王許州楊璐李慶江

1、沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院　2、菏澤學(xué)院教務(wù)處

自卸車副車架自由模態(tài)與約束模態(tài)模擬對比分析

王許州1楊璐1李慶江2

1、沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院2、菏澤學(xué)院教務(wù)處

自卸車副車架的模態(tài)特性是影響汽車振動的最關(guān)鍵因素之一，為了研究副車架設(shè)計及動態(tài)特性，以某廠生產(chǎn)的重型自卸車為原型建立有限元分析模型，應(yīng)用ABAQUS軟件分別進行約束模態(tài)和自由模態(tài)分析。研究分析表明，自卸車副車架避開了外界產(chǎn)生的激振頻率，不會發(fā)生共振現(xiàn)象；約束模態(tài)較自由模態(tài)有更多的局部振動，尤其管梁處振幅較大，在后期優(yōu)化時可以考慮優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)或改進約束。

自卸車副車架；動態(tài)特性；自由模態(tài)；約束模態(tài)

1　引言

自卸車是一種應(yīng)用于大中型基建的高效率的運輸裝備，它承載力大，工作條件惡劣［1］，副車架作為最主要的承載部件，應(yīng)該有足夠大的強度和剛度，同時在滿足強度和剛度的基礎(chǔ)上，盡量減少副車架的質(zhì)量［2］。以某廠的自卸車副車架為原型建立模態(tài)分析模型，旨在研究副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計及振動情況，分別對其進行自由模態(tài)與約束模態(tài)分析，通過對比兩種情況下模型的固有頻率和振型方面的變化，揭示約束條件對副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響［3］，為后續(xù)副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及設(shè)計安裝方式提供理論指導(dǎo)。

2　自由模態(tài)與約束模態(tài)設(shè)置

自由模態(tài)分析是模態(tài)分析的一個重要組成部分，可以對結(jié)構(gòu)本身的尺寸、材料、振動情況等有個大概的了解，它不考慮任何約束的影響，得到的是結(jié)構(gòu)本身的固有特性；在不同的約束狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動模態(tài)會發(fā)生改變，因此按照實際約束情況對物體施加后的模態(tài)分析能夠反映結(jié)構(gòu)的真實振動情況。通過對副車架進行自由模態(tài)和約束模態(tài)分析，分別得出振型和頻率，對比可以得出約束施加對副車架動態(tài)特性的影響。

副車架下方與車體底盤相連，并未和鋼板彈簧及輪胎直接接觸，所以對副車架前方輪胎處向副車架進行投影設(shè)置約束，后輪處采用聯(lián)合懸掛，根據(jù)平衡方程將聯(lián)合懸掛向中心處投影并設(shè)置約束［4］。計算約束：車架前方約束面積為300×80mm2，距離車架后端面4.51m，后方約束面積100×80mm2，距離車架后端面0.06m，具體約束情況如圖1所示。

圖1　副車架約束圖

3　副車架模態(tài)分析結(jié)果與分析

汽車是一個多自由度振動系統(tǒng)，外部激勵一般有兩大類［5］：一種是起伏的路面對行駛的車身造成的振動，多屬于20Hz以下的垂直振動；一種是由于車體發(fā)動機工作時產(chǎn)生的振動，發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速為700～1000r/min，通過計算得出其頻率為11.67～16.67Hz。

通過查閱車輛振動資料發(fā)現(xiàn)低階頻率容易與外界激勵相互作用而發(fā)生共振現(xiàn)象，取前八階副車架固有頻率進行分析。通過計算副車架固有頻率得出自由模態(tài)時1階最低頻率為26.390Hz，約束模態(tài)時最低頻率為24.648Hz，兩者都避開了路面不平及發(fā)動機工作時的激振頻率，因此不會發(fā)生共振現(xiàn)象，滿足車輛安全要求。

表1　固有頻率對照表

通過表1對比自由模態(tài)和約束模態(tài)的固有頻率可以看出，約束模態(tài)固有頻率多數(shù)較自由模態(tài)有所增加，這是因為約束條件產(chǎn)生的模型剛度增加所致，但隨著模態(tài)階數(shù)的增大，兩者差距逐漸縮小。通過對比兩者固有頻率可以看出，約束模態(tài)有利于提高低階模態(tài)固有頻率，使副車架更容易避開外界激振頻率，從而減少車體振動。通過對比自由模態(tài)和約束模態(tài)振型特性可以看出，對副車架施加約束后，車架的振型發(fā)生了變化，更多變形聚集在約束附近，產(chǎn)生了更多的局部振動，也得出了日常使用時車架的薄弱之處，約束模態(tài)情況更貼近于真實情況。

4　結(jié)論

（1）通過對副車架進行自由模態(tài)和約束模態(tài)的對比可以得出，副車架在這兩種情況下都避開了路面不平及發(fā)動機工作振動時產(chǎn)生的外部激勵，且車架固有頻率較高，因此不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

（2）約束模態(tài)較自由模態(tài)提高了車架的振動頻率，更加真實地反映了車架真實情況。但是約束模態(tài)較自由模態(tài)有更多的局部振動，尤其是管梁處附近，長時間使用易產(chǎn)生疲勞斷裂，因此在后續(xù)優(yōu)化中可以考慮改進約束或者對此處進行優(yōu)化，模擬分析數(shù)據(jù)可為后期優(yōu)化提供理論依據(jù)。

［1］陳華光.電動輪自卸車車架模態(tài)分析［J］.煤礦機械，2008，29（9）：82-84.

［2］司景萍，韓璐，任慶霜.基于ANSYS的自卸車副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，30（3）：328-331.

［3］張立軍，唐傳駿，龐明等.制動盤的約束模態(tài)與自由模態(tài)對比分析［C］.2013中國汽車工程學(xué)會年會論文集.1236-1243.

［4］劉曉娟.ZJZ3250自卸車副車架的有限元分析［D］.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2013，6：32-38.

［5］杜文學(xué)，俞德津.基于有限元理論的重型半掛車架模態(tài)分析［J］.專用汽車，2007（8）：33-36.