某轎車副車架的模態(tài)分析與試驗(yàn)研究

胡建泰， 吳向廷， 趙韶劍， 趙廣松， 魏瓊文

（建新趙氏科技有限公司，浙江 寧海315600）

0 引言

汽車的副車架是將車橋、車軸和差速器等懸架的構(gòu)件組合在一起，并且通過(guò)橡膠襯套與汽車的主車架進(jìn)行連接。副車架的作用可以降低路面對(duì)車身的振動(dòng)沖擊，從而提高汽車懸掛的連接剛度，使汽車在行駛的過(guò)程中的舒適性和穩(wěn)定性加以改善[1]。同時(shí)，副車架可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)和路面激勵(lì)振動(dòng)所引起的噪聲，提高汽車車內(nèi)的噪聲水平[2-3]。用戶在駕駛汽車的過(guò)程中，由于受到不同路面的激勵(lì)，容易使路面的激勵(lì)頻率與被迫振動(dòng)的副車架固有頻率相接近，從而引起副車架產(chǎn)生振動(dòng)疲勞，出現(xiàn)斷裂失效[4]。并且，共振問(wèn)題也會(huì)使車內(nèi)產(chǎn)生大的振動(dòng)和噪聲，影響整車的駕駛舒適性[5]。通過(guò)模態(tài)分析，可以獲得副車架的固有頻率和振型，進(jìn)而分析其動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率，避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

本文對(duì)某轎車的副車架進(jìn)行模態(tài)研究，通過(guò)HyperMesh創(chuàng)建有限元模型，利用ABAQUS計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的固有頻率；通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為以后副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 后副車架有限元模型建立及分析

1.1 動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

后副車架為一個(gè)N自由度線性定常系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)的物理表達(dá)式為

在計(jì)算后副車架的固有特性時(shí)，其結(jié)構(gòu)的阻尼較小，對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響很小，因此用無(wú)阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為

對(duì)于多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)解為

式中：f為系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)振幅列陣。

將式（3）代入式（2）中，可得：

式（4）即為該系統(tǒng)所求的特征方程，根據(jù)特征值ω2和特征向量f，就可求出系統(tǒng)的固有頻率和固有振型。

1.2 有限元模型建立

運(yùn)用三維制圖軟件UG對(duì)后副車架進(jìn)行幾何建模，轉(zhuǎn)化成STEP格式，導(dǎo)入HyperMesh，利用HyperMesh對(duì)后副車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行有限元模型建立時(shí)，須保持后副車架的主要結(jié)構(gòu)特征，簡(jiǎn)化處理掉影響微小的部件。由于后副車架為薄壁件，因此使用板殼Shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型裝配主要采取剛性單元、點(diǎn)焊ACM和縫焊SEAM進(jìn)行連接模擬。

車架有限元模型如圖1所示，共有51 989個(gè)節(jié)點(diǎn)，168 891個(gè)單元體。

1.3 計(jì)算結(jié)果

將劃分好網(wǎng)格的后副車架有限元模型文件導(dǎo)入到ABAQUS里計(jì)算模態(tài)，主要計(jì)算副車架在自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，所以不需要施加載荷和約束。計(jì)算除剛體模態(tài)以外的前10階模態(tài)，其結(jié)果如圖2所示。

圖1 后副車架有限元模型

2 副車架試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

2.1 模態(tài)試驗(yàn)內(nèi)容

1）自由邊界（狀態(tài)）建立。對(duì)于一個(gè)真正的自由邊界而言，意味著副車架應(yīng)該不受任何約束，完全自由地懸浮在空中。但是現(xiàn)實(shí)中，由于引力的存在，不存在真正的自由邊界的試驗(yàn)條件，因此需要用4根彈簧繩將整個(gè)副車架懸掛起來(lái)，模擬自由邊界的試驗(yàn)條件，如圖3所示。并且要求實(shí)際支承的最高剛體模態(tài)頻率小于副車架的最低彈性模態(tài)頻率，即剛體模態(tài)頻率是最低彈性模態(tài)頻率的10%～20%，以便減少支承系統(tǒng)對(duì)副車架模態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)自由邊界條件的模擬。

2）測(cè)點(diǎn)位置布置。測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)該盡量選擇重要的響應(yīng)點(diǎn)、外力的作用點(diǎn)、部件或者結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點(diǎn)[6]。但是需要避開關(guān)心的所有模態(tài)的節(jié)點(diǎn)位置，并且所有的測(cè)點(diǎn)連線應(yīng)該能夠顯示副車架的形狀輪廓，共布置的測(cè)點(diǎn)有16個(gè)（如圖4），采取對(duì)稱布置的方式。

3）測(cè)試方法。為了確保模態(tài)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，共使用了2種方法進(jìn)行測(cè)試，即移動(dòng)傳感器和移動(dòng)力錘。在使用移動(dòng)傳感器的方法測(cè)試時(shí)，因?yàn)橛?6個(gè)測(cè)點(diǎn)，所以分成2組進(jìn)行測(cè)試，1組8個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置8個(gè)三向加速度傳感器，并且力錘的激勵(lì)點(diǎn)保持同一點(diǎn)不變（如圖5（a））；移動(dòng)力錘測(cè)試，只須布置2個(gè)三向加速度傳感器在任何2個(gè)測(cè)點(diǎn)上。測(cè)試時(shí)，力錘的激勵(lì)點(diǎn)為16個(gè)測(cè)點(diǎn)（如圖5（b））。

圖3 副車架自由邊界條件模擬

圖4 副車架測(cè)點(diǎn)位置

圖5 兩種測(cè)試方法

2.2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

本文通過(guò)2種試驗(yàn)方法對(duì)副車架的固有頻率進(jìn)行測(cè)試，副車架的固有頻率試驗(yàn)值與計(jì)算值比較如表1所示。

由表1可以看出，使用2種試驗(yàn)方法對(duì)副車架的固有頻率進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)2種方法的固有頻率數(shù)據(jù)接近，最大的差值在3 Hz以內(nèi)，說(shuō)明2種測(cè)試方法測(cè)出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。并且與副車架計(jì)算模態(tài)的固有頻率進(jìn)行比較，最大的相對(duì)誤差值為4.1%，不超過(guò)5%，所以可以確定建立的有限元模型是準(zhǔn)確的。

表1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)前10階固有頻率比較

3 結(jié)論

創(chuàng)建了某轎車副車架的有限元模型，通過(guò)有限元分析，得到該結(jié)構(gòu)的前10階的固有頻率；采用移動(dòng)傳感器和移動(dòng)力錘的試驗(yàn)方法對(duì)副車架固有頻率進(jìn)行測(cè)試，獲得模態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；對(duì)比了試驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)，兩者的差值不超過(guò)5%，可以確定建立的有限元模型是正確的；該車架的1階扭轉(zhuǎn)頻率為103.60 Hz，彎曲頻率為175.55 Hz，反映出該副車架的剛度值較高；由于來(lái)自路面的激勵(lì)頻率一般集中在1～20 Hz[7]，避免了路面引起的共振的現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。模態(tài)試驗(yàn)分析的結(jié)果為副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。