车架的模态分析

摘要：本文利用先进的有限元软件Ansys对半挂车车架进行模态分析，得出了车架的固有频率和振型特征。可以通过研究汽车零部件或整车的振情况，避开这些频率或最大限度地减小对这些频率上的激励，可以为该车的进一步研究提供参数。关键词：车架；有限元；模态分析

中图分类号：U461.6 　文献标识码：A　文章编号：1006-4311(2012)02-0028-02

0　引言

车架作为半挂车的关键部件，其结构必须有足够的静强度和刚度来达到其疲劳寿命、装配和使用的要求，同时还应有合理的态特性来达到控制振与噪声的目的。在车架结构设计中，如果只考虑结构的静强度和刚度，很可能会在设计过程中造成车架局部结构的不合理。而导致半挂车在运行中产生共振，产生噪声。模态分析作为态分析的基础，是态分析的重要内容。对车架进行模态分析以掌握车架对激振力的响应，从而对车架设计方案的态特性进行评价已经成为半挂车车架设计过程中必要的工作。

1　车架的模态分析

1.1　建模C×Q9190型半挂车的车架主要是边梁式结构，由2根阶梯工字型纵梁和20根折弯件的横梁组成，纵梁和横梁上还不规则的分部着许多的电线安装孔和加强块。车架结构复杂，但是根据圣维南原理，模型的局部细小变化和改并不影响模型总的分析结果，因此建立车架有限元模型前对车架进行了一些简化。

1.1.1　部分离应力远的圆弧过渡简化为直角，工艺上需要的倒角、口模斜度等都不予考虑，这样可以减少在这些区域上的网格划分的数量，提高计算速度j

1.1.2　车架上有些构件，如凸台、销孔、线路孔、吊环孔等，仅是为了满足功能要求而设置的对结构的强度没有很大的影响，可以忽略；

1.1.3除去对车架结构应力分布不产生太大影响的工具箱和防护网等零部件。

本模型采用solidd92单元，网格划分采用ANSYS软件自带的Meshtool工具，设置单元边长为30mm，采用自由体划分。车架主纵梁模型共化为196 804个单元，396 071个节点。

材料的属性为：

材料的弹性模量E=2.1×1011Pa；材料的密度为p=7.8×10-9t/mm3

1.2　加载及求解首先定义分析类型，分析选项，指定模态提取方法，然后定义主自由度，在模型上加载，指定载荷步选项，最后开始计算求解，退出求解器。

在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束代替在该处的设置。载荷可以加在实体模型上或有限元模型上。

指定分析类型为Modal(模态)，选择模态的提取方法为BlockLanczos(分块的兰索斯)法。对模型在牵引销板处进行全位移约束，后面弹簧悬架处约束Y方向的位移。设置扩展模态数为10，进行求解。

1.3　观察结果模态分析的结果包括：车架的固有频率、已扩展的振型和相应的应力分布。根据模态分析的结果可以发现车架结构的薄弱环节及不足之处，同时还能根据车架模态参数的变化来诊断和预报车架结构的故障。

第一阶振型为Y-Z平面内的左右平，频率为1.72Hz，最大幅值为1.159×10-3mm：第二阶振型为Y-×平面内的上下波，频率为7.05 Hz，最大幅值为1.652×10-3mm；第三阶振型为Y-×平面内的上下波，频率为13.40Hz，最大幅值为1.793×10-3mm；第四阶振型为Y-Z平面内的波，频率为23.80Hz，最大幅值为1,705×10-3mm；第五阶振型为Y Z平面内的局部摆，频率为31.40Hz，最大幅值为2.942×10-3mm：第六阶振型为Y-×平面内车架尾部局部摆，频率为35.00，最大幅值为6.182×10-3mm；第七阶振型为Y-Z平面内的波。频率为35.84，最大幅值为1.707×10-3mm；第八阶振型为Y-×平面内的上下波，频率为39.14Hz，最大幅值为2.55×10-3mm；第九阶振型为Y-Z平面内的尾部局部摆，频率为43.11Hz，最大幅值为5.402×10-3mm：第十阶振型为Y-Z平面内的车架中部局部波，频率为50.39Hz，最大幅值为2.051×10-3mm。从各阶振型图我们看到大多数振型是光滑的，只有个别振型不光滑，有待进一步改进。车架振幅值较大的地方主要为车架中部和尾部，所以这两处也是最易产生疲劳破坏的地方。

从上面的分析结果来看，振幅较大的为第五阶，第六阶和第九阶振，他们对应的频率分别为31.40Hz，35.00Hz和43.11Hz。而半挂车的激励主要来自路面，路面的激励是由道路条件决定的，高速公路和城市的路面状况较好，此激励多在3Hz(路面波长取10米，车速为120公里每小时)以下，对车架影响较大的频率错开了这一频率。车架在3Hz以内的频率仅有一阶，且振幅最小，所以说车架的结构是基本合理的。

2　小结

本文利用先进的有限元软件Ansys对半挂车车架进行模态分析，得出了车架的固有频率和振型特征.可以通过研究汽车零部件或整车的振情况，避开这些频率或最大限度地减小对这些频率上的激励可以为该车的进一步研究提供参数。

参考文献：

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