基于NX NASTRAN的拉臂裝置副車架模態分析與仿真

孫智勇，車 璐，張 亮，張峻方

（山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000）

拉臂裝置是一種安裝于專用汽車底盤，組裝成車廂可卸式垃圾車，用于集裝、卸、運于一體的自裝卸系統，由副車架、伸縮臂、舉升臂和轉臂四大部分組成。在拉臂設計過程中，副車架作為車身主要重量的直接承載體，在工程中承受多種復雜載荷，如承載卸料時舉升作用產生的集中力與滿載時傳遞全部受力到主車架，是決定整車壽命的關鍵結構件。車架工作時產生的振動，會加速某些零部件的損壞，影響整體性能的發揮，增加運營與維護成本，因此副車架的模態分析、模態參數識別，對進行整車動力性能分析、降低整車振動、減少部件的疲勞失效有著重要的作用[1-3]。

1 副車架結構分析

圖1 3t拉臂裝置副車架結構

如圖1所示為3t拉臂的副車架模型303b.1000，由鋼結構焊接而成，使用Steel材料，約束工況按照副車架安裝到底盤車架上的實際情況進行設定。

要得到拉臂裝置副車架的自由模態參數（前10階）及拉臂裝置副車架在工作狀態下的模態參數（前4階），具體計算工作如下。

（1）計算拉臂裝置副車架自由條件下的結構模態

工程中的結構模態分析包括自由模態和工況模態兩種類型，副車架系統作為一個必須和底盤大梁連接后才能正常工作的結構件，要計算符合實際邊界約束條件的工況模態計算才有工程實際意義[4]～[5]；但是還要對副車架進行自由模態分析，是因為自由模態除了能夠反映自身的一些固有特性外，無論是采用有限元法還是試驗模態分析，自由模態都比工況模態涉及的因素少，特別是實際中邊界條件很難精準的用模型來模擬的，因此采用自由模態結構分析得到的結果和結論更有利于后續的對比分析和模型修正。在分析副車架的自由模態時，不需要設定模型的邊界約束條件和載荷條件[6]。

（2）計算副車架約束工況下的結構模態

在自由模態計算的基礎上約束副車架與底盤大梁連接面，計算副車架實際工作條件下的模態參數。3t拉臂裝置副車架縱梁與底盤大梁采用U形螺栓和連接板連接的方式，使二者緊密貼合，以發揮其增強作用，如圖2所示。

圖2 3t拉臂裝置副車架與底盤大梁連接方式

2 拉臂裝置副車架自由模態求解

2.1 建立副車架的FEM模型

FEM模型的建立主要分為模型材料和物理屬性的指派、網格的劃分、網格質量的檢查三個步驟，具體操作如圖3所示。

圖3 FEM模型建立流程圖

2.2 建立副車架FEM的仿真模型

FEM仿真模型的建立主要包括解算方案的選擇、仿真對象類型的設定、邊界約束條件的設定以及載荷的設定，具體操作如圖4所示。

經過solution1計算可以得到副車架自由模態參數，如圖5所示，從【模式7】開始的模式是描述自由模態的模態參數。從結果可以看出該結構自由模態的第一階固有頻率為27.79Hz，第二階固有頻率為29.96Hz，第三階固有頻率為45.78Hz，第四階固有頻率為65.93Hz。每一階自由模態振型變化云圖如圖6所示。

圖4 FEM的仿真模型建立

圖5 副車架自由模態計算結果

3 副車架結構約束模態求解

在上述副車架自由模態分析基礎上，下面進行工況條件下的結構模態分析，查看副車架系統結構在約束條件下的模態參數（固有頻率和模態形狀）的變化。具體操作步驟如圖7所示，經過計算可以得到副車架結構約束模態參數，如圖8所示。

從結果copy of solution1可以看出該結構約束模態的第一階固有頻率為29.91Hz，第二階固有頻率為82.41Hz，第三階固有頻率為86.38Hz，第四階固有頻率為162Hz。每一階約束模態振型變化云圖如圖9所示。

通過上述分析，同一結構，在自由模態與約束模態下求解的頻率與振型完全不同，由于約束的施加改變了系統剛度，導致系統頻率與振型發生變化；約束的不同會產生不同的模態結果。自由模態能夠反映系統本身結構的固有屬性，而約束模態則更能反映結構在實際工況條件下的模態特性。

圖6 副車架第1-4階自由模態振型云圖

圖7 結構約束模態求解流程圖

圖8 副車架結構約束模態結果

4 結論

利用NX NASTRAN高級仿真對拉臂裝置副車架進行了自由模態和約束模態的仿真與分析，得出了副車架在自由狀態和工況狀態下的模態參數，為其結構設計提供了驗證依據。同時介紹了NX模態分析操作方法，為模態分析提供了技術參考。

圖9 副車架1-4階約束模態振型云圖