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1、车架主纵梁的模态分析摘 要】通过先进的有限元软件 Ansys 对半挂车车架主纵梁进行模态分析，得出了车架主纵梁的固有 频率和振型特征.可以通过研究汽车零部件或整车的振动情况，避开这些频率或最大限度地减小对 这些频率上的激励，可以为该车的进一步研究提供参数。关键词：车架主纵梁；有限元；模态分析【Abstract】By adva need fin ite eleme nt software An sys main frame rails on the trailer modal an alysis, the main draw of the frame rails of the character
2、istics of n atural freque ncies and mode shapes can be auto parts, or by studyi ng the vibratio n of the vehicle, to avoid On these freque ncies or mi ni mize the incen tive for these freque ncies, the car can provide parameters for further research.Key words：main longitudinal beam of frame；Finite e
3、lement；Modal analysis0 引言车架主纵梁作为半挂车的关键部件，其结构必须有足够的静强度和刚度来达到其疲劳寿命、 装配和使用的要求，同时还应有合理的动态特性来达到控制振动与噪声的目的。在车架主纵梁结 构设计中，如果只考虑结构的静强度和刚度，很可能会在设计过程中造成车架主纵梁局部结构的 不合理，而导致半挂车在运行中产生共振，产生噪声。模态分析作为动态分析的基础，是动态分 析的重要内容。对车架主纵梁进行模态分析以掌握车架对激振力的响应，从而对车架主梁设计方 案的动态特性进行评价己经成为半挂车车架设计过程中必要的工作。1车架主纵梁的模态分析1.1 建模1.1.1 车架主纵梁CXQ9
4、190 型半挂车的车架主纵梁主要是边梁式结构，由 2根阶梯工字型纵梁和20 根折弯件的 横梁组成，纵梁和横梁上还不规则的分部着许多的电线安装孔和加强块。车架主纵梁结构复杂， 但是根据圣维南原理，模型的局部细小变化和改动并不影响模型总的分析结果，因此建立车架主 纵梁有限元模型前对车架进行了一些简化1 部分离应力远的圆弧过渡简化为直角，工艺上需要的倒角、抜模斜度等都不予考虑，这样可以 减少在这些区域上的网格划分的数量，提高计算速度； 车架上有些构件，如凸台、销孔、线路孔、吊环孔等，仅是为了满足功能要求而设置的对结构 的强度没有很大的影响，可以忽略； 除去对车架结构应力分布不产生太大影响的工具箱和防
5、护网等零部件2 。1.1.2 坐标系的确定几何模型的建立通常有两种方法，直接利用ANSYS软件自带的CAD功能绘制车架主纵梁的几 何模型，或者利用通用的CAD软件建立车架主纵梁的几何模型，然后导入ANSYS软件中。由于ANSYS 软件自带的CAD绘图软件不好用，所以简单的图形可以在ANSYS中绘制，但是复杂的几何图形一 般在专门的 CAD 软件里绘制，然后导入有限元分析软件。本文是应用 Pro/E 软件建立车架主纵梁的三维几何模型，然后利用Pro/E软件与ANSYS软件的接口，将车架主纵梁的三维实体模型导入 到 ANSYS 软件中，再进行网格划分，最后建立车架有限元模型。以某重型专用半挂车的车
6、架主纵梁为研究对象，采用直角坐标系为车架主纵梁的基本坐标系。YOX 面取为车架主纵梁的最右侧面， YOZ 面为车架最前端面， XOZ 面取为车架主纵梁的下翼面。其 中Y轴正方向向上，X轴正方向指向车架主纵梁后方，Z轴正方向为车架主纵梁的左侧。车架主纵梁的三维实体模型1.1.3 Pro/E软件与ANSYS软件之间的数据转换Pro/E 软件与 ANSYS 软件之间的数据转换有两种方式：一种是将三维模型的文件后缀名保存 为*.Prt格式的文件或者保存为*.IGES格式的文件，利用ANSYS的File菜单中的Import命令将 其三维实体模型导入；另一种是利用Pro/E软件与ANSYS软件之间的无缝接
7、口将模型导入。前者 适合导入结构简单的实体模型，后者适合导入结构复杂的实体模型1。当用第一种方法时，由于 CAD 软件与 CAE 软件的侧重点不同可能会出现如下问题3： 导入曲面数据时存在缝隙、重叠、错位等缺陷。这会影响单元的质量，严重时会导致有限元模 型无法求解或结果失真；边界错位引起单元扭曲，生成单元质量不高，求解精度差。 几何模型中通常会包含细小特征。由于生产需要，机械结构中通常包含小孔、倒角、凸台、凹 槽等细小特征，在工程分析时，若过于细致地描述这些特征，要用到很多小的单元，使有限元模 型的单元尺寸变化过于急剧，导致求解时间过长，也会影响计算的精度。 软件之间接口技术的问题。接口技术的
8、问题可能会使模型导入产生无法预知的缺陷，影响单元 划分。不过若出现以上问题可以按以下原则进行几何清理： 模型中若存在相互距离小于单元1/2的线条，应该进行适当的压缩。 模型中若有距离很近的几个点，可适当进行合并和替换。 模型中若有小的缺面，应该进行适当的补面。 模型中若有形状突变的，要适当地重新划分面。 模型中若有相近的N个碎面，可合并成一个面，但关键的特征应保留。本 文 选 择 第 二 种 数 据 转 换 方 式 。 在 开 始 菜 单 中 选 择 ANSYS9.0 utilities ANS_ADMIN9.0,配置ANSYS软件与Pro/E软件的接口。重新启动Pro/E软件，此时菜单新增
9、ANSYS9.0的菜单。将建立的车架主纵梁三维实体模型打开，然后点击ANSYS9.0菜单，选择ANSYS Geom即可将模型导入到ANSYS9.0中。虽然车架主纵梁的模型很复杂，但是采用此种方法，导入 到 ANSYS 中的模型没有丢失任何几何信息。车架主纵梁有限元模型的建立本模型采用solid92单元，网格划分采用ANSYS软件自带的Mesh tool工具，设置单元边长 为30 mm,采用自由体划分。车架主纵梁模型共化为196 804个单元，396 071个节点。材料的属性为：材料的弹性模量E二2.1x101%；材料的密度为 P= 7.8 x 10-9 %肋车架主纵梁的有限元模型1. 2加载及
10、求解首先定义分析类型，分析选项，指定模态提取方法，然后定义主自由度，在模型上加载，指 定载荷步选项，最后开始计算求解，退出求解器。在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束代替在该处的设置。载荷可以加在实体模型上或有限元模型上4。指定分析类型为Modal （模态），选择模态的提取方法为Block Lanczos （分块的兰索斯）法。 对模型在牵引销板处进行全位移约束，后面弹簧悬架处约束Y方向的位移。设置扩展模态数为10， 进行求解。1.3观察结果 模态分析的结果包括：车架的固有频率、已扩展的振型和相应的应力分布。根据模态分析的
11、 结果可以发现车架结构的薄弱环节及不足之处，同时还能根据车架模态参数的变化来诊断和预报 车架结构的故障。心 E2灯亠皿*迂心“2*2第二阶模态第一阶模态第四阶模态第三阶模态第六阶模态第五阶模态第七阶模态第八阶模态第九阶模态第十阶模态表1车架主纵梁模态分析计算结果阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10固有频 1.72 7.05 13.40 23.80 31.40 35.00 35.84 39.14 43.11 50.39率(Hz)第一阶振型为Y-Z平面内的左右平动，频率为1.72Hz，最大幅值为1.159x 10-3mm；第二阶振 型为Y-X平面内的上下波动，频率为7.05 Hz，最大幅
12、值为1.652x 10-3mm；第三阶振型为Y-X平 面内的上下波动，频率为13.40Hz，最大幅值为1.793x 10-3mm；第四阶振型为Y-Z平面内的波动， 频率为23.80Hz,最大幅值为1.705x 10-3mm；第五阶振型为Y-Z平面内的局部摆动,频率为31.40Hz， 最大幅值为2.942x 10-3mm；第六阶振型为Y-X平面内车架尾部局部摆动，频率为35.00，最大幅 值为6.182x 10-3mm；第七阶振型为Y-Z平面内的波动，频率为35.84,最大幅值为1.707x 10-3mm； 第八阶振型为Y-X平面内的上下波动，频率为39.14Hz，最大幅值为2.55x 10-3
13、 mm ；第九阶振型 为Y-Z平面内的尾部局部摆动，频率为43.11Hz,最大幅值为5.402x 10-3 mm；第十阶振型为Y-Z 平面内的车架中部局部波动，频率为50.39Hz，最大幅值为2.051 x 10-3 mm。从各阶振型图我们看 到大多数振型是光滑的，只有个别振型不光滑，有待进一步改进。车架振动幅值较大的地方主要 为车架中部和尾部，所以这两处也是最易产生疲劳破坏的地方。从上面的分析结果来看，振幅较大的为第五阶，第六阶和第九阶振动，他们对应的频率分别 为31.40Hz，35.00Hz和43.11Hz。而半挂车的激励主要来自路面，路面的激励是由道路条件决定 的，高速公路和城市的路面状
14、况较好，此激励多在3Hz (路面波长取10米，车速为120公里每小 时)以下2，对车架影响较大的频率错开了这一频率。车架在 3Hz 以内的频率仅有一阶，且振幅 最小，所以说车架的结构是基本合理的。2 小结本文利用先进的有限元软件Ansys对半挂车车架主纵梁进行模态分析，得出了车架主纵梁的 固有频率和振型特征。可以通过研究汽车零部件或整车的振动情况，避开这些频率或最大限度地 减小对这些频率上的激励5，可以为该车的进一步研究提供参数。参考文献1 王晖云.低速载货汽车车架静动态特性研究.南京：南京农业大学， 2007； 212俞徳津基于有限元理论的重型半挂车车架动静态分析.南京：东南大学，2007； 1213, 353刘荣军，吴新跃，郑建化有限元建模中的几何清理问题J.机械设计与制造，2005, 9:145-147 4博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解M 北京：中国水利水电出版社，2006 5汪伟、辛勇车架有限元建模及模态分析J 机械设计与制造，2009, 11 (11):5354
