第６卷增刊 ２００８年ｌ２月 福建工程学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．６ Ｓｕｐｐ１． Ｄｅｃ．２ｏ０８ 文章编号：１６７２—４３４８Ｉ２００８）Ｓ０—００４０—０４ 骨架式半挂车车架的模态分析 黄桂芬，肖绪锦，陈铭年 （福建农林大学机电工程学院，福建福州３５０００２） 摘要：为研究半挂车架设计及动态特性，使用ＡＮＳＹＳ有限元软件对ＸＷＳ９３６０ＴＺ一１骨架式集装箱半挂 车架进行模态分析，确定其固有频率和振型，以清晰的动态图象描述结构在受到激励时的表现，并分 析其动态特性。 关键词：货车；半挂车车架；有限元；模态分析 中图分类号：Ｕ４６３．８２ 文献标识码：Ａ Ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｓｅｍｉ－ｔｒａｉｌｅｒ ｆｒａｍｅ Ｈｕａｎｇ Ｇｕｉｆｅｎ，Ｘｉａｏ Ｘｕｊｉｎ，Ｃｈｅｎ Ｍｉｎｇｎｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｃｔｅｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｊｉａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ＦＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｍｏｄａ１ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＸＷＳ９３６０ＴＺ一１ ｓｋｅｌｅ— ｔｏｎ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｅｍｉ—ｔｒａｉｌｅｒ ｆｒａｍｅ．Ｉｔ Ｗａｓ ａｌｓｏ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｔｒａｉｌｅｒ ｆｒａｍｅ’Ｓ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅ— ｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｃｌｅａｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｈｅ ｓｔｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｈｅｎ ｂｅｉｎｇ ｉｎｃｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｆｒａｍｅ’Ｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｔｒａｉｌｅｒ ｃｈａｓｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｕｃｋ ｔｒｕｃｋ；ｓｅｍｉ－ｔｒａｉｌｅｒ ｃｈａｓｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ０ 引言 随着交通运输业的发展，作为集装箱运载工 挂车车架进行模态分析，通过振型和动画直观地 显示车架的动态特性，为研究和评价车架的结构 和设计提供了理论参考。 具的集装箱半挂车产量不断增长。而车架承受着 来自传动系和悬架的振动和噪声，直接关系到车 的操控、安全和舒适等性能。尤其是货车车架作 为载荷的重要承载件，容易出现断裂。因此，车架 １ 车架概况 该集装箱半挂车架为骨架平直式半挂车架， 总长１２ ０３０ ｉｎ／ｎ，总宽为１ １３０ ｍｍ，由２根纵梁和 ２５根横梁以及其他结构（斜支撑，两翼结构等）组 成 。车架采用钢管焊接而成。纵梁为工字钢， 根据其截面高度的变化分为３段，前后两段截面 高度不变，而中间段即鹅颈处截面高度连续变化。 前后两根横梁为薄壁矩形钢，中间各横梁为各种 型号的槽钢。槽钢型号最小为６．３｝｝，最大为１６＃， 厚度从４．８ｍｍ到８ｍｍ不等。型材材料为１６Ｍｎ 在满足强度和刚度要求后，还应具有合理的动态 特性。故须对其进行固有特Ｉ生的模态分析。模态 分析作为研究结构动力特性的一种近代方法，主 要用于确定结构的固有频率和振型。对半挂车架 进行模态分析，为研究实际振动瞬息变化的半挂 车提供了有效的预测和理论基础¨ ｊ。 本文应用ＡＮＳＹＳ软件对某４Ｏ英尺骨架式半 收稿日期：２００８—０５—２２ 第一作者简介：黄桂芬（１９８４一），女ｆ汉），福建南平人．硕士研究生，研究方向：汽车车身结构与设计理论、计算 机辅助工程分析． 增刊 黄桂芬，等：骨架式半挂车车架的模态分析 ４１ 低合金高强度结构钢。该半挂车车架三维实体如 图１所示。 ＺＯＳ）法和自由边界条件求车架的固有频率。所得 到的前６个模态称为刚体模态，它们分别对应于 ３个位移和３个转动自由度的结构，前６个模态 图１半挂车车架三维实体图 Ｆｉｇ．１ ３－Ｄ ｅｎｔｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｔｒａｉｌｅｒ ｆ｝ａｍｅ ２车架有限元模型的建立 三维实体模型是在Ｐｒｏ／Ｅ软件环境下进行的 参数化建模。根据车架的结构与特点，为了减小 计算规模，必须在不影响精度和单元划分的质量 的前提下对模型进行结构简化 ］。由于该车架 的有限元模型采用ＳＨＥＩＸ．６３板壳单元，必须以中 性面来建立模型。所以车架上的实体都在Ｐｒｏ／Ｅ 中抽中面后，由片体表达，再由ＩＧＥＳ文件导入 ＡＮＳＹＳ有限元分析系统。经选用单元，定义材料 参数和划分网格后，建立静态有限元模型。该车 架有限元模型共有１３ ８６４个单元，３４ ２６７个节 点。本文建立在静态有限元分析的基础上，直接 采用静态有限元模型。离散化后的车架有限元模 型如图２所示。 图２半挂车车架有限元模型 Ｆｉｇ．２ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｓｍｉ－ｔｒａｉｌｅｒ ｆｒａｍｅ ３车架模态分析 ３．１模态的提取与分析 模态分析主要用于确定结构的固有频率和振 型，这是结构承受动态载荷设计中的重要参数。 可使设计工程师避开这些频率或最大限度地减小 对这些频率上的激励，从而消除过度振动和噪声。 ＡＮＳＹＳ的模态分析是线性分析，它提供了７种模 态提取方法 ～，。本文采用兰索斯（Ｂｌｏｃｋ ｌａｎｅ． 返回的频率值均为零。 ３．２模态分析的步骤 ３．２．１建模 直接采用静态有限元模型。 ３．２．２加载和求解 采用自由边界条件，不施加载荷和约束。 设定选项操作：由Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｔｙｐｅ＞ Ｎｅｗ Ａｎａｌｙｓｉｓ＞选择Ｍｏｄａｌ；再由Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｐｔｉｏｎｓ 进入选项框，在Ｎｏ．ｏｆ ｎｏｄｅ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ中输入模态 提取的阶数１６，在勾选框Ｅｘｐａｎｄ ｍｏｄｅ ｓｈａｐｅｓ（扩 展模态），Ｅｌｅａｌｃ Ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｅｌｅｍ ｒｅｓｕｌｔｓ（单元求解 结果）和Ｕｓｅ ｌｕｍｐｅｄ ｍａｓｓ ａｐｐｒｏｘ（集中质量阵，因 为对包含“薄膜”结构的问题，采用集中质量矩阵 近似产生结果较好，并且求解时间短，需要内存 好）中均选择ｙｅｓ；在弹出的Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｓ Ｍｅ￣ｏｄ 对话框按默认选项即可，即不设定最大和最小频 率。 在设定选项完成后，即可求解计算。注意：计 算完成后，用Ｆｉｎｉｓｈ离开求解模式。 ３．２．３扩展模态 在模态分析中，必须用扩展模态将振型写入 结果文件，以便在后处理器中查看振型。操作如 下：再次进入Ｓｏｌｕｔｉｏｎ，选择Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｔｙｐｅ中的Ｅｘ－ ｐａｎｓｉｏｎ Ｐａｓｓ Ｏｎ激活扩展处理；由Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ｉ＿ｏａｄ Ｓｔｅｐ Ｏｐｔｓ＞ＥｘｐａｓｓｉｏｎＰａｓｓ进入Ｅｘｐａｎｄ Ｍｏｄｅｓ对话 框，在Ｎｏ．ｏｆ ｍｏｄｅｓ ｔｏ ｅｘｐａｎｄ中输入阶数１６；再 由Ｌｏａｄ Ｓｔｅｐ Ｏｐｔｓ＞Ｏｕｔｐｕｔ Ｃｔｒｌｓ＞Ｓｏｌｕ Ｐｒｉｎｔｏｕｔ和 ＤＢ／Ｒｅｓｕｌｓｔ Ｆｉｌｅ输出控制指定Ｅｖｅｒｙ ｓｕｂｓｔｅｐ；最后 用求解器进行扩展处理，即可输出扩展的振型。 ３．２．４观察结果和后处理 扩展模态处理的结果包括固有频率、扩展的 振型和相对应的应力分布。点击Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｓｔｐｒｏｃ ＞Ｒｅｓｕｌｔｓ Ｓｕｍｍａｒｙ可列出所有已扩展模态的频 率清单。由Ｒｅａｄ Ｒｅｓｕｌｔｓ可选择需要观察的模态 阶数，由动画直观地模拟车架各阶变形情况。 ３．３模态分析结果及分析 由于低阶模态对振动系统的影响较大，因此 本文仅计算了车架的前１６阶固有频率和振型 Ｊ。 前６阶为刚体模态，频率为零；７—１Ｏ阶的振型图 如图３～６所示，固有频率对比如表１所示。 ４２ 福建工程学院学报 第６卷 图３第７阶振型图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ７ｔｈ ｏｒｄｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ 图４第８阶振型图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ８ｔｈ ｏｒｄｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ 表１固有频率对比表 Ｔａｂ．１ Ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ 阶数固有频率 振型特征 ｌ一６ ０．０００ 刚体模态 ７ ３．４３４ 一阶扭转 ８ ８．５５５ 一阶侧向弯曲和扭转 ９ １１．８３２ 二阶侧向弯曲 ｌ０ １４．０７２ 一阶局部垂直弯曲 １ｌ １４．９７９ 一阶局部垂直弯曲＋扭转 ｌ２ １８．０４９ 二阶局部垂直弯曲＋扭转 １３ １８．１９３ 一阶整体垂直弯曲＋二阶局部垂直弯曲 １４ ２０．２４５ 一阶整体轻微号直弯曲 二阶局部垂直弯曲 ｌ５ ２０．９８１ 二阶局部垂直弯曲＋扭转 １６ ２６．４７７ 三阶整体侧向弯曲 一阶局部轻微 垂直弯曲＋扭转 注：侧向弯曲为Ｚ－Ｘ平面内运动，垂直弯曲为Ｙ－Ｚ平面内运动，扭 转为围绕ｚ轴运动。 图５第９阶振型图 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ９ｔｈ ｏｒｄｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ 图６第１Ｏ阶振型图 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ１０ｔｈ ｏｒｄｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ 对模态分析结果的评价原则有以下几点：应 使车身模态频率避开路面不平、汽车发动机以及 汽车传动机构工作时各个激振频率以免产生共 振；车身模态频率应避开汽车悬架系统的峰值频 率；当激振频率与车身固有频率不重合时，车身 弹性结构在每一阶模态下，应保证振型动画图连 续圆滑且振动相对较小，特别是弹性结构的主要 承载部位振型没有突变点；当激振频率与车身固 有频率重合不可避免时，则应尽量使结构的主要 承载部位不出现振型突变点。 根据模态分析结果评价原则，对该半挂车车 架动态设计水平进行如下评价： 半挂车在高速公路和城市路面上行驶时，对 车身的激振主要来自路面，由路面不平引起的激 励多在３ Ｈｚ以下。该车架７阶模态为一阶扭转， 频率为３．４３４ Ｈｚ，比较接近３ Ｈｚ。应尽量避开。 汽车在公路上行驶时，车速变化范围很大，车上 增刊 黄桂芬，等：骨架式半挂车车架的模态分析 弱，易造成疲劳破坏，有待改进。 ４３ 发动机及其传动机构的运转频率及其谐波成分与 车身模态频率重合是不可避免的，而常用车速时 的发动机频率远离１６阶模态频率，故暂不考虑。 货车满载时，前后悬架频率一般在１．５～ ２．１７Ｈｚ，车身设计应避开了悬架系统的固有频 ４结语 本文通过模态分析方法确定车架各阶模态的 固有特性，预测车架结构在各种频率作用下的实 际振动响应，并依据评价原则对半挂车车架进行 结果评价，发现车架整体结构设计合理而局部需 率。而该车架低阶振型频率均大于悬架频率范 围，因此该结构设计合理。 整个车架所有振型连续圆滑且振幅小，说明 车架整体结构设计合理。而１Ｏ阶模态以后，后部 面板局部模态偏多且振幅较大。说明此处刚度较 改进。从而为进一步研究和发现半挂车架结构疲 劳破坏和断裂原因提供理论参考。 参考文献： ［１］杜文学，俞德津．基于有限元理论的重型半挂车架模态分析［Ｊ］．专用汽车，２００７（８）：３３—３５． ［２］Ｂｅｅｍｌｅｎ Ｈ Ｊ．Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｍｅｒｃｉｌａ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ， １９８９． ［３］卞学良专用汽车结构与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７：９—１１，２３７—２４７． ［４］陈铭年，庄继德．汽车车架计算方法和结构优化变量综述［Ｊ］．汽车工程，１９９６（５）：２８５—２８９． ［５］段进，倪栋，王国业．ＡＮＳＹＳ１０．０结构分析从入门到精选［Ｍ］．北京：兵器工业出版社，２００６：１９９—２１９． ［６］孙启会，闵鹏．有限元法在汽车车架分析中的应用［Ｊ］．重型汽车，２００１（５）：２０—２１． （上接第３９页） 振动是造成车身早期疲劳破坏的主要原因，同时 随着乘客对舒适性的要求越来越高，分析车身结 构、固有频率以及整车刚度分布，模态分析就显得 越来越重要。 力蒙皮、非承载构件的影响，所以计算的车身应力 比实际的偏大，即便如此，整车应力水平仍然偏 低，从轻量化角度来说，应当进一步优化其结构。 而且还可以通过合理安排载荷的分布，如将载荷 尽量靠近前后轴，更经济的确定各梁架截面形状 ４ 结论 通过对ＸＭＬ６１２１客车骨架有限元模型进行 分析计算，计算结果表明该车骨架的强度和刚度 是有足够余量的。实际上，由于模型忽略了预应 和截面尺寸，改变梁截面的惯性矩，尽可能满足各 处等强度和等扭转刚度的要求，以达到充分利用 材料、降低重量的目的。 参考文献： ［１］黄天泽．大客车车身［Ｍ］．长沙：湖南大学出版社，１９８８． ［２］吴诰皂，吴湘燕．客车车身有限元强度分析载荷条件的确定［Ｊ］．机械工程学报，１９９７，３３（５）：８３—８７ ［３］周长路，范子杰，陈宗渝，等．微型客车白车身模态分析［Ｊ］．汽车工程，２００４，２６（１）：７８—８Ｏ． ［４］聂毓琴，孟广伟．材料力学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．