4

1.3.2 模态分析

对所建立的车架有限元模型进行模态分析，并将车架模态试验结果一并列入表2中。

表2 试验模态与计算模态对比

计算模态和试验模态基本一致，前10阶频率误差皆小于5%。该有限元模型是进一步分析的基础。

2 分析优化

参考相关文献基础上对模型进行了多种方案的仿真分析，得到纵梁的开口与否对车架的模态频率有较大的影响。以此为依据，提出了对该车架结构进行改进的具体方案，而由于考虑到车架上附件的安装，在第四根横梁封闭的基础上，提出以下几种封闭横梁的方案，如图5至图8所示。

图5 改进方案1—前端封闭

图6 改进方案2—中间封闭

图7 改进方案3—前端和中间全封闭

图8 改进方案4—前端与中间前部封闭

经过仿真分析，各方案的模态频率和振型如下表所示：

表3 各方案下车架前六阶频率和振型

随着各梁的封闭，车架的固有频率逐渐提高，各横梁和纵梁均封闭时，车架的一阶弯曲频率和一阶扭转频率为最大。从上述数据分析比较可以看出，纵梁中段封闭以后，车架的一阶扭转频率变化较大。因此，采用车架纵梁中段加强方式可以有效地提高车架的一阶扭转频率。根据仿真结果可以看出车架纵梁中间部分前半段封闭以后，车架的模态频率有较大变化，而且前端加强板对车架的模态频率影响较大。当前端和中间段均封闭时，车架的前两阶振型发生了翻转，具体就是从一阶扭转变化为一阶弯曲，而且二者的频率值已经非常接近，这对整车的舒适性是很不利的。综合可知，纵梁中段内板的添加可以有效提高车架的一阶、二阶频率并实现频率的转换。

使车身产生振动的激振源主要包括:车轮不平衡引起的振动、发动机在怠速和一般车速下的爆发振动、以及传动轴不平衡引起的振动等。因此研究车身骨架动态特性的目的在于优化结构来控制车架的模态分布，应尽量使其模态频率错开载荷的激振频率，以避免引起共振。该车的基本模态包括整车的弯曲、扭转、弯扭组合以及顶盖局部振动和后轮罩的局部振动等几种形式。根据相关的研究结果，当车速在80km/h左右时，由车轮不平衡所引起的激振频率一般低于11Hz；怠速情况下客车发动机在750r/min时的激振频率约为35Hz；当车速为50-80km/h时，传动轴的振动频率约为33-68Hz。因此，对于车身骨架，应使一阶固有频率控制在13Hz-35Hz的范围内，同时，为了使一阶弯曲频率和一阶扭转频率不产生耦合，应使一阶弯曲和一阶扭转的频率值错开3Hz以上。分析所得的车身骨架固有频率较低,因此易于受路面与发动机激励的影响，要使车身与悬架相匹配，改进发动机悬置的设计，使之合理化，来减小振动。

3 结论

本文基于车架模态试验结果，通过调整和修正有限元模型，论证了所建有限元模型的正确性。采用新建车架研究模型，分析研究了车架结构尺寸对车架模态参数的影响，并以此为基础对改进后的车架模型进行了模态分析和对比，分析结论与研究模型一致。计算结果表明，纵梁中段内板的添加可以有效提高车架的一阶、二阶频率并实现频率的转换。分析与实际期望的车架模态参数尚有一定差距，还可以考虑将车架纵梁厚度由5mm改为4～4.5mm，进一步降低车架质量，在实现轻量化的前提下，提高车架相关模态参数，这对以后的优化提供了一定的研究方向。

[1] 王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2004:174-217.

[2] 王平,郑松林,吴光强. 基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计[J].机械工程学报,2011,2(47):102-108.

[3] 谢军.汽车车身有限元建模与动力学分析——轻型汽车车身动态优化设计[D],东南大学博士学位论文.1999.

[4] 黄成刚.EQl030T白车身体结构有限元分析[D],武汉科技大学硕士学位论文.1999,4.

[5] 傅志方.振动模态分析与参数识别[M].北京机械工业出版社,1990.

[6] 王动成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].清华大学出版社.2001.

[7] 朱清君.客车车身结构有限元分析[D],合肥工业大学硕士学位论文,2010,3.

[7] 单辉祖.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1999:238,240.

[8] 孙凌玉,朱壮瑞,陈南等.汽车车身钣金件点焊连接界面特性与建模[J].汽车工程:22(1),2000:69-72.

[9] 汪新伟.客车车身骨架静动态特性分析及轻量化设计[D],合肥工业大学硕士学位论文,2010,3.

Optimization analysis of a frame based on fem

Wang Hao
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In the process of vehicle development, road test and frame test reflect its dynamic characteristics and problems with the chassis and body matching. Therefore, based on the finite element model as the research object, the analysis and design of the dynamic characteristics of the frame are carried out, so as to propose the related improvement design scheme.Mainly through the establishment of an accurate finite element model, through model simplification, after the establishment of the geometric model, the selection of unit type, mesh division, in detail combined with the design parameters such as connection relation of setting. Finally, the frame model is adjusted and modified by frame mode test, which is consistent with the experimental results. Based on this, the calculation and demonstration of related design schemes are carried out. The influence of frame structure parameters on dynamic characteristics of frame (frequency and mode) is analyzed.

finite element; The frame; Optimization analysis

U463.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-118-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.040

王浩，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。