基于有限元的半挂车车架阵型模态分析
车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的各种载荷最终都传递给车架，因此，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计的成败。随着汽车工业的高速发展，对汽车的性能要求越来越高，这使得传统的设计计算方法已经无法满足现代汽车设计的要求。有限元法的飞速发展为车架的结构性能的计算分析带来了新的革命。本文章采用有限元方法对HYG9386半挂车车车架结构进行振型模态分析,运用Solidworks对车架进行三维建模,通过Ansys软件进行模态分析,计算了车架在施加位移约束下的前二十阶模态特性，识别出车架振型的模态参数,获得了车架在该状态下的固有频率和振型特征。
1 绪论
1.1 研究的目的和意义
车架作为支承连接汽车的各零部件是汽车的主要骨架之一，它是整个整个汽车的基体。整车的绝大多数部件和总成(包括地板、侧围、悬架和发动机等)都是通过车架来固定位置的,它将汽车的各总成有机连成一体。汽车在行驶过程中作用在汽车各部件上的载荷都是动载荷，结构上产生的位移、应力、应变不仅随其在结构中的空间位置变化，车架要承受扭转、弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力，同时受到来自路面和车桥的激振。当载荷的频率与结构的某些固有频率接近或相等时，结构将产生强烈的共振，从而引起很高的动应力，它会使汽车各部分之间产生剧烈振动，会出现噪声过大，早期损坏汽车的某些部件的现象，降低汽车的使用寿命。设计中除了要有足够的强度、足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度保证汽车对路面不平度的适应性外，合理的振动特性也是十分重要的，因此车架对整车的刚强度、抗疲劳等性能和汽车的振动频率有非常重要的影响。车架结构的模态分析是汽车新产品开发中结构分析的主要内容，尤其是车架结构的低阶弹性模态，它不仅反映了车架的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。车架在工作时承受来自多方面动载荷的作用时，当外载荷频率远小于车架一阶模态频率时,对车架做静态分析就可以满足设计要求,但是在通常情况下,车架所受的外载荷频率接近甚至达到了车架的一阶模态频率,这时就必须对车架进行动态分析,以了解车架的动态特性是否满足工作要求。模态分析即对系统的固有频率的分析是动态特性分析的基础,也是分析系统固有特性和振型的最主要方法之一。它能确保汽车使用中的安全可靠。因此，车架结构模态分析在现代汽车结构设计中具有十分重要的意义。
1.2 本文研究的主要内容
本文以淮安市专用汽车制造有限公司生产的HYG9386栏板货车车架为研究对象，通过CAD/CAE技术相结合，对车架进行有限元模态分析。
(1) 对车架进行从实体到三维电子模型的转化。
(2) 运用建模软件SlidWorks建立车架的实体模型。
(3) 将车架几何模型导入有限元分析程序AnsysWorkbench，建立车架有限元模型，对模型进行模态分析。
2 基于SolidWorks的半挂车车架实体建模
本文所要研究的半挂车是淮安市专用汽车制造有限公司的产品，半挂车车架为边梁式结构，主要由左右纵梁和若干根横梁组成。中间为两根主承载梁纵梁，纵梁为优质成型工字钢或焊接工字钢。两纵梁间采用焊接横梁，横梁采用优质钢板冲压成型或成型槽钢。两纵梁外侧采用翼梁焊接，翼梁为变截面优质钢板，横梁、翼梁与纵梁连接采用交叉结构，增加了车架抗弯强度和抗扭刚度。车全长约13m，宽2.4m，轴距约7.6m，由全金属结构焊接而成，车架前部可通过牵引销连接牵引车，左右侧分别装有工具箱、防护网和备胎等附件，表面铺有压花钢板和若干防滑条，下部可通过钢板弹簧连接三个车桥，车架为对称结构。其车架图如图2.1所示。
根据淮安市专用汽车制造有限公司提供的半挂车车架各部件的参数，以及对半挂车车架的现场测绘，对该车建立实体模型，其步骤如下：
1)确定绘制实体模型思路：因为半挂车车架为大型部件，机构复杂，首先要将该厂给出的车架二维工程图纸看懂，确定绘图思路。
2)纵梁的绘制：依据半挂车车架的尺寸在草图绘制右视基准面可以将半挂车车架的右纵梁绘出其右视图，然后按其尺寸将其拉伸，得到一个实心体，然后将实体进行切除操作，即可得到所需要的半挂车纵梁，因为左右纵梁为对称，因此可以通过在左右纵梁中心线处建立基准面然后进行镜像处理及可得到左纵梁。
3)横梁的绘制：横梁的绘制按照给出的数据在纵梁工字梁的纵截面处绘制横梁的右视投影图，并将其进行拉伸切除。
4)边梁的绘制：半挂车采用的是左右对称的结构，因此在绘制边梁的过程中也可采用左右对称的方法将其绘出。
5)车架定型：此时绘制的车架还需要吊耳、主销并将横梁多余部分切除即完成了车架建模工作，通过前一阶段的建模工作对SolidWorks软件熟悉程度大大增加，因此在绘制过程中按尺寸选择纵梁下端为基准面绘制吊耳上视草图，同样的在主销绘制中将前端横梁的下端为基准面绘制主销草图，进行拉伸，这里的尺寸尤其需要注意，最后是一些固定架的绘制，如同前文所述进行拉伸切除便可获得固定架。车架也随之完成。车架成型图如图2.2所示。
3 基于AnsysWorkbench的半挂车车架模态分析
3.1 模态分析过程
1)导入几何模型：
在SolidWorks中将绘制的车架模型生成“iges”文件，将其导入AnsysWorkbench中。
2)添加材料信息：
该半挂车车架采用16Mn为材料制成，该材料的信息如下表：
3)设定网格划分参数并进行网格划分：
首先选择“Mesh”,单击右键，激活网格类型命令Method,在Method的属性菜单中，选择整个车架实体，并指定网格类型为Hex Dminant。 在“Sizing”属性菜单中，选择整个车架，并指定网格尺寸为40mm。
4)选择模态分析Modal。
5)施加约束：
主要是以车架在使用过程中的状态进行，同时也要参考分析的需要，就是即要保证消除车架结构的刚体位移，又不影响车架本身的自由变形，按此要求，车架后部通过悬架、车轮支承在路面上，车架前部经牵引销支承在鞍座上，所以在车架前端牵引板处实施全位移约束，在车架后部钢板弹簧吊耳与纵梁连接处施加U，U，U方向的位移约束。在“Support”选项中选择“Fixed Support”，选择主销及后部钢板弹簧吊耳与纵梁连接处作为位移约束。
6)设定求解参数，求解前20阶模态。
7)单击Solve求解，得出模态分析图。模态的各阶频率值见表3.1，前3阶模态的振型图如图3.1~图3.3所示。
3.2 结果分析
通常汽车在行驶时车架受到的外部激振源可概括为两类:一是汽车行驶时路面不平度(指一般的正常的公路)对车轮作用的随机激振引起的车轮不平衡，频率一般在20Hz左右;二是发动机运转时，工作冲程燃烧爆发压力和活塞往复惯性力引起的简谐激振，它的特点是频率范围很宽。当这些激振力的激振频率与车架的某一固有频率相吻合时，就会产生共振，并导致在车架上某些部位产生数值很大的共振动载荷，造成车架被损坏的危险。因此，用模态分析的方法对汽车车架进行模态的校核，可以验证车架是否符合动力学特性，也可以找到影响汽车振动特性的因素及解决方法。验证的具体原则如下：
(1)车架低阶频率(即一阶扭转和弯曲频率的值)应低于发动机怠速运转频率，以避免发生整体共振。
(2)车架的弹性模态频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围。
(3)车架的固有频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围。
(4)车架振型应尽量光滑，避免有突变。
在汽车行驶过程中, 发动机怠速引起的振动的频率范围在33Hz以上;牵引车处于常用车速(50km/h～80km/h)时，发动机的爆发频率为48Hz～52Hz;正常行驶时路面激励频率为20Hz左右。非簧载质量的固有频率一般为6Hz~12Hz。根据分析结果可知，该车架的一阶扭转频率为8.1729Hz，二阶弯曲频率为12.229Hz，避开了发动机怠速、爆发频率、以及正常行驶时路面的激励频率，因此整个车架满足动态特性的条件，符合设计要求。
结论
本文运用有限元理论，在现代有限元分析软件的支持下，建立了HYG9386货车车架的三维实体模型和有限元模型，并对其进行了模态分析。具体说来，所完成的主要工作和取得的主要结论如下：
(1)对国内外半挂车车架的有限元模态分析研究概况和主要途径进行了简单分析。
(2)使用Solidworks软件建立了车架的三维实体建模。
(3)完成了车架的模态分析。将建立的车架三维模型导入AnsysWorkbench中，利用AnsysWorkbench软件建立整车有限元模型，使用solve求解器对车架进行模态分析，得到车架结构固有频率与固有振型。
(4)提取出了车架结构前二十阶固有频率以车架结构振型图，通过模态分析方法验证了该车架模态避开了随机路面的激励振动频率和发动机的怠速运转频率，符合车架的动态振动特性条件，满足车架结构的设计要求。
来源：CAE技术联盟
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