基于hypermesh的某輕卡車(chē)架模態(tài)分析

朱路生

摘 要：車(chē)架是輕卡重要的承載部件，承受了各種外部激勵(lì)，對(duì)車(chē)架固有頻率進(jìn)行有限元分析成為設(shè)計(jì)中的必要工作。以公司某輕卡車(chē)架為例，首先應(yīng)用UG軟件建立了車(chē)架的三維模型，然后應(yīng)用hypermesh對(duì)車(chē)架模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分并進(jìn)行自由模態(tài)分析。通過(guò)對(duì)車(chē)架前十階模態(tài)固有頻率和振型進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，得出車(chē)架各階模態(tài)固有頻率避開(kāi)外部激勵(lì)源頻率，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：車(chē)架;有限元;hypermesh;自由模態(tài)

1 引言

隨著物質(zhì)生活水平的提高，用戶不僅對(duì)輕型載貨汽車(chē)的安全性有了更高的要求，還對(duì)整車(chē)的舒適性有著更高的追求。車(chē)架作為整車(chē)重要的承載件，如果其固有頻率和其他外部激勵(lì)源的固有頻率接近勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。共振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，輕則整車(chē)發(fā)生抖動(dòng)影響駕駛?cè)藛T的舒適性，重則導(dǎo)致車(chē)架?chē)?yán)重變形開(kāi)裂，危機(jī)車(chē)輛和人員安全。車(chē)架模態(tài)分析必然成為輕型載貨汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要關(guān)注點(diǎn)，也是提升車(chē)輛安全性的有效舉措。

目前車(chē)架模態(tài)分析主要有試驗(yàn)和有限元分析兩種手段。吳鐘鳴[1]針對(duì)電動(dòng)車(chē)車(chē)架運(yùn)用有限元?jiǎng)偠群湍B(tài)分析優(yōu)化了車(chē)架截面和車(chē)架的體積并對(duì)車(chē)架完成了輕量化。吳凱佳[2]利用有限元分析了工程車(chē)輛車(chē)架的靜態(tài)特性和固有頻率，并基于分析結(jié)果優(yōu)化了車(chē)架尺寸，提高了車(chē)架的低階模態(tài)頻率。張?jiān)瞿闧3]分析了固壓設(shè)備車(chē)架結(jié)構(gòu)的前12階自由模態(tài)確認(rèn)車(chē)架滿足設(shè)計(jì)要求。

基于此，首先通過(guò)UG完成車(chē)架的三維建模并導(dǎo)出IGS格式零部件，然后利用Batchermesh模塊實(shí)現(xiàn)零部件的網(wǎng)格自動(dòng)劃分，最后通過(guò)Optistrcut模塊完成車(chē)架的模態(tài)分析。有限元分析結(jié)果表明車(chē)架的低階固有頻率避開(kāi)了激勵(lì)源的重合點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，為后期設(shè)計(jì)分析提供了參考。

2 車(chē)架模態(tài)仿真分析流程

（1）從UG中完成車(chē)架三維建模，刪除不必要的小的零部件，保留車(chē)架主要零部件參與分析。車(chē)架中各零部件按照?qǐng)D號(hào)命名后逐一導(dǎo)出為IGS格式。

（2）將上一步導(dǎo)出的IGS數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Batchmesher，設(shè)置Meshtype為10mm，Pre-Geom Load、Pre-Mesh、Post-Mesh為nastran_mesh，提交即可完成所有零部件自動(dòng)網(wǎng)格劃分。

（3）將劃分好網(wǎng)格的hm格式文件導(dǎo)入至HYPERMESH，對(duì)不同零部件進(jìn)行分別命名，然后調(diào)整零部件的顏色，便于后期操作時(shí)區(qū)分。

（4）利用qualityindex對(duì)二維單元網(wǎng)格進(jìn)行檢查，利用element optimize等命令進(jìn)行優(yōu)化，確保沒(méi)有紅色網(wǎng)格，黃色網(wǎng)格盡量消除，Comp.QI盡可能接近于0即可。

（5）建立鐵材料STEEL，彈性模量E=2.1E+05，泊松比NU=0.3，密度RHO=7.9E-09。

（6）建立二維屬性，針對(duì)不同的板材厚度建立不同的屬性。類(lèi)型為2D，卡片為PSHELL，T為實(shí)際的板材厚度。

（7）將二維屬性賦予對(duì)應(yīng)的車(chē)架零部件，注意區(qū)分不同板厚的零部件，相同厚度板材的二維屬性相同。

（8）車(chē)架零部件之間基本全部為鉚接，個(gè)別孔位因?yàn)槠渌悴考惭b問(wèn)題為螺栓連接。通常方針?lè)治鰰r(shí)一般通過(guò)在孔位的中心建立RIGIDS節(jié)點(diǎn)，然后用Cbeam連接進(jìn)行模擬。也有其他研究人員直接采用Bolt進(jìn)行連接展開(kāi)分析。

（9）建立模態(tài)分析環(huán)境，設(shè)置輸出卡片，提交計(jì)算，輸出結(jié)果。

3 模態(tài)分析結(jié)果

（1）在0-70Hz范圍內(nèi)，車(chē)架的前十階固有頻率相互不重合，分散較開(kāi)。各階固有頻率基本呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，沒(méi)有異常變異情況。

（2）路面引起垂直振動(dòng)的頻率基本在20HZ以內(nèi)，本文研究的輕卡車(chē)架一階豎彎頻率為23.7Hz避開(kāi)了與其重合范圍，由此可以推斷車(chē)架不會(huì)因路面不平情況產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

（3）輕卡懸架設(shè)計(jì)的偏頻區(qū)間基本在2-4.5Hz，文中輕卡車(chē)架的一階扭轉(zhuǎn)頻率為7.2Hz，表明該設(shè)計(jì)的輕卡車(chē)架結(jié)構(gòu)固有頻率避開(kāi)了與懸架共振的區(qū)間。

（4）威斯達(dá)駕駛室固有頻率為10-15Hz，而文中仿真結(jié)果是一階扭轉(zhuǎn)頻率為7.2Hz和一階橫彎頻率為16.7Hz，一階扭轉(zhuǎn)和橫彎頻率均避開(kāi)了重合區(qū)段，故車(chē)身不會(huì)產(chǎn)生共振抖動(dòng)現(xiàn)象。

（5）該車(chē)型動(dòng)力總成的怠速區(qū)間轉(zhuǎn)速為750-850r/min，通過(guò)計(jì)算可得出其頻率為27-30Hz之間，對(duì)比可知車(chē)架一階垂向彎曲和二階扭轉(zhuǎn)能夠避開(kāi)該頻段。

（6）從第5和第7/8階模態(tài)中可以看出，第三橫梁出現(xiàn)了局部橫向擺動(dòng)，實(shí)際中車(chē)架該處有懸置梁，車(chē)架強(qiáng)度得以補(bǔ)強(qiáng)。

（7）車(chē)架第10階的頻率與外部激勵(lì)源頻率相差較大，由此可以推斷其對(duì)車(chē)架的共振影響很小。

4 結(jié)論

基于HYPERMESH軟件對(duì)輕卡車(chē)架進(jìn)行建模與仿真分析，結(jié)果表明：仿真分析提取輕卡車(chē)架前十階固有頻率分析得出其已避開(kāi)外部激勵(lì)源頻率，車(chē)架設(shè)計(jì)滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳鐘鳴，徐禮輝，郭語(yǔ).小型電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)與輕量化改進(jìn)[J].現(xiàn)代制造工程，2020（04）：77-82.

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