基于ANSYS14.0城市客车骨架的模态分析

王素粉

三门峡职业技术学院 河南, 三门峡 472000



基于ANSYS14.0城市客车骨架的模态分析

王素粉

三门峡职业技术学院 河南, 三门峡 472000

从车身覆盖件内表面出发，先构造出车身骨架的轨迹线，然后再从这些轨迹出发，在Pro/E环境下进行车身骨架建模，利用ANSYS14.0软件对车身骨架进行模态分析，得出车身骨架振型及固有频率，为以后的整车骨架有限元分析奠定了基础。

数字化建模模态分析振型固有频率

0　引言

车身骨架是城市客车车身的重要组成部分，也是城市客车车身开发的重点之一，它直接决定着整个车身的强度及使用寿命，因此必须对其进行科学合理的设计并进行性能分析，以保证其各方面达到性能要求。本文在Pro/E环境下，利用Pro/E的描述功能即可构建出车身架的三维实体模型，而相同形状的部分则可以通过阵列、镜像等命令得到。最终构建出课程的整体虚拟装配图。而城市客车在行驶过程中，由于路面激振力的作用，车身零部件会发生不同形式的振动，而车身骨架的振动又会带动车门、地板，顶棚、侧围等的振动。这些振动不但会导致车身结构的疲劳破坏，而且还会产生较大噪声。同时，当车身骨架所受激振力的频率与其固有频率近接时，就会产生强烈的结构共振，而这种共振会产生较大的动应力，从而给车身结构带来较大的变形和破坏。因此，对车身骨架进行模态分析是相当重要的，利用ANSYS14.0软件对车身骨架进行模态分析，得出车身骨架振型及固有频率，为以后的整车骨架有限元分析奠定了基础。

1　车身骨架设计与建模

城市客车车身骨架是由前围骨架、后围骨架、左右侧围骨架及顶盖骨架五大部分焊接而成，本课题中选用截面尺寸为60×40×3.0的矩形管钢作为车身骨架的构建材料。在Pro/E环境下，城市客车车身骨架的构建可以从车身覆盖件内表面出发，先构造出车身骨架的轨迹线，然后再从这些轨迹出发，利用Pro/E的描述功能即可构建出车身架的三维实体模型，而相同形状的部分则可以通过阵列、镜像等命令得到。通过这种方法构建的车身骨架更精确，与车身覆盖件的配合情况也较好。建好的车身骨架与车身地板虚拟装配如图1所示。

地板底架主要对车身地板起支撑作用，它的结构形状直接取决于车身地板的结构形状。Pro/E环境下建立的地板底架三维数字化模型如图2所示。地板底架与车身骨架的虚拟装配如图3所示。车身骨架与车身造型的总体虚拟装配如图4所示。

图1　车身骨架与车身地板的虚拟装配

图2　地板底架三维数字化模型

图3　地板底架与车身骨架的虚拟装配

图4　车身骨架与车身造型的总体虚拟装配

2　车身骨架模态分析

城市客车在行驶过程中，由于路面激振力的作用，车身零部件会发生不同形式的振动，而车身骨架的振动又会带动车门、地板，顶棚、侧围等的振动。这些振动不但会导致车身结构的疲劳破坏，而且还会产生较大噪声。同时，当车身骨架所受激振力的频率与其固有频率近接时，就会产生强烈的结构共振，而这种共振会产生较大的动应力，从而给车身结构带来较大的变形和破坏。因此，对车身骨架进行模态分析是相当重要的。

2.1车身骨架有限元模型的建立

由于本课题中车身骨架的三维数字化模型是利用Pro/E软件来建立的，其体积庞大、结构复杂，把其转换为IGES格式导入ANSYS软件后，会出现较为严得的数据丢失问题，给以后的分析带来较大的麻烦。而在ANSYS软件中建立车身骨架的有限元实体模型又相当困难。因此，本课题采用在Pro/E环境下建立车身骨架的线框模型，即提取车身骨架的中心轨迹线，然后把其导入ANSYS软件中，从而得到车身骨架的有限元线框模型。由于车身骨架型钢的截面形状相同，只需在ANSYS软件中定义其截面形状即可。

2.2单元类型、材料属性及网格的划分

客车骨架常用的单元类型主要有三维的beam188单元和shell181单元。shell181单元较为精细，多用于受力大且复杂的客车底盘分析；而beam188单元比较适合于车身骨架分析。因此，本课题选用beam188单元。车身骨架采用材料Q235，其弹性模量为：2.07×105N/mm2；泊松比为：0.3；密度为：7.85×10-6kg/mm2。由于车身骨架结构复杂，而其分析又不要求过于精细，可对其进行自由网格划分。当其单元长度取为70 mm时，其单元数目较少，单元质量也不高，因而其分析结果也不够精确；当单元长度取为25 mm时，其单元质量较高，但其单元数目过多，其分析速度也较慢；当单元长度取为40 mm时，既能满足精度要求，又可提高分析速度。因此，按单元长度为40 mm进行网格划分。

2.3车身骨架模态分析

由于高阶频率对车身结构的动力性能影响不大，因此，只需计算其前五阶频率即可。车身骨架模态分析结果如下所示：

根据以上模态分析，城市客车车身骨架的振型及固有频率如表表1所示。

从以上模态分析的结果来看，车身骨架前五阶振型的固有频率均在1.0 Hz以下。根据相关的研究，当客车发动机在怠速工作状态时，其转速通常为700 r/min左右，此时发动机的振动频率约为35Hz；而客车在常用车速50～80 km/h时的振动频率约为108～173 Hz，；同时，传动轴在常用车速下的不平衡振动频率约为33～68 Hz。这些振动频率均不在车身骨架的固有频率范围内，不会有共振现象的产生，因而可以认为该车身骨架的结构是合理的。

图5　车身骨架一阶振型

图6　车身骨架二阶振型

图7　车身骨架三阶振型

图8　车身骨架四阶振型

图9　车身骨架五阶振型

车身骨架模态阶数振型固有频率(Hz)1一阶扭转0.194902垂直弯扭组合0.318713水平方向左侧向一阶弯曲0.405974水平方向右侧向一阶弯曲0.630745垂直一阶弯曲0.78368

3　小结

本章介绍了Pro/E环境下城市客车车身数字化模型建立的过程，通过对城市客车车身概念设计、车身曲面造型设计、车门车窗及其它附件设计、车身地板设、车内座椅的布置及车身骨架设计等，详细描述了城市客车车身建模的方法及理念。同时，本章还对城市客车车身骨架进行了模态分析，了解了车身骨架的固有频率和振型，为以后的整车骨架有限元分析奠定了基础。

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The Modal analysis of the city bus frame based on ANSYS14.0

WangSufen

SanmenxiaVocationalandTechnicalCollege,Sanmenxia472000,Henan

starting from the inside surface of automobile body covering parts, the trajectory line of body frame is constructed, and then from these trails, the body frame model is got under the environment of Pro/E model, the analysis of the modal of body frame was carried out on the using ANSYS14.0 software, body frame vibration mode and natural frequency is concluded ,and it laid the groundwork for future analysis of vehicle frame finite element.

digital modelingThe modal analysisVibration modeNatural frequency

1006-8244(2016)01-029-03

王素粉(1981-)，女，河南省商水县，讲师，工学硕士，研究方向：CAD/CAE/CAM。

TH122

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