基于有限元方法的某輕卡車架性能研究

黃勤 何帆影 宋磊 曾憲波

摘 要：為驗證某輕型貨車車架的各項性能是否滿足設計要求，文章基于有限元方法對其進行模態(tài)分析，其前四階模態(tài)頻率均有效地避開了車架下結(jié)構的固有頻率和發(fā)動機怠速激勵頻率，有效避免其發(fā)生共振問題。基于整車動力學模型，分解了車架十工況的強度載荷，采用慣性釋放方法和動態(tài)輸出載荷進行強度分析，各個工況下的車架均能滿足強度要求，綜上分析結(jié)果表明該輕卡車架的各項特性均滿足設計要求。

關鍵詞：輕卡車架;模態(tài);強度

Abstract： Aiming at verifying the various characteristics of a light truck frame meet the design requirements. The frame modal analyzed based on the finite elements， the result showed that the first four free modes effectively avoid the excitation frequency of the frame structure of the natural frequency and the frequency of engine idle speed， so the resonance will be effectively avoided. The frame strength analysis base on inertia relief method and dynamic loading， the frame meets the strength requirements under various working conditions. The analysis results show that the characteristics of the frame meet the design requirements.

1 引言

車架是底盤、動力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)各總成件的安裝基體，這些總成的質(zhì)量及其傳給車架的力和力矩，可能造成車架強度和疲勞破壞[1-3]。其可靠性不僅關系到整車能否正常運行，而且還關系到整車安全性，車架強度對整車的性能尤為關鍵，所以深入研究車架的性能特性顯得至關重要。為研究某輕卡車架的動靜態(tài)性能，并驗證其是否滿足設計標準，本文基于有限元方法對其進行模態(tài)分析，以及基于動態(tài)載荷的強度分析。

2 車架模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

結(jié)構系統(tǒng)固有模態(tài)頻率及其模態(tài)振型是分析結(jié)構振動特性的基礎，通過模態(tài)分析可以確定結(jié)構的振動特性[4-5]。

車架的振動方程為[6]：

式（1）中，[M]為結(jié)構總質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;[K]為總剛度矩陣; 為加速度向量;{q}為位移向量。對應的特征值方程為：

式（2）中ω為結(jié)構固有頻率，當車架固有頻率和工作頻率接近時，會發(fā)生共振，產(chǎn)生較大振幅，從而降低其使用壽命。由于低階頻率對振動特性的影響較大，高階頻率對其影響較小，因此僅求解該車架前四階的固有頻率及其陣型。

2.2 車架有限元模型

（1） 車架構成均為鈑金件，采用單元類型為QUAD4 及少量板殼單元來劃分;

（2）發(fā)動機支架、鋼板彈簧安裝支架受力情況復雜，采用體單元來劃分;

（3）結(jié)構焊接處用RBE2 剛體單元來模擬，鉚釘及螺栓通過BAR+RBE2模擬連接。

（4）車架有限元網(wǎng)格大小按照8mm 進行劃分。

其中縱梁、第一橫梁、第三橫梁和發(fā)動機支座的材料為B510L，其他橫梁及部分支架的材料為SAPH440，駕駛室安裝座、駕駛室中座、后座材料為Q235，前鋼板彈簧支座和后鋼板彈簧前支座材料為SAPH400，后鋼板彈簧后支座為QT400，圖1為車架有限元模型。

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

車架作為輕卡主要承載件，對于車架各階模態(tài)自身的特點如下：

（1） 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)：主要反映了車架抵抗扭轉(zhuǎn)的性能，對于輕卡車架，應避免車架產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)應力和局部扭轉(zhuǎn)應力;

（2）垂直彎曲模態(tài)：反映了車架抵抗垂直彎曲的性能，車架的垂直彎曲頻率應避開路面不平度激勵頻率、簧下懸架的固有頻率、傳動軸的激振頻率和發(fā)動機振動頻率;

（3）橫向彎曲模態(tài)：體現(xiàn)的是抵抗車架平面內(nèi)橫向彎曲的性能，和垂直彎曲模態(tài)相似，車架橫向彎曲的頻率值不應太小，但需避開發(fā)動機振動頻率;

（4）二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)：主要反映了汽車的操縱穩(wěn)定性，二階扭轉(zhuǎn)卻對汽車擺頭問題有較大影響，所以車架的二階扭轉(zhuǎn)頻率應相對較高。

通過對某輕卡車架進行自由模態(tài)分析，計算出其各階固有頻率及模態(tài)振型，獲取該輕卡車型車架的振動特性。表 1是其前四階固有頻率及其陣型描述，圖2所示是其前四階振型。

某輕卡的發(fā)動機怠速的激勵頻率為20Hz，傳動軸不平衡的彎曲振動頻率為43Hz，由表1可知，該輕卡車架的模態(tài)有效避開了發(fā)動機怠速激勵頻率，滿足要求，有效避免其發(fā)生共振風險。

3 車架靜強度分析

3.1 載荷分解

相比傳統(tǒng)建立簡化整車有限元模型進行強度分析，本文運用的是基于多體動力學搭建整車Adams模型，進行載荷分解。其中車架各硬點處載荷的準確性取決于ADAMS動力學模型精度。圖3是建立載荷計算整車動力學模型，為提升精度，其中橫向穩(wěn)定桿和輕卡車架采用柔性體模型。

車架的強度考核工況，分別由單輪上抬高150mm工況、對角線車輪同時抬高100mm工況，整車制動1g、轉(zhuǎn)彎0.6g、整車轉(zhuǎn)彎制動（0.4g和0.7g），再將各工況動態(tài)載荷輸出。表2是左前輪上抬150mm工況載荷（示例）。

3.2 強度結(jié)果

基于上述輕卡車架十工況輸出的動態(tài)載荷進行強度分析計算，模型無約束。圖4～圖7是該輕卡車架強度分析結(jié)果，由圖可知，車架縱梁上應力值均小于材料屈服極限，無塑性應變，滿足強度要求。車架橫梁最大應力為456MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎制動工況中第三橫梁處，產(chǎn)生了塑性應變，其值為0.39%，滿足極限工況下零部件塑性應變小于1%目標要求。故該輕型貨車車架在10個工況下，滿足輕卡車架強度設計要求。

4 結(jié)論

本文采用有限元法對某商用輕卡車架進行了模態(tài)分析，得到其前四階固有頻率及振型，均避開了車架下結(jié)構的固有頻率和發(fā)動機怠速的激勵頻率，可避免其發(fā)生共振風險。基于整車動力學模型輸出十工況載荷，采用慣性釋放方法進行強度分析，各個工況下，車架滿足強度設計目標，因此該輕卡車架各項靜動態(tài)特性（模態(tài)、強度）均滿足開發(fā)要求。

參考文獻

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[2] MITSCHKE M，WALLENTOWITZ H.Dynamik der kraftfahrzeuge [M].Berlin： Springer-Verlag，2004.

[3] 陳軍.Adams 技術與工程分析實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[4] 木標.某客車車架結(jié)構性能分析及優(yōu)化[D].合肥：合肥工業(yè)大學， 2013.

[5] 黃超群，來飛，胡玉梅.重型貨車車架縱梁靜東強度分析[J].煤礦機械，2010，38（4）：152-157.

[6] 王銳，蘇小平.汽車副車架強度模態(tài)分析及結(jié)構優(yōu)化[J].機械設計與制造，2014，35（4）：46-58.