丁芳 張代勝 張翼

摘要：建立了某輕型卡車車架有限元模型，計算了車架的振動模態(tài)，得到模態(tài)參數(shù)，并進行車架模態(tài)試驗。通過試驗數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，得到車架的十階模態(tài)頻率和振型。通過比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法得出的模態(tài)參數(shù)比較一致，表明所建立的有限元模型能夠很好的反映原結(jié)構(gòu)的振動特性。通過模態(tài)分析確定了該車架結(jié)構(gòu)的可靠性，為車架的結(jié)構(gòu)改進提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車架；有限元；模態(tài)分析

中圖分類號：U463.32 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0056-04

Testing Research and Modal Analysis of Light Truck Frame

DING Fang，ZHANG Dai-sheng，ZHANG Yi

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract: This paper created a light truck frame finite element model to calculate the frame of the vibration mode and get modal parameters. And tested the modal frame，through the test data collection，processing and analysis，get the ten bands modal frequencies and mode shapes.By comparison，both methods found the modal parameters obtained more consistent，which show that established finite element model can reflect the good original structure vibration characteristics.Through the modal analysis to determine the reliability of the frame structure for improved frame structure provides a theoretical basis.

Key words: frame；finite element；model analysis

車架是汽車的承載基體，承擔(dān)發(fā)動機、底盤、車身及其他總成和專用設(shè)施的安裝基礎(chǔ)和關(guān)鍵承載部件。因此，車架工作時要承受扭矩、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪切力，同時受到來自路面和車橋的激振而產(chǎn)生振動，設(shè)計中除了要有足夠的強度、足夠的抗彎剛度和合適的扭轉(zhuǎn)剛度保證汽車對不平路面的適應(yīng)外，合理的振動特性也非常重要，以避免某些部件因共振致早期損壞，從而縮短使用壽命［1］。同時車架與懸架的結(jié)合，車架與車身的動態(tài)特性匹配都需要用模態(tài)分析方法獲取車架動態(tài)參數(shù)。

1 車架有限元模型建立及分析

1.1 動力學(xué)理論基礎(chǔ)

根據(jù)振動理論，多自由度系統(tǒng)以某個固有頻率振動時所呈現(xiàn)出的振動形態(tài)稱為模態(tài)［2］。模態(tài)分析是動態(tài)分析的重要內(nèi)容，進行模態(tài)分析時，首先要求出各階固有頻率，并進行各階振型識別。

車架結(jié)構(gòu)是一個n自由度的線性系統(tǒng)，其運動微分方程為：

Mu″＋Cu′+Ku=P（t）（1）

式中：M、C和K為與u相對應(yīng)的阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣和剛度矩陣；u′，u″分別為速度列陣和加速度列陣；P（t）為作用力向量。

對于無阻尼自由振動系統(tǒng)，方程變?yōu)椋?/p>

Mu″+Ku=0（2）

自由振動時，各點作簡諧振動，各結(jié)點位移為：

u=fei?棕t（3）

式中： f 為系統(tǒng)自由振動時振幅列陣。

由（2）式、（3）式，可得：

（K-?棕2M）f=0（4）

求出方程（4）的特征值?棕2和特征向量f，即可求得系統(tǒng)的固有頻率和固有振型。

1.2 有限元模型建立

分析的車架模型是由UG建立的三維實體幾何模型，將其導(dǎo)入Hyperworks中，對其進行中性面抽取和網(wǎng)格劃分，并進行幾何清理和修復(fù)、補面、消除錯位和小孔，壓縮相鄰曲面之間的邊界，消除不必要細(xì)節(jié)，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量［３］。由于車架結(jié)構(gòu)主要是薄壁金屬件，單元類型以四邊形殼單元為主，而三角形單元比四邊形單元剛度大，從計算精度方面考慮，故要嚴(yán)格控制三角形單元的個數(shù)（整個模型最好小于10%，最多不超過15%）［４］。模型共有91 045個節(jié)點，87 398個網(wǎng)格單元。整個車架的有限元模型如圖1所示。

1.3 模態(tài)計算分析

模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。一般而言，低階振動對結(jié)構(gòu)的動態(tài)影響較大，低階振型決定結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，結(jié)合該車實際情況分析車架前10階模態(tài)［5］。其模態(tài)分析的固有頻率及對應(yīng)振型如圖2所示。

2 模態(tài)試驗

2.1 激振點選擇

車架模態(tài)測試采用自由模態(tài)方式，用四根橡皮繩將其懸掛在模態(tài)試驗專用吊架上，使車身處于自由狀態(tài)，整個懸掛系統(tǒng)固有頻率低于1 Hz。激振點一般選在剛度大的車頭或車尾位置，激振器與車身緊密連接。此車架激振點選擇在車架前橫梁一處（垂向）和車身右縱梁一處（橫向）。

2.2 測點布置

測點布置原則為外力作用點、重要響應(yīng)點、部件或結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點等位置一般都選為測點［6］，所布測點連線應(yīng)能顯示車架形狀，共布置了67個測點，較好地定義了車架輪廓形狀。橫梁中心處布置了7個測點，左右縱梁分別在上表面和測面布置15個測點，即在縱梁上布置60個測點。測點布置如圖3所示。

此次試驗采用雙點激振，激振信號采用正弦掃頻，掃頻范圍為0~200 Hz，掃頻速度為0.2 Hz/s，一次掃頻時間約半小時左右。圖4為雙點激振和傳感器布置圖。

2.3 試驗結(jié)果

模態(tài)頻率試驗值與計算值比較如表1所示。各階振型如圖5所示。

由表1可以看出，車架固有頻率的試驗值和計算值比較接近，反映所建立的車架有限元模型是較為準(zhǔn)確的。

通過試驗與計算得出車架頻率及振型，初步分析，得出：

（1）該車架的基頻為5.91 Hz，表現(xiàn)為整體一階扭轉(zhuǎn)，一階側(cè)向彎曲頻率為17.30 Hz，該車的彎曲頻率較低，反映在該車的彎曲剛度有待加強。

（2）來自路面的低頻激勵頻率一般為 1~20 Hz，該車架一階垂向彎曲頻率為29.59 Hz，避開了低頻激勵范圍，從而避免了路面引起的車架共振產(chǎn)生。

（3）車身部分固有頻率為10~15 Hz，該車架一階扭轉(zhuǎn)及彎曲頻率不在此范圍內(nèi)，從而避免了車身較大幅度的振動。

（4）高階扭轉(zhuǎn)與彎曲振型混雜在一起，表現(xiàn)為既有整體振型又有局部振型，或單獨或共同出現(xiàn)。局部模態(tài)分布呈現(xiàn)出前部強、中后部弱的態(tài)勢。建議車架后端加裝一橫梁，以加強尾部的彎曲剛度和改善振動特性。

3 結(jié)論

（1）通過模態(tài)試驗分析得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計，采用分析與實驗方法得出某型卡車車架模態(tài)參數(shù)，為車架系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計建立了基礎(chǔ)。車架設(shè)計需要結(jié)合懸架及車身設(shè)計，共同制定好結(jié)構(gòu)匹配原則，進一步優(yōu)化車架動態(tài)特性［6］。通過模態(tài)分析，驗證了該車架模型避開了隨機路面的激勵振動頻率，一階扭轉(zhuǎn)及彎曲頻率避開了車身固有頻率，符合車架的動態(tài)振動特性條件，滿足車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

（2）由縱梁上表面和橫梁中心的數(shù)據(jù)分析模態(tài)，得出該車彎曲剛度有待加強，建議車架后端加裝橫梁，從而改進車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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