輕型客車結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及方法比較

摘要：輕型客車是用于山區(qū)的鄉(xiāng)村公路營(yíng)運(yùn)客車的常見結(jié)構(gòu)形式。對(duì)某款輕型客車建立車身骨架有限元模型，采用Block Lanczos法進(jìn)行模態(tài)分析，采用分析評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出該車的動(dòng)態(tài)性能良好。比較梁?jiǎn)卧Ｐ团c殼單元模型的計(jì)算結(jié)果得出，兩種方法計(jì)算的前10階振型不完全一致，梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得出的固有頻率比殼單元模型的高，而主要振型產(chǎn)生較大誤差，故不宜采用。

Abstract： Light buses are a common structural form used for rural buses in mountainous areas. A finite element model of the body frame of a light bus was established， the Block Lanczos method was used for modal analysis， and the analysis evaluation method was used for evaluation. It is concluded that the bus has good dynamic performance. Comparing the calculation results of the beam element model and the shell element model， it is found that the first 10 modes calculated by the two methods are not completely consistent. The natural frequency calculated by the beam element model is higher than that of the shell element model， and the main mode shapes are relatively higher. It is not suitable for large errors.

關(guān)鍵詞：輕型客車;鄉(xiāng)村公路營(yíng)運(yùn)客車;模態(tài)分析;有限元法

Key words： light bus;rural bus;modal analysis;finite element method

中圖分類號(hào)：U463.66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0060-03

0? 引言

鄉(xiāng)村公路營(yíng)運(yùn)客車（以下簡(jiǎn)稱鄉(xiāng)村客車）是在三級(jí)及三級(jí)以下公路上進(jìn)行經(jīng)營(yíng)性道路旅客運(yùn)輸?shù)腫1]，設(shè)計(jì)制造時(shí)常以輕型客車為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。由于其運(yùn)行道路條件較為復(fù)雜，鄉(xiāng)村客車在行駛過(guò)程中，車身結(jié)構(gòu)會(huì)受到多種激振。因此，在設(shè)計(jì)鄉(xiāng)村客車時(shí)，有必要對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，以避免客車產(chǎn)生共振，減少噪聲，提高舒適性和疲勞壽命。

傅強(qiáng)等對(duì)大客車整車進(jìn)行了模態(tài)綜合分析，并對(duì)部分結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析了整車模態(tài)動(dòng)態(tài)特性，以此為據(jù)提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)原則[2]。

沈浩等對(duì)大客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和評(píng)價(jià)，認(rèn)為以板簧結(jié)構(gòu)為主要形式的客車，其車身自由邊界模態(tài)分析結(jié)果可直接應(yīng)用于車身動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)。并認(rèn)為若能夠用梁?jiǎn)卧M結(jié)構(gòu)，則可以不用板殼單元模擬。該文還論述了評(píng)價(jià)方法[3]。

多篇論文對(duì)客車進(jìn)行過(guò)模態(tài)分析[4-8]，但是這些論文都以城市客車而不是鄉(xiāng)村客車結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。尚未見到鄉(xiāng)村客車動(dòng)態(tài)分析的論述，本文將就鄉(xiāng)村客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。

1? 研究對(duì)象

本文以我省生產(chǎn)的某款6米鄉(xiāng)村客車為研究對(duì)象，該車是在某款輕型客車基礎(chǔ)上，按要求設(shè)計(jì)制造的，如圖1。該客車主要用于山區(qū)農(nóng)村營(yíng)運(yùn)，采用四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前置，后輪驅(qū)動(dòng)，鋼板彈簧懸架，半承載式車身結(jié)構(gòu)。車身骨架大部分采用型鋼焊接而成，其中絕大部分是閉口矩形鋼管。

2? 方法

計(jì)算使用ANYSYS軟件。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。用UG建立三維實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS中，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為有限元模型。

車身結(jié)構(gòu)建模時(shí)坐標(biāo)的定義如下：前軸中心線為X向基準(zhǔn)，車尾方向?yàn)檎?車體縱向中心線為Y向基準(zhǔn)，朝車體前進(jìn)方向，右向?yàn)檎?車架上平面為Z向基準(zhǔn)，向上為正。

在建立該車的有限元模型時(shí)，做了如下簡(jiǎn)化：

①忽略車身蒙皮對(duì)骨架總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的加強(qiáng)作用，從而使計(jì)算結(jié)構(gòu)偏安全。

②忽略某些對(duì)車身結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布影響較小的非承載件和裝飾件，如：安裝固定板等。

③不考慮構(gòu)件連接的焊縫，將其簡(jiǎn)化為剛性連接。

④對(duì)于梁?jiǎn)卧Ｐ?，將一些曲率較小的構(gòu)件近似的看作由直梁組成，即“以直代曲”。兩個(gè)相近的交點(diǎn)，可簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

采用SHELL63殼單元和Beam4梁?jiǎn)卧瑢?duì)該車骨架建立兩種有限元模型。采用殼單元時(shí)，將車身結(jié)構(gòu)離散化為196558個(gè)殼單元，195250個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。為了探討梁?jiǎn)卧Ｐ偷倪m用性，采用Beam4梁?jiǎn)卧瑢④嚿斫Y(jié)構(gòu)離散化為1551個(gè)單元，1953個(gè)節(jié)點(diǎn)，共用19組不同截面參數(shù)的梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬骨架桿件和底架。殼單元模型能全面的反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況，特別是桿件接頭的應(yīng)力分布，梁?jiǎn)卧Ｐ捅阌谀Ｐ托薷?，求解效率高，但是不能詳?xì)反映桿件接頭的應(yīng)力分布。

動(dòng)態(tài)分析主要計(jì)算車身骨架的固有頻率和振型。計(jì)算時(shí)，車身骨架處于自由振動(dòng)狀態(tài)，不施加任何約束和外載。

采用Block Lanczos法對(duì)車身骨架進(jìn)行模態(tài)分析，并采用分析評(píng)價(jià)法對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析評(píng)價(jià)參照如下原則：[2]

①車身結(jié)構(gòu)的低階頻率，即整體一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲頻率的值，應(yīng)避開車輪不平衡引起的振動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)頻率，以避免發(fā)生整體共振的現(xiàn)象。

②車身骨架固有頻率應(yīng)盡可能避開發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作頻率。

③車身骨架振型應(yīng)盡可能光滑，避免突變。

3? 計(jì)算結(jié)果

將車身結(jié)構(gòu)前10階振型圖列于圖3，為便于比較，將兩種模型的同1階振型圖并列，其中左邊為殼單元模型振型圖，右邊為梁?jiǎn)卧Ｐ驼裥蛨D[9]。兩種模型的前10階剛體模態(tài)頻率及振型特征見表1，主要振型見表2。

4? 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 動(dòng)態(tài)性能分析

鄉(xiāng)村客車行駛中所受激勵(lì)主要來(lái)自路面、發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪不平衡重、傳動(dòng)軸不平衡等，其中路面、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)對(duì)車身動(dòng)態(tài)性能影響最大[3]。針對(duì)該車的山區(qū)使用環(huán)境，其路面、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率范圍分析如下：

①鄉(xiāng)村客車的最大車速不大于70千米/小時(shí)[1]，設(shè)路面波長(zhǎng)取為10米，可計(jì)算出路面激勵(lì)在2Hz以下。

②發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激振頻率取決于怠速轉(zhuǎn)速和氣缸數(shù)目。該客車配置的是某型四缸柴油機(jī)，怠速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1000-1200r/min，怠速激振頻率的計(jì)算公式為：

式中r——怠速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;n——發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)。

可算出該車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激振頻率在33.3-40Hz之間。

由表1可知，按殼單元模型算出的該車身結(jié)構(gòu)低階固有頻率，一階扭轉(zhuǎn)固有頻率為13.507Hz，一階彎曲固有頻率為19.256Hz，都避開了路面激勵(lì)頻率以及發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率，且振型無(wú)突變。因此，該車的動(dòng)態(tài)性能良好。

4.2 梁?jiǎn)卧Ｐ团c殼單元模型結(jié)果比較

將梁?jiǎn)卧Ｐ偷挠?jì)算結(jié)果與殼單元模型的進(jìn)行比較。據(jù)圖2和表1：

①梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得出的前10階振型中，1、2、3、7、10階振型與殼單元模型計(jì)算結(jié)果一致，其它階振型則不同。②總體來(lái)說(shuō)，振型相同時(shí)，梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得出的固有頻率比殼單元模型的高，這是由于梁?jiǎn)卧Ｐ偷墓?jié)點(diǎn)剛度較大造成的。③從表2可知，梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得出的主要振型的固有頻率，除整車一階扭轉(zhuǎn)相差較小外，整車二階扭轉(zhuǎn)和整車一階彎曲的固有頻率相差較大。所以，對(duì)鄉(xiāng)村客車進(jìn)行模態(tài)分析不宜采用梁?jiǎn)卧Ｐ汀?/p>

5? 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某6米鄉(xiāng)村公路營(yíng)運(yùn)客車進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)分析評(píng)價(jià)法，對(duì)該車的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出結(jié)論：①該車的動(dòng)態(tài)性能良好。②通過(guò)比較梁、殼單元模型計(jì)算結(jié)果?？芍毫?jiǎn)卧?jì)算的前10階振型與殼單元的結(jié)果不完全一致。梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得出的固有頻率比殼單元模型的高，主要振型產(chǎn)生較大誤差，所以，對(duì)鄉(xiāng)村客車進(jìn)行模態(tài)分析不宜采用梁?jiǎn)卧Ｐ汀?/p>

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