货车车架的有限元分析及车厢对其性能的影响
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・ 设计 ・ 计算 ・ 研究 ・
货车车架的有限元分析及车厢对其性能的影响
石常青 $ 丁厚明 ! 杨胜梅 !
（$% 上海内燃机研究所； !%春兰研究院）
【摘要】 车架的受力比较复杂， 货厢与车架的连接对车架的刚度和强度也会造成一定的影响。通过 &’( 分析可 以全面了解车架各部件对整体刚度的影响并对其进行优化设计，以保证车架具有足够的刚度满足结构安装的需要 以及具有一定的柔度以满足良好的行驶性能的需要。对某中型载货汽车车架进行了弯曲工况和一轮悬空 （扭转） 情 况下的强度与刚度分析。
模态参数： 固有频率、 阻尼比和模态振型。车架前 +) 阶模态频率与车架有限元分析结果对比如表 * 所 列。
表! 阶次 车架模态测试与有限元分析结果对比 分析结果 测试结果
#
车架的强度分析
“载货汽车定型试验规程” 规定： 样车必须以一
定车速在各种道路上行驶一定里程。行驶时会出现
01
匀速直线行驶 （车架弯曲） 、 一轮悬空 （车架扭转） 、 紧 急制动和急速转弯等 . 种工况。下面主要讨论前两
!"!
光车架的模态测试 试验模态分析是基于系统wk.baidu.com应和激振力的动态
#$’?’ 采用梁单元模拟铆钉的模态振型图。
测试， 由系统输入 （激振力） 和输出 （响应） 数据， 经信 号处理和参数识别确定系统的模态参数。常用的模 态识别采用频域方法， 由实测的频率响应函数， 通过 优化的方法来确定模态参数。本文采用锤击法进行 自由悬挂状态下的车架模态测试。测试时将车架悬 挂，要求车架的刚体模态频率低于车架本身第一阶 频率的 *) ! ， 以减少非零刚体模态对试件动态特性
/01 &02345134$67134 89:;134!6<234 /0=34;=1!
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在左前轮悬空情况下，车架总长度间相对扭角 为 "51<=， 车轮轴距间相对扭角为 "51’= ； 车架最大应 力为 !6# 9:; ，高应力区位于第三横梁和传动轴横 梁处。 在左后轮悬空情况下，车架总长度间相对扭角 为 %5"0=， 车轮轴距间相对扭角为 "56%= ； 车架最大应 力为 ’!< 9:; ， 高应力区位于传动轴横梁处。
汽 车 技 术
该车架部分模态振型对比如图 +/ 图 ( 所示， 其 — ! —
・ 设计 ・ 计算 ・ 研究 ・ 多个节点自由度 （称为独立点自由度） 的函数。常用 多点约束的形式如下： 量） ； 左后轮悬空时在该处施加 0 6"" 7 力 （后桥、 轮 胎、 钢板弹簧等质量） 。由于在此复杂工况条件下不
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考虑车厢影响的车架强度、 刚度分析 车辆匀速直线行驶工况时车架强度、刚度分析
表明， 车架的变形主要表现为驾驶室部位抬起约 %"
,,， 尾 部 下 弯 %1 ,,， 与 光 车 架 变 形 相 比 减 小 1 车 架 应 力 的 最 大 值 为 %@% 9:; ， 小于光车架时 ,,； 的 %6’ 9:; ， 主要位于左右纵梁处。
［+］ 的影响 。
（9 ） 图+
（> ）
光车架一阶弯曲振型 （(.2* 01）
由于载货汽车车架为梁架结构，为全面反映车 架的振动特性同时考虑传感器安装的方便性，在试 件上布置了 () 个测点，按照测点的位置，在 ! 、 "、 # 方向上分别进行传递函数的测量。 试 验 所 用 仪 器 设 备 为 ,-..) 动 态 信 号 测 试 及 模态分析系统， 测试频率范围： 测试精度： )/(*) 01， 对每次测量采 )2(+3 01。测量时每一次测量 * 个点， 样 进 行 多 次 平 均 ， 激 励 采 用 45678 窗 ， 响 应 采 用 以减少泄漏误差， 试验时指示函数均要 09::;:< 窗， 求大于 )2= 以保证试验结果的有效性。在测试前应 用一已知频率特性的质量块，通过测试它的频响特 性对 ,-..) 系统进行了校准。为保证模态频率没有 遗漏， 测试前进行了多次试测， 最终激振点选在试件 的左上部。
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表? 名称 弹性模量 W S ・ ;;
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材料特性 泊松比 密度 W P4 ・ ;;,+
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光车架模态测试与有限元分析的对比
有限元模型的建立 车架所受载荷包括拉压、弯曲和扭转等多种形
!""# 年
第#期
V!+. $*U3
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.
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计算车架的自由振动模态时， 可以不对车架施 加任何边界约束， 这样会计算出结构的 * 个零频， 其 — . —
・ 设计 ・ 计算 ・ 研究 ・ 对应的振动模态为 ! 个刚体模态。模态提取采用 提取前 () 阶。 "#$%&’ 法， 中图 +>/ 图 (> 为由试验数据经模态分析软件拟合 得 到 的 模 态 频 率 对 应 的 振 型 ； 图 +9 / 图 (9 为 用
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考虑车厢影响的车架强度、 刚度分析
考虑车厢影响的车架有限元模型的建立 车厢及货物通过木块将载荷传递给车架，车厢
!"#
车架弯曲工况计算 该工况主要对载货汽车在满载状态下四轮着地
与车架通过 > 型螺栓及铆接搭块上的螺栓连接。车 厢建模时采用三维梁单元，木块应用壳单元进行模 拟以便将载荷传递给车架。整个车架有限元模型中 包括： 梁单元 ?-*2@， 梁单元 A/B,%@@ ， 01# 个； % ##6 个；壳单元 CDE??0’ ， %# @6’ 个；节点总数： %0 6#% 个； 共 %" 万余自由度。载荷处理时将车厢自身质量 处理为惯性载荷， 其它与光车架时基本相同。
时的结构强度和刚度进行校核，模拟载货汽车在良 好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况。 载荷处理： 车架结构上的集中质量， 根据其重心 位置以及与车身骨架间的连接部位用多点约束分摊 到相应的节点上， 成为这些节点上的集中载荷。 驾驶 员为 ! 人， 质量为 01 23 4 人。此外， 车厢及载货质量 以压力的形式作用在纵梁上。车架的重力取为惯性 载荷，重力加速度为 % %。此时，车架的总载荷为 （不包含悬架、 钢板弹簧及车轮质量） 。对载 %’56 27 ［’］ 货汽车而言， 对称动荷系数一般为 !518’ ， 本次计 算时取为 ’ 。 经有限元分析模拟，车架的变形主要表现为驾 驶室部位抬起约 %" ,,， 尾部下弯 !" ,,； 车架应力 的最大值为 %6’ 9:; ，位于左右纵梁与传动轴横梁 相连处和后钢板弹簧支承处。
)R 建立几何模型，应用 ’S/</ 建立有限元模型。
分别在各个铆钉的实际位置，应用短梁元来模拟部 件间铆钉连接， 短梁元用其真实的材料和截面尺寸， 并使其沿自身轴线的转动刚度为零，保持平动自由 度。整个车架有限元模型中包括： 梁单元 Q13PT ， *.# 个； 壳单元 /8(QQ*+ ， 节点 总 数 ， $" -++ 个； $" .-" 个； 共 * 万余自由度。 为便于与测试结果进行比较，钢板弹簧、发动 机、 油箱、 驾驶室、 车厢等暂未考虑。 车架纵梁、横梁部分采用 $*U3 钢，部分采用 材料特性如表 $ 所列。 V!+.，
:%+ ;-04,： !0*(%<=$"..#%,,<!&><)#*’+,",
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前言
车架的受力比较复杂，特别是在车辆受扭时应
式， 是应力集中最为严重的部件， 也是进行有限元分 析计算的重点。因此， 用二维 /8(QQ*+ 单元来建立 有限元模型，该单元具有 * 自由度。对该车架应用
力响应十分复杂，传统计算方法已不能满足现代设 计的需要。 通过 &’( 分析可以全面了解车架各部件 对整体刚度的影响并对其进行优化设计，保证车架 既有足够刚度满足结构安装需要，同时具有一定的 柔度以满足良好的行驶性能的需要。通常在进行车 架有限元分析时将货厢及承载的负荷简化为集中力 或均布力作用于车架上，而没有考虑货厢与车架的 连接对车架强度和刚度的贡献问题。以某中型载货 汽车车架为例，对其进行了弯曲工况的强度与刚度 分析和一轮悬空 （扭转） 时的强度与刚度分析， 并就 货厢对车架强度的贡献问题进行了分析。 同时， 在建 立整个车架有限元模型的过程中，模态试验作为验 证分析模型正确性的工作也同步进行。
［*］ 种工况 。
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车架承载情况及集中载荷的加载方式 车架承受的载荷包括自身载荷和有效载荷。自
身载荷主要是车架自身质量、 发动机、 变速器、 离合 器等集中载荷； 有效载荷指额定装载时乘员、 货物等 的质量，它们以集中或分布载荷的形式作用在车架 适当位置上，其中集中载荷可用多点约束的形式加 到车架各相应位置。 所谓多点约束， 是指一种特殊的单元类型， 在几 个特殊节点之间定义刚性连接，将一个或多个节点 的自由度 （称为非独立点自由度） 定义为另外一个或
主题词： 车架
刚度
有限单元法
分析 文章编号： （!""# ） $""",+-"+ "#,""".,"#
中图分类号： )#*+%+!
文献标识码： ’
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［’］ 允许车辆速度太高， 故动荷系数取为 %51 。
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式中， !" 为非独立点自由度； !% 为独立点自由度； "% 为常数； 等号左边为非独立项， 右边为独立项； "" 为 特殊独立项， 称为常数项。 多点约束通常被用来对一些难以用单元来模拟 的物理现象进行建模， 比如刚性连接、 铰接 （平面铰 和球铰） 和滑动， 也可用来在不同的单元节点间传递 力的作用。 在本文中，将代表集中载荷质心的节点作为非 独立节点， 将处于各安装位置的节点作为独立节点， 在对应节点之间建立多点约束。 应力评价准则采用 ()*+,-./. 应力准则。
图( （9 ） （> ） 光车架第二阶弯曲振型 （!*2( 01） 图* （9 ） （> ） 光车架第一阶弯扭组合振型 （.(2= 01）
从上述的对比可以看出，采用梁单元模拟铆钉 的模型简化处理方法是适当的，其有限元分析与模 态试验结果比较一致。
!"#
光车架的模态测试与有限元分析的对比 对所测得的传递函数进行曲线拟合识别出结构
货车车架的有限元分析及车厢对其性能的影响
石常青 $ 丁厚明 ! 杨胜梅 !
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【摘要】 车架的受力比较复杂， 货厢与车架的连接对车架的刚度和强度也会造成一定的影响。通过 &’( 分析可 以全面了解车架各部件对整体刚度的影响并对其进行优化设计，以保证车架具有足够的刚度满足结构安装的需要 以及具有一定的柔度以满足良好的行驶性能的需要。对某中型载货汽车车架进行了弯曲工况和一轮悬空 （扭转） 情 况下的强度与刚度分析。
模态参数： 固有频率、 阻尼比和模态振型。车架前 +) 阶模态频率与车架有限元分析结果对比如表 * 所 列。
表! 阶次 车架模态测试与有限元分析结果对比 分析结果 测试结果
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车架的强度分析
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匀速直线行驶 （车架弯曲） 、 一轮悬空 （车架扭转） 、 紧 急制动和急速转弯等 . 种工况。下面主要讨论前两
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在左前轮悬空情况下，车架总长度间相对扭角 为 "51<=， 车轮轴距间相对扭角为 "51’= ； 车架最大应 力为 !6# 9:; ，高应力区位于第三横梁和传动轴横 梁处。 在左后轮悬空情况下，车架总长度间相对扭角 为 %5"0=， 车轮轴距间相对扭角为 "56%= ； 车架最大应 力为 ’!< 9:; ， 高应力区位于传动轴横梁处。
汽 车 技 术
该车架部分模态振型对比如图 +/ 图 ( 所示， 其 — ! —
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考虑车厢影响的车架强度、 刚度分析 车辆匀速直线行驶工况时车架强度、刚度分析
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光车架一阶弯曲振型 （(.2* 01）
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时的结构强度和刚度进行校核，模拟载货汽车在良 好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况。 载荷处理： 车架结构上的集中质量， 根据其重心 位置以及与车身骨架间的连接部位用多点约束分摊 到相应的节点上， 成为这些节点上的集中载荷。 驾驶 员为 ! 人， 质量为 01 23 4 人。此外， 车厢及载货质量 以压力的形式作用在纵梁上。车架的重力取为惯性 载荷，重力加速度为 % %。此时，车架的总载荷为 （不包含悬架、 钢板弹簧及车轮质量） 。对载 %’56 27 ［’］ 货汽车而言， 对称动荷系数一般为 !518’ ， 本次计 算时取为 ’ 。 经有限元分析模拟，车架的变形主要表现为驾 驶室部位抬起约 %" ,,， 尾部下弯 !" ,,； 车架应力 的最大值为 %6’ 9:; ，位于左右纵梁与传动轴横梁 相连处和后钢板弹簧支承处。
)R 建立几何模型，应用 ’S/</ 建立有限元模型。
分别在各个铆钉的实际位置，应用短梁元来模拟部 件间铆钉连接， 短梁元用其真实的材料和截面尺寸， 并使其沿自身轴线的转动刚度为零，保持平动自由 度。整个车架有限元模型中包括： 梁单元 Q13PT ， *.# 个； 壳单元 /8(QQ*+ ， 节点 总 数 ， $" -++ 个； $" .-" 个； 共 * 万余自由度。 为便于与测试结果进行比较，钢板弹簧、发动 机、 油箱、 驾驶室、 车厢等暂未考虑。 车架纵梁、横梁部分采用 $*U3 钢，部分采用 材料特性如表 $ 所列。 V!+.，
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车架的受力比较复杂，特别是在车辆受扭时应
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力响应十分复杂，传统计算方法已不能满足现代设 计的需要。 通过 &’( 分析可以全面了解车架各部件 对整体刚度的影响并对其进行优化设计，保证车架 既有足够刚度满足结构安装需要，同时具有一定的 柔度以满足良好的行驶性能的需要。通常在进行车 架有限元分析时将货厢及承载的负荷简化为集中力 或均布力作用于车架上，而没有考虑货厢与车架的 连接对车架强度和刚度的贡献问题。以某中型载货 汽车车架为例，对其进行了弯曲工况的强度与刚度 分析和一轮悬空 （扭转） 时的强度与刚度分析， 并就 货厢对车架强度的贡献问题进行了分析。 同时， 在建 立整个车架有限元模型的过程中，模态试验作为验 证分析模型正确性的工作也同步进行。
［*］ 种工况 。
+ * ( . A ! 3 @ = +)
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车架承载情况及集中载荷的加载方式 车架承受的载荷包括自身载荷和有效载荷。自
身载荷主要是车架自身质量、 发动机、 变速器、 离合 器等集中载荷； 有效载荷指额定装载时乘员、 货物等 的质量，它们以集中或分布载荷的形式作用在车架 适当位置上，其中集中载荷可用多点约束的形式加 到车架各相应位置。 所谓多点约束， 是指一种特殊的单元类型， 在几 个特殊节点之间定义刚性连接，将一个或多个节点 的自由度 （称为非独立点自由度） 定义为另外一个或
主题词： 车架
刚度
有限单元法
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［’］ 允许车辆速度太高， 故动荷系数取为 %51 。
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式中， !" 为非独立点自由度； !% 为独立点自由度； "% 为常数； 等号左边为非独立项， 右边为独立项； "" 为 特殊独立项， 称为常数项。 多点约束通常被用来对一些难以用单元来模拟 的物理现象进行建模， 比如刚性连接、 铰接 （平面铰 和球铰） 和滑动， 也可用来在不同的单元节点间传递 力的作用。 在本文中，将代表集中载荷质心的节点作为非 独立节点， 将处于各安装位置的节点作为独立节点， 在对应节点之间建立多点约束。 应力评价准则采用 ()*+,-./. 应力准则。
图( （9 ） （> ） 光车架第二阶弯曲振型 （!*2( 01） 图* （9 ） （> ） 光车架第一阶弯扭组合振型 （.(2= 01）
从上述的对比可以看出，采用梁单元模拟铆钉 的模型简化处理方法是适当的，其有限元分析与模 态试验结果比较一致。
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光车架的模态测试与有限元分析的对比 对所测得的传递函数进行曲线拟合识别出结构