技术论坛TECHNICFORUM482008.11中图分类号:U463.32.02文献标识码:A文章编号:1004-0226(2008)11-0048-03杨涛李光攀过学迅武汉理工大学汽车工程学院湖北武汉430070基于ANSYS的专用车车架模态分析摘要:针对专用车边梁式车架进行了有限元模态分析,运用Unigraphics软件建立了边梁式车架的三维模型,导入ANSYS软件并对其进行了模态分析,得到了车架的固有频率及振型特征,使汽车的结构在设计中尽量避免产生共振和噪声,为实际模态试验提供了参考和依据。关键词:边梁式车架模态分析固有频率共振1引言车架作为汽车的承载基体,支承着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的有关[1]构件,承受传给它的各种力和力矩。作为整个汽车的基体,车架工作时产生的振动,一方面会加速某些汽车构件的损坏,影响其使用寿命,增加环境噪声,另一方面还会加速驾驶员的疲劳,缩短其有效工作时间。因此,降低车辆的振动,对于提高汽车构件的使用寿命,改善汽车操纵稳定性、行驶安全性有重要的意义。在汽车实际行驶时,作用在汽车各部件上的载荷都是动载荷。当作用力的频率与结构的某些固有频率接近时,结构将产生强烈的共振,从而造成构件结构破坏或产生不允许的大变形。通过模态分析可以得到汽车车架结构的固有频率和主要振型,为振动系统动态设计及故障诊断提供依据,同时,也可以作为车架的动力学分析(如谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析)的基础。本文通过对所设计的两栖车车架CAD建模,并运用有限元方法对其进行模态分析,得到车架的固有频率及振型特征,使在车架结构设计中尽量避免产生共振和噪声,加强其稳定性、舒适性和安全性,同时也为实际试验提供了参考和依据。[2~3]2模态分析的理论基础为了对工程中的实际结构进行动力分析,一般将连续结构离散化为一个具有n个有限自由度的多自由度离散系统。对于一个n自由度线性定常系统,其基本振动方程可写为:[M]{X(t)}+[C]{X(t)}+[K]{X(t)}={F(t)}式中:[M]、[C]和[K]分别为弹性系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;{X(t)}、{X(t)}和{X(t)}分别为加速度向量、速度向量和位移向量;{F(t)}为动激励载荷向量。在结构动力学问题中,结构的固有频率和固有振型是分析结构动力学响应与其它动力特性问题的基础。在进行模态分析时,因结构阻尼较小,对固有频率和振型影响甚微,故通常忽略不计。在这种情况下,分析结构的固有频率与振型问题就转化为求解特征值与特征向量问题。因此,基本振动方程式(1)中的[C]{X(t)}和{F(t)}均为零。得到:[M]{X(t)}+[K]{X(t)}=0由于任何弹性体的自由振动可以分解为一系列简谐振动的叠加,设式(2)有如下形式的简谐振动解:{X(t)}={X(t)}sinωt0将式(3)代人式(2)得:2([K]-[M]){X}=00由于自由振动时结构各节点的振幅{X}不全为零,所以0由式(4)得:2[K]-ω[M]=0结构的刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]均为n阶方阵,其中n为节点自由度的数目,所以式(5)是关于ω的n次方程,解此2方程可得结构的n个固有频率;ω称为广义特征值,对应于每一个固有频率。由式(5)可以确定一组各节点的振幅值{X},0ω收稿日期:2008-07-04作者简介:杨涛,男,1985年生,硕士研究生,研究方向:汽车底盘的计算机辅助设计和分析。(1)(2)(3)(4)(5)2008.1149称为广义特征向量。所以,寻找式(5)中的和{}的解的问题是一个广义特征值问题。3车架有限元模态分析3.1车架的CAD模型建立及其简化本文所研究的汽车主要用于沿海地区水产品捕捞后的运输,为了满足其特殊的使用要求,其车架结构比较复杂。本车所设计的边梁式车架全长4.3m,最大宽度0.73m,最大高度差0.42m。使用Unigraphics大型通用CAD软件对其进行实体建模,所得该边梁式车架CAD模型如图1所示。为了在ANSYS中划分网格和计算的方便,在导入ANSYS之前,应对CAD模型进行简化处理。在不影响模态分析的前提下,略去那些为了满足构造或使用上的要求而设置的次要构件。如略去该车架的固定发动机的装配孔,以及前后钢板弹簧座和所有的倒角。此外,对车架的横梁及附件的复杂形状做了相应的简化处理。3.2ANSYS中进行模态计算由于模型由UG软件导入到ANSYS中,所以采用20个节点的SOLID186单元进行分析。这个单元类型为带中间节点的单元,对复杂的模型特别是从其他CAD软件导入的模型分析比较准确。定义车架材料的弹性模量,泊松比和密度等材料特性。然后对车架进行网格划分,得到的有限元模型如图2所示,总共有58929个节点、27759个单元。选择分析类型为模态分析。由于分析车架的自由模态则无需施加约束,然后选择无阻尼模态基本方程的求解方法。ANSYS提供的求解方法主要有Subspace、BlockLanczos、PowerDynamics、Reduced等方法,相对于其他方法,BlockLanczos方法运算速度快,输入参数少,特征值、特征向量求解精度高,因此采用BlockLanczos法。由于低阶频率对车架的影响较大,所以设置分析阶数为10阶,提交ANSYS计算。2ωX03.3计算结果分析经过分析计算,得到前10阶振动的频率和振动型式如表1所示。由于是自由模态分析,前六阶振型为刚性的沿x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动,因此不做分析。车架的7到10阶的振型如图3所示。第7阶振型以扭转为主,基本以车架的第二根横梁和纵轴线为节线,前后振幅较大;第8阶振型为弯曲振动,车架两端及中部的振幅很大,发动机前支座和第三根横梁的振幅较小;第9阶振型车架出现了水平面内的左右扭转振动,以第二、第三根横梁中部为节线,车架后部为刚性的左右摆动,前部摆动的同时,有较大的变形,特别是发动机前支架前部。第10阶振型与第7阶相似,只是节线变为第一根横梁前和第二根横梁处,前端振幅最大。非簧载质量的固有频率一般为6~15Hz,发动机工况的频率一般为20Hz左右,则根据前面的分析可知7、8阶振动的容易引起共振,不过均只在车架前后的振幅较大,其他的主图1车架实体模型图2有限元模型表1车架模态分析结果阶数频率,Hz振型特征1234567891000000015.3821.5529.7640.80平动平动平动转动转动转动扭转弯曲扭转扭转图37~10阶振型502008.11技术论坛TECHNICFORUMModalAnalysisofFrameofSpecialAutomobileBasedonANSYSYANGTaoetalAbstractThepaperusedFEMtoanalyzethemodalofaspecialautomobilefringe-beamframe.Atfirst,theCADmodelofthefringe-beamframeissetupbyUnigraphics.ThenthemodelisimportedintoANSYSandthemodalanalysisismade.Finally,wegetthenaturalfrequencyandvibrationcharacteristicoftheframesothattheresonanceandnoisewillbeavoidedduringthedesignoftheautomobileframe.Italsosuppliesthereferenceandbasesforthepracticaltest.Keywordsfringe-beamframe;modalanalysis;naturalfrequency;resonance要部位振幅较小,可通过是加强车架前后端的刚度来解决。4结论通过对两栖车的车架进行三维建模并对其进行模态分析,掌握了其固有频率。由于该专用车的作业环境较为特殊,用于较为平坦的滩涂沙地上,汽车受到外部的振动频率要低于一般情况。分析结果表明该车架能比较好地适应其作业的特殊环境。参考文献[1]刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.[2]殷祥超.振动理论与测试技术[M].江苏:中国矿业大学出版社,2007.[3]张立军,江浩.汽车振动分析[M].上海:同济大学出版社,2002.[4]安晓卫,马星国.汽车车架有限元模态分析[J].沈阳工业学院学报,1999.18(4):8-12.平板车转向阻力动态分析孙晓希屈福政大连理工大学辽宁大连116023+中图分类号:U469.541.02文献标识码:A文章编号:1004-0226(2008)11-0050-03摘要:应用ADAMS/Tire模块对平板车原地转向过程中的阻力变化情况进行动态分析,得出转向阻力与转向速度之间的关系,为机构的传动设计和控制设计提供了参考。关键词:平板车转向ADAMS/Tire收稿日期:2008-09-05作者简介:孙晓希,男,1982年生,硕士研究生,研究方向:工程机械。1前言平板车是运输大型船体分段、航天设备等大型构件的常用车辆,广泛应用于港口、船厂等场合,具有承载能力大、机动灵活、可多台编组行驶等特点。平板车的机动性得益于每个轮组灵活准确的转向能力,这需要转向驱动机构具备足够的动力输出和精准的控制。由于轮胎与地面间的阻力很难通过实验测得,以往的计[1]算只能依赖于经验公式或理论推导结果,这不仅使计算结果的准确性无法保证,更主要的是这些算法还无法计入动态因素的影响,而且分析表明,动态参数的变化对转向阻力的[2]影响很大。大型动态系统仿真工具ADAMS集成了轮胎模块Tire,配合对应路面文件可实现对轮胎转向过程的动态模拟仿真,为轮胎转向阻力这一复杂问题的研究提供了方便。2平板车的转向台车平板车由多个台车支撑,每个台车上都设有能够实现转向运动的独立轮组,这些独立轮组是平板车实现复杂转弯运动的基础。在平板车实际作业过程中,台车除了行驶状态下的转向之外,非行驶状态转向即原地转向也是执行频率很高的操作。原地转向时所需克服的阻力、转矩大约是行驶过程转向