基于Workbench的赛车车架模态分析
基于Workbench 的赛车车架模态分析
摘要：参照中国大学生方程式汽车大赛竞赛规则，利用SolidWorks 软件建立了车架三维模型，在Workbench 中建立车架梁单元模型，并对车架进行模态分析，求取其前阶模态频率，并利用其振型动
画，找到试验模态的最佳激励点和悬挂点，接着通过试验模态的方法对车架
进行模态测试，将试验数据与仿真结果进行对比，前五阶频率误差不超过
2Hz,结果表明，通过梁单元建立的车架模型会有较高的精
度，可以进行后续的优化设计。
关键词：赛车车架；固有频率；模态测试；模态分析车架作为赛车总成最重要的一部分，其上安装着所有的
零部件，承载着来自各个系统的载荷，车架的结构设计在汽车总体设计中显得非常重要。赛车车架承受着来自道路的各种复杂载荷，在行驶时会由于各种不同振动源激励而产生振动。由于全国方程式赛车比赛时在良好道路条件下进行的，因此路面的激励不是主要激励，发动机激励为赛车车架的主要激励源。本文采用有限元软件Workbench 对某赛车车架进行模态分析，并与实际试验数据进行对比，结果表明利用梁单元建立的车架模型具有较高的精度，可以利用此模型进行后续的优化设计。
1.发动机激励分析
发动机激励是整车最为重要的激励源，如果车架的某阶
频率与发动机激励频率接近，车架将会发生严重的振动，从
而影响赛车的平顺性及可靠性。方程式赛车采用CRF-450单缸4 冲程发动机，转速区间900-9500r/min 。发动机2 阶点火激励为最主要的激励，其频率可以表示为：
2.车架模态测试
2.1模态试验原理试验时赛车车架采用自由悬挂方式，赛车车架用四
根弹
簧绳悬挂，模拟自由约束状态。试验原理图如图1 所示，由
于赛车车架质量只有32.6kg,使用激振器不方便安装，试验
过程中容易晃动造成试验数据不准确，所以试验时使用50KN
的冲击力锤产生激励信号。6 个单向加速度传感器，用于测
量各拾振点的振动信号，DH8302 采集系统用于数据采集及
分析。加速度传感器通过磁座安装在车架钢管上。
2.2模态测试测点和激振点选择与布置方案根据赛车车架的结构特
点，对其进行模态测试时，布置
了一个激振点，57 个测点，分别测取x、y、z 三个方向的加取平均值，模态测试测点及激振点布置如图3 所示，其中红色点位测点位置。
速度信号，为提高测试结果的精度，每个测点敲击4 次，求
2.3模态试验结果
模态试验结果如表 2。
3. 试验结果分析讨论
3.1 车架有限元模型的建立
赛车车架是由钢管拼焊而成的结构，建立有限元模型，
先由 SolidWorks 软件建立结构实体，然后转化为 件或 igs 格式文件输入到 Workbench 系统生成。建立有限元 模型时，忽略了局部的棱角、支耳等，把由焊接形成的组合 零件构造成为一整体零件，不考虑焊缝的影响。
车架材料为结构钢，总质量为 32.6Kg 。在进行计算时取
密度P =9.15 X 103 kg/m3 ;杨氏模量 E=200Gpa ；泊松比卩=0.3。 划分网格时，网格尺寸设计为2mm 。计算结束后，得到17100 个单元， 34147 个节点。
3.2 试验和计算结果分析对比 通过对车架的有限元模型进行自由模态分析计算，由于
发动机常用转速对应的激励频率不超过 70Hz ，所以提取车架 前 5 阶低阶模态，得到车架的固有频率和振型等模态参数。
比较结果表明，有限元模型计算得到的固有频率与试验
得到的频率误差不超过 5%，说明有限元模型比较精确，理
论计算结果可信，用所建立的有限元模型很好地反映了实际 结构的振动特性。试验数据表明，该车架的前 5 阶频率集中 在40-90HZ 之间。发动机怠速频率为 7.5Hz ,车架1阶模态频 率在 40Hz 左右，远离发动机怠速激励频率段，在怠速阶段 车架振动不会与发动机激励产生共振；发动机常用转速工作 频率为45.83-62.5 Hz ,而该车架的 1、2阶频率为39.47Hz 、 57.24Hz ,处于发动机工作频率段之间， 这很有可能引起车架 的共振，应适当调整车架结构，使其 1、 2阶频率避开发动
x_t 格式文 有限元计算模态与试验模态的结果对比见表 2。
机工作频率范围。
4 结论车架的共振现象会造成车架的破坏，大大降低了车架的
使用寿命，所以在车架结构设计的时候要避免产生共振。本文利用有限元方法对车架进行模态分析，得到了某赛车车架的前5阶固有频率及振型，结合试验数据，验证了模态分析
的正确性。观察振型可知，车架纵向方向的刚度不过，车架容易发生弯曲变形，因此纵梁应选用刚度更好的材料或则增加原钢管的直径。模态分析和试
验结果表明，该赛车车架的频率分布比较合理，振型平滑，但是部分固有频
率处于发动机激励频率范围内，在行驶过程中可能出现大幅振动，以致损坏车架结构。
参考文献
[1]赵诚，王国权，姜立？？，白世鹏.FASE方程式赛车车
架结构强度试验J].北京信息科技大学学报，2013，28（3）：
43-48.
[2]胡溧，施耀贵，杨？17.?.基于有限法的某型大学生方
[J].武汉科技大学学报，2015,38( 1): 程式赛车车架优化设计
32-34.
[3] 刘萌.车架试验模态分析及其结构动力修改研究[D].
西安：长安大学，2009.