梁昌杰

（重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

輕型貨車白車身模態(tài)分析

梁昌杰

（重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

以某輕型貨車白車身為研究對(duì)象，基于有限元的基本理論，采用殼單元建立白車身的有限元分析模型，對(duì)白車身進(jìn)行模態(tài)分析，得到白車身的固有頻率和振型，借此評(píng)價(jià)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)也為車身后期的動(dòng)力學(xué)分析提供理論依據(jù)。

白車身；有限元分析；模態(tài)分析

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-171-03

前言

車輛在行駛過程中，車身結(jié)構(gòu)在各種振動(dòng)源的激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、路面不平以及高速行駛時(shí)風(fēng)力引起的振動(dòng)等[1]。當(dāng)振源的激勵(lì)頻率接近于車身整體或局部的固有頻率時(shí)，便會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重影響乘員的乘坐舒適性及安全性。因此，在車身設(shè)計(jì)和開發(fā)的初期階段，有必要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，以了解車身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得車身的固有頻率避開各種激勵(lì)源的頻率，從而避免共振的發(fā)生。本文以某輕型貨車白車身為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，并對(duì)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1、白車身有限元模型的建立

白車身結(jié)構(gòu)由五個(gè)總成組成，分別為：車頂、地板、前圍、側(cè)圍、后圍、貨箱和車架，本文分別建立各個(gè)總成的有限元模型，由于這些總成結(jié)構(gòu)主要是由大的鋼板覆蓋件組成，其厚度尺寸較小，故在建立有限元模型時(shí)，采用殼單元對(duì)各總成的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各總成的有限元模型如圖1所示。

各總成的有限元模型建立后，需要對(duì)各部件進(jìn)行連接。白車身大部分零部件是薄板沖壓件，各零部件之間主要是通過焊接工藝實(shí)現(xiàn)連接，本文運(yùn)用了點(diǎn)焊、縫焊和保護(hù)焊等。根據(jù)所提供的焊點(diǎn)圖，在Hypermesh中通過運(yùn)用spot-weld單元來把各板件焊點(diǎn)位置的節(jié)點(diǎn)連接起來，以此來模擬實(shí)際的焊點(diǎn)。本文中焊點(diǎn)材料選用08AL，焊點(diǎn)直徑為7mm。有限元焊接結(jié)果如圖2所示。

圖1 白車身總成結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖2 有限元焊接結(jié)果圖

此外，在前圍總成、車架及貨箱等處還采用了螺栓連接。在Hypermsh中采用BOLT工具在螺栓孔處添加螺栓連接即可。有限元螺栓連接結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 有限元螺栓連接結(jié)果圖

利用Hypermesh軟件按照以上的步驟將各總成部件連接在一起，并按各部件給定的材料，對(duì)相應(yīng)的總成設(shè)置材料和單元的屬性，最終建立起白車身的有限元模型如圖4所示：

圖4 白車身的有限元模型

2、白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。固有頻率和振型是結(jié)構(gòu)承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)，模態(tài)分析也可以作為其他動(dòng)力學(xué)分析問題（例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析等）的起點(diǎn)。所以執(zhí)行動(dòng)力分析的第一步通常是計(jì)算忽略阻尼情況下的固有頻率和振型[2]，利用有限元法進(jìn)行白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)白車身的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各零件的動(dòng)態(tài)過程，為汽車的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的工具。

對(duì)白車身進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到車身的固有頻率和振型，由于車身結(jié)構(gòu)在空間具有三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此其計(jì)算模態(tài)的前六階模態(tài)的頻率為零，將白車身的第七階模態(tài)視為其第一階模態(tài)。表1為車身的前十階固有頻率和振型，圖5為白車身前十階模態(tài)振型圖。

表1 白車身前十階固有頻率和振型

圖5 白車身前十階模態(tài)振型圖

3、模態(tài)分析結(jié)果及評(píng)價(jià)

（1）通過表1可知，該車的前十階模態(tài)頻率分布范圍為：14.134Hz～40.036Hz，其中，第一階模態(tài)（14.134Hz）和第四階模態(tài)(21.238Hz)是整車模態(tài)，其余均為局部模態(tài)或者多個(gè)局部模態(tài)的疊加。

（2）在第二、第三、第七階模態(tài)振型中，主要表現(xiàn)為貨箱的局部模態(tài)，且振幅較大，表明貨箱的剛度較弱，需要加強(qiáng)，可增加貨箱欄板的厚度，在貨箱合適的位置增加加強(qiáng)筋等。

（3）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)， 汽車行駛時(shí)，要承受各種來自外界和內(nèi)部激勵(lì)源的激勵(lì)，這些激勵(lì)主要包括：當(dāng)汽車在正常路面上以120km/h的速度行駛時(shí)，路面對(duì)汽車的激勵(lì)頻率多在3Hz以下，此激勵(lì)分量較大[3]。車輪不平衡引起的激勵(lì)，主要在11Hz以下，該激勵(lì)分量很小，容易避免. 傳動(dòng)軸在車速為50km/h～80 km/h時(shí)由于不平衡引起的振動(dòng)頻率范圍在33 Hz以上，此激勵(lì)分量較小[4]，因此，從振動(dòng)和強(qiáng)度角度考慮，整車模態(tài)，即：第一階模態(tài)（14.134Hz）和第四階模態(tài)(21.238Hz)，可以有效避開激勵(lì)分量較大的頻率，不會(huì)引起車身的共振，進(jìn)而表明車身的設(shè)計(jì)基本滿足要求。

[1] 周長(zhǎng)路,范子杰,陳宗渝等.微型客車白車身模態(tài)分析[J].汽車工程.2004,26(1).

[2] 隋允康,杜家政,彭細(xì)榮.MSC.Nastran有限元?jiǎng)恿Ψ治雠c優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3] 王若平,毛國(guó)威.基于MSC.NASTRAN的城市客車模態(tài)分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)).2014,28(4).

[4] 王遠(yuǎn),谷葉水.基于ANSYS的客車車身骨架模態(tài)分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車.2009,36(6).

Modal Analysis for Body-in-White of the light truck

Liang Changjie
( Chongqing Vehicle Test & Research Institute, National Coach quality Supervision&Testing center, Chongqing 401122 )

The finite element model of Body-in-White of the light truck is established by shell element based on the basic theory of the finite element. The natural frequency and vibration mode are acquired through doing the modal analysis for Body-in-White. The analytic result are available to evaluate of the Body-in-White design. The result also provide the theoretical basis for the further dynamic analysis of the Body-in-White of the light truck.

Body-in-White; Finite element analysis; Modal analysis

U463.8

A

1671-7988 (2017)10-171-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.059

梁昌杰，工程師，工學(xué)碩士，就職于重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司，主要從事汽車試驗(yàn)與研究工作。