基于有限元的某車架優化分析

王 浩

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于有限元的某車架優化分析

王 浩

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在整車開發過程中，路試與車架試驗反映其動態特性及與底盤和車身匹配方面所存在的問題。為此，基于有限元模型為研究對象，進行車架動態特性的分析設計，以期提出相關改進設計方案。主要通過建立準確的有限元模型為基礎，之后通過模型的簡化，幾何模型的建立，單元類型的選擇，網格劃分，部件的連接關系等詳細結合設計參數進行設定。最后通過車架模態試驗，調整和修正了車架模型，使其與試驗結果基本一致。以此為基礎，開展相關設計方案的計算論證工作。文章主要通過車架結構參數對車架動態特性（頻率與振型）的影響進行分析。

有限元；車架；優化分析

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-118-03

1 模型建立

1.1 建模流程

本文建模與仿真分析是在Hyperworks中完成的，Hyper-works作為有限元分析軟件之一，具有較強的前后處理技術，提高了有限元分析的效率。運用Hyperworks建立有限元模型的基本流程如下圖1所示。

1.2 建模原則

建立有限元模型受到很多因素的影響，雖有一般規律可循，但在運用時要注意靈活性，以下從多個角度說明模型簡化涉及到的相關問題。

影響有限元模型的主要因素如下：

（1）結構的重要性——對重要的結構應采用比較精確的模型。

（2）設計階段——在概念設計階段或初步設計階段可以使用相對粗糙的模型在詳細設計階段再使用比較精細的模型。

（3）計算問題的性質——對結構做靜力計算時，要使用比較復雜的模型，對結構作動力計算時，可以使用相對簡單的模型。

（4）計算機配置——使用的計算機性能愈好，采用的模型就可以愈精細。網格劃分愈多，對計算機性能要求愈高。

從另一角度講，考慮到模型的經濟性與可行性，應遵循以下原則：

（1）結構的簡化應確保不使受力狀態失真，最大限度地保留零部件的主要力學特征；

（2）選用的單元及網格劃分應能保證計算精度；

（3）模型的規模在計算機資源限度范圍內并盡量減少計算時間；

（4）計算的結果要經得起檢驗并能與計算參數相匹配。

圖1 Hyperworks建立有限元模型的基本流程

在進行網格劃分時，單元由三角形單元和四邊形單元組成，三角形網格的數目占總網格數目的比例低于10%。網格劃分嚴格按照相關網格質量標準執行。表1為對車架網格劃分所采用的劃分單元質量標準。

表1 車架網格劃分單元質量標準

參數主要有彈性模量E=2.1E5MPa，泊松比Nu=0.3，密度RHO=7.9E-9t/mm3。最終建立的車架有限元模型如圖2所示，SHELL63單元總數為85400個，其中三角形單元2016個，四邊形單元79285個，三角形單元數目占單元總數的2.4%。

圖2 車架有限元模型

1.3 模型驗證

1.3.1 有限元模型質量驗算

BEST車架經實際稱重為269kg，而計算模型質量為248kg。考慮到車架焊縫的質量、縱橫梁連接板及車架部分結構特征沒有計入模型中，所建模型質量誤差是處在許可范圍之內的。為了更準確反映質量參數對模態參數的影響，對車架材料密度進行修改，使其模型質量與車架的實際質量一致，修訂后材料的密度為8.68E-9t/mm3。基于研究對象的車輛增加測點，對其頻率特性進行測試如下：

圖3 試驗儀器設備

圖4

1.3.2 模態分析

對所建立的車架有限元模型進行模態分析，并將車架模態試驗結果一并列入表2中。

表2 試驗模態與計算模態對比

計算模態和試驗模態基本一致，前10階頻率誤差皆小于5%。該有限元模型是進一步分析的基礎。

2 分析優化

參考相關文獻基礎上對模型進行了多種方案的仿真分析，得到縱梁的開口與否對車架的模態頻率有較大的影響。以此為依據，提出了對該車架結構進行改進的具體方案，而由于考慮到車架上附件的安裝，在第四根橫梁封閉的基礎上，提出以下幾種封閉橫梁的方案，如圖5至圖8所示。

圖5 改進方案1—前端封閉

圖6 改進方案2—中間封閉

圖7 改進方案3—前端和中間全封閉

圖8 改進方案4—前端與中間前部封閉

經過仿真分析，各方案的模態頻率和振型如下表所示：

表3 各方案下車架前六階頻率和振型

隨著各梁的封閉，車架的固有頻率逐漸提高，各橫梁和縱梁均封閉時，車架的一階彎曲頻率和一階扭轉頻率為最大。從上述數據分析比較可以看出，縱梁中段封閉以后，車架的一階扭轉頻率變化較大。因此，采用車架縱梁中段加強方式可以有效地提高車架的一階扭轉頻率。根據仿真結果可以看出車架縱梁中間部分前半段封閉以后，車架的模態頻率有較大變化，而且前端加強板對車架的模態頻率影響較大。當前端和中間段均封閉時，車架的前兩階振型發生了翻轉，具體就是從一階扭轉變化為一階彎曲，而且二者的頻率值已經非常接近，這對整車的舒適性是很不利的。綜合可知，縱梁中段內板的添加可以有效提高車架的一階、二階頻率并實現頻率的轉換。

使車身產生振動的激振源主要包括:車輪不平衡引起的振動、發動機在怠速和一般車速下的爆發振動、以及傳動軸不平衡引起的振動等。因此研究車身骨架動態特性的目的在于優化結構來控制車架的模態分布，應盡量使其模態頻率錯開載荷的激振頻率，以避免引起共振。該車的基本模態包括整車的彎曲、扭轉、彎扭組合以及頂蓋局部振動和后輪罩的局部振動等幾種形式。根據相關的研究結果，當車速在80km/h左右時，由車輪不平衡所引起的激振頻率一般低于11Hz；怠速情況下客車發動機在750r/min時的激振頻率約為35Hz；當車速為50-80km/h時，傳動軸的振動頻率約為33-68Hz。因此，對于車身骨架，應使一階固有頻率控制在13Hz-35Hz的范圍內，同時，為了使一階彎曲頻率和一階扭轉頻率不產生耦合，應使一階彎曲和一階扭轉的頻率值錯開3Hz以上。分析所得的車身骨架固有頻率較低,因此易于受路面與發動機激勵的影響，要使車身與懸架相匹配，改進發動機懸置的設計，使之合理化，來減小振動。

3 結論

本文基于車架模態試驗結果，通過調整和修正有限元模型，論證了所建有限元模型的正確性。采用新建車架研究模型，分析研究了車架結構尺寸對車架模態參數的影響，并以此為基礎對改進后的車架模型進行了模態分析和對比，分析結論與研究模型一致。計算結果表明，縱梁中段內板的添加可以有效提高車架的一階、二階頻率并實現頻率的轉換。分析與實際期望的車架模態參數尚有一定差距，還可以考慮將車架縱梁厚度由5mm改為4～4.5mm，進一步降低車架質量，在實現輕量化的前提下，提高車架相關模態參數，這對以后的優化提供了一定的研究方向。

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Optimization analysis of a frame based on fem

Wang Hao
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In the process of vehicle development, road test and frame test reflect its dynamic characteristics and problems with the chassis and body matching. Therefore, based on the finite element model as the research object, the analysis and design of the dynamic characteristics of the frame are carried out, so as to propose the related improvement design scheme.Mainly through the establishment of an accurate finite element model, through model simplification, after the establishment of the geometric model, the selection of unit type, mesh division, in detail combined with the design parameters such as connection relation of setting. Finally, the frame model is adjusted and modified by frame mode test, which is consistent with the experimental results. Based on this, the calculation and demonstration of related design schemes are carried out. The influence of frame structure parameters on dynamic characteristics of frame (frequency and mode) is analyzed.

finite element; The frame; Optimization analysis

U463.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-118-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.040

王浩，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。