基于Workbench的某電動觀光車車架的模態分析

紀玉杰 靳 齊

（沈陽理工大學，沈陽 110159）

基于Workbench的某電動觀光車車架的模態分析

紀玉杰 靳 齊

（沈陽理工大學，沈陽 110159）

本文利用Creo5.0軟件，建立觀光車車架的三維實體模型，并利用ANSYS Workbench建立有限元模型對其進行自由模態分析，從而得到車架的固有頻率及振型，驗證觀光車車架結構的合理性，為車架的結構設計及優化提供依據。

觀光車車架 有限元 模態分析 固有頻率

車架作為車輛的承載體，支撐著動力、傳動、轉向、車身等，并承受來自車內外載荷，是整個觀光車的裝配基礎[1]。在正常的行駛中，車架會受到多種激勵的作用。當激勵頻率接近車架整體的固有頻率時，車架將會發生共振，不僅會加速車架損壞，還會降低乘坐舒適性。因此，車架不僅要滿足強度和剛度的要求，還應具有合理的動力學性能[2-4]。通過對車架進行模態分析，不僅可以分析車架的性能，還可以對其結構進行評價[5-8]。

K.AO.J.Niiyama等人利用靜力學分析的結果對車架進行設計，但沒有充分考慮車架的動態性能[9]；Krawczuk、Marek等人通過利用Shell單元將貨車車架離散化處理，對車架進行動態分析，但并未實現合理的車架結構優化[10]；錢立軍、吳道俊等通過MSC.Nastran軟件對車架進行了模態分析以預估車架的疲勞壽命，但分析過程中車架結構過于簡化，與實際情況有一定差別，且未充分考慮車架的材料性能對結果的影響[11]。

本文對新型材料A7NO1ST-5型高強度鋁合金構成的觀光車車架進行了模態分析，以期為新能源車輛車架的輕量化設計及結構優化提供了參考和依據。

1 模態分析理論

模態分析是確定結構或機械零部件的振動特性。它克服了靜態方法的局限性，強調從結構的整體考慮問題，且在性能校核中考慮了振動的因素。自由模態分析的實質是求解具有有限個自由度的無阻尼及無外載荷狀態下的運動方程的運動矢量。由振動學理論得系統的微分方程為[12]：

式中，M為質量矩陣；ü為加速度向量；C為阻尼矩陣；

u4為速度向量；K為剛度矩陣；u為位移向量。

對于無阻尼自由振動系統，其運動微分方程為：

式中，w2為特征值，即固有頻率的平方；μ為特征向量，即振型。

為了得到系統的模態參數，需求解特征方程的根ωi（i=1,2…,n），從而得到模態頻率及固有振型。

無阻尼振動系統的特征方程為：

2 車架三維實體模型的建立

本文所研究的觀光車應用于景區、廣場等公共場所，其承載人數相對較多，因此車架結構強度很重要。本車采用邊梁式車架，車架全長5.5m，寬為1.8m，最大高度為0.43m。應用Creo5.0對車架進行三維實體建模，車架模型如圖1所示。

圖1 車架三維實體模型

3 車架模態分析計算

本文中觀光車車架使用的材料為A7NO1ST-5型高強度鋁合金。它強度高，耐腐蝕性能好，通過常溫時效處理，焊接部分的強度能夠恢復到接近母材的強度。常用材料的性能，如表1所示。

表1 常用材料性能對比

3.1 車架有限元模型的建立

將車架的三維實體模型導入Workbench中，首先要設置單元屬性，如表1所示。A7NO1ST-5型高強度鋁合金的密度為2770kg/m-3，楊氏模量為69GPa，泊松比為0.3。

在有限元模型建立前，要對三維實體模型進行簡化。例如，局部倒角、工藝孔等，以避免因局部的小部位影響網格的劃分精度[13]。雖然增加網格的數量可以提高計算精度，但同時也會耗費更多的計算時間。因此，在劃分網格時要在保證計算精度的基礎上盡量減少單元數量。選擇以solid187實體單元為主的自動劃分法，網格的相關性設定為0～80。網格劃分完后，需要對網格質量進行檢查，看是否存在遺漏、重疊之處。自動劃分網格后，得到25355節點和18921個單元，有限元模型如圖2所示。

3.2 車架模態計算結果

車架的自由模態由車架本身的結構特性和材料屬性決定，與外部載荷條件等無關，不需要施加任何的邊界條件和載荷[14]。

圖2 車架有限元模型

由于觀光車在室外園區行駛中會受到來自路面、車輪不平整等各類激勵的影響，當這些頻率與車架固有頻率一致時，就會出現共振現象。因此，通過對車架進行模態分析，了解并分析車架結構的振動特點非常重要。車架是一個連續載體，具有無限的自由度，無需把所有的頻率振型均求解出來，僅需要正常情況下車架的振型即可，這里只提取前8階的模態結果。利用Workbench，采用Block Lanczos算法，對車架進行模態求解，得到車架前8階的固有頻率和振型，分別如表2、圖3所示。

表2 各階頻率及振型

圖3 車架各階模態振型圖

3.3 車架模態結果分析

由圖3可知，車架的前3階振型的主要特征為平動：一階固有頻率為0Hz，二階固有頻率為9.5425e-004Hz，三階固有頻率為2.1414e-003Hz。車架的第四階振型為彎曲變形，其固有頻率為3.2035Hz；車架的第五階振型為彎曲變形，其固有頻率為3.3211Hz；車架的第六階振型為扭轉變形，其固有頻率為5.5355Hz；車架的第七階振型為彎曲變形，其固有頻率為11.782Hz；車架的第八階振型為彎扭組合變形，其固有頻率為16.879Hz。

電動旅游觀光車行駛的路況大多是在城市及景區等比較平坦的路面。此類路面對車輛的外界激振頻率一般低于5Hz。正常情況下，車架的低階模態的固有頻率應該避免與電動車行駛時路面對電動車的激振頻率重合。通常，由于車輛行駛路面不平順而引起的運動學激勵大多屬于5～20Hz的垂直振動[15]。同樣，車架的高階模態的固有頻率不應該與電動車的驅動電機在運行綜合所產生的激振頻率重合，一般應用在觀光車上的電機的激振頻率在20～3000Hz。根據分析結果，車架的前3階模態的固有頻率都小于1Hz，車架的第8階模態固有頻率為16.879Hz，兩個條件均符合，該車架的結構大部分都符合要求。但是，車架的最前端和最后端相對整體變形較大，在設計結構應予以改進。

4 結語

本文利用Workbench對車架進行自由模態分析，得到了車架的前8階模態的振型和固有頻率。通過車架模態分析的結果，可以得到該車架能夠很好地滿足動態特性的基本要求，并且低階頻率遠離共振頻率帶，避免了共振現象的發生。通過對應用該材料的車架進行模態分析，得到的分析結果都符合要求，不僅為今后應用該型材料的車架結構動態特性的分析提供了參考，還為其他種類車輛的車架結構設計及材料的選擇提供了可靠依據。

[1]朱命怡，婁云，閆君杰，譚思云.電動旅游觀光車結構與設計[J].拖拉機與農用運輸車，2009，36（1）：113-114.

[2]王得剛，李朝峰，李鶴.基于HyperMesh的車身模態分析[J].機械制造，2008，46（6）：4-6.

[3]趙宇楠，司景萍，王二毛，萬方軍.基于ANSYS的礦用自卸車車架結構優化設計[J].煤礦機械，2014，（3）：18-21.

[4]萬明磊.基于ANSYS Workbench的電動城市客車車架輕量化研究[D].青島大學，2015

[5]Minglei Wan，Zuoqiang Dai，Hongxin Zhang.Finite Element Analysis on Hybrid city Bus Frame Based on ANSYS-Workbench14[C].Applied Mechanics and Materials，2014，（662）：214-219.

[6]汪偉，辛勇.車架有限元建模及模態分析[J].機械設計與制造，2009，（11）：53-54.

[7]鐘煥祥，唐勝男，姚玉麗.基于有限元法的副車架模態分析[J].汽車零部件，2014，（6）：49-51.

[8]何鵠環.永磁有刷直流電動機電磁振動與噪聲的分析[D].上海：上海交通大學，2012：64-100.

[9]Kazuo，Niiyama.Analysis of Torsional Stiffness Share Rate of Truck Frame[M].SAE Technical Paper Series，1991：18-21.

[10]Krawczuk M.Modal Analysis of the Low-pressure Frame of Steam Turbine[J].American Society of Mechanical Engineers，1995，（3）：275-287.

[11]錢立軍，吳道俊，祝安，定章適.基于模態應力恢復的車架疲勞壽命計算研究[J].中國機械工程，2011，（7）：780-784.

[12]吳海波，李晉，石磊磊.輕型貨車車架的有限元建模及模態分析[J].公路與汽運，2012，（4）：17-19.

[13]胡侃，戴作強，張鐵柱.某混合動力城市客車車架結構模態分析與優化[J].青島大學學報(工程技術版)，2016，（2）：95-100.

[14]萬國睿，琚立穎，龍海洋.多功能電動車車架靜態及模態分析[J].機械工程與自動化，2016，（4）：90-91，94.

[15]萬長東.輕型小客車車架的振動特性分析及控制[J].機械設計與制造，2010，（2）：59-60.

The Model Analysis of Electric Touring Car Frame Based on Workbench

JI Yujie, JIN Qi
(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159)

The 3-D model of touring car frame was built by using Creo5.0 software ,with ANSYS Workbench , the finite element modal was set and the modal analysis of car frame was made in the article , the natural frequencies and modal shapes was got , the rationality of the structure of touring car frame was verified ,the article supplied foundation in the theory for the design and optimizing of the car frame.

touring car frame, finite element, modal analysis, natural frequency