半挂车车架有限元仿真与模态分析

丁群燕

（武汉软件工程职业学院，北湖 武汉430205）

半挂车车架有限元仿真与模态分析

丁群燕

（武汉软件工程职业学院，北湖 武汉430205）

运用有限元法对半挂车车架进行了模态分析，得出结构各阶固有频率及振型，比较车架受到的外部激振频率，避免产生共振，造成车架被损坏的危险，评价了半挂车车架结构设计的合理性。

半挂车；模态分析；有限元

0 引言

半挂车车架是车辆载荷的主要承载部件，可靠性和稳定性决定半挂车能否正常安全行驶。同时半挂车车架承受着来自车辆全方位的不同激励，直接影响车辆的操控性能、舒适性能和安全性能。

上世纪五十年代，我国主要采用传统的经验和方法对车架进行设计和校验。这种方法对结构进行较大的简化，虽简单易行，但无法达到对车架进行优化的设计的目的。自60年代开始，国内外就开始运用有限元对车辆结构强度进行计算和分析。近几十年来，我国已经普遍应用有限元法对车辆结构进行优化设计研究，而作为车辆结构件中结构与载荷都很复杂的重要部件——车架，也是开展结构分析研究的对象[1]。利用模态分析，得到车架各阶固有频率、振型及车架的弯曲和扭转情况，可从设计上避免车架的共振现象。因此，在对半挂车车架进行静力分析，确保车架满足车辆结构的强度和刚度要求的前提下，应用有限元法进行半挂车车架模拟工况的仿真分析，能快速有效评价半挂车车架结构设计的合理性。

1 半挂车车架模型的建立

由于半挂车车架结构相对比较复杂，在半挂车车架进行静力分析过程中，大多采用Pro-e来建立半挂车车架的几何模型，然后导入到Hypermesh中进行网格划分，然后再把有限元模型导入到Ansys中进行分析计算以及后处理[2]。

本文采用壳单元SHELL63对半挂车车架结构进行离散，该单元为4节点24自由度，可以承受平面内载荷和法向载荷。半挂车车架材料选用Q 345（16Mn），弹性模量为E＝210 GPa；泊松比 μ＝0.3；密度ρ＝7.8e-6 kg/mm3.16Mn的屈服极限σs=360 MPa，根据文献[3]取安全系数k=1.4，车架许用应力[σ]＝ σs/k≈257 MPa，允许最大变形量为 5.421 mm.

2 固有频率和振型

固有频率和振型是表示振动系统特征的重要物理量，是进行车架动态结构设计必不可少的参数。模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）。进行模态分析可以使结构避免共振或以特定的频率振动，是进一步分析车架在各种动态激励下响应的基础。本文采用有限元分析软件Ansys中的Block Lanczos方法对车架进行有无约束状态下的模态分析，即自由模态分析。由于低阶振型对结构的动态特性影响大，因此只取前六阶模态。车架各阶固有频率及振型描述如表1所示。

表1 车架前六阶固有频率和振型

3 矿用半挂车车架模态分析

半挂车在行驶过程中，对车架的激励主要来自路面，由路面不平度引起的激励多在3 Hz以下。此外，货车满载时，前后悬架频率一般在1.52.17 Hz.该车架一阶固有频率为1.873 Hz，处于路面激励和悬架频率之内，容易引起结构共振。因此，应采取措施提高一阶固有频率。例如适当增大主纵梁腹板厚度，在边梁和主纵梁之间增加斜支撑等。从振型分布来看，车架前端和后端刚度较薄弱，易产生疲劳损伤，有待改进。各阶振型动画图连续圆滑且振动相对较小，低阶振型分布没有出现明显的局部扭转和弯曲振型，没有振型突变点，不会产生应力突变。各阶振型图如图1～图6所示。

图1 第1阶振型图

图2 第2阶振型图

图3 第3阶振型图

图4 第4阶振型图

图5 第5阶振型图

图6 第6阶振型图

4 结论

本文利用有限元法对对矿用半挂车车架进行了无约束状态下的理论模态分析，得出前六阶结构固有频率和振型。模态计算结果分析为车架的动态响应分析提供了重要的模态参数，指出了结构设计的不合理性，为改进结构设计提供了理论依据，并为深入研究振动和噪声等问题提供了参考。

[1]廖世业，夏绪辉，冯 勋.基于HyperMesh的运输车车架有限元分析[J].制造业自动化，2014，36（11）：37-40.

[2]丁群燕.半挂车车架有限元仿真与静力分析[J].装备制造技术，2017，273（09）：22-24.

[3]康 健.基于ANSYS的液压支架360双伸缩立柱有限元分析 [J].煤炭技术，2014，33（09）：218-220.

Finite Element Simulation And Modal-Analysis of Semi-trailerFrame

DING Qun-yan
（Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan Hubei 430205，China）

Using the finite element method of semi-trailer frame modal analysis is carried out to get the natural frequency and vibration mode of the frame，comparing the external excitation frequency to avoid resonance，the dangerous frame was damaged，to evaluate the rationality of semi-trailer frame structure design.

semi-trailer；modalanalysis；finite element

U463.32

A

1672-545X（2017）10-0028-02

2017-07-01

丁群燕（1975-），女，湖北麻城人，副教授，硕士，主要从事机电产品技术研究。