基于有限元的某車架優(yōu)化分析

王 浩

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于有限元的某車架優(yōu)化分析

王 浩

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，路試與車架試驗(yàn)反映其動(dòng)態(tài)特性及與底盤(pán)和車身匹配方面所存在的問(wèn)題。為此，基于有限元模型為研究對(duì)象，進(jìn)行車架動(dòng)態(tài)特性的分析設(shè)計(jì)，以期提出相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。主要通過(guò)建立準(zhǔn)確的有限元模型為基礎(chǔ)，之后通過(guò)模型的簡(jiǎn)化，幾何模型的建立，單元類型的選擇，網(wǎng)格劃分，部件的連接關(guān)系等詳細(xì)結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。最后通過(guò)車架模態(tài)試驗(yàn)，調(diào)整和修正了車架模型，使其與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算論證工作。文章主要通過(guò)車架結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)車架動(dòng)態(tài)特性（頻率與振型）的影響進(jìn)行分析。

有限元；車架；優(yōu)化分析

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-118-03

1 模型建立

1.1 建模流程

本文建模與仿真分析是在Hyperworks中完成的，Hyper-works作為有限元分析軟件之一，具有較強(qiáng)的前后處理技術(shù)，提高了有限元分析的效率。運(yùn)用Hyperworks建立有限元模型的基本流程如下圖1所示。

1.2 建模原則

建立有限元模型受到很多因素的影響，雖有一般規(guī)律可循，但在運(yùn)用時(shí)要注意靈活性，以下從多個(gè)角度說(shuō)明模型簡(jiǎn)化涉及到的相關(guān)問(wèn)題。

影響有限元模型的主要因素如下：

（1）結(jié)構(gòu)的重要性——對(duì)重要的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用比較精確的模型。

（2）設(shè)計(jì)階段——在概念設(shè)計(jì)階段或初步設(shè)計(jì)階段可以使用相對(duì)粗糙的模型在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段再使用比較精細(xì)的模型。

（3）計(jì)算問(wèn)題的性質(zhì)——對(duì)結(jié)構(gòu)做靜力計(jì)算時(shí)，要使用比較復(fù)雜的模型，對(duì)結(jié)構(gòu)作動(dòng)力計(jì)算時(shí)，可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的模型。

（4）計(jì)算機(jī)配置——使用的計(jì)算機(jī)性能愈好，采用的模型就可以愈精細(xì)。網(wǎng)格劃分愈多，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求愈高。

從另一角度講，考慮到模型的經(jīng)濟(jì)性與可行性，應(yīng)遵循以下原則：

（1）結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化應(yīng)確保不使受力狀態(tài)失真，最大限度地保留零部件的主要力學(xué)特征；

（2）選用的單元及網(wǎng)格劃分應(yīng)能保證計(jì)算精度；

（3）模型的規(guī)模在計(jì)算機(jī)資源限度范圍內(nèi)并盡量減少計(jì)算時(shí)間；

（4）計(jì)算的結(jié)果要經(jīng)得起檢驗(yàn)并能與計(jì)算參數(shù)相匹配。

圖1 Hyperworks建立有限元模型的基本流程

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，單元由三角形單元和四邊形單元組成，三角形網(wǎng)格的數(shù)目占總網(wǎng)格數(shù)目的比例低于10%。網(wǎng)格劃分嚴(yán)格按照相關(guān)網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。表1為對(duì)車架網(wǎng)格劃分所采用的劃分單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 車架網(wǎng)格劃分單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

參數(shù)主要有彈性模量E=2.1E5MPa，泊松比Nu=0.3，密度RHO=7.9E-9t/mm3。最終建立的車架有限元模型如圖2所示，SHELL63單元總數(shù)為85400個(gè)，其中三角形單元2016個(gè)，四邊形單元79285個(gè)，三角形單元數(shù)目占單元總數(shù)的2.4%。

圖2 車架有限元模型

1.3 模型驗(yàn)證

1.3.1 有限元模型質(zhì)量驗(yàn)算

BEST車架經(jīng)實(shí)際稱重為269kg，而計(jì)算模型質(zhì)量為248kg?？紤]到車架焊縫的質(zhì)量、縱橫梁連接板及車架部分結(jié)構(gòu)特征沒(méi)有計(jì)入模型中，所建模型質(zhì)量誤差是處在許可范圍之內(nèi)的。為了更準(zhǔn)確反映質(zhì)量參數(shù)對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響，對(duì)車架材料密度進(jìn)行修改，使其模型質(zhì)量與車架的實(shí)際質(zhì)量一致，修訂后材料的密度為8.68E-9t/mm3?；谘芯繉?duì)象的車輛增加測(cè)點(diǎn)，對(duì)其頻率特性進(jìn)行測(cè)試如下：

圖3 試驗(yàn)儀器設(shè)備

圖4

1.3.2 模態(tài)分析

對(duì)所建立的車架有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并將車架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一并列入表2中。

表2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)對(duì)比

計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)基本一致，前10階頻率誤差皆小于5%。該有限元模型是進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。

2 分析優(yōu)化

參考相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了多種方案的仿真分析，得到縱梁的開(kāi)口與否對(duì)車架的模態(tài)頻率有較大的影響。以此為依據(jù)，提出了對(duì)該車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的具體方案，而由于考慮到車架上附件的安裝，在第四根橫梁封閉的基礎(chǔ)上，提出以下幾種封閉橫梁的方案，如圖5至圖8所示。

圖5 改進(jìn)方案1—前端封閉

圖6 改進(jìn)方案2—中間封閉

圖7 改進(jìn)方案3—前端和中間全封閉

圖8 改進(jìn)方案4—前端與中間前部封閉

經(jīng)過(guò)仿真分析，各方案的模態(tài)頻率和振型如下表所示：

表3 各方案下車架前六階頻率和振型

隨著各梁的封閉，車架的固有頻率逐漸提高，各橫梁和縱梁均封閉時(shí)，車架的一階彎曲頻率和一階扭轉(zhuǎn)頻率為最大。從上述數(shù)據(jù)分析比較可以看出，縱梁中段封閉以后，車架的一階扭轉(zhuǎn)頻率變化較大。因此，采用車架縱梁中段加強(qiáng)方式可以有效地提高車架的一階扭轉(zhuǎn)頻率。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出車架縱梁中間部分前半段封閉以后，車架的模態(tài)頻率有較大變化，而且前端加強(qiáng)板對(duì)車架的模態(tài)頻率影響較大。當(dāng)前端和中間段均封閉時(shí)，車架的前兩階振型發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，具體就是從一階扭轉(zhuǎn)變化為一階彎曲，而且二者的頻率值已經(jīng)非常接近，這對(duì)整車的舒適性是很不利的。綜合可知，縱梁中段內(nèi)板的添加可以有效提高車架的一階、二階頻率并實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。

使車身產(chǎn)生振動(dòng)的激振源主要包括:車輪不平衡引起的振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速和一般車速下的爆發(fā)振動(dòng)、以及傳動(dòng)軸不平衡引起的振動(dòng)等。因此研究車身骨架動(dòng)態(tài)特性的目的在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)控制車架的模態(tài)分布，應(yīng)盡量使其模態(tài)頻率錯(cuò)開(kāi)載荷的激振頻率，以避免引起共振。該車的基本模態(tài)包括整車的彎曲、扭轉(zhuǎn)、彎扭組合以及頂蓋局部振動(dòng)和后輪罩的局部振動(dòng)等幾種形式。根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果，當(dāng)車速在80km/h左右時(shí)，由車輪不平衡所引起的激振頻率一般低于11Hz；怠速情況下客車發(fā)動(dòng)機(jī)在750r/min時(shí)的激振頻率約為35Hz；當(dāng)車速為50-80km/h時(shí)，傳動(dòng)軸的振動(dòng)頻率約為33-68Hz。因此，對(duì)于車身骨架，應(yīng)使一階固有頻率控制在13Hz-35Hz的范圍內(nèi)，同時(shí)，為了使一階彎曲頻率和一階扭轉(zhuǎn)頻率不產(chǎn)生耦合，應(yīng)使一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)的頻率值錯(cuò)開(kāi)3Hz以上。分析所得的車身骨架固有頻率較低,因此易于受路面與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的影響，要使車身與懸架相匹配，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的設(shè)計(jì)，使之合理化，來(lái)減小振動(dòng)。

3 結(jié)論

本文基于車架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整和修正有限元模型，論證了所建有限元模型的正確性。采用新建車架研究模型，分析研究了車架結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)車架模態(tài)參數(shù)的影響，并以此為基礎(chǔ)對(duì)改進(jìn)后的車架模型進(jìn)行了模態(tài)分析和對(duì)比，分析結(jié)論與研究模型一致。計(jì)算結(jié)果表明，縱梁中段內(nèi)板的添加可以有效提高車架的一階、二階頻率并實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。分析與實(shí)際期望的車架模態(tài)參數(shù)尚有一定差距，還可以考慮將車架縱梁厚度由5mm改為4～4.5mm，進(jìn)一步降低車架質(zhì)量，在實(shí)現(xiàn)輕量化的前提下，提高車架相關(guān)模態(tài)參數(shù)，這對(duì)以后的優(yōu)化提供了一定的研究方向。

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Optimization analysis of a frame based on fem

Wang Hao
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In the process of vehicle development, road test and frame test reflect its dynamic characteristics and problems with the chassis and body matching. Therefore, based on the finite element model as the research object, the analysis and design of the dynamic characteristics of the frame are carried out, so as to propose the related improvement design scheme.Mainly through the establishment of an accurate finite element model, through model simplification, after the establishment of the geometric model, the selection of unit type, mesh division, in detail combined with the design parameters such as connection relation of setting. Finally, the frame model is adjusted and modified by frame mode test, which is consistent with the experimental results. Based on this, the calculation and demonstration of related design schemes are carried out. The influence of frame structure parameters on dynamic characteristics of frame (frequency and mode) is analyzed.

finite element; The frame; Optimization analysis

U463.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)19-118-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.040

王浩，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。