基于有限元理论的自卸车车架模态分析

王许州 杨璐 李庆江

1、辽宁沈阳工业大学建筑与土木工程学院 2、山东菏泽学院教务处

1 前言

车架是车辆的主要承载体，并且作为主要的承载结构，是整个汽车最主要的部分，因此要求其必须具有足够的强度。同时汽车作为一个多自由度振动系统，在其工作运输过程中承受着多种激励作用，外界激励频率接近车辆的固有频率时就会产生共振，因此对车架进行模态分析是非常必要的[1-2]。

2 模型的建立

根据振动理论，多自由度系统以某个固有频率振动时所呈现出的振动形态称为模态，此时系统各点位移存在一定的比例关系，称固有振型[3]。模态分析的关键在于求得实体的模态和固有频率。根据厂家提供的图纸，对车架进行建模并简化，省略了轮胎及减震钢板弹簧。对模型中细小的结构（如车架的倒角、车架上的指示灯等）进行省略。根据实际情况，车架材料为Q345B型钢，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，材料密度为7.85g/cm3。对建好的模型（如图1所示）导入到ABAQUS有限元软件中计算[4]。

图1 车架三维模型图

3 计算结果及分析

汽车是一个多自由度振动系统，对车身振动外部激励一般有两大类：一种是起伏的路面对行驶的车身造成的振动，多属于20Hz以下的垂直振动；一种是由于车体发动机工作时产生的振动，该车采用的潍柴WP10.375发动机怠速转速为700～1000r/min，通过计算得出其频率为11.67～16.67Hz[5]。

车架低阶振动频率容易与外部激励产生共振，对车身影响较大，所以选取前6阶频率进行分析。采用Lanczos计算方法，此方法对复杂模型计算较为迅速且准确。通过对副车架模型进行分析计算，各阶固有频率如表1所示。

表1 固有频率对照表

图2 车架局部振型图

副车架振动情况决定了在其受到外部激励时的工作状态，通过对车架固有频率及振型特点可以看出，1～6阶的频率分布在35～93Hz范围内，其中1、4、5、6阶振型为弯曲振型，2、3阶振型为扭转振型。1阶阵型车架沿Y-Z面内弯曲且车头附近产生较大变形。2阶阵型车架车头处沿Y-Z面发生扭转变形。3阶阵型车架车头处沿Y-Z面内扭转变形。4阶阵型车架第一根横梁处沿Y-Z面内产生弯曲变形。5阶阵型车架第一根横梁处Y-Z面内产生较大的弯曲变形。6阶阵型车架第一根横梁处产生了沿X-Y面内的较大弯曲变形。

4 结论

通过模拟分析可得，车架最低固有频率为35.044Hz，避开了路面振动的20Hz以下，也避开了发动机怠速时11.67～16.67Hz，并且车架的频率较高，因此不易引起共振。但是，根据阵型结果可以看出，车架的车头和第一根横梁处有过大的局部弯曲变形，变形最大幅度为1.445m，同时车架局部还产生扭转变形，这样的局部振动长时间工作容易引起局部疲劳破坏，因此可以考虑在第一根横梁处增加车架厚度或添加减震片，这样可以增加车体强度，同时又避开横梁处振动破坏，具体可以在后续的生产中进行验证改进。

[1]司景萍,韩璐,任庆霜.基于ANSYS 的自卸车副车架结构模态分析[J].内蒙古工业大学学报,2011,30（3）：328-331.

[2]王晖云,吕宝占,朱思宏．基于ANSYS 的轻型载货汽车车架模态分析[J].煤矿机械,2007.28（3）：59-61.

[3]李晓雷,俞德孚,孙逢春.机械振动基础[M].北京理工大学出版社,2010,2.

[4]杜文学,俞德津.基于有限元理论的重型半挂车架模态分析[J].专用汽车,2007,8：33-36．

[5]赵峰.BJ3043E 型自卸汽车车架静动态有限元分析及结构改进[D].山东大学,2004,10：25-33．