基于有限元方法的某轻卡车架性能研究

黄勤 何帆影 宋磊 曾宪波

摘 要：为验证某轻型货车车架的各项性能是否满足设计要求，文章基于有限元方法对其进行模态分析，其前四阶模态频率均有效地避开了车架下结构的固有频率和发动机怠速激励频率，有效避免其发生共振问题。基于整车动力学模型，分解了车架十工况的强度载荷，采用惯性释放方法和动态输出载荷进行强度分析，各个工况下的车架均能满足强度要求，综上分析结果表明该轻卡车架的各项特性均满足设计要求。

关键词：轻卡车架;模态;强度

Abstract： Aiming at verifying the various characteristics of a light truck frame meet the design requirements. The frame modal analyzed based on the finite elements， the result showed that the first four free modes effectively avoid the excitation frequency of the frame structure of the natural frequency and the frequency of engine idle speed， so the resonance will be effectively avoided. The frame strength analysis base on inertia relief method and dynamic loading， the frame meets the strength requirements under various working conditions. The analysis results show that the characteristics of the frame meet the design requirements.

1 引言

车架是底盘、动力系统和车身系统各总成件的安装基体，这些总成的质量及其传给车架的力和力矩，可能造成车架强度和疲劳破坏[1-3]。其可靠性不仅关系到整车能否正常运行，而且还关系到整车安全性，车架强度对整车的性能尤为关键，所以深入研究车架的性能特性显得至关重要。为研究某轻卡车架的动静态性能，并验证其是否满足设计标准，本文基于有限元方法对其进行模态分析，以及基于动态载荷的强度分析。

2 车架模态分析

2.1 模態分析理论

结构系统固有模态频率及其模态振型是分析结构振动特性的基础，通过模态分析可以确定结构的振动特性[4-5]。

车架的振动方程为[6]：

式（1）中，[M]为结构总质量矩阵;C为阻尼矩阵;[K]为总刚度矩阵; 为加速度向量;{q}为位移向量。对应的特征值方程为：

式（2）中ω为结构固有频率，当车架固有频率和工作频率接近时，会发生共振，产生较大振幅，从而降低其使用寿命。由于低阶频率对振动特性的影响较大，高阶频率对其影响较小，因此仅求解该车架前四阶的固有频率及其阵型。

2.2 车架有限元模型

（1） 车架构成均为钣金件，采用单元类型为QUAD4 及少量板壳单元来划分;

（2）发动机支架、钢板弹簧安装支架受力情况复杂，采用体单元来划分;

（3）结构焊接处用RBE2 刚体单元来模拟，铆钉及螺栓通过BAR+RBE2模拟连接。

（4）车架有限元网格大小按照8mm 进行划分。

其中纵梁、第一横梁、第三横梁和发动机支座的材料为B510L，其他横梁及部分支架的材料为SAPH440，驾驶室安装座、驾驶室中座、后座材料为Q235，前钢板弹簧支座和后钢板弹簧前支座材料为SAPH400，后钢板弹簧后支座为QT400，图1为车架有限元模型。

2.3 模态分析结果

车架作为轻卡主要承载件，对于车架各阶模态自身的特点如下：

（1） 一阶扭转模态：主要反映了车架抵抗扭转的性能，对于轻卡车架，应避免车架产生过大的扭转应力和局部扭转应力;

（2）垂直弯曲模态：反映了车架抵抗垂直弯曲的性能，车架的垂直弯曲频率应避开路面不平度激励频率、簧下悬架的固有频率、传动轴的激振频率和发动机振动频率;

（3）横向弯曲模态：体现的是抵抗车架平面内横向弯曲的性能，和垂直弯曲模态相似，车架横向弯曲的频率值不应太小，但需避开发动机振动频率;

（4）二阶扭转模态：主要反映了汽车的操纵稳定性，二阶扭转却对汽车摆头问题有较大影响，所以车架的二阶扭转频率应相对较高。

通过对某轻卡车架进行自由模态分析，计算出其各阶固有频率及模态振型，获取该轻卡车型车架的振动特性。表 1是其前四阶固有频率及其阵型描述，图2所示是其前四阶振型。

某轻卡的发动机怠速的激励频率为20Hz，传动轴不平衡的弯曲振动频率为43Hz，由表1可知，该轻卡车架的模态有效避开了发动机怠速激励频率，满足要求，有效避免其发生共振风险。

3 车架静强度分析

3.1 载荷分解

相比传统建立简化整车有限元模型进行强度分析，本文运用的是基于多体动力学搭建整车Adams模型，进行载荷分解。其中车架各硬点处载荷的准确性取决于ADAMS动力学模型精度。图3是建立载荷计算整车动力学模型，为提升精度，其中横向稳定杆和轻卡车架采用柔性体模型。

车架的强度考核工况，分别由单轮上抬高150mm工况、对角线车轮同时抬高100mm工况，整车制动1g、转弯0.6g、整车转弯制动（0.4g和0.7g），再将各工况动态载荷输出。表2是左前轮上抬150mm工况载荷（示例）。

3.2 强度结果

基于上述轻卡车架十工况输出的动态载荷进行强度分析计算，模型无约束。图4～图7是该轻卡车架强度分析结果，由图可知，车架纵梁上应力值均小于材料屈服极限，无塑性应变，满足强度要求。车架横梁最大应力为456MPa，出现在转弯制动工况中第三横梁处，产生了塑性应变，其值为0.39%，满足极限工况下零部件塑性应变小于1%目标要求。故该轻型货车车架在10个工况下，满足轻卡车架强度设计要求。

4 结论

本文采用有限元法对某商用轻卡车架进行了模态分析，得到其前四阶固有频率及振型，均避开了车架下结构的固有频率和发动机怠速的激励频率，可避免其发生共振风险。基于整车动力学模型输出十工况载荷，采用惯性释放方法进行强度分析，各个工况下，车架满足强度设计目标，因此该轻卡车架各项静动态特性（模态、强度）均满足开发要求。

参考文献

[1] 王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] MITSCHKE M，WALLENTOWITZ H.Dynamik der kraftfahrzeuge [M].Berlin： Springer-Verlag，2004.

[3] 陈军.Adams 技术与工程分析实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4] 木标.某客车车架结构性能分析及优化[D].合肥：合肥工业大学， 2013.

[5] 黄超群，来飞，胡玉梅.重型货车车架纵梁静东强度分析[J].煤矿机械，2010，38（4）：152-157.

[6] 王锐，苏小平.汽车副车架强度模态分析及结构优化[J].机械设计与制造，2014，35（4）：46-58.