【導(dǎo)讀】車架是汽車上重要的承載部件，車輛所受到的各種載荷最終都傳遞給車架，因此，分析，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)提高整車的各種性能，降低設(shè)計(jì)與制造成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等都具有十分重要的意義。大型通用有限元軟件ANSYS憑借其強(qiáng)大。以實(shí)體單元為基礎(chǔ)創(chuàng)建了車架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單的尺寸優(yōu)化模型，以車架的。闡述了應(yīng)用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本指導(dǎo)。的設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)對(duì)CA1040型貨車車架結(jié)構(gòu)的有限元仿真。及優(yōu)化，得到了一些有益的結(jié)論，為車架的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用。

　　

【正文】 ol 打開(kāi)網(wǎng)格劃分工具，置網(wǎng)格基本尺寸，劃分網(wǎng)格 。 網(wǎng)格劃分后，共生成 287 個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，和 177167 個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后如圖 所示。 圖 車架網(wǎng)格劃分圖 對(duì)實(shí)體單元 Sold 92 的簡(jiǎn)要介紹 Solid92 是三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，有二次方位移和能很好劃分不規(guī)則的網(wǎng)格 (譬如由各種各樣的 CAD／ CAM 系統(tǒng)生產(chǎn) )。此單元由十個(gè)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三 16 個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn) X、 Y 和 Z 方向位移 ：并且單元有可塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應(yīng)力銅化，大變形和大張力的能力。 ① Solid92 輸入數(shù)據(jù) 單元輸入數(shù)據(jù)除了節(jié)點(diǎn)．還包括正交各向異性材料屬性，正交各向異性方向?qū)?yīng)于單元的 坐標(biāo)方向。 壓力可以作為面載荷作用在單元面上，正壓力指向單元內(nèi)。溫度和流體因素也可以以體載荷的形式作用在單元節(jié)點(diǎn)上。結(jié)點(diǎn)上的溫度 T 默認(rèn)為參數(shù) TUNIF。如果沒(méi)有給出其它溫度，則默認(rèn)為 T。如果給定所有角節(jié)點(diǎn)溫度，則各個(gè)中節(jié)點(diǎn)默認(rèn)為它的毗鄰角結(jié)點(diǎn)平均溫度。對(duì)于其他溫度輸入模式，非特指的溫度默認(rèn)為 TUNIF。 給單元指定初始應(yīng)力狀態(tài)的命令為 STRESS 或 ISFILE。 如果要讀取初始應(yīng)力，可以通過(guò)設(shè)置 KEYOPT(9)=I 讀取。 在幾何學(xué)非線性分析中，使用 SOLCONTROL 可以包含壓力載荷硬化的作用。壓力載荷硬化影響自動(dòng)包含在線性特征值計(jì)算里面?？梢杂?NROPT,unsym 命令在壓力載荷硬化中調(diào)用一個(gè)非對(duì)稱矩陣。 ② Solid92 輸出數(shù)據(jù) 單元求解數(shù)據(jù)以下面兩種形式輸出： 1)以節(jié)點(diǎn)位移的形式輸出包括所有的節(jié)點(diǎn)的解答數(shù)據(jù)； 2)其它類型的單元輸出。 本章小結(jié) 本章概述了幾何建模軟件 Pro／ E 的發(fā)展歷程、基木功能和主要基本模塊，總結(jié)了應(yīng)用 Pro／ E 建立幾何模型的注意事項(xiàng)和幾何模型簡(jiǎn)化的方法，并對(duì)有限元分 析要采用的實(shí)體單元 Solid 92 進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。以某重型貨車車架為研究對(duì)象，以有限元的基本理論為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用 Pro／ E 和 ANSYS 軟件建立了基于實(shí)體單元的車架結(jié)構(gòu)有限元模型，為將實(shí)體單元應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)分析做好了準(zhǔn)備。 17 第 4章 車架 結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)分析 車輛載荷分析 按照載荷產(chǎn)生的原因，作用在車輛結(jié)構(gòu)件上的載荷分為三大類：行駛載荷、操作載荷和特殊載荷。 行駛載荷 行駛載荷是指當(dāng)汽車在各種條件下行駛時(shí)，在路面一車輛這一力學(xué)的傳遞系 統(tǒng)中產(chǎn)生 的載荷。 ①載貨和乘員 載貨和乘員的變化，將導(dǎo)致車輪載荷的變化，主要有使平均應(yīng)力級(jí)發(fā)生變動(dòng)的作用。對(duì)于應(yīng)力幅，當(dāng)把車輛作為一個(gè)振動(dòng)模型來(lái)看時(shí)，隨著質(zhì)量的變化，共振頻率和振幅也將發(fā)生變化，特別是對(duì)載貨汽車影響更為顯著。 ②行駛速度 車輛行駛速度的變化，對(duì)平均應(yīng)力級(jí)幾乎不產(chǎn)生影響。但是，振動(dòng)應(yīng)力幅與路面的狀念有著密切的關(guān)系，在彈簧上以及彈簧下構(gòu)件的固有振動(dòng)頻率是重疊出現(xiàn)的。隨著車速的提高，所有振動(dòng)頻率也有向高頻一側(cè)偏移的情況，當(dāng)車速很低時(shí)，路面的凹凸可由載荷波形如實(shí)反映出來(lái)。 ③路面狀況 路面狀況不影響平均應(yīng)力 級(jí)的變動(dòng)，而僅僅和車速及車輛的振動(dòng)有關(guān)。由 —3Hz 的彈簧上成分， 6Hz． 15Hz 的彈簧下成分以及構(gòu)件和總成構(gòu)成的系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率，表現(xiàn)為以各種比例重疊的波形，雖因構(gòu)件而異，但一般來(lái)講，在鋪筑的路面上，彈簧上的成分比例大，隨著路面凹凸的加劇，彈簧下及構(gòu)件的固有振動(dòng)頻率的成分加強(qiáng)，作為整個(gè)級(jí)別也將變大。這也和車速有密切關(guān)系，如果路面凹凸的周期接近于彈簧上、彈簧下構(gòu)件及系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率，則載荷的波形接近于正弦波，應(yīng)力幅也變得很大。 操作 載荷 操作載荷是指為使汽車行駛而進(jìn)行必要的操作時(shí)直接作用在構(gòu)件上 的力，或者由于操作而在某個(gè)傳力系產(chǎn)生的載荷。因此，操作載荷也可稱為在人一車系統(tǒng) 下產(chǎn)生的載荷。 在下面兩種情況下有操作載荷，一種是把作用在踏板、開(kāi)關(guān)按鈕、方向盤、操縱 18 桿上的操縱力作為載荷的情況；另一種是由操作，經(jīng)過(guò)某傳力系以載荷波形表現(xiàn)的情況。對(duì)于后者進(jìn)一步分析如下： ①起動(dòng)操作載荷 對(duì)于懸架系，由于起步時(shí)的加速度引起重心的偏移，前后輪的載荷分配發(fā)生變化，這個(gè)變化是作為應(yīng)力變化出現(xiàn)的。但是，當(dāng)接近一定速度時(shí)，平均應(yīng)力也隨之接近于一個(gè)定值。此外，作為變動(dòng)的載荷，有扭矩變動(dòng)及后懸架扭曲引起的 載荷等。 對(duì)于驅(qū)動(dòng)系， 由于起步方法、發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)系數(shù)的彈性常數(shù)、減速比的不同，應(yīng)力振幅和頻率也會(huì)不同，如果離合器有抖動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，將會(huì)出現(xiàn)比驅(qū)動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)固有頻率高的多的頻率成分出現(xiàn)，隨著車輛進(jìn)入穩(wěn)定行駛狀態(tài)， 波形將逐步衰減，當(dāng)衰減到對(duì)應(yīng)于一定扭轉(zhuǎn)值的應(yīng)力，作為平均應(yīng)力成分保留下來(lái)，應(yīng)力振幅在一定程度上表現(xiàn)為穩(wěn)定系統(tǒng)固有振動(dòng)時(shí)和扭轉(zhuǎn)變動(dòng)時(shí)的振動(dòng)波形。 ②制動(dòng)操作載荷 制動(dòng)操作載荷將導(dǎo)致垂直或縱向載荷發(fā)生變化，在制動(dòng)的初期階段，其波形和行駛載荷波形重疊在一起的應(yīng)力波形。由于車輛慣性矩和重心位置的偏移，前 后輪載荷分配將發(fā)生變化 ，并以應(yīng)力級(jí)的變化表現(xiàn)出來(lái)。另外，隨著車輛的不同，制動(dòng)時(shí)，在制動(dòng)鼓、體片、回位彈簧等構(gòu)件上將伴隨著產(chǎn)生抖動(dòng)等想象，其固有 振動(dòng)頻率將重疊到制動(dòng)鼓上。 ③轉(zhuǎn)向操作載荷 隨著重心的移動(dòng)，將引起垂直、橫向載荷的變動(dòng)，從而產(chǎn)生平均應(yīng)力的變化。另外，由于構(gòu)件幾何造型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力矩，也會(huì)使平均應(yīng)力級(jí)發(fā)生變動(dòng)。前者往往比較小，而后者隨構(gòu)件的不同將會(huì)有很大值。 特殊載荷 特殊載荷是指除了上述兩種載荷以外的、從汽車使用本來(lái)目的來(lái)看，完全是由于偶然因素造成的載荷，如駕駛差錯(cuò)、碰撞等造成的載荷，以及由于自然環(huán)境影響，對(duì)汽車構(gòu)件所造 成的附加載荷等。由于本文不涉及這些方面的載荷，故不 詳細(xì)論述。 車架受力情況 靜載荷 汽車靜止時(shí)，車架只承受鋼板彈簧以上部分的載荷，它由于車身和車架的自身質(zhì)量、車架上各總稱與附件質(zhì)量及有效載荷組成，其總和稱之為靜載荷。在本設(shè)計(jì)中主要考慮行駛載荷的作用。對(duì)載荷處理時(shí)，車架自身重量可以通過(guò)施加垂直方向上的重力加速度進(jìn)行施加；外加質(zhì)量、底盤各總成、發(fā)動(dòng)機(jī)以及附加物質(zhì)量等，可以簡(jiǎn)化為 19 作用在各支承點(diǎn)的集中載荷；貨車的貨物載荷一般處理為均布載荷，可以將乘客處理成集中載荷，也可以處理成均布載荷通常以每個(gè)乘客 65kg 進(jìn)行計(jì)算 。 由于客觀條件的限制，在本文分析車架應(yīng)力時(shí)，只施加了部分作用在車架上的載荷，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī) 135kg，變速器 56kg，油箱 (載滿油時(shí) )360kg,駕駛室及乘員 130kg，引起的重力載荷以集中力的形式按照安放點(diǎn)的實(shí)際位置及各個(gè)位置所分擔(dān)的重力施加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；車廂以及貨物載荷共 2620kg，以均布載荷的形式加到縱梁的相應(yīng)部位。 動(dòng)載荷 行駛中的汽車主要受動(dòng)載荷作用，動(dòng)載荷又可分為對(duì)稱的動(dòng)載荷和非對(duì)稱的動(dòng)載荷。當(dāng)汽車在平坦的道路上，以較高車速行駛時(shí)，產(chǎn)生對(duì)稱的動(dòng)載荷，它的大小不僅取決于作用在車架的靜載荷及其在 車架上的分布，還取決于靜載荷作用處的垂直加速度，受這種載荷作用，車架會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。當(dāng)汽車行駛在崎嶇不平的路面上時(shí)，前后幾個(gè)車輪可能不在同一平面，因而產(chǎn)生非對(duì)稱動(dòng)載荷，它的 大小取決于道路不平程度，以及車身、車架和懸架的剛度，受這種載荷作用，車架會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。車架除受純彎曲、純扭轉(zhuǎn)外，還受彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形。動(dòng)載荷和靜載荷對(duì)車架的作用不相同，在以后的分析中會(huì)采用不同的簡(jiǎn)化形式，但作用力的分布與靜載荷相同。 車架結(jié)構(gòu)的靜力性能分析 靜力分析的基本概念及流程 靜力分析是計(jì)算在固定不變載荷作用下的結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng) 力、應(yīng)變及反力等的大小，即討論結(jié)構(gòu)受到外力后的變形、應(yīng)力和應(yīng)變，以便對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度 進(jìn)行校核，保證結(jié)構(gòu)既安全、正常工作，又符合經(jīng)濟(jì)性的要求。 靜力分析主要從靜力學(xué) (靜力平衡條件 )、幾何學(xué) (位移協(xié)調(diào)條件 )、物理學(xué) (虎克定理 )三個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。無(wú)論處理什么問(wèn)題，用有限元法進(jìn)行結(jié) 構(gòu)靜力分析的基本方程可以表示為： [K]{D}={P} 其中， [K]為經(jīng)過(guò)約束處理的結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣； {D}為待求解的整體位移向量；{P}為與待求解整體位移向量對(duì)應(yīng)的載荷向量。 靜力分析的基本流程： ①單元分析的主要任務(wù)是建立單元 節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，得到反映 它們之間關(guān)系的矩陣一單元?jiǎng)偠染仃嚕? ②整體分析的任務(wù)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的靜力平衡條件和位移協(xié)調(diào)條件建立反映各單元和整體結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系的矩陣 — 整體剛度矩陣； 20 ③約束處理是引入邊界條件，對(duì)整體分析形成的整體剛度矩陣進(jìn)行處理，得到經(jīng)過(guò)約束處理的整體剛度矩陣 [K]與載荷向量 {P}； ④靜力分析方程求解是對(duì)方程 [K]{D}={P}進(jìn)行求解運(yùn)算，得到全部節(jié)點(diǎn)的位移； ⑤單元節(jié)點(diǎn)力、內(nèi)力或應(yīng)力計(jì)算的主要任務(wù)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移求出單元節(jié)點(diǎn)力、內(nèi)力和應(yīng)力； ⑥計(jì)算結(jié)果后處理的主要任務(wù)是對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視 化處理。 車架結(jié)構(gòu)靜力分析工況及約束處理 進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，模型的約束方式必須滿足的條件是：保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生剛體位移，也就是說(shuō)必須有足夠的自由度約束，以保證結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為滿秩矩陣，從而使整體剛度方程有唯一解。在汽車的行駛過(guò)程中，典型的工況主要包括彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎四種工況，其中彎曲和扭轉(zhuǎn)是對(duì)車架結(jié)構(gòu)影響較大的兩種工況。本章將以彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況做為分析工況，為保證車架有限元模型不產(chǎn)生剛性位移，對(duì)這兩種工況要進(jìn)行約束處理。 ①?gòu)澢r 彎曲工況是模擬在滿載狀態(tài)下、四輪著地時(shí)汽車在良好路面勻速直線行駛的 狀態(tài)。通過(guò)有限元計(jì)算模擬彎曲工況時(shí)，車架承受的質(zhì)量和載荷要乘以一定的動(dòng)荷系數(shù)來(lái)進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校核。研究表明在對(duì)車架彎曲工況進(jìn)行模擬時(shí)，最大動(dòng)荷系數(shù)以不超過(guò) 。其約束為鋼板彈簧位置。其約束如圖 所示 圖 彎曲工況約束 ②扭轉(zhuǎn)工況 扭轉(zhuǎn)工況是模擬一個(gè)車輪懸空時(shí)汽車的受力狀態(tài)。其約束如圖 所示，這時(shí)由于車速很低，所以慣性載荷很小，最大動(dòng)載荷系數(shù)以不超過(guò) 。 圖 扭轉(zhuǎn)工況約束 21 車架結(jié)構(gòu)靜力分析規(guī)范 本節(jié)采用上一章建立的車架結(jié)構(gòu)有限元模型，應(yīng)用 ANSYS 進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分 析 。 ①加載模型數(shù)據(jù)文件 啟動(dòng) ANSYS，打開(kāi)文件。 ②更換工作文件名 (1)選取菜單 Utility MenuFileChange Jobname： (2)在彈出的對(duì)話框中輸入 staticframe，點(diǎn)擊 OK 按鈕，完成工作文件名的定 義。 ③定義標(biāo)題 (1)選取菜單 Utility MenuFileChange Title： (2)在彈出的對(duì)話框中輸入 thebendmodel，說(shuō)明本次計(jì)算為彎曲工況。 ④定義工況約束 根據(jù)整車彎曲工況的約束方案對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束： 自由度約束添加操作為： (1)選取 Main MenuSolutionDefineLoadsApplyDisplacementOn Areas 命令； (2)在彈出 Apply UROT on Areas 對(duì)話框后，在圖形區(qū)選取要進(jìn)行自由度 約束的面，點(diǎn)擊 OK 按鈕； (3)在彈出的對(duì)話框中選擇要約束的自由度及自由度數(shù)值； (4)點(diǎn)擊 OK 按鈕，完成約束處理。 ⑤設(shè)置分析類型 ANSYS 包含七種分析類型。在進(jìn)行分析求解之前，必須定義好求 解類型，具體步驟為： (1)選取 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 命令； (2)選取 Static，點(diǎn)擊 OK 按鈕，選擇靜態(tài)分析。 ⑥施加載荷 這一步主要是針對(duì)不同的工況進(jìn)行載荷的施加，根據(jù)不同工況施加載荷的不同，施加各個(gè)方向的力，從而使車架受力接近現(xiàn)實(shí)車架的受力。使得分析后的結(jié)果更接近實(shí)際車架受力。 ⑦求解 在完成上述所有步驟之后，就可以對(duì)有限元模型進(jìn)行求解。求解步驟為： (1)選取 Main MenuSolutionSolveCurrent LS： (2)點(diǎn)擊 OK 按鈕，計(jì)算機(jī)開(kāi)始求解，直到求解完成。 ⑧結(jié)果后處理 22 在完成結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算后，采用 ANSYS 提供的 通用后處理模塊就可以方便、直觀地觀察有限元分析的結(jié)果。 顯示應(yīng)力和變形圖的操作步驟為： (1)選取 Main MenuGenneralPostprocAnalysis TypeNew Analysis 命令，彈出對(duì)話框； (2)選擇應(yīng)力 Stressvon Mises 選項(xiàng)，點(diǎn)擊 OK 按鈕。 車架結(jié)構(gòu)的靜力性能分析結(jié)果 彎曲工況靜力分析結(jié)果 單元的變形及應(yīng)力分布如圖 ～ 圖 所示。其應(yīng)力 變化 表如 表 所示。位移變化 表如 表 所示。 從彎曲工況下的應(yīng)力云圖可以看出，應(yīng)力主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置橫梁處和第 四橫梁處。在發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置橫梁與縱梁的連接附近的應(yīng)力值最大， 最大值為 。 表 彎曲應(yīng)力提取表 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 29460 +07 +08 +08 +08 +08 29465 +08 +08 +07 +08 +08 29297 +08 +08 +08 +08 +08 57863 +08 +08 +07 +08 +08 25 +08 +08 +08 +08 +08 904 +08 +08 +08 +08 +08 905 +08 +08 +08 +08 +08 34757 +07 +08 +08 +08 +08 26183 +07 +07 +08 +08 +08 29462 +08 +08 +08 +08 +08 23 表 彎曲位移提取表 NODE UX UY UZ USUM 2716 2797 2715 2717 2798 2796 2718 2795 2799 2714 2719 圖 彎曲應(yīng)力圖 24 圖 彎曲位移圖 扭轉(zhuǎn)工況靜力分析結(jié)果 從 扭曲工況下的車架的應(yīng)力云圖可知，在這種工況下，車架的總體應(yīng)力值仍然能滿足要求。發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置橫梁與縱梁的連接處、第四橫梁和第五橫梁處應(yīng)力較大，最大值為 144MPa。 單元的變形及應(yīng)力分布如圖 ～圖 所示。 圖 前 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力圖 25 圖 前 扭轉(zhuǎn)位移圖 圖 ～ 為模擬左前輪懸空狀態(tài)。圖 ～ 為模擬右后輪懸空狀態(tài)。 而從圖上可以看出， 最大變形量為 。而最大應(yīng)力值為 105MPa。 圖 后 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力圖 26 圖 后 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力圖 結(jié)構(gòu)靜力分析的目的是根據(jù)有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)車架的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。 由于車架材料為 16Mn，從而得到車架的極限屈服強(qiáng)度為 350Mpa。由于圖 中可以得，最大應(yīng)力都小于車架材料的極限應(yīng)力。因此，所研究的車架強(qiáng)度是符合要求的。 本章小結(jié) 本章對(duì)所研究車架結(jié)構(gòu)的靜力性能進(jìn)行了研究，規(guī)范化了運(yùn)用 ANSYS 軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析的步驟。通過(guò)對(duì)車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性的研究，可以清楚地掌握車架結(jié)構(gòu)的性能，實(shí)現(xiàn)對(duì) 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。 車架有限元強(qiáng)度分析結(jié)果表明：車架在滿載彎曲工況和滿載扭轉(zhuǎn)工況下，發(fā)動(dòng) 機(jī)后懸置橫梁和縱梁的連接處以及第四橫梁處都會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力， 由于車架材料為16Mn，從而得到車架的極限屈服強(qiáng)度為 350Mpa。 在給定動(dòng)載系數(shù)情況下，最大應(yīng)力值未超過(guò)許用應(yīng)力值。根據(jù)強(qiáng)度評(píng)價(jià)參數(shù)，車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 符合要求。 27 第 5章 車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能分析 車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能分析 車架的模態(tài)分析 絕大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)都或多或少受到動(dòng)載的作用，隨著結(jié)構(gòu)向著重載、高速并 減輕自重的方向發(fā)展，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的要求越 來(lái)越迫切。動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì) 與研究方法是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一，而結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的核心。它克服了靜態(tài)方法的局限性，強(qiáng)調(diào)從結(jié)構(gòu)的整體考慮問(wèn)題，在性能校核中考慮了振動(dòng)的因素。這一方面最初是由美國(guó)在大型航天器的研制中大量采用的，現(xiàn)在已推廣 到航天、建筑、機(jī)械等部門。隨著人們對(duì)工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，在其他工程領(lǐng)域也慢慢引入模態(tài)分析技術(shù)，如車輛的乘坐舒適性、噪聲控制、產(chǎn) 品輕量化設(shè)計(jì)的疲勞問(wèn)題等等，因此，模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，并成 為動(dòng)力學(xué)分析中不可缺少的手段。 在機(jī)械設(shè)計(jì)中研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的重要目的 是避免共振，具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在阻抗試驗(yàn)中表現(xiàn)為有多個(gè)共振區(qū)，在幅頻特性曲線中表現(xiàn)為有多個(gè)峰值。這種在自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)所具有的基本振動(dòng)特性稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)。結(jié)構(gòu)模態(tài)是由結(jié)構(gòu)本身的特性與材料特性所決定的，與外載條件等無(wú)關(guān)，而結(jié)構(gòu)在任意初始條件及外載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)都可以由結(jié) 構(gòu)按這些基本特性的強(qiáng)迫振動(dòng)的線性組合構(gòu)成。因此結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振 動(dòng)分析的基礎(chǔ)。 多自由度系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，同時(shí)有多階模態(tài)存在，每階振動(dòng)模態(tài)可用一組模態(tài)參數(shù)來(lái)確定，通常模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、固有振型、模態(tài) 質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等。其中最重要的是頻率、振型和阻尼比。對(duì)于無(wú)阻尼系統(tǒng)就是固有頻率和振型。模態(tài)參數(shù)有著重要的意義，因?yàn)樗鼘⒈砻髟谀膸祝N頻率下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生共振以及在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形，對(duì)于改善結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，這是最重要的基本參數(shù)。 通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)和有限元?jiǎng)討B(tài)分析提供的信息，可以研究汽車零部件或整車的振動(dòng)情況，從而改進(jìn)和提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。汽車車架受到來(lái)自路面的激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，如果某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，由于振動(dòng)產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，將會(huì)造成某些部件疲勞破壞，甚至斷裂。所以振動(dòng)不僅影響汽車的平順性，還將 影響汽車的使用壽命。 前節(jié)對(duì)車架在靜載時(shí)進(jìn)行了應(yīng)力分析。本節(jié)將對(duì)重型汽車車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算車架的模態(tài)振型與相應(yīng)的固有頻率，通過(guò)固有頻率與振型從整體上考慮車架的局部強(qiáng)度問(wèn)題。 28 模態(tài)分析可定義為對(duì)結(jié)構(gòu)的解析分析和實(shí)驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來(lái)表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征矢量，而在實(shí)驗(yàn)方面則是試驗(yàn)測(cè)得的系統(tǒng)之極點(diǎn)即固有頻率、阻尼和振型即模態(tài)向量。 通過(guò)模態(tài)分析法辨識(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，對(duì)于給定的系統(tǒng)，系統(tǒng)振型向量的比值與固有頻率都決定了系統(tǒng)的固有屬性。如果己知結(jié)構(gòu)的固有頻率， 便可以在設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)使結(jié)構(gòu)的固有頻率避開(kāi)其在使用過(guò)程中的外部激勵(lì)頻率。另外，通過(guò)對(duì)模態(tài)振型的分析，還可以了解整體車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的分布情況。 為了分析車架的振動(dòng)特性，模態(tài)分析可通過(guò)模念試驗(yàn)和理論分析進(jìn)行。但是在本課題的研究過(guò)程中，由于條件的限制，就采用計(jì)算機(jī)模擬，直接利用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行分析。在 ANSYS 軟件中，有六種模態(tài)提取方法：子空間法 (Subspace)、Block Lanczos 法、 Power Dynamics 法、縮減法 (Reduced)、 Unsymmetric 法和 Damped法 。其中 Block Lanczos 方法因其精度高與計(jì)算速度快等特點(diǎn)在大型結(jié)構(gòu)分析中被廣泛采用，本文采用該方法提取車架結(jié)構(gòu)的前十階模態(tài)。 根據(jù)第一節(jié)所述內(nèi)容可知，在對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于求解的是車架結(jié)構(gòu)的固有特性 (固有頻率和固有振型 )，與所受外力無(wú)關(guān)，故可忽略外部載荷的作用的。 就車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性而言，如果車架有限元模態(tài)分析采用實(shí)際邊界條件支撐，當(dāng)然能更精確的反映出車架在工作時(shí)的動(dòng)念性能，但實(shí)際邊界條件是極其復(fù)雜的，例如懸架的非線性，更何況若添加剛度較大的實(shí)際邊