半掛車車架有限元仿真與模態分析

丁群燕

（武漢軟件工程職業學院，北湖 武漢430205）

半掛車車架有限元仿真與模態分析

丁群燕

（武漢軟件工程職業學院，北湖 武漢430205）

運用有限元法對半掛車車架進行了模態分析，得出結構各階固有頻率及振型，比較車架受到的外部激振頻率，避免產生共振，造成車架被損壞的危險，評價了半掛車車架結構設計的合理性。

半掛車；模態分析；有限元

0 引言

半掛車車架是車輛載荷的主要承載部件，可靠性和穩定性決定半掛車能否正常安全行駛。同時半掛車車架承受著來自車輛全方位的不同激勵，直接影響車輛的操控性能、舒適性能和安全性能。

上世紀五十年代，我國主要采用傳統的經驗和方法對車架進行設計和校驗。這種方法對結構進行較大的簡化，雖簡單易行，但無法達到對車架進行優化的設計的目的。自60年代開始，國內外就開始運用有限元對車輛結構強度進行計算和分析。近幾十年來，我國已經普遍應用有限元法對車輛結構進行優化設計研究，而作為車輛結構件中結構與載荷都很復雜的重要部件——車架，也是開展結構分析研究的對象[1]。利用模態分析，得到車架各階固有頻率、振型及車架的彎曲和扭轉情況，可從設計上避免車架的共振現象。因此，在對半掛車車架進行靜力分析，確保車架滿足車輛結構的強度和剛度要求的前提下，應用有限元法進行半掛車車架模擬工況的仿真分析，能快速有效評價半掛車車架結構設計的合理性。

1 半掛車車架模型的建立

由于半掛車車架結構相對比較復雜，在半掛車車架進行靜力分析過程中，大多采用Pro-e來建立半掛車車架的幾何模型，然后導入到Hypermesh中進行網格劃分，然后再把有限元模型導入到Ansys中進行分析計算以及后處理[2]。

本文采用殼單元SHELL63對半掛車車架結構進行離散，該單元為4節點24自由度，可以承受平面內載荷和法向載荷。半掛車車架材料選用Q 345（16Mn），彈性模量為E＝210 GPa；泊松比 μ＝0.3；密度ρ＝7.8e-6 kg/mm3.16Mn的屈服極限σs=360 MPa，根據文獻[3]取安全系數k=1.4，車架許用應力[σ]＝ σs/k≈257 MPa，允許最大變形量為 5.421 mm.

2 固有頻率和振型

固有頻率和振型是表示振動系統特征的重要物理量，是進行車架動態結構設計必不可少的參數。模態分析是用來確定結構振動特性的一種技術，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數（即在特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動）。進行模態分析可以使結構避免共振或以特定的頻率振動，是進一步分析車架在各種動態激勵下響應的基礎。本文采用有限元分析軟件Ansys中的Block Lanczos方法對車架進行有無約束狀態下的模態分析，即自由模態分析。由于低階振型對結構的動態特性影響大，因此只取前六階模態。車架各階固有頻率及振型描述如表1所示。

表1 車架前六階固有頻率和振型

3 礦用半掛車車架模態分析

半掛車在行駛過程中，對車架的激勵主要來自路面，由路面不平度引起的激勵多在3 Hz以下。此外，貨車滿載時，前后懸架頻率一般在1.52.17 Hz.該車架一階固有頻率為1.873 Hz，處于路面激勵和懸架頻率之內，容易引起結構共振。因此，應采取措施提高一階固有頻率。例如適當增大主縱梁腹板厚度，在邊梁和主縱梁之間增加斜支撐等。從振型分布來看，車架前端和后端剛度較薄弱，易產生疲勞損傷，有待改進。各階振型動畫圖連續圓滑且振動相對較小，低階振型分布沒有出現明顯的局部扭轉和彎曲振型，沒有振型突變點，不會產生應力突變。各階振型圖如圖1～圖6所示。

圖1 第1階振型圖

圖2 第2階振型圖

圖3 第3階振型圖

圖4 第4階振型圖

圖5 第5階振型圖

圖6 第6階振型圖

4 結論

本文利用有限元法對對礦用半掛車車架進行了無約束狀態下的理論模態分析，得出前六階結構固有頻率和振型。模態計算結果分析為車架的動態響應分析提供了重要的模態參數，指出了結構設計的不合理性，為改進結構設計提供了理論依據，并為深入研究振動和噪聲等問題提供了參考。

[1]廖世業，夏緒輝，馮 勛.基于HyperMesh的運輸車車架有限元分析[J].制造業自動化，2014，36（11）：37-40.

[2]丁群燕.半掛車車架有限元仿真與靜力分析[J].裝備制造技術，2017，273（09）：22-24.

[3]康 健.基于ANSYS的液壓支架360雙伸縮立柱有限元分析 [J].煤炭技術，2014，33（09）：218-220.

Finite Element Simulation And Modal-Analysis of Semi-trailerFrame

DING Qun-yan
（Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan Hubei 430205，China）

Using the finite element method of semi-trailer frame modal analysis is carried out to get the natural frequency and vibration mode of the frame，comparing the external excitation frequency to avoid resonance，the dangerous frame was damaged，to evaluate the rationality of semi-trailer frame structure design.

semi-trailer；modalanalysis；finite element

U463.32

A

1672-545X（2017）10-0028-02

2017-07-01

丁群燕（1975-），女，湖北麻城人，副教授，碩士，主要從事機電產品技術研究。