某純電動輕卡車架模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計

譚喜峰 寧源源 蹇隆光 陳琳

摘 要：文章采用有限元分析軟件 Hypermesh對某純電動輕卡車架進(jìn)行分析與優(yōu)化。建立車架有限元模型并求解前六階模態(tài)振型，結(jié)合車架動態(tài)特性開展車架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，改進(jìn)后車架模態(tài)頻率變化平緩，避免了車輛行駛中的共振。最后對比車架臺架試驗數(shù)據(jù)與CAE仿真分析結(jié)果，驗證有限元分析的可靠性，為后續(xù)車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：純電動輕卡;鋁合金車架;Hypermesh;模態(tài)分析

中圖分類號：U469.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）17-14-03

Modal analysis and optimal design of a pure electric light truck frame

Tan Xifeng， Ning Yuanyuan， Jian Longguang， Chen Lin

（ Technology Center， Shaanxi Automobile Group Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： The finite element analysis software Hypermesh was used to analyze and optimize a pure electric light truck frame. The finite element model of the frame is established and the first six modes of mode shapes are solved. The structural parameters of the frame are optimized based on the dynamic characteristics of the frame. After the improvement， the modal frequency of the frame changes gently and the resonance during the vehicle is avoided. Finally， the test data of the frame and the CAE simulation analysis results are compared to verify the reliability of the finite element analysis， which provides a reference for the subsequent improvement and optimization of the frame structure.

Keywords： Electric light truck; Aluminum frame; Hypermesh; Modal analysis

CLC NO.： U469.7? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）17-14-03

1 前言

節(jié)能減排是目前世界發(fā)展的重要主題，新能源汽車由于低排放、無污染，能有效緩解由機動車造成的空氣污染，成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的趨勢。車架作為純電動車汽車最為重要的承載基體，一方面車輛各分總成依靠車架相互連接并保持相對正確位置;另一方面承受著車輛在行駛過程中遭遇的各類別的復(fù)雜載荷[1]。車架結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)直接影響著汽車的性能和質(zhì)量，設(shè)計時不僅要考慮車架的剛度和強度，還需要保證車架具備良好的動態(tài)特性。

車架動態(tài)特性分析一個重要的方法就是模態(tài)分析。借助于模態(tài)分析，確定車架系統(tǒng)各階振型及固有頻率，從而在車架設(shè)計階段對車架進(jìn)行分析及優(yōu)化，避免車輛在行駛過程中動載荷頻率接近系統(tǒng)部件的一階固有頻率，產(chǎn)生共振。本文基于Hypermesh軟件對某純電動輕卡車架進(jìn)行模態(tài)分析，依據(jù)分析結(jié)果對車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對比設(shè)計前后車架的動態(tài)特性，給出了車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的指導(dǎo)性意見。

2 有限元模型建立及求解

為實現(xiàn)整車輕量化設(shè)計，設(shè)計一款商用車輕卡專用鋁合金車架，車架為邊梁式結(jié)構(gòu)。車架縱梁采用寬度相等的等截面型材，擠壓成型，厚度為8mm;橫梁截面采用“工”字型設(shè)計，寬80mm，厚6mm，縱橫梁之間采用厚度為6mm的槽型襯板連接，通過鉚釘或螺栓的鏈接方式組成剛性構(gòu)架。車架總長為5669mm，總寬為800mm，總質(zhì)量為120kg。

2.1 幾何前處理

幾何前處理是有限元數(shù)值模擬分析中至關(guān)重要的一步，直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。首先將建立好的車架幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh 軟件中，進(jìn)行幾何清理，忽略車架中某些較小的螺栓孔、工藝孔和影響很小的細(xì)小結(jié)構(gòu)，合并自由邊、修補缺失面。幾何清理后對車架進(jìn)行中面提取并進(jìn)行修改、裁剪，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。車架系統(tǒng)采用2D殼單元，單元尺寸為10mm，為四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完畢后選擇CWeld單元模擬車架的鉚接，車架網(wǎng)格數(shù)為64890，網(wǎng)格劃分后的車架有限元模型如圖1所示。

網(wǎng)格劃分完畢后，對車架系統(tǒng)賦予相應(yīng)的材料參數(shù)。本次分析中車架橫梁及縱梁采用7075鋁合金，板簧支座材料為QT500，具體的材料特性參數(shù)如下表1。

2.2 車架模態(tài)分析

有限元模型建立好之后，需要對載荷及邊界條件進(jìn)行處理。本文研究的是車架的自由頻率及振型，只需要完成對車架設(shè)置固定約束就可以進(jìn)行求解計算。載貨車車架是一個多自由度的振動模型，其低階彈性模態(tài)決定車身骨架的動態(tài)特性，本文主要分析車架前六階（不含剛體模態(tài)）固有頻率（Hz）及其固有振型，具體計算結(jié)果如圖2。

分析可知，輕卡前六階的模態(tài)振型主要為車架的扭轉(zhuǎn)和彎曲，1至6階的頻率依次為4.85 Hz、17.44Hz、18.34Hz、24.28Hz、25.31Hz、34.76Hz。一階模態(tài)為沿X方向的扭轉(zhuǎn);二階模態(tài)為沿Z向的彎曲;三階模態(tài)為沿Y向的彎曲;四階模態(tài)為沿X方向的二階扭轉(zhuǎn);五階模態(tài)為沿Y向的二階彎曲;六階模態(tài)為復(fù)合模態(tài)。

3 參數(shù)優(yōu)化及臺架試驗

3.1 車架優(yōu)化設(shè)計

車架結(jié)構(gòu)的固有頻率越低，越容易被外界激勵起來，因此車架的低階模態(tài)十分重要。純電動輕卡運營工況主要是城市路面，其對應(yīng)的路面激勵頻率一般在1Hz～3Hz之間，該車架模態(tài)振型避開了此區(qū)間?？紤]到輕卡前、后懸架偏頻一般為2～4.5Hz[3]，而該車架的一階彈性模態(tài)頻率為4.85 Hz，與后懸架偏頻接近，容易產(chǎn)生共振。

結(jié)合模態(tài)理論及實驗數(shù)據(jù)，一般來講，增加約束有利于提高一階固有頻率，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，結(jié)構(gòu)的材料分布盡量靠近約束位置，可以提高結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。結(jié)合CAE分析結(jié)果對車架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，考慮到車架上翼面會搭裝上裝，故去除上翼面的連接孔，增加橫梁連接板的X方向尺寸及Y向尺寸，車架橫梁與連接板連接孔位增加兩個，具體如圖3所示。

3.2 優(yōu)化后車架模態(tài)分析

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車架進(jìn)行模態(tài)分析，優(yōu)化后車架模態(tài)振型如圖4所示。

1至6階的模態(tài)依次為6.13 Hz、18.4Hz、21.9Hz、26Hz、32.3Hz、37.3Hz，車架模態(tài)頻率變化平緩，沒有突變現(xiàn)象發(fā)生，自由模態(tài)第一階模態(tài)大于5 Hz，避開懸架系統(tǒng)的固有頻率。

3.3 車架臺架試驗

優(yōu)化后的車架需要進(jìn)行道路試驗和臺架試驗進(jìn)行驗證，以保證其能夠達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計要求?？紤]到整車試驗需要較長的時間，浪費人力物力，利用臺架試驗方法對車架進(jìn)行驗證不僅縮短開發(fā)和驗證時間，而且節(jié)約成本，為新型車架的研制和改進(jìn)提供了科學(xué)的有效途徑[4]。本文對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車架進(jìn)行臺架試驗，驗證車架動態(tài)性能是否滿足行駛工況需求，車架臺架試驗如圖5所示。

試驗前，檢查車架緊固狀態(tài)，確保試驗車架及附件的緊固件裝配數(shù)量、形式與裝配要求一致。檢查完成后，開展模態(tài)分析。模態(tài)分析需使車架處于“自由”邊界條件[5]，用柔軟的橡膠繩或彈性繩將車架懸掛在于吊架水平位置或?qū)⑵渲糜趶椥曰A(chǔ)上，車架支撐盡量柔軟。懸吊試件的連接點選擇處于或接近于所關(guān)心模態(tài)的節(jié)點處，采用力錘激勵，多次試驗去平均值。

將優(yōu)化后車架的仿真數(shù)據(jù)與臺架試驗進(jìn)行對比驗證，CAE仿真試驗?zāi)B(tài)特征基本與臺架試驗一致，車架模態(tài)頻率

變化平緩，避免了車輛行駛中的共振，具體的車架動態(tài)特性如表2所示。

4 結(jié)論

本文以某純電動輕卡車架為研究對象，應(yīng)用HyperMesh軟件建立車架有限元模型并對車架前六階模態(tài)振型求解分析。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對改進(jìn)的車架進(jìn)行有限元分析及試驗，有限元及試驗表明改進(jìn)后的車架能夠很好避開前、后懸架偏頻、路面等傳遞的頻率段，車輛行駛中不會引起共振，提高了車輛的平順性、可靠性能。通過CAE分析與臺架試驗聯(lián)合設(shè)計，有效縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，本文的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法也為其他車型車架動態(tài)特性改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

參考文獻(xiàn)

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