李金偉，朱龍龍，付祥云，劉大維

(1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071)

(2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

(3.中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司，山東 青島 266031)

混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

李金偉1，朱龍龍2，付祥云3，劉大維1

(1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071)

(2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

(3.中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司，山東 青島 266031)

車架結(jié)構(gòu)模態(tài)是影響車輛結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的主要因素，采用有限元方法是獲得車架結(jié)構(gòu)模態(tài)的簡(jiǎn)便有效的方法。應(yīng)用HyperMesh有限元分析軟件計(jì)算某后卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)，同時(shí)進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)模態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果的正確性。結(jié)果表明，有限元模態(tài)計(jì)算得到的副車架前8階模態(tài)頻率與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的副車架前8階模態(tài)頻率最大相對(duì)誤差為8.66%，所建立的后卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架結(jié)構(gòu)有限元模型，可為今后副車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的改進(jìn)提供有效的分析模型。

混凝土攪拌車；副車架；有限元；模態(tài)試驗(yàn)；模態(tài)參數(shù)

后卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車主要包括汽車底盤和混凝土攪拌專用裝置等部件。其中副車架是連接汽車底盤和混凝土專用裝置的關(guān)鍵部件?；炷翑嚢柽\(yùn)輸車正常使用過(guò)程中，副車架不僅起著支撐攪拌筒的作用，還要承受各個(gè)傳動(dòng)部件產(chǎn)生的振動(dòng)載荷，而且因路面不平整而產(chǎn)生的隨機(jī)動(dòng)載荷也會(huì)對(duì)副車架的性能有一定的影響。為了避免副車架結(jié)構(gòu)在各種振動(dòng)源的激勵(lì)下引起共振，造成結(jié)構(gòu)破壞，需要研究副車架結(jié)構(gòu)的固有頻率特性，以降低副車架在正常使用過(guò)程中所存在的安全隱患。

通過(guò)模態(tài)分析可以獲得結(jié)構(gòu)的振型、固有頻率等模態(tài)參數(shù)。在汽車車架或車身動(dòng)態(tài)性能研究中，大多采用有限元模態(tài)分析或試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法來(lái)辨識(shí)汽車的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能[1-7]。本文將這兩種方法結(jié)合使用，對(duì)后卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)屬性進(jìn)行深入研究，為副車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元分析

1.1副車架結(jié)構(gòu)的有限元模型建立

后卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架實(shí)際結(jié)構(gòu)(圖1)，主要包括2根主縱梁和4根橫梁，橫梁與縱梁焊接連接，前臺(tái)、后臺(tái)和拉筋與副車架縱梁焊接連接，人字梯與后臺(tái)焊接連接，主車架與副車架的連接方式為U型螺栓連接。

采用Pro/E三維軟件建立副車架實(shí)體模型，將各個(gè)零部件以IGES格式保存，最后將實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。經(jīng)過(guò)前處理之后的副車架有限元模型如圖2所示，共劃分產(chǎn)生362 839個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，354 662個(gè)實(shí)體單元。

1.2副車架有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析

副車架網(wǎng)格劃分完成后，采用HyperMesh自帶求解器Optistruct中的Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，對(duì)副車架進(jìn)行自由模態(tài)分析計(jì)算。通過(guò)上述模態(tài)計(jì)算, 提取到了副車架的前6階模態(tài)振型(如圖3所示)。

由圖3可以看出，副車架第1階模態(tài)為副車架后臺(tái)橫擺振動(dòng)；第2階為副車架1階垂直彎曲振動(dòng)，副車架中部振幅較大；第3階為副車架1階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，前臺(tái)振幅較大，后臺(tái)振幅較?。坏?階為1階橫向彎曲振動(dòng)，副車架中部彎曲振幅較大；第5階為后臺(tái)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；第6階為復(fù)合振動(dòng)，后臺(tái)橫向彎曲振動(dòng)，振幅較大，前臺(tái)垂直振動(dòng)。

2 副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)及分析

2.1副車架模態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)在中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司進(jìn)行，模態(tài)試驗(yàn)主要包括信號(hào)激勵(lì)、傳輸、采集和分析，如圖4所示。為了獲得瞬態(tài)激勵(lì)信號(hào)，采用單點(diǎn)激振法，通過(guò)DFC-02高彈性聚能力錘(12.5t)進(jìn)行單點(diǎn)激振。然后激勵(lì)信號(hào)通過(guò)各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的加速度傳感器接入DLF-8型多通道電荷放大器，并與INV306D(F)智能信號(hào)采集系統(tǒng)相連。最終將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存于筆記本電腦中。

為了盡可能地模擬副車架的實(shí)際模態(tài)參數(shù)，一般采用自由狀態(tài)來(lái)代替副車架的約束狀態(tài)。由于副車架體積大，質(zhì)量大，無(wú)法采用彈性繩索懸吊的方式，因此本文采用彈性橡膠輪胎墊底的方式，即將副車架放置在彈性輪胎上，如圖5所示。

為了全面分析副車架的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)結(jié)合副車架各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以副車架模態(tài)分析有限元計(jì)算結(jié)果為參考，最終在車架上確定156個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要分布在縱梁與橫梁交聯(lián)處、縱梁及前臺(tái)和后臺(tái)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處(如圖6所示)。

2.2副車架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7為采用上述模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)得到的副車架的前6階振型圖。通過(guò)對(duì)比圖7(模態(tài)試驗(yàn)所獲得的振型圖)和圖3(有限元計(jì)算得到的模態(tài)振型圖)可以看出，實(shí)驗(yàn)法和有限元法所獲得的各階模態(tài)振型高度一致。

將通過(guò)試驗(yàn)獲得的副車架8階模態(tài)固有頻率和有限元計(jì)算的8階模態(tài)固有頻率對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)(表1)，所得到的副車架固有頻率的計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差最大為8.660%，表明通過(guò)實(shí)驗(yàn)法和有限元法所獲得的副車架固有頻率非常相近，驗(yàn)證了本文所采用的有限元模態(tài)計(jì)算方法的可行性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用HyperMesh有限元軟件準(zhǔn)確地建立了某后卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架的有限元模態(tài)分析模型。通過(guò)實(shí)際測(cè)量的方法測(cè)得了副車架在自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者高度相似，驗(yàn)證了所采用的有限元建模方法的可行性。所建立的后卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架結(jié)構(gòu)有限元模型，可為今后副車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的改進(jìn)提供有效的計(jì)算分析依據(jù)。

[1] 李頂根，何保華．某重型載重車輛振動(dòng)分析和控制[J]．振動(dòng)．測(cè)試與診斷，2008，28(2)：172-174．

[2] 劉大維，嚴(yán)天一，董振國(guó)，等．自卸汽車車架模態(tài)試驗(yàn)與分析[J]．河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，27(4)：30-32．

[3] 周長(zhǎng)路，范子杰，陳宗渝，等．微型客車白車身模態(tài)分析[J]．汽車工程，2004，26(1)：78-80．

[4] 勸龍哲，佟金，曾百功，等．玉米根茬收貨系統(tǒng)的有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011， 27(11)：15-20．

[5] 劉大維，劉偉，孫海霞，等．公礦自卸汽車車架模態(tài)有限元及試驗(yàn)分析[J]．礦冶，2007，16(4)：66-68．

[6] 關(guān)麗坤， 張凱．混凝土攪拌車車架的靜動(dòng)態(tài)特性分析與改進(jìn)[J]．建筑機(jī)械，2010(4)：74-78．

[7] 孫海霞，劉大維，陳煥明，等．前卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J]．青島大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2009，24(2)：62-66．

Modal structural analysis on the frame of mixer truck

LI Jinwei1,ZHU Longlong2,FU Xiangyun3,LIU Dawei1

(1.Qingdao University, Shandong Qingdao, 266071, China)

(2. Qingdao Sifang Co, Ltd. of China Southern Railway Group, Shandong Qingdao, 266111, China)

(3.Sinotruk Qingdao Heavy Industry Co, Ltd., Shandong Qingdao, 266031, China)

The structure mode of frame is the main factor influence of the dynamic characteristics for the vehicle structure. The mode of the frame structure can be easily obtained by the modal FEA. The article analyzes the modal FEA for the sub-frame of a front discharge mixer truck in HyperMesh software. In order to prove the validity of the finite element modal, it establishes the modal analysis testing system. The maximum relatively error between simulation results and the results obtained from experimental modal analysis is 8.66%. The analysis resultl can be used for improvement and development of the sub-frame in the future.

mixer truck; sub-frame; FEA; modal test; modal parameters

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.03.003

2015-01-27

山東省科技廳資助項(xiàng)目(2011YD03106)

李金偉(1988—)，男，山東日照人，青島大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)態(tài)模擬仿真技術(shù)。

U463.32+4

A

2095-509X(2015)03-0012-04