輕型卡車車架模態(tài)分析與測(cè)試研究

丁芳 張代勝 張翼

摘要：建立了某輕型卡車車架有限元模型，計(jì)算了車架的振動(dòng)模態(tài)，得到模態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行車架模態(tài)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，得到車架的十階模態(tài)頻率和振型。通過比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法得出的模態(tài)參數(shù)比較一致，表明所建立的有限元模型能夠很好的反映原結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。通過模態(tài)分析確定了該車架結(jié)構(gòu)的可靠性，為車架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車架；有限元；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U463.32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）02-0056-04

Testing Research and Modal Analysis of Light Truck Frame

DING Fang，ZHANG Dai-sheng，ZHANG Yi

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract: This paper created a light truck frame finite element model to calculate the frame of the vibration mode and get modal parameters. And tested the modal frame，through the test data collection，processing and analysis，get the ten bands modal frequencies and mode shapes.By comparison，both methods found the modal parameters obtained more consistent，which show that established finite element model can reflect the good original structure vibration characteristics.Through the modal analysis to determine the reliability of the frame structure for improved frame structure provides a theoretical basis.

Key words: frame；finite element；model analysis

車架是汽車的承載基體，承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身及其他總成和專用設(shè)施的安裝基礎(chǔ)和關(guān)鍵承載部件。因此，車架工作時(shí)要承受扭矩、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪切力，同時(shí)受到來自路面和車橋的激振而產(chǎn)生振動(dòng)，設(shè)計(jì)中除了要有足夠的強(qiáng)度、足夠的抗彎剛度和合適的扭轉(zhuǎn)剛度保證汽車對(duì)不平路面的適應(yīng)外，合理的振動(dòng)特性也非常重要，以避免某些部件因共振致早期損壞，從而縮短使用壽命［1］。同時(shí)車架與懸架的結(jié)合，車架與車身的動(dòng)態(tài)特性匹配都需要用模態(tài)分析方法獲取車架動(dòng)態(tài)參數(shù)。

1 車架有限元模型建立及分析

1.1 動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

根據(jù)振動(dòng)理論，多自由度系統(tǒng)以某個(gè)固有頻率振動(dòng)時(shí)所呈現(xiàn)出的振動(dòng)形態(tài)稱為模態(tài)［2］。模態(tài)分析是動(dòng)態(tài)分析的重要內(nèi)容，進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，首先要求出各階固有頻率，并進(jìn)行各階振型識(shí)別。

車架結(jié)構(gòu)是一個(gè)n自由度的線性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：

Mu″＋Cu′+Ku=P（t）（1）

式中：M、C和K為與u相對(duì)應(yīng)的阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣和剛度矩陣；u′，u″分別為速度列陣和加速度列陣；P（t）為作用力向量。

對(duì)于無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，方程變?yōu)椋?/p>

Mu″+Ku=0（2）

自由振動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，各結(jié)點(diǎn)位移為：

u=fei?棕t（3）

式中： f 為系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)振幅列陣。

由（2）式、（3）式，可得：

（K-?棕2M）f=0（4）

求出方程（4）的特征值?棕2和特征向量f，即可求得系統(tǒng)的固有頻率和固有振型。

1.2 有限元模型建立

分析的車架模型是由UG建立的三維實(shí)體幾何模型，將其導(dǎo)入Hyperworks中，對(duì)其進(jìn)行中性面抽取和網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行幾何清理和修復(fù)、補(bǔ)面、消除錯(cuò)位和小孔，壓縮相鄰曲面之間的邊界，消除不必要細(xì)節(jié)，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量［３］。由于車架結(jié)構(gòu)主要是薄壁金屬件，單元類型以四邊形殼單元為主，而三角形單元比四邊形單元?jiǎng)偠却螅瑥挠?jì)算精度方面考慮，故要嚴(yán)格控制三角形單元的個(gè)數(shù)（整個(gè)模型最好小于10%，最多不超過15%）［４］。模型共有91 045個(gè)節(jié)點(diǎn)，87 398個(gè)網(wǎng)格單元。整個(gè)車架的有限元模型如圖1所示。

1.3 模態(tài)計(jì)算分析

模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。一般而言，低階振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響較大，低階振型決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)合該車實(shí)際情況分析車架前10階模態(tài)［5］。其模態(tài)分析的固有頻率及對(duì)應(yīng)振型如圖2所示。

2 模態(tài)試驗(yàn)

2.1 激振點(diǎn)選擇

車架模態(tài)測(cè)試采用自由模態(tài)方式，用四根橡皮繩將其懸掛在模態(tài)試驗(yàn)專用吊架上，使車身處于自由狀態(tài)，整個(gè)懸掛系統(tǒng)固有頻率低于1 Hz。激振點(diǎn)一般選在剛度大的車頭或車尾位置，激振器與車身緊密連接。此車架激振點(diǎn)選擇在車架前橫梁一處（垂向）和車身右縱梁一處（橫向）。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置原則為外力作用點(diǎn)、重要響應(yīng)點(diǎn)、部件或結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點(diǎn)等位置一般都選為測(cè)點(diǎn)［6］，所布測(cè)點(diǎn)連線應(yīng)能顯示車架形狀，共布置了67個(gè)測(cè)點(diǎn)，較好地定義了車架輪廓形狀。橫梁中心處布置了7個(gè)測(cè)點(diǎn)，左右縱梁分別在上表面和測(cè)面布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)，即在縱梁上布置60個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

此次試驗(yàn)采用雙點(diǎn)激振，激振信號(hào)采用正弦掃頻，掃頻范圍為0~200 Hz，掃頻速度為0.2 Hz/s，一次掃頻時(shí)間約半小時(shí)左右。圖4為雙點(diǎn)激振和傳感器布置圖。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

模態(tài)頻率試驗(yàn)值與計(jì)算值比較如表1所示。各階振型如圖5所示。

由表1可以看出，車架固有頻率的試驗(yàn)值和計(jì)算值比較接近，反映所建立的車架有限元模型是較為準(zhǔn)確的。

通過試驗(yàn)與計(jì)算得出車架頻率及振型，初步分析，得出：

（1）該車架的基頻為5.91 Hz，表現(xiàn)為整體一階扭轉(zhuǎn)，一階側(cè)向彎曲頻率為17.30 Hz，該車的彎曲頻率較低，反映在該車的彎曲剛度有待加強(qiáng)。

（2）來自路面的低頻激勵(lì)頻率一般為 1~20 Hz，該車架一階垂向彎曲頻率為29.59 Hz，避開了低頻激勵(lì)范圍，從而避免了路面引起的車架共振產(chǎn)生。

（3）車身部分固有頻率為10~15 Hz，該車架一階扭轉(zhuǎn)及彎曲頻率不在此范圍內(nèi)，從而避免了車身較大幅度的振動(dòng)。

（4）高階扭轉(zhuǎn)與彎曲振型混雜在一起，表現(xiàn)為既有整體振型又有局部振型，或單獨(dú)或共同出現(xiàn)。局部模態(tài)分布呈現(xiàn)出前部強(qiáng)、中后部弱的態(tài)勢(shì)。建議車架后端加裝一橫梁，以加強(qiáng)尾部的彎曲剛度和改善振動(dòng)特性。

3 結(jié)論

（1）通過模態(tài)試驗(yàn)分析得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，采用分析與實(shí)驗(yàn)方法得出某型卡車車架模態(tài)參數(shù)，為車架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)建立了基礎(chǔ)。車架設(shè)計(jì)需要結(jié)合懸架及車身設(shè)計(jì)，共同制定好結(jié)構(gòu)匹配原則，進(jìn)一步優(yōu)化車架動(dòng)態(tài)特性［6］。通過模態(tài)分析，驗(yàn)證了該車架模型避開了隨機(jī)路面的激勵(lì)振動(dòng)頻率，一階扭轉(zhuǎn)及彎曲頻率避開了車身固有頻率，符合車架的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性條件，滿足車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

（2）由縱梁上表面和橫梁中心的數(shù)據(jù)分析模態(tài)，得出該車彎曲剛度有待加強(qiáng)，建議車架后端加裝橫梁，從而改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 尹俊輝，韋志林，沈光烈. 貨車車架的有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22（11）:26-28.

［2］ 蘆偉. 重型載貨汽車車架模態(tài)分析［J］.汽車科技，2009，05:19.

［3］ 馮國勝. 汽車車架動(dòng)特性分析及應(yīng)用［J］.汽車技術(shù)，1994（8）：9-12.

［4］ 曹樹謙，張文德，蕭龍翔. 振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2001.

［5］ 熊永華，杜發(fā)榮，高峰，等. 輕型載貨汽車車架動(dòng)態(tài)特性分析與研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，24（4）:32-35.

［6］ 張盛蘭，嚴(yán) 飛.基于Hyperworks的車架模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005，（4）：10-11.

［7］ 梁 冠. 輕型客車車架模態(tài)分析［J］. 內(nèi)江科技，2008，29（2）：116.