基于有限元法的车架动态特性分析

文 广，吴海生，左芳君，刘平平，杨烈然

(成都工业学院 a.智能制造学院；b.学科建设与科技发展处，成都 611730)

小推车是一种在特殊环境工作的工程车辆。作为重要组成部分的车架的工作可靠性直接影响整车性能。由于工作环境特殊，行走在路面上的车体会承受来自多个方向的随机动态载荷，当外界激励载荷的频率与车架结构的固有频率接近或一致，就会引发共振，导致严重破坏。因此，严苛的使用环境对车架的动态特性提出了更高要求，开展车架结构的动态特性研究对小推车整车的设计具有重要意义。研究人员在其他类型车辆设计中，针对车架的动态特性展开过大量研究。韩国磊等[1]利用Pro/E软件对某重型商用车车架进行模态分析，通过计算提取了车架的前8阶模态固有频率和振型。李晓茸[2]以某矿用无轨胶轮车为研究对象，借助模态分析法对其车架结构进行了分析，得到了结构在约束状态下的模态。覃金飞等[3]以某装载机后车架为研究对象，借助LMS Test.Lab系统分析了其工作实验模态，分析结果为开展该结构的减振降噪设计提供了数据参考。陈无畏等[4]在模态分析基础上，采用Kriging代理模型和多目标遗传算法对某皮卡车车架的动态特性进行了优化。张增年等[5]借助有限元法对某车架在自由状态下和约束状态下的模态进行了分析，得到了结构的前12阶固有频率。杨文志等[6]利用软件Pro/E完成了某矿用车后车架的模态分析，取得了车架的前10阶模态振型。张科[7]则同时采用解析法和实验法对某全地形车车架的模态进行了分析，并研究了路面不平度和发动机激励对车架动态特性的影响。钟自锋[8]利用Nastran软件分析了某SUV前副车架的振动特性，提取了结构的第1～4阶模态。赵东伟等[9]利用有限元法对某新能源客车车架的模态进行了分析，取得了结构的第1～6阶模态。黄妮等[10]基于模态分析和频率响应分析理论获取了某氢燃料电池客车车架的模态固有频率、振型和动力响应-振动频率关系曲线，并以此为依据对结构进行了优化设计。王凯等[11]以某压裂车车架为研究对象，通过模态分析和谐响应分析研究了其动态特性，获得了结构的前6阶模态固有频率、振型和特定位置的加速度、位移响应特性。丁振森等[12]利用Hypermesh软件对某载货汽车车架的模态展开了分析，提取了车架的第1～8阶模态。赵利杰[13]分别以重型自卸车车架和主副梁一体式自卸车车架为研究对象，采用实验法和有限元法对其进行模态分析，同时通过道路实车测试验证了路面激励对车架动态特性的影响。本文借助有限元软件ANSYS，通过模态分析和谐响应分析手段对某电动助力小推车车架结构的动态特性进行研究，研究结果可以为该车架结构的后续优化提供理论参考。

1 小推车车架有限元模型

由于小推车车架为不规则结构，因此选择在三维建模软件UG中建立该车架三维实体模型，然后导入到有限元软件ANSYS中建立其有限元模型。该车架材料为Q235碳素结构钢，其材料特性参数见表1，该材料的屈服强度为235 MPa。在有限元软件ANSYS中导入车架的三维实体模型后，定义单元和材料特性参数，考虑到该车架结构的不规则性，因此选择使用solid187三维四面体实体单元来模拟车架，采用自由网格划分方式对车架进行网格划分，整个车架结构模型被离散后，共产生18 797个单元，39 675个节点。该车架结构的有限元模型见图1。

表1 Q235材料特性参数

图1 小推车车架有限元模型

2 小推车车架模态分析

分析前，对车架结构进行约束和加载。考虑到电池直接安装到车架上，因此，将电池以质量单元的形式加载到车架上对应安装位置，按照设计，本电动助力小推车所使用的电池为铅酸动力蓄电池，质量约为15 kg；将车架与悬挂接触部位节点的所有自由度约束。

约束加载完成后，利用兰斯索斯法对车架结构进行模态分析，考虑到助力小推车的工作环境，固有频率值较高的高阶模态对车架的动态响应的影响较小，基本上可以忽略，因此，本文只提取车架结构的第1～4阶模态。通过计算得到的车架结构第1～4阶模态固有频率见表2所示，结构对应的第1～4阶模态振型见图2。

图2 车架结构前4阶模态振型

表2 车架结构模态固有频率

从图2中反映的车架模态振型可以看出，该结构的前4阶模态振型主要为车架后部的振动。从图2(a)第1阶模态振型来看，车架后部的主要变形方向为上下方向，因此，可以认为该阶模态主要表现为车架后部沿上下方向的振动；从图2(b)第2阶模态振型来看，车架后部的主要变形方向为左右方向，因此，可以认为该阶模态主要表现为车架后部沿左右方向的振动；从图2(c)第3阶模态振型来看，车架后部的主要变形方向为前后方向，因此，可以认为该阶模态主要表现为车架后部沿前后方向的振动；从图2(d)第4阶模态振型来看，车架后部的主要变形方向为绕竖直方向的扭转，因此，可以认为该阶模态主要表现为车架后部的扭转振动。

3 小推车车架谐响应分析

为了确定对该车架结构的关键模态，即对车架结构动态特性影响最大的模态，利用ANSYS软件对其进行谐响应分析。由于车架结构的前四阶固有频率最大值小于20 Hz，故本文将激励载荷的频率变化范围设定为0～20 Hz，变化间隔为0.1 Hz，激励载荷类型设置为阶跃载荷，即谐响应分析过程中保持激励载荷大小不变。外界激励载荷主要为推车所载货物所引起的垂向载荷，假设垂向载荷近似均匀分布在车架上。分析后提取车架上部分关键点在竖直方向上的位移响应，该车架结构上部分关键节点在竖直方向上的位移响应幅值随激励载荷频率变化的曲线见图3。

从图3可以看出，在不同频率的激励载荷作用下，选取车架上的部分节点在竖直方向上的位移响应幅值均出现了峰值，峰值对应的激励载荷频率均接近车架结构的模态固有频率，其中，当外界激励载荷频率值与该车架结构的第1阶固有频率值接近时，车架结构的位移响应幅值出现了最大值，说明了在该车架结构的前4阶模态中，对其自身动态特性影响最大的是第1阶模态。

图3 车架部分节点位移响应曲线

4 电池安装位置对其动态特性的影响

从模态分析结果可以看出，该车架的前4阶模态振型都主要表现为后部的振动，而电池的安装位置也位于车架后部，因此，本文单独分析电池安装位置对车架动态特性的影响。分析时，重点讨论将电池分别安装在车架的左前方、右前方、左后方、右后方时，车架模态固有频率的变化规律。利用ANSYS软件进行建模和分析，得出了电池分别安装至上述位置时的车架模态固有频率见表3。

表3 电池位于不同位置时车架的模态固有频率

电池安装在不同位置时的车架前4阶模态固有频率的变化曲线见图4。

图4 电池安装在不同位置时的车架前4阶模态固有频率的变化曲线

从图4可以看出，当电池的安装位置发生变化时，车架的前4阶模态固有频率也会有所改变，但是变化范围较小。从工程应用角度来看，基本上可以忽略不计。因此在进行该车架结构的后续优化设计时可以忽略电池安装位置的影响。在进行车架设计时，从车架整体布局角度来看，建议将电池放置在车架后部。

5 结论

本文以某小推车车架为研究对象，基于模态分析和谐响应分析原理，利用有限元软件分析了其动态特性，并考察电池安装位置对其动态特性的影响。经过研究得到如下主要结论:

1)该车架结构第1～4阶模态固有频率值分别为:5.679 2，9.732 2，11.881 0，19.822 0 Hz，其第1～4阶模态分别表现为车架后部沿上下方向、左右方向、前后方向及扭转振动。

2)结构的第1阶模态对该车架结构自身的动态特性的影响较大。

3)电池安装位置对该车架结构动态特性的影响较小，在进行车架动态优化设计时可以忽略电池安装位置的影响。