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摘要：应用Hypermesh分析某中型载货汽车车架的固有频率，验证与外部激励发生共振的可能性，同时得出分析结论。
关键词：Hypermesh车架结构有限元
中图分类号：TP202文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)12-20ppp-0c
The Modal Analysis of Mobile Frame Based on Hypermesh
LU Li-fu1,YUE Ling1,HUANG Xue-tao2
(1.Tai’an Dongyue Heavy Industry Co. Ltd. Technology Center,Tai’an 271000,China;2.China Automotive Group 5 levy Design Institute,Rizhao 262300)
Abstract: This paper mainly deals with the analysis of the frequencies of medium-sized lorry car, it verifies the responance possibility of the frequencies with the exterior encourage and brings forward the analysis result.
Key words: Hypermesh; Frame Structure; Finite Element
1 概述
Altair公司研发的HyperWorks系列产品可以解决工程优化及分析问题，其中的Hypermesh软件可以完成有限元前处理任务，它可以很好的对几何模型数据完整读取，进行有限元的四面体网格和六面体网格的剖分，还有设置完备的网格检查功能，如今Hyperwork已成为航空、航天、汽车等领域CAE应用的利器之一。
车架结构模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是新产品开发中结构分析的主要内容。尤其是车架结构的低阶弹性模态，它不仅是控制汽车常规振动的关键指标而且反映了汽车车身的整体刚度性能，而且，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。实践证明，用有限元法对车架结构进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有振型等有充分认识，尽可能避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计，使车架结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法。
2 车架有限元模型的建立
车架的Ug模型和有限元模型分别如图1和图2所示。有限元建模在前处理软件HyperMesh中进行。为了保证计算结果的正确性和经济性，在建模过程中尽量保持和原始结构一致的同时，也需要进行必要的简化。因为过于细致地描述一些非关键结构，不但增加建模难度和单元数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。对于必要的简化要以符合结构主要力学特性为前提。车架结构中的小尺寸结构，如板簧吊耳、副簧限位件等，对车架的整体振型影响不大，可以忽略不计。而对于链接两个零件的铆钉，则采用刚性单元代替。
车架结构都采用板壳单元进行离散。单元形态以四边形单元为主，避免采用过多的三角形单元引起局部刚性过大；为了使整个车架有限元模型规模不致过大保证计算的经济性，单元尺寸控制在10～25mm。
车架板壳结构的材料参数取:弹性模量E＝2.1e11pa，伯松比u＝0.3,密度均取：ρ＝7900kg/m3。模型规模：车架单元总数为36378个，节点总数为39064个。
3 车架结构振动分析
在汽车设计领域，伴随着计算技术的迅猛发展，有限元分析在汽车数字化开发过程中获得了广泛的应用，尤其是对轿车承载式车身基本力学性能的分析，已经作为新产品开发设计中结构分析的主要内容。然而对于载货车,由于其非承载式的结构且在行驶过程中悬架系统和挠性橡胶垫较好的缓冲、吸振、吸能作用，故对其强度刚度和振动模态特性的要求要低于承载式车身，目前还没有明确的设计标准，所以概念设计阶段的有限元分析校核往往容易被忽视。也正因此，国内某些车型在投产后出现了局部损坏和驾驶室共振问题，给企业造成了声誉和经济上的双重损失。为避免同类问题的出现，缩短开发周期，本文以大型有限元软件HyperWorks和Optistruct为平台，对某中型载货汽车车架数模进行了有限元分析，并依据分析结果对结构设计作出了评价，使企业在概念设计阶段便可以了解产品基本力学性能，从而有的放矢的进行结构分析改进，避免重复设计。
模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和试验分析，其结构动态持性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量；而在试验方面则是试验测得的系统之极点（固有频率和阻尼）和振型（模态向量）。构件的模态就是指构件本身的固有特性，可以利用模态分析得出构件的相应特性，然后对其设计加以改进以达到使用要求。
自由模态分析的边界条件为：无任何约束。
本计算采用自由模态分析方案，将Hypermesh中建立的有限元模型导入OPTISTRUCT进行计算，对比分析了车架结构前4阶自由模态（固有频率值和振型），并在Hypermesh后处理器中查看结果。
由于对驾驶室的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，为此分析了车架前4阶典型振型。模态分析结果如表1所示，各阶振型如图3—6所示。
`
4 结论
汽车的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多为1-3Hz，对低频振动影响较大；因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11Hz，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免；发动机引起的扭转振动和垂向激振分别在10±1.67Hz和20±1.67Hz以上（取怠速为600r/min，4缸发动机），此激励分量较大；城市中一般车速控制在40～80km/h ,高速公路上一般车速控制在90km/h 左右, 传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在30Hz以上,此激励分量较小。从模态分析结果可知，1090项目车架各低阶模态频率值在7.88hz左右，对驾驶室的影响不大，不会和路面激励形成共振。
参考文献：
[1] 于开平,周传月,谭惠丰,等.Hypermesh从入门到精通[M].北京：科学出版社,2005.
[2] 王皎.重型特种车车架强度分析及其轻量化问题研究[D].武汉理工大学硕士学位论文,2005.
[3] 刘胜乾,顾力强,吕文汇.军用某型牵引车车架静动态特性分析[J],机械,2006,33(4):10-13.
[4] 任佩红,魏中良,王其云.HFC6100KY 客车底盘车架的有限元分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(8):936-939.
[5] Saeed Moaveni. Finite Element Analysis—Theory and Application with ANSYS, Second Edition[D].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2005(8).
收稿日期：2008-03-12
关键词：Hypermesh车架结构有限元
中图分类号：TP202文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)12-20ppp-0c
The Modal Analysis of Mobile Frame Based on Hypermesh
LU Li-fu1,YUE Ling1,HUANG Xue-tao2
(1.Tai’an Dongyue Heavy Industry Co. Ltd. Technology Center,Tai’an 271000,China;2.China Automotive Group 5 levy Design Institute,Rizhao 262300)
Abstract: This paper mainly deals with the analysis of the frequencies of medium-sized lorry car, it verifies the responance possibility of the frequencies with the exterior encourage and brings forward the analysis result.
Key words: Hypermesh; Frame Structure; Finite Element
1 概述
Altair公司研发的HyperWorks系列产品可以解决工程优化及分析问题，其中的Hypermesh软件可以完成有限元前处理任务，它可以很好的对几何模型数据完整读取，进行有限元的四面体网格和六面体网格的剖分，还有设置完备的网格检查功能，如今Hyperwork已成为航空、航天、汽车等领域CAE应用的利器之一。
车架结构模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是新产品开发中结构分析的主要内容。尤其是车架结构的低阶弹性模态，它不仅是控制汽车常规振动的关键指标而且反映了汽车车身的整体刚度性能，而且，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。实践证明，用有限元法对车架结构进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有振型等有充分认识，尽可能避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计，使车架结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法。
2 车架有限元模型的建立
车架的Ug模型和有限元模型分别如图1和图2所示。有限元建模在前处理软件HyperMesh中进行。为了保证计算结果的正确性和经济性，在建模过程中尽量保持和原始结构一致的同时，也需要进行必要的简化。因为过于细致地描述一些非关键结构，不但增加建模难度和单元数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。对于必要的简化要以符合结构主要力学特性为前提。车架结构中的小尺寸结构，如板簧吊耳、副簧限位件等，对车架的整体振型影响不大，可以忽略不计。而对于链接两个零件的铆钉，则采用刚性单元代替。
车架结构都采用板壳单元进行离散。单元形态以四边形单元为主，避免采用过多的三角形单元引起局部刚性过大；为了使整个车架有限元模型规模不致过大保证计算的经济性，单元尺寸控制在10～25mm。
车架板壳结构的材料参数取:弹性模量E＝2.1e11pa，伯松比u＝0.3,密度均取：ρ＝7900kg/m3。模型规模：车架单元总数为36378个，节点总数为39064个。
3 车架结构振动分析
在汽车设计领域，伴随着计算技术的迅猛发展，有限元分析在汽车数字化开发过程中获得了广泛的应用，尤其是对轿车承载式车身基本力学性能的分析，已经作为新产品开发设计中结构分析的主要内容。然而对于载货车,由于其非承载式的结构且在行驶过程中悬架系统和挠性橡胶垫较好的缓冲、吸振、吸能作用，故对其强度刚度和振动模态特性的要求要低于承载式车身，目前还没有明确的设计标准，所以概念设计阶段的有限元分析校核往往容易被忽视。也正因此，国内某些车型在投产后出现了局部损坏和驾驶室共振问题，给企业造成了声誉和经济上的双重损失。为避免同类问题的出现，缩短开发周期，本文以大型有限元软件HyperWorks和Optistruct为平台，对某中型载货汽车车架数模进行了有限元分析，并依据分析结果对结构设计作出了评价，使企业在概念设计阶段便可以了解产品基本力学性能，从而有的放矢的进行结构分析改进，避免重复设计。
模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和试验分析，其结构动态持性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量；而在试验方面则是试验测得的系统之极点（固有频率和阻尼）和振型（模态向量）。构件的模态就是指构件本身的固有特性，可以利用模态分析得出构件的相应特性，然后对其设计加以改进以达到使用要求。
自由模态分析的边界条件为：无任何约束。
本计算采用自由模态分析方案，将Hypermesh中建立的有限元模型导入OPTISTRUCT进行计算，对比分析了车架结构前4阶自由模态（固有频率值和振型），并在Hypermesh后处理器中查看结果。
由于对驾驶室的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，为此分析了车架前4阶典型振型。模态分析结果如表1所示，各阶振型如图3—6所示。
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4 结论
汽车的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多为1-3Hz，对低频振动影响较大；因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11Hz，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免；发动机引起的扭转振动和垂向激振分别在10±1.67Hz和20±1.67Hz以上（取怠速为600r/min，4缸发动机），此激励分量较大；城市中一般车速控制在40～80km/h ,高速公路上一般车速控制在90km/h 左右, 传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在30Hz以上,此激励分量较小。从模态分析结果可知，1090项目车架各低阶模态频率值在7.88hz左右，对驾驶室的影响不大，不会和路面激励形成共振。
参考文献：
[1] 于开平,周传月,谭惠丰,等.Hypermesh从入门到精通[M].北京：科学出版社,2005.
[2] 王皎.重型特种车车架强度分析及其轻量化问题研究[D].武汉理工大学硕士学位论文,2005.
[3] 刘胜乾,顾力强,吕文汇.军用某型牵引车车架静动态特性分析[J],机械,2006,33(4):10-13.
[4] 任佩红,魏中良,王其云.HFC6100KY 客车底盘车架的有限元分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(8):936-939.
[5] Saeed Moaveni. Finite Element Analysis—Theory and Application with ANSYS, Second Edition[D].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2005(8).
收稿日期：2008-03-12