文章编号:1004-2539(200903-0097-03重型矿用汽车车架模态分析及改进(中南大学机电工程学院,湖南长沙410075杨忠炯赵晓海王宇奇摘要利用有限单元法研究了某重型矿用汽车车架的动态特性。为了改进车架的有限元结构,对箱梁式车架进行了简化。利用大型有限元软件ANSYS对建立的模型进行了有限元模态分析,通过模态分析结果对车架模型进行了改进,改进结果表明,车架结构低阶弹性模态频率及振型有较大的改善。关键词车架有限元法模态分析动态特性0引言,、和车身各总成的安装基础,的发展,国内许多汽车企业及科研院所已将有限元应用于车架静态强度计算[1-4],大大缩短了产品的开发周期。我们着重从动力学特性的角度来分析车架,并结合悬架模型的动态性能,获取车架的动态参数,以便对车架结构进行改进和加强。有利于为该型矿用汽车车架的设计和开发提供参考。1动力学理论基础汽车车架是一个多自由度结构[5],设车架已按某种方式离散化了,离散后车架结构是一个n自由度的系统。令{u}为广义坐标的位移列阵,[K],[M]和[C]为与{u}相对应的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵,{u}・,{u}・・分别为速度列阵和加速度列阵。根据达朗贝尔原理,只要在车架所受的外力中加入惯性力,就可以建立动力学方程。即车架的振动方程[M]{u}・・+[C]{u}・・+[K]{u}={P(t}(1式中,{P(t}为车架所受外部载荷列阵。对于无阻尼的自由振动系统,式(1可以简化为[M]{u}・・+[K]{u}=0(2由于弹性体的自由振动总可以分解为一系列的简谐振动的迭加,因此可以设式(2的解为{u}={f}eiwt(3式中,{f}为系统自由振动时的振幅列阵向量。则将式(3带人方程(2中有([K]-ω2[M]{f}=0(4式(4即为系统的特征方程。求解结构的固有频率和固有振型的问题就是求解方程(4的特征值和特征向量的问题。ω2称为特征值,{f}称为对应特征值的特征向量。(4有非零解的充|[K]-ω2[M]|=0(5由于结构离散后有n个自由度,则[K]和[M]都是n阶方阵,解方程(5即可得到结构的n阶固有频率和相应的主振型。2有限元模型的建立车架的模型如图1所示,长宽高分别为:8290×2326×837。结构主要由前车架,中间铰接架和后车架3部分组成,前车架和中间铰接架由中心枢轴连接,后车架和中间铰接架由轴承连接。由于模型结构复杂,我们采用SOLID92单元进行网格划分。其中,车架和轮胎之间的油气弹簧使用combin14弹簧单元模拟,整个车架被划分成159180个节点,81250个实体单元,16个质量单元,4个弹簧单元。车架的有限元模型如图2所示。材料特性的施加:车架材料为Q345(16Mn钢板焊接件,在工作时其变形可认为是弹性变形且各向材料同性;材料弹性模量E=2.1×105MPa;泊松比μ=0.3;密度ρ=7.8×10-6kg/mm3。图1车架模型图2车架有限元模型3车架结构的模态分析模态分析是用于确定系统的振动特性,即结构的固有频率和振型。根据模态分析理论,一般大型工程结构,只须计算前几阶较低的固有频率和振型,因为低阶振动对结构的动力影响最大。文中结合车架的实际79第33卷第3期重型矿用汽车车架模态分析及改进结构及载荷工况,将计算分析车架结构的前10阶模态。由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合,其中,低阶的振型对结构的动力影响程度比高阶振型大,因此,低阶振型决定了结构的动态特性。3.1模态结果分析运用大型有限元分析软件ANSYS模态分析中的Lanczos分析方法[6],对车架进行了自由模态分析,分析结果的前10阶模态振型如图3~图12所示。图3第1阶振型42阶振型图5第3阶振型图6第4阶振型图7第5阶振型图8第6阶振型图9第7阶振型图10第8阶振型从图中可以看出,第1阶模态是4.9394Hz,主要是弯曲模态,最大变形量发生在前车架。第2阶模态为5.4403Hz,以扭转模态为主,最大变形量在车架的中部。第3阶模态为7.5710Hz,主要为扭转模态,最大变形量发生在车架的前端,车架的前端振幅比较大。前3阶模态属于低阶模态。图11第9阶振型图12第10阶振型图6~图12中的模态属于高阶模态,从图中可以看出,第9,频率为46.642Hz,。而第10阶模态,58.169Hz,最大变形量发生,因此如果激励频率等于这个频,车架就会受到很严重的扭曲,这是需要避免的。整个模态分析的频率及振型特征如表1所示。表1车架摸态及振型特征阶数频率/Hz振型特征1阶4.9394纵向弯曲2阶5.4403侧向扭转3...