某轻型载货车车架静动态性能分析

丁文敏

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330200）

1 引言

汽车架是载货车重要的承载部件，车身、悬架和发动机等均安装在车架相应的位置，受力十分复杂，主要承受冲击、弯曲、扭转和整车自身重力等载荷。车架的动态特效和刚度等性能对整车的舒适性、操稳性和可靠性具有重要影响。当车架的固有频率与激励频率相同或相近时，将引起共振，从而产生振动和噪声，严重影响车辆的舒适度。当车架刚度不足时，会引起整车的变形增大，造成驾驶室密封性差、车门开闭故障等问题，因此车架必须具有良好的静动态性能，才能保证整车的各项性能。为了验证某轻型载货车车架静动态性能的可靠性，首先采用有限元方法建立车架离散化模型，对其进行模态分析，再对其进行模态试验，验证其仿真精度，最后对其进行弯曲刚度和扭转刚度分析。

2 车架模态性能分析

2.1 模态分析理论

基于模态分析可以获取车架的固有动态特性的，主要包含其固有频率、阻尼及其振型，根据该特征去表征车架的运动过程，车架振动方程为[1,2]：

式（1）中，M 为车架的质量矩阵；C为车架的阻尼矩阵；K为车架的刚度矩阵； 为车架的加速度矩阵； 为车架的速度矩阵；x为车架的位移向量；P（t）为激振力向量。

2.2 建立有限元模型

由于车架的各个零部件均为薄钣金件，其中性面能够准确表征其力学特性，能够减小网格数量同时节省大量的计算时间，因此采用前处理Hypermesh软件[3,4]对车架三维模型抽取中性面，删除部分影响较小的零件和特征。基于 8mm的Mixed壳单元对车架进行网格，螺栓连接和铆钉连接均采用CBEAM单元模拟，焊缝连接采用RBE2单元模拟。根据车架各个零部件的材料建立相应的材料牌号及其属性，以此建立车架有限元模型如图1所示。其中网格单元数为55493，网格节点数为59694。

图1 车架有限元模型

2.3 模态分析结果

当外界激励频率跟车架的频率相同时，车架将产生剧烈振动，对车架会造成重大损伤甚至发生断裂风险。为了获取车架的动态特性，基于车架有限元模型，采用Nastran软件[5,6]对其作无约束处理，频率范围为0-50Hz，以此对其进行模态性能分析。由于低阶固有频率对车架的动态响应有着重要影响，因此只提取车架前三阶固有频率及阵型。

如表1 所示，为车架前三阶固有频率与阵型。由表1可知，车架的前三阶固有频率分别为9.5Hz、29.3Hz和36.8Hz。

表1 车架固有频率及阵型

如图2和图3所示，分别为第一阶模态阵型及其应变能。由图2可知，车架为扭转阵型，最大位移为5.536mm。由图3可知，车架的最大应变能为147.5J。

图2 第一阶模态阵型

图3 第一阶应变能

如图4和图5所示，分别为第二阶模态阵型及其应变能。由图4可知，车架为扭转阵型，最大位移为3.905mm。由图5可知，车架的最大应变能为14.9J。

图4 第二阶模态阵型

图5 第二阶应变能

如图6和图7所示，分别为第三阶模态阵型及其应变能。由图6可知，车架为扭转阵型，最大位移为5.494mm。由图7可知，车架的最大应变能为20.3J。

图6 第三阶模态阵型

图7 第三阶应变能

该轻型载货车搭载四缸四冲程发动机，其转速为 800r/min，通过理论公式可得发动机激励频率为 26.7Hz，因此该车架的前三阶固有频率均避免了与发动机激励频率重合，不会产生共振，符合动态特性要求。

3 车架模态试验

为了验证车架有限元模型的合理性和模态性能分析的准确度，将该车架通过弹性绳自由悬挂于台架上，通过锤击法对其进行自由模态试验，得到其模态测试值，如表2所示。由表2可知，车架前三阶固有频率的误差分别为2.2%、2.5%和4.0%，均属于实际工程可接受范围之内，因此该有限元建模及其模态分析方法具有较高的准确度，为进一步的刚度性能分析提供了可靠的基础。

表2 车架模态测试值与仿真值对比

4 车架刚度性能分析

4.1 弯曲刚度分析

车架在车辆行驶过程中，容易受到弯曲载荷和扭转载荷的作用。弯曲刚度是指车架抵抗弯曲变形的能力，对车架的疲劳强度性能影响比较大。为了获取车架的弯曲刚度，基于其有限元模型，约束前后悬置支座的所有自由度，在车架左右两侧对称区域同时垂直向下加载500N，得到其变形云图，如图8所示。由图8可知，加载点处车架垂向平均位移为1.221mm，通过理论计算公式可得其弯曲刚度值为 8193.4 N/mm，该弯曲刚度值大于目标值（7000 N/mm）。

图8 弯曲变形图

如图9所示，为车架弯曲变形曲线。由图9可知，该车架左右两侧的弯曲变形曲线连续，无明显突变，因此能够满足弯曲刚度要求。

图9 弯曲变形曲线

4.2 扭转刚度分析

扭转刚度是指车架抵抗扭转变形的能力，为了获取车架的扭转刚度，基于其有限元模型，约束后悬置支座的所有自由度，在车架前悬置左右两侧对称区域同时垂直对向加载1000Nm，得到其变形云图，如图10所示。由图10可知，车架的最大扭转角为0.712deg，通过理论计算公式可得其扭转刚度值为 2106.7N.mm/deg，该弯曲刚度值大于工程要求值（1500 N.mm/deg）。

图10 扭转变形图

如图11所示，为车架扭转变形曲线。由图11可知，车架左右两侧的扭转变形曲线连续，呈对称趋势，无明显突变，因此符合扭转刚度性能要求。

图11 扭转变形曲线

5 结论

基于有限元方法建立车架网格模型，对其进行自由模态分析，得到其前阶固有频率分别为9.5Hz、29.3Hz和36.8Hz，处于激励频率范围之外，满足动态特性要求。对车架进行模态试验，其测试值与仿真值基本一致。对车架进行相应的约束和加载，得到其弯曲刚度值为8193.4 N/mm，扭转刚度值为2106.7 N.mm/deg，均符合实际工程要求，因此其静动态性能均满足设计要求。