电动客车车架结构模态分析与设计*

宫唤春 薛冰 吴冬冬

（燕京理工学院）

车架模态结构分析[1]是电动客车车身设计研发的关键环节之一，低阶弹性模态的变化直接影响车身的振动及乘坐舒适性。整车车架试验模态分析方法使得台架设计及试验方法异常复杂，测试准确性难以掌控，而通过建立车架三维模型结合有限元数值模拟技术[2]分析客车车架结构的模态参量与振动特性，可以缩短车架设计开发周期，同时可以改善优化设计方案并提高设计精度，已经成为车架设计研发的热点。文章利用CATIA软件建立了电动客车车架三维模型，结合有限元理论分析计算了不同模态下的车架振动特性，找出不同模态下车架变形特性及突变特性，对客车车尾结构进行了合理优化设计，提高了整车车架的动力特性。

1 车架有限元模型

利用CATIA软件设计车架的三维几何模型并确定相关尺寸数据，直接利用CATIA的设计数据，并对车架三维模型结构进行合理简化，满足有限元分析计算的需要。车架是由多个梁和螺钉等零件组装而成的，在使用CATIA软件画图时将车架分为三部分，分别对应于驾驶员位置部分、乘员位置部分及尾部后置发动机部分。根据不同位置选取不同结构的梁及零件，为方便有限元计算进行了合理的简化。

文章中电动客车的车架由8根钢管横梁、40个对称零件及30个非对称零件，总共78个零件经氩弧焊焊接组装而成。在设计车身三维模型时，需要对接焊处加硬点，对接焊采用2种焊接接头的处理方法：1）结构上完全协调，消除存在焊缝的位置，使梁与零件相同位置硬点处的不同节点连为一体；2）部分有焊缝的地方，采用多点约束法（MPC）连接梁与零件硬点处的节点。氩弧焊缝用MPC连接相应位置处的节点。采用壳模块单元整体建立车架有限元模型，如图1所示。忽略车架结构中的孔、角及翻边等局部结构对刚度的影响，螺栓连接和焊缝处采用有限元网格单元连接，取单元基本边长为25 mm，单元厚度依实际结构确定。设计完成后的有限元模型单元数为110 621，有限元网格数为331，节点数为181 728。取钢材的弹性模量、泊松比和体积质量分别为 250 MPa，0.5，8 100 kg/m3。

图1 某电动客车车架有限元结构模型

2 车架模态分析

文章中的车架模态分析主要是依据车架的质量和刚度，计算分析车架在不同模态频率下的振型。对车架结构低阶有限元模态分析采用自由-自由边界条件[3]，采用Block Lanczos法[4]对车架结构进行模态计算，并在30 Hz以内的频率范围选取模态参数，分别得出了前4阶弹性模态频率和相关模态振型，如表1所示。为了进一步分析有限元方法的准确性，利用ANSYS软件[5]对车架进行了模态试验，试验模态频率结果，如表1所示。

表1 某电动客车车架低阶模态有限元分析结果 Hz

从表1可以看出，通过软件计算的模态频率与试验测试的模态频率的误差在2 Hz以内，表明建立的车架三维模型及有限元计算分析结果是准确的，车架振型与实际情况比较吻合。

根据汽车平顺性相关法规中关于汽车振动特性的相关要求，汽车以低于100 km/h的速度行驶于水平路面时，要求汽车的激励频率低于20 Hz，所以汽车车架的第1阶固有频率应高于20 Hz，以不低于23 Hz为最佳，路面的不平度激励才不会使整车产生共振。某电动客车车架模态分析振型，如图2所示。车架的1～4阶计算模态频率分别是 16.179，19.413，21.187，24.241 Hz，车架模态结构为局部振动，所以对车架不会产生太大影响。在后车架的中间位置，2阶和4阶垂直弯曲模态的振型变化较大，局部刚度存在突变，容易导致车架局部振动。

图2 某电动客车车架模态分析振型

3 车架改进设计

电动客车在正常车速时，路面不平度的激励能量要控制在25 Hz以内，合理的设计应该是将左右纵梁连接在一起，构成一个整体框架，使车架有足够大的抗弯扭刚度，车架剖面形状应该是槽形。常用的工程方法是改进车架部件的结构形式与尺寸，找出影响车架整体模态振动的主要位置，提高车架整体抗弯扭刚度来应对不同的路面激振能量。

根据车架三维模型计算的结果可知，1阶和2阶弯曲模态都位于后车架的中间位置，使得车身整体振动增大，影响汽车平顺性，因此，文章提出2条改进措施：1）将后段车架中间位置的L型挂板改为U型挂板，加大宽度尺寸，结构改进比较，如图3所示；2）改进尾横梁与左右纵梁连接处的形式，提高车架的弯扭刚度，结构改进比较，如图4所示。

图3 某电动客车后段车架结构连接设计改进前后比较

图4 某电动客车尾横梁结构设计改进前后比较

结构改进后，1～4阶计算模态频率分别为15.167，18.435，20.152，23.134 Hz。改进后的 1 阶和 2 阶模态频率降低了1 Hz左右，改进后的车架结构振型连续性明显优于原结构。

4 结论

文章通过分析某电动客车车架结构，利用CATIA软件建立了车架三维模型，利用ANSYS分析了车架不同模态的振动变形特性，找出车架变形规律，为合理设计车架结构提供了理论依据。由于文章只是从虚拟仿真的角度模拟客车运行时车架受到的模态振动，还需要通过实车试验测试进一步进行验证，这也是今后继续开展的研究工作。