宋纪侠，雷明星，董慧利，杨喜红

(东风汽车股份有限公司商品研发院，湖北武汉430057)

车辆的动态特性除影响车辆本身的结构强度和疲劳破坏性以外，还直接影响着车辆运行的平稳性.因此，处理车辆运行平稳性问题时，必须清楚车辆振动的规律并找到根本原因，对车辆动态特性有全面的了解.模态分析将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态频率和振型［1］.整车模态有限元分析可为车辆的振动特性和振动故障进行诊断并给出预报，为车辆动态特性的优化设计提供依据.

1 整车有限元模型的建立

1.1 数模导入和几何清理

整车数模是用Catia或Proe等CAD软件建立的，将整车数模采用批处理的方式导出并存储为stp格式文件，再导入Hypermesh中对数模进行几何清理，包括删除重复面、修补丢失面、去除倒角和小工艺孔等.

1.2 零部件的网格划分

该轻型商用车的车身为薄板冲压件，车架和车厢为板材冲压结构，故采用壳单元对整车进行网格划分，定义单元类型为TRIA3和QUAD4.为了提高有限元模型的精度并缩短计算时间，将车身单元平均尺寸定为10 mm×10 mm，车厢和车架部分单元平均尺寸定为20 mm×20 mm，网格划分标准见表1.

表1 网格标准Tab.1 Gridding standard

1.3 简化和连接方式的模拟

建立整车有限元模型的原则是最大限度地保持与实际结构一致并适当地简化力学模型和边界条件，从而减少模态有限元分析结果与模态试验测试结果的差异，整车有限元模型见图1.建模时所做的简化及处理如下:

(1)将对整车结构变形和应力分布影响较小的非承载零件用质量单元代替，如发动机、变速器、离合器、后视镜、电池框、备胎和座椅等.

(2)钢板弹簧的建模方法如图2 所示，ae，be，ce，de为 Cbush 单元，a，b，c，d 点为钢板弹簧安装点，e点为钢板弹簧与车桥的连接点.

图1 整车有限元模型Fig.1 Finite element model of vehicle

图2 钢板弹簧有限元模型Fig.2 Finite element model of leaf spring

(3)钢板弹簧吊耳简化为刚体单元.因为吊耳为铸件，结构比较复杂，适宜用四面体网格划分，但单元数量较多，故需简化处理.简化后，从节点为与车架相连的螺栓孔，主节点为与板簧相连的衬套中心点.

(4)传动轴由梁单元和质量单元来共同模拟，以确保有限元模型中传动轴的质量与实际传动轴质量及功能一致.由于传动轴与变速箱通过花键连接，故传动轴与变速箱连接的刚体单元要放开X方向自由度，前后桥的有限元模型建模过程与传动轴的建模过程类似.

(5)轮胎用Cbush模拟，输入各个方向刚度.

(6)车身前悬置的双扭杆系统采用梁单元和壳单元共同模拟.扭杆用多段梁单元模拟，中间单元两端需放开绕整车坐标系Y轴的旋转自由度，并施加相应扭矩.

(7)为避免局部变形夸张，车身悬置衬套Cbush的主从节点均需建立MPC单元，MPC单元的主节点为Cbush的主从节点.

(8)为使有限元分析计算的强度结果和实际受力情况一致，车身后托架处的MPC单元连接形式见图3.

图3 车身后悬置有限元模型Fig.3 Finite element model of body rear bracket

1.4 材料参数的设置

整车有限元模型中用到的材料除金属材料外还有很多非金属材料，如驾驶室玻璃、驾驶室顶盖处胶黏剂和车厢地板木材等，相关材料属性详见表2.

表2 材料属性Tab.2 Materials property

2 约束条件

为了更精确地反映整车在工作时的动态特性，进行了整车在约束条件下的模态分析.约束左前轮胎接地点处X，Y，Z方向平动自由度，右前轮胎接地点处X，Z方向平动自由度，左后轮胎接地点处Y，Z方向平动自由度以及右后轮胎接地点处Z向平动自由度.

3 整车模态计算

将在Hypermesh软件中做好的整车有限元模型导出并存储成Nastran软件的计算文件*.bdf，然后再导入Nastran软件进行整车模态有限元分析计算，整车有限元分析模态频率和振型见表3及图4至图7.

图4 整车一阶扭转模态Fig.4 First torsion mode of vechile

图5 整车二阶扭转模态Fig.5 Second torsion mode of vechile

图6 驾驶室一阶弯曲模态Fig.6 First bending mode of body

表3 整车有限元分析模态频率及振型Tab.3 Frequency and modes of vehicle

图7 前悬架跳动振型Fig.7 Hop mode of front suspension

4 多方案对比分析

对比整车模态振型与整车行驶抖动形式可知，整车一阶扭转模态振型和整车某常用车速下抖动形式一致，一阶扭转模态3.47 Hz与试验测得的整车抖动频率3.5 Hz非常接近.为了提高一阶扭转模态的频率，避免整车在该常用车速下的行驶抖动问题，对多种方案进行整车模态分析，结果见表4.

表4 多种方案整车一阶扭转模态表Tab.4 First torsion frequency of mulit-projects

由表4可知，整车一阶扭转模态由3.47 Hz提高至3.936 Hz，提高幅度较大.

5 结论

(1)对比整车有限元模态分析结果和整车某常用车速下抖动形式可知，本研究建立的整车有限元模型可用于工程研究.

(2)整车一阶扭转振型的节点位于车架第3和第4横梁位置处，将车架第3和第4横梁做成封闭结构，提高了车架一阶扭转刚度，进而提高了整车一阶扭转模态.

(3)增加车厢与车架连接的U型螺栓数量可将车厢纵梁和车架纵梁更好地连接并提高车架的刚度，从而可提高整车一阶扭转模态.

(4)建议将车厢与车架连接角铁换成U型螺栓，当U型螺栓数量足够多时适当减少角铁的数量.

［1］傅志方.模态分析理论与应用［M］.上海:上海交通大学出版社，2000.

［2］姚成.XML6121客车整车强度、刚度及模态有限元分析［J］.福建工程学院学报，2008(6):37-43.