重型货车车架模态分析与优化设计

《装备制造技术》2012年第4期

重型货车在交通运输领域中起到重要作用，车架是整个汽车的基体，是发动机、车身和悬架等部件的安装基础，并承受来自车内外的各种载荷，其强

度、

刚度及动力学特性，直接影响整车性能和使用寿命。由于车架结构的复杂性和行驶条件的多变性，车架的设计和校核基本以静强度为基准，但是在行驶过程中，车架受到多种动载荷，如发动机的振动载荷、路面随机振动载荷等，这些动载荷可能引起整车和局部的动态响应，导致车架产生共振。

模态分析是动态分析的基础，为了提高汽车的通过性、操纵稳定性和平顺性，有必要对车架做模态

分析，确定其动态特性。

本文通过有限元软件ANSYS 计算出车架前10阶固有频率和固有振型，研究了车架受到的外界激励类型，分析了车架在外部激励作用下可能发生共振的情况，最后利用ANSYS 自带的函数逼近法对车架模态进行优化设计，避免车架固有频率和外部激励频率相同或接近，防止发生共振。

1

模态分析的理论基础

模态分析是忽略外载荷情况下，求解有限个自由度的无阻尼线性系统运动方程，其运动方程式为

MX "+KX =0（1）

式中，

M 为质量矩阵，K 为刚度矩阵，X 为位移向量，X ''为加速度向量。

自由振动时，结构上各点作简谐振动，各节点位

移与特征方程为

X =Φsin (ωt +φ)（2）(K -ω2M )Φ=0（3）

特征值ωi 为第i 阶固有频率，特征向量Φi 为对应的振型。

2车架模型的建立

研究的车架为边梁式车架结构，由左右两根内外纵梁以及6根横梁组成，全长9420mm ，宽920mm 。在ANSYS 中建立车架的参数化模型，模型全部采用板壳单元，划分网格后，模型有33848个节点，66611个单元，车架有限元模型如图1所示。

3

模态分析

3.1边界条件与模态提取

车架的模态分析，主要是计算车架在自由状态下的模态参数。因此对车架不施加任何约束和载荷。

低阶频率对结构的动力特性影响程度，比高阶频率大，低阶振型决定了结构的动态特性。在ANSYS

重型货车车架模态分析与优化设计

欧阳天成，韦齐峰，黄锦成

(广西大学机械工程学院，广西南宁530004)

摘要：运用有限元分析软件ANSYS 对某重型货车车架建立了参数化有限元分析模型，对处于自由状态下的车架进行模态分析，计算出车架前10阶固有频率和固有振型，将模态分析结果与汽车受到的激励频率作对比，分析了车架在外部激励作用下可能发生共振的情况，利用ANSYS 进行以提高第5阶固有频率为目标的优化设计，使车架具有更好的动态特性。

关键词：车架；模态分析；有限元；优化设计中图分类号：

U463.32文献标识码：A

文章编号：1672-545X （2012）04-0019-03

收稿日期：2012-01-15作者简介：欧阳天成（1986—），男，广西桂平人，硕士研究生，研究方向：动力机械及工程。

图1车架有限元模型

Y Z

设计与计算

iiii i

ii

i i i i i

i i

19

Equipment Manufactring Technology No.4，2012

中选择兰索士法提取车架的前10阶固有频率和振型，各阶频率值及振型（1～6阶为刚体运动，频率为零）分别见表1和图2。

3.2外部激励分析3.2.1车架动态特性要求

车架在工作时，主要承受两类激励：一是发动机简谐激励；二是行驶时路面不平度对车轮作用的随机激励。

为防止共振，车架的固有频率应当满足以下要求：

（1）车架低阶频率（主要是1阶扭转和1阶弯曲频率）应低于发动机怠速运转频率，以避免在怠速下发生整车共振；

（2

）车架的弹性模态频率，应尽量避开发动机经常工作的频率范围；

（3）车架固有频率，应避开路面不平度的激励频率；

（4

）车架固有频率间有一定距离，避免频率耦合。3.2.2发动机激励分析

发动机激励计算公式为

f =2nz 60τ

（4）

式中，

n 为发动机转速，r/min ；z 为发动机的缸数；τ为发动机冲程数。

货车使用六缸四冲程发动机，怠速转速为700～730r/min ，所以发动机激振频率为35～36.5Hz 。3.2.2路面激励分析

路面对车架激励的频率，不仅与路面状况有关，还和车速有关。

路面激励频率计算公式

f =V m ax m in

（5）

式中，

V m ax 为最高车速；

L m in 为路面不平度波长。

重型货车主要在3种路况上行驶，不同路况的最高车速各不相同，表2为该重型货车常规行驶状况的路面激励表。

3.3模态分析与激励总结

根据上述分析得知，车架1阶侧向弯曲和扭转模态频率分别为15.62Hz 和19.73Hz ，均大于表2所示的3种路况产生的路面激励频率。因此货车在行驶中，不会因路面激励而产生车架共振。车架第2阶侧向弯曲模态频率37.78Hz 与怠速下发动机激励

频率35～36.5Hz 比较接近，

车架在怠速时可能发生共振，所以要对车架的第2阶侧向弯曲模态频率进行优化，使其避开发动机怠速频率。

4车架的优化设计

优化设计以提高车架第5阶固有频率为目标，使第5阶固有频率偏离发动机怠速激励频率。由于重型货车车架轮廓尺寸不能改变，且安全系数要比

表1

车架前10阶模态频率和振型描述

阶数频率（Hz ）

振型描述115.62一阶侧向弯曲219.73一阶扭转323.82一阶外张432.04一阶扭转弯曲5

37.78

二阶侧向弯曲

阶数频率（Hz ）振型描述642.50二阶内外弯曲747.24二阶弯曲852.49二阶扭转957.49局部二阶弯曲10

62.41

三阶弯曲

Z

X

Y

X

Z

Y

MN

Z

X Y

（a ）第1阶模态

（b ）第2阶模态

（c ）第3阶模态

(f)第6阶模态

(e)第5阶模态

(d)第4阶模态

图2车架前6阶模态振型

Z

Y

M X

Z

M N

M X

Z

X

Y M X

路面状况波长（m ）最高车速（km/h ）激励频(Hz)平坦路

4.2～90.980

5.29石块路0.8～

6.73010.42搓板路

0.5～1.1

20

11.11

表2

路面不平度波长和激励频率

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