校车车身模态分析

摘要： 建立某校车有限元模型，用Abaqus对该校车车身骨架进行有限元动态分析，计算出车身骨架的振型和对应模态值，分析其动态特性，为骨架的设计和优化提供参考.

关键词： 校车车身； 骨架； 有限元； Abaqus； 动态分析

中图分类号： U463.831； TB151.1文献标志码： B

引言

在客车行驶时，路面崎岖和发动机运转的激励会引起车身振动.因此，在设计车身时，不仅要考虑车身的静强度，而且要考虑车身的动态特性.

余启志等[1]用CAE软件对某型汽车骨架进行有限元动态分析，给出骨架的动态特征信息；沈光烈等[2]以某型大客车为研究对象，对其进行自由模态分析，得出其模态和振型；程志刚等[3]等建立某全承载式客车车身骨架有限元模型，在CAE中对其进行静动态分析并提出轻量化设计方案；王远等[4]详细讨论采用有限元法进行客车车身骨架模态分析过程中的一些关键问题，并对某客车进行模态分析，获得车身骨架的模态参数后，探讨该车身骨架的动态性能，为其设计的动态性能改善提供参考；陈元华[5]和胡方勤[6]也通过有限元软件对客车建立有限元模型并进行静、动态分析.

本文采用Abaqus软件对某型校车的车身骨架进行模态分析，采用Abaqus中线性摄动分析计算该校车的车身结构低阶模态.

1模态分析理论基础

2有限元模型和边界条件

2.1有限元模型建立

以某型校车为研究对象.根据提供的CAD图纸对校车骨架模型进行适当简化[3]：不考虑校车蒙皮；将校车发动机组和空调机组作为集中载荷处理；将曲率较小的杆件近似为直杆；将焊接位置简化为公用节点.划分网格后的校车骨架有限元模型见图1.

图 1校车骨架有限元模型

2.2边界条件和载荷施加

在进行汽车整车车身模态分析时，仅约束底盘的6个方向上（即U1，U2，U3，UR1，UR2和UR3）的自由度.施加的边界条件见图2.

图 2校车边界条件

动态特性的计算包括车身的固有频率和振型.在计算固有频率和振型时，车身处于自由振动状态，不施加任何外载.

3求解和结果分析

对车身骨架进行动态分析，主要进行模态分析，即计算骨架的固有频率与相对应的振型，通过固有频率与振型从整体上考虑车身骨架的总体刚度和局部强度问题.分析时采用分块Lanczos方法计算其自由状态下的模态，经过分析，其前20阶固有频率见表1.

表 1某型校车骨架壳单元模型前20阶固有频率阶数固有频率/Hz振型特征13.480 9整车1阶扭转（左扭转）27.709 9整车2阶扭转（前后对称，车头左扭转）38.116 4整车3阶扭转（前后对称，车头右扭转）49.400 1车头上弯曲510.752 0车头下弯曲611.990 0车头右扭转712.594 0车头左弯曲814.225 0整车4阶扭转（前后对称，车头左扭转）916.183 0车身前部上弯曲1016.552 0车头右扭转1116.800 0车头前弯曲与车身前部上弯曲的耦合 1218.541 0整车4阶扭转（前后对称，车头左扭转）1318.923 0车头与车身上弯曲1419.469 0车身前部及车头碰撞变形1521.156 0整车1阶弯曲（左弯曲）1621.769 0整车2阶弯曲（右弯曲）1722.815 0整车左弯曲与车尾后弯曲的耦合1823.822 0车头上弯曲1924.014 0车顶车底对称弯曲，左右骨架对称弯曲2024.308 0车头局部碰撞

自由模态的振型见图3.根据经验，汽车模态频率需避开路面激励频率和发动机怠速激振频率.其中，路面激励频率一般小于3 Hz，发动机怠速激振频率为f0=r60×n2（4）式中：r为怠速稳定转速；n为发动机缸数.该校车的怠速稳定转速为（750±20） r/min，计算得出该客车发动机怠速激振频率范围为24.33～25.67 Hz.

由上述计算结果可知该客车的主要低阶频率.整车1～4阶扭转频率为3.480 9，7.709 9，8.116 4和14.225 0 Hz；整车1，2阶弯曲频率为21.156 0和21.769 0Hz，均小于发动机怠速激振频率（24.33～25.67 Hz）.车身骨架前20阶固有频率范围为3.480 9～24.308 0 Hz，避开路面激励频率3 Hz以及发动机激振频率（24.33～25.67 Hz），避免发生共振现象.因此，该校车扭转和弯曲刚度较为合理并有一定的裕量，该车的动态性能良好.（a）1阶振型（b）2阶振型（c）3阶振型（d）4阶振型（e）5阶振型（f）6阶振型（g）7阶振型（h）8阶振型（i）9阶振型（j）10阶振型（k）11阶振型（l）12阶振型（m）13阶振型（n）14阶振型（o）15阶振型（p）16阶振型（q）17阶振型（r）18阶振型（s）19阶振型（t）20阶振型图 3校车车身骨架低阶振型

4结束语

由于客车车身骨架结构较复杂，早期采用试验方法研究其动态特性具有一定的难度.此外，通过试验进行研究，往往周期长、成本高，不利于在产品的设计和开发初期就对乘坐舒适性进行控制和评价，因而限制模态分析在客车车身上的应用.

本文采用有限元软件Abaqus对某校车进行模态分析，根据相关技术资料对该型客车骨架进行动态性能评价，为其动态性能的改善提供参考.参考文献：

[1]余启志， 陈燕. 基于ANSYS的汽车骨架动态特性分析[J]. 汽车零部件， 2009（10）： 6365.

[2]沈光烈， 林圣存. 基于有限元法的大型客车模态分析与结构改进[J]. 公路与汽车， 2012， 11（6）： 13.

[3]程志刚， 沈磊， 郁强. 公交大客车骨架有限元分析[J]. 轻型汽车技术， 2010（1/2）： 46.

[4]王远， 谷叶水. 基于ANSYS的客车车身骨架模态分析[J]. 拖拉机与农用运输车， 2009， 12（36）： 5860.

[5]陈元华. 基于结构优化设计的客车轻量化研究[M]. 长沙： 湖南大学， 2009： 11.

[6]胡方勤. 半承载式客车车身骨架有限元建模分析[M]. 合肥： 合肥工业大学， 2007： 1.