自卸车副车架自由模态与约束模态模拟对比分析

王许州杨璐李庆江

1、沈阳工业大学建筑与土木工程学院　2、菏泽学院教务处

自卸车副车架自由模态与约束模态模拟对比分析

王许州1杨璐1李庆江2

1、沈阳工业大学建筑与土木工程学院2、菏泽学院教务处

自卸车副车架的模态特性是影响汽车振动的最关键因素之一，为了研究副车架设计及动态特性，以某厂生产的重型自卸车为原型建立有限元分析模型，应用ABAQUS软件分别进行约束模态和自由模态分析。研究分析表明，自卸车副车架避开了外界产生的激振频率，不会发生共振现象；约束模态较自由模态有更多的局部振动，尤其管梁处振幅较大，在后期优化时可以考虑优化车架结构或改进约束。

自卸车副车架；动态特性；自由模态；约束模态

1　引言

自卸车是一种应用于大中型基建的高效率的运输装备，它承载力大，工作条件恶劣［1］，副车架作为最主要的承载部件，应该有足够大的强度和刚度，同时在满足强度和刚度的基础上，尽量减少副车架的质量［2］。以某厂的自卸车副车架为原型建立模态分析模型，旨在研究副车架结构设计及振动情况，分别对其进行自由模态与约束模态分析，通过对比两种情况下模型的固有频率和振型方面的变化，揭示约束条件对副车架结构模态的影响［3］，为后续副车架结构优化及设计安装方式提供理论指导。

2　自由模态与约束模态设置

自由模态分析是模态分析的一个重要组成部分，可以对结构本身的尺寸、材料、振动情况等有个大概的了解，它不考虑任何约束的影响，得到的是结构本身的固有特性；在不同的约束状态下，结构的固有频率和振动模态会发生改变，因此按照实际约束情况对物体施加后的模态分析能够反映结构的真实振动情况。通过对副车架进行自由模态和约束模态分析，分别得出振型和频率，对比可以得出约束施加对副车架动态特性的影响。

副车架下方与车体底盘相连，并未和钢板弹簧及轮胎直接接触，所以对副车架前方轮胎处向副车架进行投影设置约束，后轮处采用联合悬挂，根据平衡方程将联合悬挂向中心处投影并设置约束［4］。计算约束：车架前方约束面积为300×80mm2，距离车架后端面4.51m，后方约束面积100×80mm2，距离车架后端面0.06m，具体约束情况如图1所示。

图1　副车架约束图

3　副车架模态分析结果与分析

汽车是一个多自由度振动系统，外部激励一般有两大类［5］：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，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。

通过查阅车辆振动资料发现低阶频率容易与外界激励相互作用而发生共振现象，取前八阶副车架固有频率进行分析。通过计算副车架固有频率得出自由模态时1阶最低频率为26.390Hz，约束模态时最低频率为24.648Hz，两者都避开了路面不平及发动机工作时的激振频率，因此不会发生共振现象，满足车辆安全要求。

表1　固有频率对照表

通过表1对比自由模态和约束模态的固有频率可以看出，约束模态固有频率多数较自由模态有所增加，这是因为约束条件产生的模型刚度增加所致，但随着模态阶数的增大，两者差距逐渐缩小。通过对比两者固有频率可以看出，约束模态有利于提高低阶模态固有频率，使副车架更容易避开外界激振频率，从而减少车体振动。通过对比自由模态和约束模态振型特性可以看出，对副车架施加约束后，车架的振型发生了变化，更多变形聚集在约束附近，产生了更多的局部振动，也得出了日常使用时车架的薄弱之处，约束模态情况更贴近于真实情况。

4　结论

（1）通过对副车架进行自由模态和约束模态的对比可以得出，副车架在这两种情况下都避开了路面不平及发动机工作振动时产生的外部激励，且车架固有频率较高，因此不会产生共振现象。

（2）约束模态较自由模态提高了车架的振动频率，更加真实地反映了车架真实情况。但是约束模态较自由模态有更多的局部振动，尤其是管梁处附近，长时间使用易产生疲劳断裂，因此在后续优化中可以考虑改进约束或者对此处进行优化，模拟分析数据可为后期优化提供理论依据。

［1］陈华光.电动轮自卸车车架模态分析［J］.煤矿机械，2008，29（9）：82-84.

［2］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.

［3］张立军，唐传骏，庞明等.制动盘的约束模态与自由模态对比分析［C］.2013中国汽车工程学会年会论文集.1236-1243.

［4］刘晓娟.ZJZ3250自卸车副车架的有限元分析［D］.内蒙古科技大学，2013，6：32-38.

［5］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.