轻型客车结构模态分析及方法比较

摘要：轻型客车是用于山区的乡村公路营运客车的常见结构形式。对某款轻型客车建立车身骨架有限元模型，采用Block Lanczos法进行模态分析，采用分析评价法进行评价，得出该车的动态性能良好。比较梁单元模型与壳单元模型的计算结果得出，两种方法计算的前10阶振型不完全一致，梁单元模型计算得出的固有频率比壳单元模型的高，而主要振型产生较大误差，故不宜采用。

Abstract： Light buses are a common structural form used for rural buses in mountainous areas. A finite element model of the body frame of a light bus was established， the Block Lanczos method was used for modal analysis， and the analysis evaluation method was used for evaluation. It is concluded that the bus has good dynamic performance. Comparing the calculation results of the beam element model and the shell element model， it is found that the first 10 modes calculated by the two methods are not completely consistent. The natural frequency calculated by the beam element model is higher than that of the shell element model， and the main mode shapes are relatively higher. It is not suitable for large errors.

关键词：轻型客车;乡村公路营运客车;模态分析;有限元法

Key words： light bus;rural bus;modal analysis;finite element method

中图分类号：U463.66                                文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0060-03

0  引言

乡村公路营运客车（以下简称乡村客车）是在三级及三级以下公路上进行经营性道路旅客运输的[1]，设计制造时常以轻型客车为结构基础，进行改进及优化。由于其运行道路条件较为复杂，乡村客车在行驶过程中，车身结构会受到多种激振。因此，在设计乡村客车时，有必要对车身结构进行动态分析，以避免客车产生共振，减少噪声，提高舒适性和疲劳寿命。

傅强等对大客车整车进行了模态综合分析，并对部分结构模态进行了实验验证，分析了整车模态动态特性，以此为据提出结构设计的评价原则[2]。

沈浩等对大客车车身结构进行了模态分析和评价，认为以板簧结构为主要形式的客车，其车身自由边界模态分析结果可直接应用于车身动强度评价。并认为若能够用梁单元模拟结构，则可以不用板壳单元模拟。该文还论述了评价方法[3]。

多篇论文对客车进行过模态分析[4-8]，但是这些论文都以城市客车而不是乡村客车结构作为研究对象。尚未见到乡村客车动态分析的论述，本文将就乡村客车车身结构进行模态分析。

1  研究对象

本文以我省生产的某款6米乡村客车为研究对象，该车是在某款轻型客车基础上，按要求设计制造的，如图1。该客车主要用于山区农村营运，采用四缸柴油发动机前置，后轮驱动，钢板弹簧悬架，半承载式车身结构。车身骨架大部分采用型钢焊接而成，其中绝大部分是閉口矩形钢管。

2  方法

计算使用ANYSYS软件。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。用UG建立三维实体模型，导入ANSYS中，经处理后转化为有限元模型。

车身结构建模时坐标的定义如下：前轴中心线为X向基准，车尾方向为正;车体纵向中心线为Y向基准，朝车体前进方向，右向为正;车架上平面为Z向基准，向上为正。

在建立该车的有限元模型时，做了如下简化：

①忽略车身蒙皮对骨架总体结构强度和刚度的加强作用，从而使计算结构偏安全。

②忽略某些对车身结构变形和应力分布影响较小的非承载件和装饰件，如：安装固定板等。

③不考虑构件连接的焊缝，将其简化为刚性连接。

④对于梁单元模型，将一些曲率较小的构件近似的看作由直梁组成，即“以直代曲”。两个相近的交点，可简化为一个节点。

采用SHELL63壳单元和Beam4梁单元，对该车骨架建立两种有限元模型。采用壳单元时，将车身结构离散化为196558个壳单元，195250个节点，如图2所示。为了探讨梁单元模型的适用性，采用Beam4梁单元，将车身结构离散化为1551个单元，1953个节点，共用19组不同截面参数的梁单元来模拟骨架杆件和底架。壳单元模型能全面的反映结构的应力分布状况，特别是杆件接头的应力分布，梁单元模型便于模型修改，求解效率高，但是不能详细反映杆件接头的应力分布。

动态分析主要计算车身骨架的固有频率和振型。计算时，车身骨架处于自由振动状态，不施加任何约束和外载。

采用Block Lanczos法对车身骨架进行模态分析，并采用分析评价法对结果进行评价。分析评价参照如下原则：[2]

①车身结构的低阶频率，即整体一阶扭转和一阶弯曲频率的值，应避开车轮不平衡引起的振动频率和发动機频率，以避免发生整体共振的现象。

②车身骨架固有频率应尽可能避开发动机经常工作频率。

③车身骨架振型应尽可能光滑，避免突变。

3  计算结果

将车身结构前10阶振型图列于图3，为便于比较，将两种模型的同1阶振型图并列，其中左边为壳单元模型振型图，右边为梁单元模型振型图[9]。两种模型的前10阶刚体模态频率及振型特征见表1，主要振型见表2。

4  计算结果分析

4.1 动态性能分析

乡村客车行驶中所受激励主要来自路面、发动机、车轮不平衡重、传动轴不平衡等，其中路面、发动机的激励对车身动态性能影响最大[3]。针对该车的山区使用环境，其路面、发动机的激励频率范围分析如下：

①乡村客车的最大车速不大于70千米/小时[1]，设路面波长取为10米，可计算出路面激励在2Hz以下。

②发动机的怠速激振频率取决于怠速转速和气缸数目。该客车配置的是某型四缸柴油机，怠速稳定转速为1000-1200r/min，怠速激振频率的计算公式为：

式中r——怠速稳定转速;n——发动机缸数。

可算出该车发动机怠速激振频率在33.3-40Hz之间。

由表1可知，按壳单元模型算出的该车身结构低阶固有频率，一阶扭转固有频率为13.507Hz，一阶弯曲固有频率为19.256Hz，都避开了路面激励频率以及发动机激振频率，且振型无突变。因此，该车的动态性能良好。

4.2 梁单元模型与壳单元模型结果比较

将梁单元模型的计算结果与壳单元模型的进行比较。据图2和表1：

①梁单元模型计算得出的前10阶振型中，1、2、3、7、10阶振型与壳单元模型计算结果一致，其它阶振型则不同。②总体来说，振型相同时，梁单元模型计算得出的固有频率比壳单元模型的高，这是由于梁单元模型的节点刚度较大造成的。③从表2可知，梁单元模型计算得出的主要振型的固有频率，除整车一阶扭转相差较小外，整车二阶扭转和整车一阶弯曲的固有频率相差较大。所以，对乡村客车进行模态分析不宜采用梁单元模型。

5  结束语

对某6米乡村公路营运客车进行模态分析，并根据分析评价法，对该车的动态性能进行评价，得出结论：①该车的动态性能良好。②通过比较梁、壳单元模型计算结果。可知：梁单元计算的前10阶振型与壳单元的结果不完全一致。梁单元模型计算得出的固有频率比壳单元模型的高，主要振型产生较大误差，所以，对乡村客车进行模态分析不宜采用梁单元模型。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通运输部.JT/T 616-2016，乡村公路营运客车结构和性能通用要求[S].北京：人民交通出版社，2016，7.

[2]傅强，等.大客车整车模态综合分析及应用[J].汽车技术，1992，9.

[3]沈浩，陈昌明，雷雨成，姚晓冬.客车车身模态分析及评价[J].公路交通科技，2003，4.

[4]陈志勇，史文库，等.轻型客车车身车架整体结构有限元模态分析[J].振动与冲击，2010，10.

[5]顾响中.ZGT6739DS城市客车车身结构模态分析[J].客车技术与研究，2012，34（05）.

[6]姚春革.半承载式客车车身结构模态分析[J].机电信息，2020（33）：104-105.

[7]曾小兰，孙长存，周翔，余丽娜，程江.某纯电动客车模态分析[J].客车技术与研究，2020（1）：13-14.

[8]张亚飞.客车车身结构模态分析[J].汽车实用技术，2018（18）：74-75.

[9]梁霖锋.6米乡村公路营运客车车身结构分析[D].福州：福建农林大学，2009.