某皮卡車整車模態(tài)分析

王躍星，孫潤，李康康，侯富

（廣西科技大學 汽車與工程學院，廣西 柳州 545006）

某皮卡車整車模態(tài)分析

王躍星，孫潤，李康康，侯富

（廣西科技大學 汽車與工程學院，廣西 柳州 545006）

文章著重針對某皮卡車整車進行模態(tài)分析。首先通過CATIA軟件對某皮卡車整車進行幾何建模，然后運用HyperWorks軟件對幾何模型進行網(wǎng)格的劃分生成整車有限元模態(tài)分析模型，最后運用MSC.Nastran軟件進行模態(tài)分析，得到整車的固有模態(tài)及振型，并對計算得到的模態(tài)參數(shù)進行分析，計算模態(tài)分析結(jié)果表明皮卡車整車結(jié)構(gòu)固有頻率能有效避開各種激勵頻率，避免發(fā)生共振，驗證整車設(shè)計合理性。

皮卡車；模態(tài)分析；固有頻率；激勵

Abstract:This paper focuses on the modal analysis of a pickup truck. First by using CATIA software geometric model of a pickup vehicle is carried out, and then use HyperWorks software to generate the classification of geometric model for grid vehicle finite element modal analysis model, finally using MSC. Nastran modal analysis, get the vehicle's inherent modal and vibration mode, and the calculated modal parameters were analyzed, and the computational modal analysis results show that the pickup vehicle structure can effectively avoid all kinds of excitation frequency, natural frequency to avoid resonance,verifying the rationality of vehicle design.

Keywords: Pickup truck; Modal analysis; Natural frequency; Incentive

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-179-03

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對車的NVH[1]性能要求越來越高，皮卡車作為一種非常實用的交通工具深受大眾喜愛，故皮卡車的振動噪聲控制[2]和研究越來越受到重視。振動和噪聲是汽車行駛中無法避免的問題，有效的控制好整車的振動和噪聲不僅可以增加汽車使用年限，而且可以提高汽車的 NVH性能，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。整車的振動和噪聲的控制也從過去的控制零部件與子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞯南到y(tǒng)的總體匹配。模態(tài)分析是有效的控制汽車振動和噪聲的重要手段，能夠真實的反映整車的振動特性，是整車振動特性設(shè)計和優(yōu)化的有效方法。整車模態(tài)是皮卡車最重要的動力特性，各部分模態(tài)的合理分布是整車 NVH性能有效保證的前提條件。對于整車結(jié)構(gòu)而言，主要受到的激勵有路面激勵、發(fā)動機激勵和傳動軸激勵。整車結(jié)構(gòu)設(shè)計要兼顧造型、布置以及動態(tài)特性等要求。通過對整車結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率及振型分析可以判斷整車模態(tài)與路面激勵、發(fā)動機激勵和傳動軸激勵發(fā)生共振的可能，通過對整車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計而避開共振頻率。

模態(tài)分析方法[3]是研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的一種非常重要的方法，在汽車車架[4]及整車動態(tài)性能中應(yīng)用非常廣泛。本文采用有限元方法對某皮卡車整車[5]結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，首先過CATIA軟后件進行三維建模，然后運用HyperWorks進行網(wǎng)格劃分，最后使用MSC.Nastran軟件進行模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，并對其模態(tài)參數(shù)進行分析，分析表明其固有頻率能有效的避開各種激勵頻率，驗證皮卡車設(shè)計的合理性。

1 皮卡車模態(tài)分析理論基礎(chǔ)[6]

模態(tài)分析是將線性定常量系統(tǒng)的耦合物理坐標轉(zhuǎn)換成非耦合的模態(tài)坐標，使方程解耦，得到一組用模態(tài)坐標和模態(tài)參數(shù)來描述的獨立方程，并求出模態(tài)參數(shù)。然后，用坐標變換，是模態(tài)坐標下的解轉(zhuǎn)換回到物理坐標的解。

對于一個N自由度的線性定常系統(tǒng)建立物理方程組，表達為：

式中：M—系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；

C—系統(tǒng)的阻尼矩陣；

K—系統(tǒng)的剛度矩陣；

X—系統(tǒng)的位移向量；

F—系統(tǒng)的激勵力向量；

對于無阻尼自由振動系統(tǒng)，設(shè)C 0，F(xiàn) 0

則式(1)可以簡化為：

其中式(3)為標準的特征值求解問題，其特征值即系統(tǒng)的固有頻率為 ωr，特征向量即系統(tǒng)模態(tài)振型為φr。它們滿足方程其中r=1,2,…,N。

2 皮卡車整車有限元模型的建立

2.1 整車模型的導入

整車的數(shù)模由CATIA三維軟件建立，將由CATIA V5R20建立的整車三維模型以*.igs格式保存，利用HyperWorks軟件提供.igs接口讀入整車模型，這樣導入的模型沒有失真現(xiàn)象。

2.2 整車模型坐標系的定義

整車模型坐標系采用oxyz直角系來定義，xoz平面處于整車左右對稱平面，x軸從車頭指向車尾，z軸垂直向上，y軸指向駕駛員的右側(cè)。

2.3 整車模型的網(wǎng)格劃分

將經(jīng)過合理簡化的整車三維模型導入 HyperWorks軟件中的前處理專用模塊 HyperMesh中，首先利用 HyperMesh中Midsurface對模型進行中面抽取，對抽取的中面幾何質(zhì)量較差進行幾何清理，消除孔洞，移除曲面圓角和曲線圓角以及其他可能存在的中間幾何缺陷，使模型能夠更大更合理區(qū)域劃分網(wǎng)格，得到合格的網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格劃分主要采用四邊形殼單元，避免過多使用三角形單元。整車模型的平均單元尺寸定為 8mm，整車模型重量為 1791KG，整車單元數(shù)為2476786個單元，單元節(jié)點數(shù)為1902476個，整車模型中的焊點采用ACM模擬，直徑為6mm，粘膠采用SOLID單元模擬，縫焊采用MIG單元模擬；螺栓連接采用RBE2單元模擬，輪胎模型采用線性輪胎。車身和底盤系統(tǒng)通過懸置連接，懸置中的橡膠襯套和彈簧減震器采用彈性單元模擬。整車模型如圖1所示。

圖1 皮卡車整車模型Fig.1 The pickup truck model

2.4 整車的材料參數(shù)設(shè)置

整車有限元模型中用到多種材料包括金屬材料和非金屬材料，如玻璃、玻璃粘膠、鋼材和鋁等，相關(guān)材料屬性見表1。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Materials property

3 模態(tài)分析邊界條件與載荷

3.1 邊界條件

模態(tài)分析中有自由和約束兩種邊界條件，本文對整車進行模態(tài)分析時整車的邊界條件為自由邊界，即不施加任何約束，計算自由狀態(tài)下0-50Hz的模態(tài)。

3.2 載荷

進行整車模態(tài)分析時不施加任何載荷。

4 整車模態(tài)計算與分析[7]

4.1 整車模態(tài)計算

將在 HyperWorks軟件中做好的整車有限元模型導出并存儲成Nastran軟件的計算文件*.bdf，然后再導入Nastran軟件進行整車模態(tài)有限元分析計算，對皮卡車進行整車模態(tài)分析，得到整車固有模態(tài)和振型[8]。考慮到整車的振動性能，本文重點關(guān)注皮卡車整車模態(tài)、懸掛模態(tài)、動力總成剛體模態(tài)及前排座椅模態(tài)。收文章篇幅影響，本文給出主要的6階模態(tài)振型。如圖2到圖7。表2給出本文重點關(guān)注整車系統(tǒng)固有頻率的分析結(jié)果。

圖2 整車一階橫向彎曲模態(tài)Fig.2 First transverse bending mode of vehicle

圖3 整車一階垂向彎曲模態(tài)Fig.3 First vertical bending mode of vehicle

圖4 整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)Fig.4 First torsion mode of vehicle

圖5 整車前端橫向彎曲模態(tài)Fig.5 Front transverse bending mode of vehicle

圖6 前懸掛結(jié)構(gòu)Hop模態(tài)Fig.6 Front suspension structure Hop mode

圖7 后懸掛結(jié)構(gòu)Hop模態(tài)Fig.7 Rear suspension structure Hop mode

表2 整車有限元模態(tài)頻率與振型Tab.2 Frequency and modes of vehicle

4.2 整車計算模態(tài)分析[8]

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性，是對整車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有動態(tài)性能的一個反應(yīng)。其固有頻率和振型與外界載荷無關(guān)。汽車在路面上行駛時，會有各種不同的激勵和載荷通過不同路徑傳遞到汽車上，引起汽車結(jié)構(gòu)本身的響應(yīng)。這些激勵產(chǎn)生的振動與噪聲頻率可能會與汽車結(jié)構(gòu)本身的固有頻率發(fā)生重合，以致發(fā)生共振，使整車噪聲和振動更嚴重。汽車在行駛中 遇到的激勵有路面激勵、車輪不平衡激勵、傳動軸激勵和發(fā)動機激勵。其中發(fā)動機激勵分量最大，本文重點考慮。其他激勵較小，本文不做詳細考慮。

汽車發(fā)動機激振頻率為：

式中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，單位為r/min，i為發(fā)動機的缸數(shù)，τ為發(fā)動機沖程系數(shù)，二沖程發(fā)動機τ=1，四沖程發(fā)動機τ=2。

本文中皮卡車的動機類型為四缸四沖程汽油發(fā)動機，怠速轉(zhuǎn)速為800r/min，代入式(4)的發(fā)動機在怠速工況下的頻率26.7Hz。由表2可知整車模態(tài)、懸掛模態(tài)、發(fā)動機模態(tài)、發(fā)動機剛體模態(tài)和前排座椅模態(tài)均避開了怠速工況下發(fā)動機的激勵頻率。相距怠速工況下發(fā)動機激勵頻率最近的整車前端垂向彎曲模態(tài)(25.01Hz)都有1.5Hz以上。由表2可知整車模態(tài)，懸掛模態(tài)，發(fā)動機模態(tài)均為出現(xiàn)重合。當車在高速公路（車速90 ~ 120km/h）和一般路面(車速50 ~ 80km/h)行駛時其傳動軸不平衡引起的振動頻率范圍在 40Hz以上，由表 2可知本文給出的幾個重點關(guān)注的整車系統(tǒng)模態(tài)均在 40Hz以下，未出現(xiàn)頻率重合避免發(fā)生共振。高速和一般路面激勵一般在1 ~ 3Hz，與整車系統(tǒng)模態(tài)無交錯。輪胎不平衡引起的激勵一般影響比較小，且當前輪輞制造質(zhì)量和檢測水平比較高，易于避免，故不再考慮。由以上分析可知整車模態(tài)分布合理，整車結(jié)構(gòu)的固有頻率能有效的避開汽車行駛中常見的激勵，避免了共振的發(fā)生的可能，驗證整車設(shè)計的合理性。

5 總結(jié)

本文通過建立了某皮卡車整車三維有限元模型，并應(yīng)用MSC.Nastran軟件對其進行模態(tài)分析，得到了整車固有頻率及振型。分析結(jié)果表明該車整車模態(tài)、懸掛模態(tài)、動力總成剛體模態(tài)、前排座椅模態(tài)均未出現(xiàn)在怠速區(qū)域，模態(tài)分布合理，且能避開汽車行駛中常遇到的激勵，避免發(fā)生共振，驗證整車設(shè)計合理性。達到縮短設(shè)計周期、降低成本，提高產(chǎn)品可靠性的目的。為整車的 NVH性能優(yōu)化提供了有效的參考依據(jù)，對新車型的開發(fā)具有使用價值和指導意義。

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Modal analysis on the pickup trucks

Wang Yuexing, Sun Run, Li Kangkang, Hou Fu
( Department of Automotive and Transportation, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006 )

U467 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-179-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.062

王躍星(1990-)，研究生，就讀于廣西科技大學汽車與交通學院，研究方向：汽車仿真分析與NVH優(yōu)化。