货车车架的建模与模态分析

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摘要：车架作为载货汽车的承载基体，对整车的性能有很大的影响，利用CATIA软件对汽车车架进行建模，对所建模型划分网格，并对其加载，进行强度和刚度校核，对车架模型进行束模态分析。通过分析，得到车架各阶固有频率和振型，知道车架的弯曲和扭转情况，在车架设计中就可以尽可能地避免共振。

关键词：车架；建模；模态分析

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0098-02

一、课题研究意义

对于载货汽车来说，车架是承受载荷的主体，对整车的性能有很大的影响。上世纪五六十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核是依靠传统的经验及方法[1]。这种方法对结构做了大量的简化，因此简单易行，但是设计中很容易出现车架各部分强度分配不合理的现象，达不到对车架进行优化设计的目的。有限元法能对工程实际中几何形状不规则、载荷和支承情况复杂的各种结构以及零部件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论是形状还是载荷都相当复杂，所以有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具[2]。利用模态分析，可以从设计上避免车架的共振现象[3]。利用有限元分析的方法，对于加快产品的开发速度、降低设计成本、提高产品竞争力有重要意义。

二、CA1091K2型汽车车架静态分析

1.建立有限元模型和划分网格。首先在保证车架主要特性、确保网格划分顺利进行的同时对CA1091K2型汽车车架局部简化。利用CATIA软件对车架进行实体建模，建立的简化后的车架模型如图2-1所示。

图2-1简化后的车架模型

对建立的实体模型，利用CATIA软件中的“分析与仿真模块”来进行模型网格的划分，在此模块中，对横梁、纵梁等其他零件设置各个参数，选用四节点直边单元生成网格，最终建立了69587个节点，划分的单元数为276378个。

2.车架的强度和刚度分析。汽车在实际行驶过程中，车架主要受动载荷的作用[4]，而动载荷的大小又取决于动载系数的大小。动载荷系数主要由三个因素决定：道路不平度、汽车的行驶状况（如车速）和汽车的结构参数（如悬架的刚度、车轮刚度、汽车的质量分布等）。

FZS=KxS×■FZ （2-1）

其中：KZS为动载系数

KZS=1+■ （2-2）

式中：C1、C2――前、后悬架刚度，C1=185N/mm，C2=362N/mm.

?姿――经验系数，取?姿=1000（km/h）2；va――车速，该车取va=80km/h

Ga――自重，Ga=43000N；h――路面不平度，取h=80mm

根据等式2-2计算得到KZS=2.08，取KZS=2.1，符合常规设计KZS=2.0～2.5的要求。

将等式2-2所得的KZS代入等式2-1，计算得FZS=1228205N，经有限元分析得到的车架应力分布图如图2-2所示。

图2-2 垂直动载荷作用下应力分布图

从应力云图中可以看出，汽车在路面不平度为80毫米，车速为80千米/时。在垂直动载作用下车架的变形主要以弯曲变形为主，变形幅度不大，各测点的应力值都满足材料的屈服极限，而且远小于材料的强度极限。

当车架上作用有对称垂直载荷时，结构处于弯曲工况，其整体的弯曲刚度可以由车架的最大垂直挠度来评价[5]。约束前悬架与车架连接点的三个平动自由度以及后悬架与车架连接点的y，z两个平动自由度，对模型进行加载，所得的位移图如图2-3所示，车架的最大垂直挠度比较小，符合设计要求。

图2-3 车架受垂直动载荷时的位移图

三、车架的模态分析

对车架模型设置边界条件及施加载荷，设置完成后便可以进行模态分析了。选择里兹法进行约束模态分析，求得前四阶的模态频率振型，分别如图3-1、3-2、3-3、3-4所示。

图3-1 车架一阶模态振型（频率42.67Hz）

图3-2 车架二阶模态振型（频率66.13Hz）

图3-3 车架三阶模态振型（频率91.37Hz）

图3-4 车架四阶模态振型（频率105.47Hz）

从以上四阶振型图可以看出，车架的固有振型分为两类：一类是车架的整体振动，另一类是以车架一个或几个部分振动为主的局部振动。其中，在第一、二阶车架主要表现为横梁和纵梁的弯曲变形，属于第二类；第三、四阶主要为车架的弯扭变形为主，属于第一类。

车架激励一般来源于路面和发动机。路面的激励频率多在20Hz以下，该车发动机的怠速为700转/分钟，相应发动机的爆发频率为23Hz，经常使用的车速是60~80千米/小时，发动机爆发频率为50~65Hz。根据车架的分析结果可知，车架的第二阶模态频率66.13Hz与65Hz相接近，因此车架的动态特征还需要改进，使其远离发动机的爆发频率。

本文对CA1091K2型货车车架进行了建模，并进行了刚度、强度校核，体现了有限元分析设计快速、准确、高效的特点。在此基础上对车架模型进行了约束模态分析，做出了车架的动态特征，为车架避免共振和优化提供了有力的基础。

参考文献：

[1]林程.重型半挂车车架有限元分析[J].车辆与动力技术，2004：24-26.

[2]胡建立.NJ1030轻型货车车架强度分析[D].南京理工大学硕士学位论文，2000：20-25.

[3]李阳，唐应时.自卸车车架静动态计算分析[J].汽车技术，2005：68-70.

[4]梅威.轻型载货汽车边梁式车架的模态分析[J].机电产品开发与创新，2005：56-58.

[5]Robert J.Melosh.Finite Element Analysis of Automobile Structure[J].SAE 740319，2003：89-93.

课题成果：《空气悬架汽车行驶平顺性仿真分析》（KJ11-17）