摘要：輕型客車(chē)是用于山區(qū)的鄉(xiāng)村公路營(yíng)運(yùn)客車(chē)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式。對(duì)某款輕型客車(chē)建立車(chē)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(chē)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(chē);鄉(xiāng)村公路營(yíng)運(yùn)客車(chē);模態(tài)分析;有限元法

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

中圖分類(lèi)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(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鄉(xiāng)村客車(chē)）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(chē)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(chē)在行駛過(guò)程中，車(chē)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(chē)時(shí)，有必要對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，以避免客車(chē)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(chē)整車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)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(chē)，其車(chē)身自由邊界模態(tài)分析結(jié)果可直接應(yīng)用于車(chē)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(chē)進(jìn)行過(guò)模態(tài)分析[4-8]，但是這些論文都以城市客車(chē)而不是鄉(xiāng)村客車(chē)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。尚未見(jiàn)到鄉(xiāng)村客車(chē)動(dòng)態(tài)分析的論述，本文將就鄉(xiāng)村客車(chē)車(chē)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(chē)為研究對(duì)象，該車(chē)是在某款輕型客車(chē)基礎(chǔ)上，按要求設(shè)計(jì)制造的，如圖1。該客車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)。車(chē)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(chē)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(chē)尾方向?yàn)檎?車(chē)體縱向中心線為Y向基準(zhǔn)，朝車(chē)體前進(jìn)方向，右向?yàn)檎?車(chē)架上平面為Z向基準(zhǔn)，向上為正。

在建立該車(chē)的有限元模型時(shí)，做了如下簡(jiǎn)化：

①忽略車(chē)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(chē)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?，?duì)該車(chē)骨架建立兩種有限元模型。采用殼單元時(shí)，將車(chē)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?，將?chē)身結(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(chē)身骨架的固有頻率和振型。計(jì)算時(shí)，車(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)車(chē)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(chē)身骨架固有頻率應(yīng)盡可能避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作頻率。

③車(chē)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(chē)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(jiàn)表1，主要振型見(jiàn)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(chē)行駛中所受激勵(lì)主要來(lái)自路面、發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)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(chē)身動(dòng)態(tài)性能影響最大[3]。針對(duì)該車(chē)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(chē)的最大車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)一階扭轉(zhuǎn)相差較小外，整車(chē)二階扭轉(zhuǎn)和整車(chē)一階彎曲的固有頻率相差較大。所以，對(duì)鄉(xiāng)村客車(chē)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(chē)進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)分析評(píng)價(jià)法，對(duì)該車(chē)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出結(jié)論：①該車(chē)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(chē)進(jìn)行模態(tài)分析不宜采用梁?jiǎn)卧Ｐ汀?/p>

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