基于Workbench的某电动观光车车架的模态分析

纪玉杰 靳 齐

（沈阳理工大学，沈阳 110159）

基于Workbench的某电动观光车车架的模态分析

纪玉杰 靳 齐

（沈阳理工大学，沈阳 110159）

本文利用Creo5.0软件，建立观光车车架的三维实体模型，并利用ANSYS Workbench建立有限元模型对其进行自由模态分析，从而得到车架的固有频率及振型，验证观光车车架结构的合理性，为车架的结构设计及优化提供依据。

观光车车架 有限元 模态分析 固有频率

车架作为车辆的承载体，支撑着动力、传动、转向、车身等，并承受来自车内外载荷，是整个观光车的装配基础[1]。在正常的行驶中，车架会受到多种激励的作用。当激励频率接近车架整体的固有频率时，车架将会发生共振，不仅会加速车架损坏，还会降低乘坐舒适性。因此，车架不仅要满足强度和刚度的要求，还应具有合理的动力学性能[2-4]。通过对车架进行模态分析，不仅可以分析车架的性能，还可以对其结构进行评价[5-8]。

K.AO.J.Niiyama等人利用静力学分析的结果对车架进行设计，但没有充分考虑车架的动态性能[9]；Krawczuk、Marek等人通过利用Shell单元将货车车架离散化处理，对车架进行动态分析，但并未实现合理的车架结构优化[10]；钱立军、吴道俊等通过MSC.Nastran软件对车架进行了模态分析以预估车架的疲劳寿命，但分析过程中车架结构过于简化，与实际情况有一定差别，且未充分考虑车架的材料性能对结果的影响[11]。

本文对新型材料A7NO1ST-5型高强度铝合金构成的观光车车架进行了模态分析，以期为新能源车辆车架的轻量化设计及结构优化提供了参考和依据。

1 模态分析理论

模态分析是确定结构或机械零部件的振动特性。它克服了静态方法的局限性，强调从结构的整体考虑问题，且在性能校核中考虑了振动的因素。自由模态分析的实质是求解具有有限个自由度的无阻尼及无外载荷状态下的运动方程的运动矢量。由振动学理论得系统的微分方程为[12]：

式中，M为质量矩阵；ü为加速度向量；C为阻尼矩阵；

u4为速度向量；K为刚度矩阵；u为位移向量。

对于无阻尼自由振动系统，其运动微分方程为：

式中，w2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，需求解特征方程的根ωi（i=1,2…,n），从而得到模态频率及固有振型。

无阻尼振动系统的特征方程为：

2 车架三维实体模型的建立

本文所研究的观光车应用于景区、广场等公共场所，其承载人数相对较多，因此车架结构强度很重要。本车采用边梁式车架，车架全长5.5m，宽为1.8m，最大高度为0.43m。应用Creo5.0对车架进行三维实体建模，车架模型如图1所示。

图1 车架三维实体模型

3 车架模态分析计算

本文中观光车车架使用的材料为A7NO1ST-5型高强度铝合金。它强度高，耐腐蚀性能好，通过常温时效处理，焊接部分的强度能够恢复到接近母材的强度。常用材料的性能，如表1所示。

表1 常用材料性能对比

3.1 车架有限元模型的建立

将车架的三维实体模型导入Workbench中，首先要设置单元属性，如表1所示。A7NO1ST-5型高强度铝合金的密度为2770kg/m-3，杨氏模量为69GPa，泊松比为0.3。

在有限元模型建立前，要对三维实体模型进行简化。例如，局部倒角、工艺孔等，以避免因局部的小部位影响网格的划分精度[13]。虽然增加网格的数量可以提高计算精度，但同时也会耗费更多的计算时间。因此，在划分网格时要在保证计算精度的基础上尽量减少单元数量。选择以solid187实体单元为主的自动划分法，网格的相关性设定为0～80。网格划分完后，需要对网格质量进行检查，看是否存在遗漏、重叠之处。自动划分网格后，得到25355节点和18921个单元，有限元模型如图2所示。

3.2 车架模态计算结果

车架的自由模态由车架本身的结构特性和材料属性决定，与外部载荷条件等无关，不需要施加任何的边界条件和载荷[14]。

图2 车架有限元模型

由于观光车在室外园区行驶中会受到来自路面、车轮不平整等各类激励的影响，当这些频率与车架固有频率一致时，就会出现共振现象。因此，通过对车架进行模态分析，了解并分析车架结构的振动特点非常重要。车架是一个连续载体，具有无限的自由度，无需把所有的频率振型均求解出来，仅需要正常情况下车架的振型即可，这里只提取前8阶的模态结果。利用Workbench，采用Block Lanczos算法，对车架进行模态求解，得到车架前8阶的固有频率和振型，分别如表2、图3所示。

表2 各阶频率及振型

图3 车架各阶模态振型图

3.3 车架模态结果分析

由图3可知，车架的前3阶振型的主要特征为平动：一阶固有频率为0Hz，二阶固有频率为9.5425e-004Hz，三阶固有频率为2.1414e-003Hz。车架的第四阶振型为弯曲变形，其固有频率为3.2035Hz；车架的第五阶振型为弯曲变形，其固有频率为3.3211Hz；车架的第六阶振型为扭转变形，其固有频率为5.5355Hz；车架的第七阶振型为弯曲变形，其固有频率为11.782Hz；车架的第八阶振型为弯扭组合变形，其固有频率为16.879Hz。

电动旅游观光车行驶的路况大多是在城市及景区等比较平坦的路面。此类路面对车辆的外界激振频率一般低于5Hz。正常情况下，车架的低阶模态的固有频率应该避免与电动车行驶时路面对电动车的激振频率重合。通常，由于车辆行驶路面不平顺而引起的运动学激励大多属于5～20Hz的垂直振动[15]。同样，车架的高阶模态的固有频率不应该与电动车的驱动电机在运行综合所产生的激振频率重合，一般应用在观光车上的电机的激振频率在20～3000Hz。根据分析结果，车架的前3阶模态的固有频率都小于1Hz，车架的第8阶模态固有频率为16.879Hz，两个条件均符合，该车架的结构大部分都符合要求。但是，车架的最前端和最后端相对整体变形较大，在设计结构应予以改进。

4 结语

本文利用Workbench对车架进行自由模态分析，得到了车架的前8阶模态的振型和固有频率。通过车架模态分析的结果，可以得到该车架能够很好地满足动态特性的基本要求，并且低阶频率远离共振频率带，避免了共振现象的发生。通过对应用该材料的车架进行模态分析，得到的分析结果都符合要求，不仅为今后应用该型材料的车架结构动态特性的分析提供了参考，还为其他种类车辆的车架结构设计及材料的选择提供了可靠依据。

[1]朱命怡，娄云，闫君杰，谭思云.电动旅游观光车结构与设计[J].拖拉机与农用运输车，2009，36（1）：113-114.

[2]王得刚，李朝峰，李鹤.基于HyperMesh的车身模态分析[J].机械制造，2008，46（6）：4-6.

[3]赵宇楠，司景萍，王二毛，万方军.基于ANSYS的矿用自卸车车架结构优化设计[J].煤矿机械，2014，（3）：18-21.

[4]万明磊.基于ANSYS Workbench的电动城市客车车架轻量化研究[D].青岛大学，2015

[5]Minglei Wan，Zuoqiang Dai，Hongxin Zhang.Finite Element Analysis on Hybrid city Bus Frame Based on ANSYS-Workbench14[C].Applied Mechanics and Materials，2014，（662）：214-219.

[6]汪伟，辛勇.车架有限元建模及模态分析[J].机械设计与制造，2009，（11）：53-54.

[7]钟焕祥，唐胜男，姚玉丽.基于有限元法的副车架模态分析[J].汽车零部件，2014，（6）：49-51.

[8]何鹄环.永磁有刷直流电动机电磁振动与噪声的分析[D].上海：上海交通大学，2012：64-100.

[9]Kazuo，Niiyama.Analysis of Torsional Stiffness Share Rate of Truck Frame[M].SAE Technical Paper Series，1991：18-21.

[10]Krawczuk M.Modal Analysis of the Low-pressure Frame of Steam Turbine[J].American Society of Mechanical Engineers，1995，（3）：275-287.

[11]钱立军，吴道俊，祝安，定章适.基于模态应力恢复的车架疲劳寿命计算研究[J].中国机械工程，2011，（7）：780-784.

[12]吴海波，李晋，石磊磊.轻型货车车架的有限元建模及模态分析[J].公路与汽运，2012，（4）：17-19.

[13]胡侃，戴作强，张铁柱.某混合动力城市客车车架结构模态分析与优化[J].青岛大学学报(工程技术版)，2016，（2）：95-100.

[14]万国睿，琚立颖，龙海洋.多功能电动车车架静态及模态分析[J].机械工程与自动化，2016，（4）：90-91，94.

[15]万长东.轻型小客车车架的振动特性分析及控制[J].机械设计与制造，2010，（2）：59-60.

The Model Analysis of Electric Touring Car Frame Based on Workbench

JI Yujie, JIN Qi
(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159)

The 3-D model of touring car frame was built by using Creo5.0 software ,with ANSYS Workbench , the finite element modal was set and the modal analysis of car frame was made in the article , the natural frequencies and modal shapes was got , the rationality of the structure of touring car frame was verified ,the article supplied foundation in the theory for the design and optimizing of the car frame.

touring car frame, finite element, modal analysis, natural frequency