基于有限元法的副车架模态分析

钟焕祥，唐胜男，姚玉丽

(浙江万安科技股份有限公司，浙江诸暨 311835)

基于有限元法的副车架模态分析

钟焕祥，唐胜男，姚玉丽

(浙江万安科技股份有限公司，浙江诸暨 311835)

运用CATIA软件建立副车架三维实体模型，通过ABAQUS分析软件建立其有限元模型。对有限元模型进行自由模态及约束模态的模拟分析，得到副车架的固有频率和相应振型。然后对副车架进行模态试验，通过比较试验结果与计算结果，验证有限元模型的正确性，为后续的结构优化提供参考。

副车架；有限元；自由模态；约束模态

Abstract:A three-dimensional solid model of the subframe was built with CATIA, and the finite element model of the subframe was built in ABAQUS. The inherent frequency and the vibration mode of the subframe were gotten based on the analyses of the free modal simulation and the constrained modal simulation.The finite element model of the subframe was validated by the model testing in the laboratory. By comparing the testing results with the computation results, the correctness of the finite element model is verified. It provides reference for subsequent structure optimization analysis.

Keywords:Subframe; Finite element; Free modal;Constrained modal

0 引言

轿车副车架作为车桥与悬架的支撑，是前后车桥的重要组成部分，同时也是发动机的重要承载单元。在车辆行驶过程中，副车架对来自路面的随机载荷和发动机的振动载荷进行衰减和隔离，在此过程中，当激励频率与副车架固有频率一致时，就会发生共振现象，影响车辆行驶的平顺性和舒适性，因此，研究副车架的动态特性对于研究整车的疲劳特性以及NVH 性能有重要作用。

模态分析是各种动力学分析的基础，结构的振动特性决定了结构对于其他各种载荷的响应情况。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元网格划分

运用CATIA软件进行三维实体建模，并将模型导入ANSA软件进行网格划分。在网格划分过程中，先对模型进行几何清理，去除对结果影响较小的圆角、倒角。考虑到产品为钣金件，材料均匀，采用四边形壳单元进行模型网格划分。副车架中的焊缝，其尺寸相较于所定的网格尺寸来说比较大，所以单独建立了焊缝单元，以刚性连接进行模拟。

1.2 赋予材料及属性

副车架各部件材料壁厚、材料属性均根据实际定义，具体参数见表1。

表1 部件几何属性及材料属性

2 副车架理论模态的提取

2.1 有限元模态分析理论

根据振动理论系统的运动微方程如下：

(1)

对于无阻尼自由振动系统，其运动微方程可简化如下：

(M+ω2M)μ=0

(2)

其中：ω2为特征值，即固有频率的平方；μ为特征向量，即振型。

为了得到系统的模态参数，需求解特征方程的的根ωi(i=1, 2， …，n)，从而得到固有频率及固有振型。无阻尼振动系统的特征方程如下：

(3)

2.2 自由模态提取

自由模态是模态分析的重要组成部分，在不考虑任何约束条件下得到结构本身的固有特性。在仿真过程中提取副车架前6阶自由模态参数，受篇幅约束，列出前2阶模态振型。1、2阶模态振型分别如图2、图3所示。

2.3 约束模态提取

结构在不同的约束条件下其固有频率、振动模态都会发生改变，约束模态能真实反映结构的振动情况，研究约束对于模态的影响。在仿真过程中提取副车架前6阶约束模态参数，受篇幅约束，列出前2阶模态振型。1、2阶模态振型分别如图4、图5所示。

自由模态及约束模态固有频率及振型描述如表2所述。

表2 自由及模态仿真结果

3 试验模态分析

3.1 理论模态与试验模态的对比分析

为验证有限元模型的正确性，把理论模态和试验模态作对比分析，见表3。

表3 对比分析结果

3.2 结果分析

3.2.1 产生误差的原因

(1)副车架结构部件采用冲压、折弯成型工艺，该工艺决定了结构材料并非绝对均匀分布，而理论模型却定义材料为均匀分布。

(2)有限元模型采用模拟焊接，焊缝定义为均匀分布，而实际焊接工艺与模拟焊接存在一致性的差异。

(3)模型在几何清理、拓扑优化过程中，对结构进行一定简化，与实际结构有一定误差。

(4)受试验设备及试验方法约束，试验结果本身也存在误差。

3.2.2 共振分析

发动机激励频率可由如下公式计算得出：

f=2Zn/60τ=26.9 Hz

(4)

其中：Z=4，为发动机缸数；n=800 r/min，为怠速车速；τ=4，为发动机冲程。

由此可得副车架1阶固有频率远远大于发动机怠速激励频率，避免悬架与地面引起的共振，同时副车架各阶频率跨度大，使副车架避免发动机运转过程中引发的爆振频率。

4 结束语

采用ABAQUS有限元软件对车辆副车架建立有限元模型，并对其进行自由模态及约束模态的仿真，分别得到其前6阶固有频率及固有振型，为进一步进行振动、疲劳及噪声的研究奠定了基础, 同时也为结构优化提供理论依据。

【1】 王云，周鋐，陈栋华.基于有限元及实验技术的轿车副车架模态特性分析[J].轻型汽车技术，2006(7)：7-10.

【2】 李伟锋，朱茂桃，陆峰，等.某SUV轿车副车架模态分析的实例研究[J].噪声与振动,2013(3):124-127.

【3】 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006:289-294.

【4】 张准，汪凤泉.振动分析[M].南京：东南大学出版社，1991:156-157.

【5】 张立军,余卓平,靳晓雄,等.汽车整车及零部件试验模态分析测试技术[J].汽车研究与开发,2000(5):37-40.

本田公布无线充电技术最新进展

电动车技术可正在发生日新月异的变化，近日国外科学家也公布了最新的双碳性电池技术，而我们这里要谈的是另一方面技术——充电技术。

当然，电动车主可以将充电线缆插入插座进行充电，不过这么做很麻烦，并且在工作繁忙或紧急事件发生时可能会忘。为了应对这样的问题，许多车企已经研发出了无线充电技术。近日，本田也公布了其在无线充电方面的最新进展。

尽管尼古拉特斯拉在1891年就提出了感应交流电等理论，但这项理论直到近年才真正发挥其实用价值。无线充电系统由两个线圈组成，感应线圈创造出交流电磁场，车上的接收线圈则负责接收并将磁力转化为电能储存在车内电池里。

本田与Witricity公司合作开发出一款新系统，用特定频率功率波实现磁共振。即便两个线圈并非完全对齐也可实现接近100%的能量传递。

据本田描述，线圈在横向误差±10 cm，纵向误差±5 cm，平行误差±2°的条件下，仍可实现80%～90%的传输率。

这项系统的输出功率约为2.2 kW，相比普通的插入式充电器仅低1 kW(一般无线充电系统功率比插入式充电器低得多)。本田预计该系统会在2016年投入使用。

(信息来源：互联网)

ModalAnalysisoftheSubframeBasedonFiniteElementMethod

ZHONG Huanxiang, TANG Shengnan, YAO Yuli

(Zhejiang Vie Science & Technology Co.,Ltd.,Zhuji Zhejiang 311835,China)

2014-04-04

钟焕祥(1984—)，男，学士，工程师，研究方向为车辆制动系统有限元分析。E-mail：zhonghx1984@163.com。