某纯电动轻卡车架模态分析与优化设计

谭喜峰 宁源源 蹇隆光 陈琳

摘 要：文章采用有限元分析软件 Hypermesh对某纯电动轻卡车架进行分析与优化。建立车架有限元模型并求解前六阶模态振型，结合车架动态特性开展车架结构参数优化，改进后车架模态频率变化平缓，避免了车辆行驶中的共振。最后对比车架台架试验数据与CAE仿真分析结果，验证有限元分析的可靠性，为后续车架结构的改进、优化设计提供了参考。

关键词：纯电动轻卡;铝合金车架;Hypermesh;模态分析

中图分类号：U469.7  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）17-14-03

Modal analysis and optimal design of a pure electric light truck frame

Tan Xifeng， Ning Yuanyuan， Jian Longguang， Chen Lin

（ Technology Center， Shaanxi Automobile Group Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： The finite element analysis software Hypermesh was used to analyze and optimize a pure electric light truck frame. The finite element model of the frame is established and the first six modes of mode shapes are solved. The structural parameters of the frame are optimized based on the dynamic characteristics of the frame. After the improvement， the modal frequency of the frame changes gently and the resonance during the vehicle is avoided. Finally， the test data of the frame and the CAE simulation analysis results are compared to verify the reliability of the finite element analysis， which provides a reference for the subsequent improvement and optimization of the frame structure.

Keywords： Electric light truck; Aluminum frame; Hypermesh; Modal analysis

CLC NO.： U469.7  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）17-14-03

1 前言

节能减排是目前世界发展的重要主题，新能源汽车由于低排放、无污染，能有效缓解由机动车造成的空气污染，成为汽车工业未来发展的趋势。车架作为纯电动车汽车最为重要的承载基体，一方面车辆各分总成依靠车架相互连接并保持相对正确位置;另一方面承受着车辆在行驶过程中遭遇的各类别的复杂载荷[1]。车架结构的性能参数直接影响着汽车的性能和质量，设计时不仅要考虑车架的刚度和强度，还需要保证车架具备良好的动态特性。

车架动态特性分析一个重要的方法就是模态分析。借助于模态分析，确定车架系统各阶振型及固有频率，从而在车架设计阶段对车架进行分析及优化，避免车辆在行驶过程中动载荷频率接近系统部件的一阶固有频率，产生共振。本文基于Hypermesh软件对某纯电动轻卡车架进行模态分析，依据分析结果对车架结构改进，对比设计前后车架的动态特性，给出了车架结构优化的指导性意见。

2 有限元模型建立及求解

为实现整车轻量化设计，设计一款商用车轻卡专用铝合金车架，车架为边梁式结构。车架纵梁采用宽度相等的等截面型材，挤压成型，厚度为8mm;横梁截面采用“工”字型设计，宽80mm，厚6mm，纵横梁之间采用厚度为6mm的槽型衬板连接，通过铆钉或螺栓的链接方式组成刚性构架。车架总长为5669mm，总宽为800mm，总质量为120kg。

2.1 几何前处理

几何前处理是有限元数值模拟分析中至关重要的一步，直接影响着后续数值计算分析结果的准确性[2]。首先将建立好的车架几何模型导入到Hypermesh 软件中，进行几何清理，忽略车架中某些较小的螺栓孔、工艺孔和影响很小的细小结构，合并自由边、修补缺失面。几何清理后对车架进行中面提取并进行修改、裁剪，进行网格划分。车架系统采用2D壳单元，单元尺寸为10mm，为四边形网格，网格划分完毕后选择CWeld单元模拟车架的铆接，车架网格数为64890，网格划分后的车架有限元模型如图1所示。

网格划分完毕后，对车架系统赋予相应的材料参数。本次分析中车架横梁及纵梁采用7075铝合金，板簧支座材料为QT500，具体的材料特性参数如下表1。

2.2 车架模态分析

有限元模型建立好之后，需要对载荷及边界条件进行处理。本文研究的是车架的自由频率及振型，只需要完成对车架设置固定约束就可以进行求解计算。載货车车架是一个多自由度的振动模型，其低阶弹性模态决定车身骨架的动态特性，本文主要分析车架前六阶（不含刚体模态）固有频率（Hz）及其固有振型，具体计算结果如图2。

分析可知，轻卡前六阶的模态振型主要为车架的扭转和弯曲，1至6阶的频率依次为4.85 Hz、17.44Hz、18.34Hz、24.28Hz、25.31Hz、34.76Hz。一阶模态为沿X方向的扭转;二阶模态为沿Z向的弯曲;三阶模态为沿Y向的弯曲;四阶模态为沿X方向的二阶扭转;五阶模态为沿Y向的二阶弯曲;六阶模态为复合模态。

3 参数优化及台架试验

3.1 车架优化设计

车架结构的固有频率越低，越容易被外界激励起来，因此车架的低阶模态十分重要。纯电动轻卡运营工况主要是城市路面，其对应的路面激励频率一般在1Hz～3Hz之间，该车架模态振型避开了此区间。考虑到轻卡前、后悬架偏频一般为2～4.5Hz[3]，而该车架的一阶弹性模态频率为4.85 Hz，与后悬架偏频接近，容易产生共振。

结合模态理论及实验数据，一般来讲，增加约束有利于提高一阶固有频率，进行结构设计时，结构的材料分布尽量靠近约束位置，可以提高结构的动态特性。结合CAE分析结果对车架结构参数优化，考虑到车架上翼面会搭装上装，故去除上翼面的连接孔，增加横梁连接板的X方向尺寸及Y向尺寸，车架横梁与连接板连接孔位增加两个，具体如图3所示。

3.2 优化后车架模态分析

对结构优化后的车架进行模态分析，优化后车架模态振型如图4所示。

1至6阶的模态依次为6.13 Hz、18.4Hz、21.9Hz、26Hz、32.3Hz、37.3Hz，车架模态频率变化平缓，没有突变现象发生，自由模态第一阶模态大于5 Hz，避开悬架系统的固有频率。

3.3 车架台架试验

优化后的车架需要进行道路试验和台架试验进行验证，以保证其能够达到相应的设计要求。考虑到整车试验需要较长的时间，浪费人力物力，利用台架试验方法对车架进行验证不仅缩短开发和验证时间，而且节约成本，为新型车架的研制和改进提供了科学的有效途径[4]。本文对结构优化后的车架进行台架试验，验证车架动态性能是否满足行驶工况需求，车架台架试验如图5所示。

试验前，检查车架紧固状态，确保试验车架及附件的紧固件装配数量、形式与装配要求一致。检查完成后，开展模态分析。模态分析需使车架处于“自由”边界条件[5]，用柔软的橡胶绳或弹性绳将车架悬挂在于吊架水平位置或将其置于弹性基础上，车架支撑尽量柔软。悬吊试件的连接点选择处于或接近于所关心模态的节点处，采用力锤激励，多次试验去平均值。

将优化后车架的仿真数据与台架试验进行对比验证，CAE仿真试验模态特征基本与台架试验一致，车架模态频率

变化平缓，避免了车辆行驶中的共振，具体的车架动态特性如表2所示。

4 结论

本文以某纯电动轻卡车架为研究对象，应用HyperMesh软件建立车架有限元模型并对车架前六阶模态振型求解分析。根据模态分析结果对车架进行结构优化，对改进的车架进行有限元分析及试验，有限元及试验表明改进后的车架能够很好避开前、后悬架偏频、路面等传递的频率段，车辆行驶中不会引起共振，提高了车辆的平顺性、可靠性能。通过CAE分析与台架试验联合设计，有效缩短了产品开发周期，本文的结构优化方法也为其他车型车架动态特性改进、优化设计提供了参考。

参考文献

[1] 盛建，戴作强，张铁柱.纯电动客车车架结构模态分析与优化设计[J].制造业自动化，2015（8）：44-47.

[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（09）：9-13.

[3] 杨宗宝，肖路路，杨潘.某轻型载货车车架有限元模态分析[J].汽车实用技术，2017（20）：108-110.

[4] 李鹏，谭志军，倪成琳.基于台架试验的重型商用车车架研究[J].四川兵工学报，2014（7）：64-66.

[5] 曲偉.某中型客车车架动态性能分析与结构优化[D].吉林：吉林大学，2014.