基于Workbench的某電動觀光車車架的模態(tài)分析

紀玉杰 靳 齊

（沈陽理工大學，沈陽 110159）

基于Workbench的某電動觀光車車架的模態(tài)分析

紀玉杰 靳 齊

（沈陽理工大學，沈陽 110159）

本文利用Creo5.0軟件，建立觀光車車架的三維實體模型，并利用ANSYS Workbench建立有限元模型對其進行自由模態(tài)分析，從而得到車架的固有頻率及振型，驗證觀光車車架結(jié)構(gòu)的合理性，為車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)。

觀光車車架 有限元 模態(tài)分析 固有頻率

車架作為車輛的承載體，支撐著動力、傳動、轉(zhuǎn)向、車身等，并承受來自車內(nèi)外載荷，是整個觀光車的裝配基礎(chǔ)[1]。在正常的行駛中，車架會受到多種激勵的作用。當激勵頻率接近車架整體的固有頻率時，車架將會發(fā)生共振，不僅會加速車架損壞，還會降低乘坐舒適性。因此，車架不僅要滿足強度和剛度的要求，還應具有合理的動力學性能[2-4]。通過對車架進行模態(tài)分析，不僅可以分析車架的性能，還可以對其結(jié)構(gòu)進行評價[5-8]。

K.AO.J.Niiyama等人利用靜力學分析的結(jié)果對車架進行設(shè)計，但沒有充分考慮車架的動態(tài)性能[9]；Krawczuk、Marek等人通過利用Shell單元將貨車車架離散化處理，對車架進行動態(tài)分析，但并未實現(xiàn)合理的車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[10]；錢立軍、吳道俊等通過MSC.Nastran軟件對車架進行了模態(tài)分析以預估車架的疲勞壽命，但分析過程中車架結(jié)構(gòu)過于簡化，與實際情況有一定差別，且未充分考慮車架的材料性能對結(jié)果的影響[11]。

本文對新型材料A7NO1ST-5型高強度鋁合金構(gòu)成的觀光車車架進行了模態(tài)分析，以期為新能源車輛車架的輕量化設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是確定結(jié)構(gòu)或機械零部件的振動特性。它克服了靜態(tài)方法的局限性，強調(diào)從結(jié)構(gòu)的整體考慮問題，且在性能校核中考慮了振動的因素。自由模態(tài)分析的實質(zhì)是求解具有有限個自由度的無阻尼及無外載荷狀態(tài)下的運動方程的運動矢量。由振動學理論得系統(tǒng)的微分方程為[12]：

式中，M為質(zhì)量矩陣；ü為加速度向量；C為阻尼矩陣；

u4為速度向量；K為剛度矩陣；u為位移向量。

對于無阻尼自由振動系統(tǒng)，其運動微分方程為：

式中，w2為特征值，即固有頻率的平方；μ為特征向量，即振型。

為了得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，需求解特征方程的根ωi（i=1,2…,n），從而得到模態(tài)頻率及固有振型。

無阻尼振動系統(tǒng)的特征方程為：

2 車架三維實體模型的建立

本文所研究的觀光車應用于景區(qū)、廣場等公共場所，其承載人數(shù)相對較多，因此車架結(jié)構(gòu)強度很重要。本車采用邊梁式車架，車架全長5.5m，寬為1.8m，最大高度為0.43m。應用Creo5.0對車架進行三維實體建模，車架模型如圖1所示。

圖1 車架三維實體模型

3 車架模態(tài)分析計算

本文中觀光車車架使用的材料為A7NO1ST-5型高強度鋁合金。它強度高，耐腐蝕性能好，通過常溫時效處理，焊接部分的強度能夠恢復到接近母材的強度。常用材料的性能，如表1所示。

表1 常用材料性能對比

3.1 車架有限元模型的建立

將車架的三維實體模型導入Workbench中，首先要設(shè)置單元屬性，如表1所示。A7NO1ST-5型高強度鋁合金的密度為2770kg/m-3，楊氏模量為69GPa，泊松比為0.3。

在有限元模型建立前，要對三維實體模型進行簡化。例如，局部倒角、工藝孔等，以避免因局部的小部位影響網(wǎng)格的劃分精度[13]。雖然增加網(wǎng)格的數(shù)量可以提高計算精度，但同時也會耗費更多的計算時間。因此，在劃分網(wǎng)格時要在保證計算精度的基礎(chǔ)上盡量減少單元數(shù)量。選擇以solid187實體單元為主的自動劃分法，網(wǎng)格的相關(guān)性設(shè)定為0～80。網(wǎng)格劃分完后，需要對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，看是否存在遺漏、重疊之處。自動劃分網(wǎng)格后，得到25355節(jié)點和18921個單元，有限元模型如圖2所示。

3.2 車架模態(tài)計算結(jié)果

車架的自由模態(tài)由車架本身的結(jié)構(gòu)特性和材料屬性決定，與外部載荷條件等無關(guān)，不需要施加任何的邊界條件和載荷[14]。

圖2 車架有限元模型

由于觀光車在室外園區(qū)行駛中會受到來自路面、車輪不平整等各類激勵的影響，當這些頻率與車架固有頻率一致時，就會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。因此，通過對車架進行模態(tài)分析，了解并分析車架結(jié)構(gòu)的振動特點非常重要。車架是一個連續(xù)載體，具有無限的自由度，無需把所有的頻率振型均求解出來，僅需要正常情況下車架的振型即可，這里只提取前8階的模態(tài)結(jié)果。利用Workbench，采用Block Lanczos算法，對車架進行模態(tài)求解，得到車架前8階的固有頻率和振型，分別如表2、圖3所示。

表2 各階頻率及振型

圖3 車架各階模態(tài)振型圖

3.3 車架模態(tài)結(jié)果分析

由圖3可知，車架的前3階振型的主要特征為平動：一階固有頻率為0Hz，二階固有頻率為9.5425e-004Hz，三階固有頻率為2.1414e-003Hz。車架的第四階振型為彎曲變形，其固有頻率為3.2035Hz；車架的第五階振型為彎曲變形，其固有頻率為3.3211Hz；車架的第六階振型為扭轉(zhuǎn)變形，其固有頻率為5.5355Hz；車架的第七階振型為彎曲變形，其固有頻率為11.782Hz；車架的第八階振型為彎扭組合變形，其固有頻率為16.879Hz。

電動旅游觀光車行駛的路況大多是在城市及景區(qū)等比較平坦的路面。此類路面對車輛的外界激振頻率一般低于5Hz。正常情況下，車架的低階模態(tài)的固有頻率應該避免與電動車行駛時路面對電動車的激振頻率重合。通常，由于車輛行駛路面不平順而引起的運動學激勵大多屬于5～20Hz的垂直振動[15]。同樣，車架的高階模態(tài)的固有頻率不應該與電動車的驅(qū)動電機在運行綜合所產(chǎn)生的激振頻率重合，一般應用在觀光車上的電機的激振頻率在20～3000Hz。根據(jù)分析結(jié)果，車架的前3階模態(tài)的固有頻率都小于1Hz，車架的第8階模態(tài)固有頻率為16.879Hz，兩個條件均符合，該車架的結(jié)構(gòu)大部分都符合要求。但是，車架的最前端和最后端相對整體變形較大，在設(shè)計結(jié)構(gòu)應予以改進。

4 結(jié)語

本文利用Workbench對車架進行自由模態(tài)分析，得到了車架的前8階模態(tài)的振型和固有頻率。通過車架模態(tài)分析的結(jié)果，可以得到該車架能夠很好地滿足動態(tài)特性的基本要求，并且低階頻率遠離共振頻率帶，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。通過對應用該材料的車架進行模態(tài)分析，得到的分析結(jié)果都符合要求，不僅為今后應用該型材料的車架結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的分析提供了參考，還為其他種類車輛的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料的選擇提供了可靠依據(jù)。

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The Model Analysis of Electric Touring Car Frame Based on Workbench

JI Yujie, JIN Qi
(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159)

The 3-D model of touring car frame was built by using Creo5.0 software ,with ANSYS Workbench , the finite element modal was set and the modal analysis of car frame was made in the article , the natural frequencies and modal shapes was got , the rationality of the structure of touring car frame was verified ,the article supplied foundation in the theory for the design and optimizing of the car frame.

touring car frame, finite element, modal analysis, natural frequency