王素粉

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南, 三門峽 472000

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基于ANSYS14.0城市客車骨架的模態(tài)分析

王素粉

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南, 三門峽 472000

從車身覆蓋件內(nèi)表面出發(fā)，先構(gòu)造出車身骨架的軌跡線，然后再?gòu)倪@些軌跡出發(fā)，在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行車身骨架建模，利用ANSYS14.0軟件對(duì)車身骨架進(jìn)行模態(tài)分析，得出車身骨架振型及固有頻率，為以后的整車骨架有限元分析奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字化建模模態(tài)分析振型固有頻率

0　引言

車身骨架是城市客車車身的重要組成部分，也是城市客車車身開發(fā)的重點(diǎn)之一，它直接決定著整個(gè)車身的強(qiáng)度及使用壽命，因此必須對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)并進(jìn)行性能分析，以保證其各方面達(dá)到性能要求。本文在Pro/E環(huán)境下，利用Pro/E的描述功能即可構(gòu)建出車身架的三維實(shí)體模型，而相同形狀的部分則可以通過陣列、鏡像等命令得到。最終構(gòu)建出課程的整體虛擬裝配圖。而城市客車在行駛過程中，由于路面激振力的作用，車身零部件會(huì)發(fā)生不同形式的振動(dòng)，而車身骨架的振動(dòng)又會(huì)帶動(dòng)車門、地板，頂棚、側(cè)圍等的振動(dòng)。這些振動(dòng)不但會(huì)導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，而且還會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。同時(shí)，當(dāng)車身骨架所受激振力的頻率與其固有頻率近接時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)共振，而這種共振會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，從而給車身結(jié)構(gòu)帶來較大的變形和破壞。因此，對(duì)車身骨架進(jìn)行模態(tài)分析是相當(dāng)重要的，利用ANSYS14.0軟件對(duì)車身骨架進(jìn)行模態(tài)分析，得出車身骨架振型及固有頻率，為以后的整車骨架有限元分析奠定了基礎(chǔ)。

1　車身骨架設(shè)計(jì)與建模

城市客車車身骨架是由前圍骨架、后圍骨架、左右側(cè)圍骨架及頂蓋骨架五大部分焊接而成，本課題中選用截面尺寸為60×40×3.0的矩形管鋼作為車身骨架的構(gòu)建材料。在Pro/E環(huán)境下，城市客車車身骨架的構(gòu)建可以從車身覆蓋件內(nèi)表面出發(fā)，先構(gòu)造出車身骨架的軌跡線，然后再?gòu)倪@些軌跡出發(fā)，利用Pro/E的描述功能即可構(gòu)建出車身架的三維實(shí)體模型，而相同形狀的部分則可以通過陣列、鏡像等命令得到。通過這種方法構(gòu)建的車身骨架更精確，與車身覆蓋件的配合情況也較好。建好的車身骨架與車身地板虛擬裝配如圖1所示。

地板底架主要對(duì)車身地板起支撐作用，它的結(jié)構(gòu)形狀直接取決于車身地板的結(jié)構(gòu)形狀。Pro/E環(huán)境下建立的地板底架三維數(shù)字化模型如圖2所示。地板底架與車身骨架的虛擬裝配如圖3所示。車身骨架與車身造型的總體虛擬裝配如圖4所示。

圖1　車身骨架與車身地板的虛擬裝配

圖2　地板底架三維數(shù)字化模型

圖3　地板底架與車身骨架的虛擬裝配

圖4　車身骨架與車身造型的總體虛擬裝配

2　車身骨架模態(tài)分析

城市客車在行駛過程中，由于路面激振力的作用，車身零部件會(huì)發(fā)生不同形式的振動(dòng)，而車身骨架的振動(dòng)又會(huì)帶動(dòng)車門、地板，頂棚、側(cè)圍等的振動(dòng)。這些振動(dòng)不但會(huì)導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，而且還會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。同時(shí)，當(dāng)車身骨架所受激振力的頻率與其固有頻率近接時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)共振，而這種共振會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，從而給車身結(jié)構(gòu)帶來較大的變形和破壞。因此，對(duì)車身骨架進(jìn)行模態(tài)分析是相當(dāng)重要的。

2.1車身骨架有限元模型的建立

由于本課題中車身骨架的三維數(shù)字化模型是利用Pro/E軟件來建立的，其體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，把其轉(zhuǎn)換為IGES格式導(dǎo)入ANSYS軟件后，會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)得的數(shù)據(jù)丟失問題，給以后的分析帶來較大的麻煩。而在ANSYS軟件中建立車身骨架的有限元實(shí)體模型又相當(dāng)困難。因此，本課題采用在Pro/E環(huán)境下建立車身骨架的線框模型，即提取車身骨架的中心軌跡線，然后把其導(dǎo)入ANSYS軟件中，從而得到車身骨架的有限元線框模型。由于車身骨架型鋼的截面形狀相同，只需在ANSYS軟件中定義其截面形狀即可。

2.2單元類型、材料屬性及網(wǎng)格的劃分

客車骨架常用的單元類型主要有三維的beam188單元和shell181單元。shell181單元較為精細(xì)，多用于受力大且復(fù)雜的客車底盤分析；而beam188單元比較適合于車身骨架分析。因此，本課題選用beam188單元。車身骨架采用材料Q235，其彈性模量為：2.07×105N/mm2；泊松比為：0.3；密度為：7.85×10-6kg/mm2。由于車身骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而其分析又不要求過于精細(xì)，可對(duì)其進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。當(dāng)其單元長(zhǎng)度取為70 mm時(shí)，其單元數(shù)目較少，單元質(zhì)量也不高，因而其分析結(jié)果也不夠精確；當(dāng)單元長(zhǎng)度取為25 mm時(shí)，其單元質(zhì)量較高，但其單元數(shù)目過多，其分析速度也較慢；當(dāng)單元長(zhǎng)度取為40 mm時(shí)，既能滿足精度要求，又可提高分析速度。因此，按單元長(zhǎng)度為40 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.3車身骨架模態(tài)分析

由于高階頻率對(duì)車身結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能影響不大，因此，只需計(jì)算其前五階頻率即可。車身骨架模態(tài)分析結(jié)果如下所示：

根據(jù)以上模態(tài)分析，城市客車車身骨架的振型及固有頻率如表表1所示。

從以上模態(tài)分析的結(jié)果來看，車身骨架前五階振型的固有頻率均在1.0 Hz以下。根據(jù)相關(guān)的研究，當(dāng)客車發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工作狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)速通常為700 r/min左右，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率約為35Hz；而客車在常用車速50～80 km/h時(shí)的振動(dòng)頻率約為108～173 Hz，；同時(shí)，傳動(dòng)軸在常用車速下的不平衡振動(dòng)頻率約為33～68 Hz。這些振動(dòng)頻率均不在車身骨架的固有頻率范圍內(nèi)，不會(huì)有共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，因而可以認(rèn)為該車身骨架的結(jié)構(gòu)是合理的。

圖5　車身骨架一階振型

圖6　車身骨架二階振型

圖7　車身骨架三階振型

圖8　車身骨架四階振型

圖9　車身骨架五階振型

車身骨架模態(tài)階數(shù)振型固有頻率(Hz)1一階扭轉(zhuǎn)0.194902垂直彎扭組合0.318713水平方向左側(cè)向一階彎曲0.405974水平方向右側(cè)向一階彎曲0.630745垂直一階彎曲0.78368

3　小結(jié)

本章介紹了Pro/E環(huán)境下城市客車車身數(shù)字化模型建立的過程，通過對(duì)城市客車車身概念設(shè)計(jì)、車身曲面造型設(shè)計(jì)、車門車窗及其它附件設(shè)計(jì)、車身地板設(shè)、車內(nèi)座椅的布置及車身骨架設(shè)計(jì)等，詳細(xì)描述了城市客車車身建模的方法及理念。同時(shí)，本章還對(duì)城市客車車身骨架進(jìn)行了模態(tài)分析，了解了車身骨架的固有頻率和振型，為以后的整車骨架有限元分析奠定了基礎(chǔ)。

[1]李曦. 客車車身計(jì)算機(jī)輔助造型與動(dòng)畫演示設(shè)計(jì)[J]. 客車技術(shù)與研究，2012，(4)：18-22.

[2]李曉民. 基于AutoCAD的客車骨架實(shí)體造型方法探討[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2011，31(5)：36-37.

[3]劉明輝. 大客車骨架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性分析[D]．大連：大連理工大學(xué)，2005，56-57.

[4]Gui J, Mantyla M. Functional Understanding of Assembly Modeling[J]. Computer-Aided Design, 2010,26(6):435-451.

The Modal analysis of the city bus frame based on ANSYS14.0

WangSufen

SanmenxiaVocationalandTechnicalCollege,Sanmenxia472000,Henan

starting from the inside surface of automobile body covering parts, the trajectory line of body frame is constructed, and then from these trails, the body frame model is got under the environment of Pro/E model, the analysis of the modal of body frame was carried out on the using ANSYS14.0 software, body frame vibration mode and natural frequency is concluded ,and it laid the groundwork for future analysis of vehicle frame finite element.

digital modelingThe modal analysisVibration modeNatural frequency

1006-8244(2016)01-029-03

王素粉(1981-)，女，河南省商水縣，講師，工學(xué)碩士，研究方向：CAD/CAE/CAM。

TH122

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