基于hypermesh的某轻卡车架模态分析

朱路生

摘 要：车架是轻卡重要的承载部件，承受了各种外部激励，对车架固有频率进行有限元分析成为设计中的必要工作。以公司某轻卡车架为例，首先应用UG软件建立了车架的三维模型，然后应用hypermesh对车架模型进行了网格划分并进行自由模态分析。通过对车架前十阶模态固有频率和振型进行评价分析，得出车架各阶模态固有频率避开外部激励源频率，满足设计要求。

关键词：车架;有限元;hypermesh;自由模态

1 引言

随着物质生活水平的提高，用户不仅对轻型载货汽车的安全性有了更高的要求，还对整车的舒适性有着更高的追求。车架作为整车重要的承载件，如果其固有频率和其他外部激励源的固有频率接近势必会导致共振现象的产生。共振现象发生时，轻则整车发生抖动影响驾驶人员的舒适性，重则导致车架严重变形开裂，危机车辆和人员安全。车架模态分析必然成为轻型载货汽车设计过程中的重要关注点，也是提升车辆安全性的有效举措。

目前车架模态分析主要有试验和有限元分析两种手段。吴钟鸣[1]针对电动车车架运用有限元刚度和模态分析优化了车架截面和车架的体积并对车架完成了轻量化。吴凯佳[2]利用有限元分析了工程车辆车架的静态特性和固有频率，并基于分析结果优化了车架尺寸，提高了车架的低阶模态频率。张增年[3]分析了固压设备车架结构的前12阶自由模态确认车架满足设计要求。

基于此，首先通过UG完成车架的三维建模并导出IGS格式零部件，然后利用Batchermesh模块实现零部件的网格自动划分，最后通过Optistrcut模块完成车架的模态分析。有限元分析结果表明车架的低阶固有频率避开了激励源的重合点满足设计要求，为后期设计分析提供了参考。

2 车架模态仿真分析流程

（1）从UG中完成车架三维建模，删除不必要的小的零部件，保留车架主要零部件参与分析。车架中各零部件按照图号命名后逐一导出为IGS格式。

（2）将上一步导出的IGS数据导入至Batchmesher，设置Meshtype为10mm，Pre-Geom Load、Pre-Mesh、Post-Mesh为nastran_mesh，提交即可完成所有零部件自动网格划分。

（3）将划分好网格的hm格式文件导入至HYPERMESH，对不同零部件进行分别命名，然后调整零部件的颜色，便于后期操作时区分。

（4）利用qualityindex对二维单元网格进行检查，利用element optimize等命令进行优化，确保没有红色网格，黄色网格尽量消除，Comp.QI尽可能接近于0即可。

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

（6）建立二维属性，针对不同的板材厚度建立不同的属性。类型为2D，卡片为PSHELL，T为实际的板材厚度。

（7）将二维属性赋予对应的车架零部件，注意区分不同板厚的零部件，相同厚度板材的二维属性相同。

（8）车架零部件之间基本全部为铆接，个别孔位因为其他零部件安装问题为螺栓连接。通常方针分析时一般通过在孔位的中心建立RIGIDS节点，然后用Cbeam连接进行模拟。也有其他研究人员直接采用Bolt进行连接展开分析。

（9）建立模态分析环境，设置输出卡片，提交计算，输出结果。

3 模态分析结果

（1）在0-70Hz范围内，车架的前十阶固有频率相互不重合，分散较开。各阶固有频率基本呈现递增趋势，没有异常变异情况。

（2）路面引起垂直振动的频率基本在20HZ以内，本文研究的轻卡车架一阶竖弯频率为23.7Hz避开了与其重合范围，由此可以推断车架不会因路面不平情况产生共振现象。

（3）轻卡悬架设计的偏频区间基本在2-4.5Hz，文中轻卡车架的一阶扭转频率为7.2Hz，表明该设计的轻卡车架结构固有频率避开了与悬架共振的区间。

（4）威斯达驾驶室固有频率为10-15Hz，而文中仿真结果是一阶扭转频率为7.2Hz和一阶横弯频率为16.7Hz，一阶扭转和横弯频率均避开了重合区段，故车身不会产生共振抖动现象。

（5）该车型动力总成的怠速区间转速为750-850r/min，通过计算可得出其频率为27-30Hz之间，对比可知车架一阶垂向弯曲和二阶扭转能够避开该频段。

（6）从第5和第7/8阶模态中可以看出，第三横梁出现了局部横向摆动，实际中车架该处有悬置梁，车架强度得以补强。

（7）车架第10阶的频率与外部激励源频率相差较大，由此可以推断其对车架的共振影响很小。

4 结论

基于HYPERMESH软件对轻卡车架进行建模与仿真分析，结果表明：仿真分析提取轻卡车架前十阶固有频率分析得出其已避开外部激励源频率，车架设计满足要求。

参考文献：

[1]吴钟鸣，徐礼辉，郭语.小型电动汽车车架的设计与轻量化改进[J].现代制造工程，2020（04）：77-82.

[2]吴凯佳，苏小平.某工程车辆车架的结构动力学分析与优化[J].南京工业大学学报（自然科学版），2019，41（06）：688-694.

[3]张增年，席仲君，刘有平，江士凯，蒋清丰，徐延海，陈静.某车载固压设备车架结构强度及模态分析[J].石油机械，2019，47（03）：68-74+80.

[4]姚艷春.搭建测试系统完成了玉米收割机考虑质量时变的模态变化，为后续农业机械分析提供了参考。

[5]姚艳春等.考虑质量时变的收获机械工作模态分析与试验[J].农业工程学报，2018，34（09）：83-94.