基于ANSYS的轻卡车架模态分析及结构优化

孙加龙 肖平

摘 要：为了研究轻型卡车车架结构的动态特性，对其车架结构进行有限元模态分析及优化设计。首先，运用SolidWorks 2020软件建立轻卡车架三维实体模型，进而利用ANSYS Workbench 2021软件进行模态分析，得到前6阶固有频率，并与车架激励频率进行对比研究，从而对轻卡车架进行结构优化，将优化结构的固有频率再与激励频率进行对比分析。

关键词：轻卡车架 ANSYS 模态分析 结构优化

Abstract：In order to study the dynamic characteristics of light truck frame structure， the finite element modal analysis and optimization design of the frame structure were carried out. First of all， SolidWorks 2020 software is used to establish a three-dimensional solid model of the light truck frame， and then ANSYS Workbench 2021 software is used for modal analysis to obtain the first six natural frequencies， which are compared with the excitation frequency of the frame， so as to optimize the structure of the light truck frame， and then compare the natural frequency of the optimized structure with the excitation frequency.

Key words：light truck frame， ANSYS，Modal analysis，Structural optimizati

1 引言

车架作为轻型卡车的核心部分，车架上安装有发动机、变速器等重要部件，且承受货箱及货物的重量。汽车是一个复杂的多自由度振动系统，在车辆行驶过程中，车架受力复杂，当外界激励频率与自身固有频率相同时，则车架发生共振，进而影响车辆平顺性与安全性，严重则会直接对结构造成破坏。本文已轻型卡车车架作为研究对象，对其进行模态分析与结构优化，避免车架发生共振，为轻卡车架设计制造提供有价值的参考。

2 轻卡车架建模

2.1 三维实体建模及简化

运用Solidworks 2020对轻卡车架主梁、中梁、尾梁、前横梁、加强轴等零件进行三维实体建模，再将其进行装配，集成为车架装配体。车架总长6米；总宽8.42米；前横梁、加强轴、元宝梁、尾梁各1根；主梁2根；中梁3根；铆钉若干。材料选用Q235。Q235材料屬性如表1。车架模型如图1所示。

2.2 有限元模型

本文运用的是ANSYS Workbench 2020软件进行模态仿真研究，将轻卡车架三维实体模型导入 ANSYS Workbench软件，装配体导入DM后没有任何装配关系，每个零部件都是完全独立的。为了方便仿真计算，删除铆钉等多余零件，并运用布尔运算将车架主梁、中梁、尾梁、前横梁、加强轴等零件连接成整体。然后进入设置模块进行网格划分，本文网格采用自动划分功能，由于整体模型较大，网格尺寸设置为0.05m，偏斜度设置为小于2，平滑设置为中等，其它设置保持默认即可。网格划分后，轻卡车架模型具有202568个节点，101857个网格。有限元模型如图2所示。

3 模态分析

在实际工程中，由于车架所受到的约束非常负责，且包含非线性因素，大部分约束都不是完全刚体。若在有限元分析时，对车架进行固定支撑设置，及约束部分为0位移，则结果可能与实际情况差距很大。所以本文模态分析采用自由模态分析，求解轻卡车架前12阶模态，舍弃前6阶刚体模态，保留其后6阶结构模态，为方便理解，7～12阶模态后文称1～6阶模态。轻卡车架1～6阶模态振型如图3所示。

在车辆行驶过程中，因路面不凹凸不平引起的激励频率一般为1～20Hz。此外，发动机怠速引起的外界激励频率也是造成车架共振的主要因素，其激励频率公式为：

式中：

z—发动机缸数；

—发动机冲程数；

n—发动机转速。

本文研究车架所用发动机为4缸4冲程，怠速区间为500～600r/min，取其怠速时最高转速，则计算得到怠速时，激励频率为20Hz。即若想避免轻卡车架产生共振，其结构固有频率需大于20Hz。

由模态结果可知，轻卡车架前6阶固有频率为17.004～83.151Hz，其第一阶模态频率为17.004Hz，此时车架产生共振，会对其结构产生破坏，需对结构进行改进。

4 结构优化

通过对比外界激励频率与轻卡车架固有频率可知，其第1阶模态频率低于20Hz，容易产生共振，且前横梁出变形较为明显，易受到破坏。为提高车架使用寿命和行驶平顺性，对轻卡原有结构进行改进，在前横梁与加强轴间增加加强筋，且增大前横梁中间方管尺寸，以增强局部结构强度。改进轻卡车架如图4。

对改进后轻卡车架进行模态分析，对比改进前后试验数据。由图5改进车架1阶模态可知，改进后1阶模态为21.63Hz高于平面不平与发动机怠速引起的激励频率，摆脱改进前可能发生共振的情况。由表2固有频率对比表与表3变形对比表可知，各阶模态固有频率皆有显著提升，都在外界激励频率之上，且改进前后模态各阶变形皆有明显降低，结构优化达到预期目标。

5 结论

通过对轻卡车架进行有限元模态分析，原始车架1阶模态频率在外界激励频率范围内，容易引起车架共振，且前横梁附近变形相对较大。因此，对前横梁附近进行结构优化，提高局部结构强度，使其1阶固有频率脱离共振带，且减小前横梁附近变形，车架整体模态性能得到提升，模态特性满足使用要求，为车架结构优化提供参考方向。

参考文献：

[1]于鵬，彭闪闪，胡汉春.基于CAE技术某电动汽车车架模态及静态分析[J].贵阳学院学报（自然科学版），2022，17（02）：85-90.DOI：10.16856/j.cnki.52-1142/n.2022.02.001.

[2]姚明镜，唐璇，贾曾浩.基于CAE的车架结构模态分析及优化设计[J].机械设计与制造工程，2021，50（12）：97-100.

[3]吴云飞.某轿车前副车架模态分析与优化[J].汽车零部件，2021（02）：55-60.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2021.02.012.

[4]胡建泰，吴向廷，赵韶剑，赵广松，魏琼文.某轿车副车架的模态分析与试验研究[J].机械工程师，2021（02）：134-135+139.

[5]邱宇. 基于有限元大型货物运载车辆车架结构设计研究[D].西华大学，2020.DOI：10.27411/d.cnki.gscgc.2020.000283.

[6]于蓬，王健，刘清国，郑金凤，薛彬，刘学串.氢燃料电池观光车主车架模态分析[J].农业装备与车辆工程，2020，58（09）：25-28.

[7]何文斌，姚恒阳，马军，李一浩.纯电动乘用车车架模态分析及结构强度分析[J].机械设计与制造，2020（09）：235-238.DOI：10.19356/j.cnki.1001-3997.2020.09.055.

[8]汪阳.ANSYS约束模态分析在起重机车架上的应用[J].汽车实用技术，2020（13）：144-146.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.13.045.

[9]孙智勇，车璐，张亮，张峻方.基于NX NASTRAN的拉臂装置副车架模态分析与仿真[J].锻压装备与制造技术，2020，55（01）：50-53.DOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2020.01.012.

[10]宁凡，于明，赵坚，洪学武，刘海强，王志斌，刘聪.基于ANSYS的平地机前车架动态性能分析[J].机械工程师，2020（02）：37-38+42.