商用车动力学计算中的车架建模

商用车动力学计算中的车架建模

作者：程超卢炳武秦民张延平刘春燕郝文权

来源：《计算机辅助工程》2013年第03期

摘要：针对商用车动力学计算中车架的建模，在利用车架CAD数据通过有限元法生成MNF文件的基础上，通过研究试验模态文件，找到一种实现车架柔性体简易建模的方法. 该方法能够实现对车架一扭和垂向一弯模态频率与模态振型的设定，简化车架的建模工作.通过该方法可以实现在车型概念设计阶段，利用商用车动力学计算分析来规划和控制车架的弯扭特性，从而提高车辆的乘坐舒适性.

关键词：车架；乘坐舒适性；商用车；虚拟仿真

中图分类号：U463.32文献标志码：B

0引言

车架总成是商用车中最重要的总成之一，车辆中几乎所有的总成部件都安装在车架上，承受所装载的全部质量，并传递全部的驱动力和制动力，因此，车架应该具有足够的强度和合适的刚度.[1]车架强度要求保证车架在各种道路条件下不致过早受到严重损坏，要有足够的使用寿命；车架刚度会影响到车辆的平顺性，车架应具有合适的弯曲刚度和扭转刚度.

在进行商用车动力学计算时，一般可简单地将车架处理为刚体.当考虑车架的柔性时，可在车架三维几何模型基础上，通过有限元软件生成模态中性文件，导入到车辆模型中.使用该方法的前提是已有车架的完整三维几何模型，而使用有限元软件进行处理，耗时长，且不易修改.

现代车辆设计越来越希望在车辆的概念设计阶段引入CAE手段，从而对车辆部件的详细设计起到指导作用.在概念设计阶段，往往还没有车架三维几何设计，针对这种情况，本文通过研究试验模态文件，实现车架的简易建模，可实现对车架一扭、垂向一弯模态频率和模态振型的设定.通过这一方法实现在车型概念设计阶段，利用商用车动力学计算分析结果规划定义车架的基本弯扭特性，避免车辆零部件在后期作较大的改动，更好地满足车辆平顺性的需求.

1车架有限元建模方法

进行车辆的操纵稳定性和平顺性等汽车主要性能的计算分析，一般可采用Adams/Car建立车辆详细的整车动力学模型，针对具体工况进行性能分析，计算得到车辆的主要性能指标.[2]

商用车的车架是连接车辆所有总成的部件，且其一弯、一扭模态频率较低，将车架处理为柔体能更好地反映整车实际的性能.对于车架的柔性化处理，一般在车架的三维几何模型的基

础上，通过网格划分得到车架的有限元模型.车架的三维几何模型见图1，这时车架已完成详细的设计.经过几何清理、网格划分等得到车架有限元模型，见图2.

2车架的简易建模

在车辆开发的概念设计阶段，车架还没有进行实际的设计，因此，在该阶段不可能按照已有的方法，在车架的三维几何模型基础上通过有限元软件生成模态中性文件.本文设想通过试验模态文件建立车架的柔体模型，该模型应具体现车架基本的弯扭特性，从而通过整车性能分析评价车架的弯扭特性，将整车性能分解到车架总成的模态特征.

经过研究试验模态文件的具体结构，可以根据概念设计阶段车架的长度、宽度等一些基本数据，通过研究试验模态文件，得到简单的能反映车架弯扭特性的模态中性文件，从而可以在车辆的概念设计阶段分析车架弯扭特性的影响，进而对车架的弯扭特性有早期的规划和控制.

为简化车架的建模，在车架简易建模中，仅考虑车架的长度和宽度等几何特征，将车架等价于简单的线框结构，但包括车架的质量、转动惯量等物理特征.

3车架弯扭特性的设定

为快速生成预想的车架简易模型，经过摸索，采用MATLAB编写实现车架基本弯扭特性的程序，并设计对话界面设定车架一扭、垂向一弯2种模态振型的频率值，并可通过设定一扭、一弯振型对称轴的位置控制车架的基本振型.车架模态文件生成程序的对话界面见图4.

5结束语

汽车的平顺性是汽车设计的重要性能指标之一.利用虚拟样机技术在汽车前期开发设计阶段建立整车的动力学模型，并通过多体动力学软件进行平顺性相关计算分析，得到车辆各总成系统对整车平顺性能的影响，从而缩短车辆开发周期，降低研发成本.

针对商用车的车架特性，通过研究试验模态文件，建立反映车架一弯和一扭特性的车架简易模型，并通过整车模型在随机输入路面行驶分析计算，得到车架不同的一弯、一扭特性对车辆加速度响应的影响，从而可在车辆概念设计阶段对车架的弯扭特性进行研究和规划.

对车架的研究集中在一弯和一扭的特性上，在进一步工作中，可以实现对车架1阶以上模态振型的建模，从而更全面地反映车架的弯扭特性.

参考文献：

[1]余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社， 1990.

[2]张越今. 汽车多体动力学及计算机仿真[M]. 长春：吉林科学技术出版社， 1998.（编辑陈锋杰）