车架的模态分析知识讲解
探讨汽车副车架强度模态分析及结构优化
探讨汽车副车架强度模态分析及结构优化汽车副车架是汽车重要的承载结构之一，在汽车的安全性、舒适性和性能方面起着重要作用。
其强度和刚度对汽车的整体性能有着直接的影响。
对汽车副车架的强度模态分析及结构优化是至关重要的。
本文将就此话题展开探讨。
一、汽车副车架的结构及工作原理汽车副车架是指安装在汽车底盘上的用于支撑底盘组件的结构。
其主要作用是传递车辆的荷载，同时还要满足汽车悬挂系统的需求，以确保汽车在行驶过程中的舒适性和稳定性。
在日常使用中，汽车副车架还要承受来自路面的冲击和振动，并且要能够抵抗车辆制动时产生的扭矩和冲击力。
汽车副车架需要具有足够的强度和刚度，以确保汽车在各种工况下都能够安全可靠地行驶。
二、汽车副车架的强度模态分析1. 强度分析汽车副车架在使用过程中要承受各种不同方向的受载情况，主要包括拉伸、压缩、弯曲和剪切等载荷。
需要对汽车副车架进行强度分析，以确定其在不同工况下的应力分布和变形情况。
强度分析的目的是确认汽车副车架在设计工况下不会出现塑性变形或者破坏，从而保证汽车的安全性和可靠性。
通过有限元分析等方法，可以对汽车副车架进行受力分析，计算其在各种工况下的应力和变形，从而确定其是否满足设计要求。
2. 模态分析模态分析是指通过对汽车副车架进行振动特性的分析，确定其固有频率和振型。
汽车副车架在行驶过程中会受到来自路面的激励力，因此需要对其进行振动分析，以确认其固有频率和振型与激励频率不发生共振，从而避免产生过大的振动响应。
通过模态分析，可以确定汽车副车架的主要振动模态，并评估其对汽车驾驶舒适性和稳定性的影响。
三、汽车副车架的结构优化1. 结构轻量化汽车副车架在保证足够强度和刚度的前提下，需要尽可能减小自身的重量。
轻量化可以降低汽车的整体质量，提高汽车的燃油经济性和加速性能，同时还能减少对环境的影响。
轻量化的方法包括采用高强度、轻质材料、优化结构布局和加强节点等。
2. 结构优化通过有限元分析等方法对汽车副车架进行结构拓扑优化、形状优化和材料优化。
汽车车架的动力学分析--模态分析
汽车车架的动力学分析--模态分析(总10页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--北京科技大学机械工程进展（论文）题目：汽车车架的动力分析计算（模态分析）院别：机械工程学院专业班级：机研106班学生姓名：学号：导师：评分：2010年11月26日轻型载货汽车车架模态分析摘要：车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。
所以对车架的结构十分重要。
本文主要采用有限元方法对车架的进行模态分析，研究了车架结构与其固有频率及其振型的关系, 给出车架在一定约束下的固有频率及固有振型，为解决车架结构的动力学问题和结构的改进提供了一定的依据。
关键词：有限元方法；车架；固有频率；模态分析1 引言车架是一个弹性系统，在外界的时变激励作用下将产生振动。
当外界激振频率与系统固有频率接近时，将产生共振。
共振不仅使乘员感到很不舒适，还会带来噪声和部件的疲劳损坏，威胁到车架的使用寿命和车辆安全。
车架是一个多自由度的弹性系统。
因此，它也有无限多的固有振型，而作用在车架上的激励来自于悬架系统、路面、发动机、传动系等的振动，这些振动对车架的激励可以认为是全频率的，但是，路面和悬架系统对车架结构激励的特点一样，每种激励在所有频率范围内并不是等能量分布的，所以，试图在所有频率上消除作用在车架上的激励，与车架结构的某些振型的共振是不可能。
因此，只有将注意力集中在各激励的能量集中的频率上，使之与所关心的车架的某阶振型不发生共振。
因而对车架进行模态分析以掌握车架对激振力的响应，从而对车架设计方案的动态特性进行评价，己经成为车架设计过程中必要的工作[1]。
2 模态分析理论基础在有限元分析程序中，振动方程表示为：1-1该方程可作为特征值问题，对无阻尼情况，方程可简化为：1-2其中。
ω2(固有频率的平方)表示特征值;{μ}表示特征向量，在振动的物理过程中表示振型，指示各个位置在不同方向振动幅值之间的比例关系，它不随时间变化。
纯电动客车车架结构模态分析与优化设计
纯电动客车车架结构模态分析与优化设计世界各国对环保的日益重视,电动车成为了汽车工业的一个热门领域。
内燃机客车污染的问题被广泛关注,而纯电动客车迅速发展,具有环保、经济等多方面的优势,受到了越来越多人的青睐。
在纯电动客车设计中,车架结构是至关重要的一个组成部分,它决定了车辆整体的强度、刚度、耐久性等参数,因此对电动客车车架结构进行模态分析和优化设计变得越来越必要。
一、电动客车车架结构模态分析车架结构模态分析是对车辆在振动力作用下的固有振动模态进行分析,从而确定车辆在不同振动模态下的固有频率和振动形式。
通过模态分析可以确定车辆关键零部件的固有频率和振动形式,进而进行结构优化设计,充分利用车辆的材料和积弱优势,提高车辆的强度和耐久性。
纯电动客车车架结构模态分析涉及到不同的振动模态,包括两个关键点的弯曲模态、两个支撑点横向平移模态、前后支撑点扭转模态、车体略微弯曲模态等。
通过使用有限元的方式进行车架结构的有限元分析,可以得出模态分析结果。
基于分析结果绘制模态图谱,可以清晰地看到不同模态下车架结构的弯曲振动形态,包括固有频率和振动阶次等参数,为进一步的优化设计提供了基础数据。
二、纯电动客车车架结构优化设计基于模态分析结果,纯电动客车车架结构的优化方案主要有以下几个方面:1.材料选择和加强。
根据模态分析结果,选择优化材料,并加强车架结构的强度和刚度。
由于纯电动客车的整备质量较重,需要用到高强度和高韧性的材料来增加车架的强度,如采用高硬度的钢-铝-铁复合材料,可以提高车架的强度和刚度。
2.设计结构需考虑动态负载。
纯电动客车运行时会产生一定的动态负载,因此在设计车架结构时需要考虑动态负载和振动的变化,保证车架结构的稳定性。
3.改进连接点和结构。
车架结构各个部件通过连接点组合起来,因此需要设计合理的连接点和正确的方式连接各个部件,确保车架结构与车身的耦合效果达到最优。
4.最优化设计。
模态分析结果可以指导最优化设计,根据车架结构的耐久性和运行效果要求得出最优化方案,提高车架质量和安全性。
汽车车架的动力学分析--模态分析
图1-3 一阶弯曲
图1-4 二阶弯曲
图1-5 二阶扭转
图1-6 三阶弯曲
图1-7 前端局部模态
图1-8 弯扭组合
4.3汽车模态分析结果的评价指标
工程结构要具有与使用环境相适应的动力学特性。一辆汽车结构优劣的基本着眼点是在弯曲和扭转方面总的动态性能。如果汽车结构动力学特性不能与其使用环境相适应，即结构模态与激励频率藕合，或汽车子结构之间有模态藕合，都会使汽车产生共振，严重时会使整个汽车发生抖振，车内噪声过大，局部产生疲劳破坏等[5]。模态分析是计算结构的固有频率及其相应振型。结构的固有频率是评价结构动态性能的主要参数，当结构固有频率和工作频率一致时，就会发生共振现象，产生较大的振幅，大大降低寿命。固有振型是发生共振现象时结构的振动形式。
[6]黄华，茹丽妙.重型运输车车架的动力学分析[J].车辆与动力技术，2001.6
6参考文献
[1]余志生.汽车理论[M].北京:清华大学出版社, 1989
[2]丁丽娟.数值计算方法[M].北京:北京理工大学出版社, 1997
[3]王勖成，邵敏．有限元基本原理和数值方法[M]．北京：清华大学出版社．1997
[4]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用，上海交通大学出版社，2000
[5]《汽车工程设计》编辑委员会.汽车工程手册.试验篇.北京:人民交通出版社.2001.6
4车架模态计算与结果分析
4.1模态分析步骤
对车架进行模态分析主要有以下步骤:
(l)在Pro/E中建立车架的三维模型。
(2)施加边界条件和载荷(对于自由模态不施加约束条件)，定义分析类型和求解方法并进行网格划分、提交求解器求解。
(3)提取结果，进行可视化处理，对结束进行分析。
车架模态分析报告
110ZH车架模态分析报告编制：审核：批准：2006年 3 月 15 日第一章 车架模态分析一、模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。
如果通过模态分析方法搞清楚了某结构在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。
因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。
由于车架的结构振动会直接引起驾驶室振动，所以分析三轮摩托车振动时，应对车架进行模态和响应分析，优化车架结构，并从工艺设计上保证乘客的安全、舒适。
三轮摩托车车架是一个多自由度弹性振动系统，作用于这个系统的各种激扰力就是使摩托车产生复杂振动的动力源。
引起各种激扰力的因素可概括为两类：一是摩托车行驶时路面不平度对车轮作用的随机激振；二是发动机运转时引起的简谐激振。
如果这些激励力的激振频率和车架的某一固有频率相吻合时，就会产生共振，并导致在车架上某些部位产生数值很大的共振动载荷，影响乘骑的舒适性，而且往往会造成车架有被破坏的危险。
因此，车架的动态设计要求车架具有一定的固有频率和振型，这样才能保证车架具有良好的动态特性。
本次分析主要针对车架进行模态分析，以期预计车架主要模态的固有频率和形状，并借以指导车架改进设计，达到优化摩托车动态性能的目的。
1、模态分析处理本次分析采用自由边界条件下的模态分析（即不添加任何边界支撑和约束力，计算车架的自由模态。
）和添加6个车架的边界条件状态下的模态分析（左右板簧4个，前轮支撑轴承处2个）。
车架CAE模态分析过程
jacobian≥0.6
TRIA单元数≤6%；除结构限制外，不允许有两个以上的TRIA单元连
质
在一起。
量
通用2D网格标准
检
采用10mm，允许出现小单元，但最小尺寸不能小于2mm。基本参 数如下：
查
1、Min size 5mm, max interior angle quad: 135
2、max length 15mm, min interior angle quad: 45
6.3定义模态范围 使用阶数定义模态范围时不要忘记自由模态前6阶问题。
六
模 态 设 置
CAE
6.4定义工作步 Output----displacement---arguments---argument2 Displacement(plot)=all
六
模 态 设 置
CAE
6.5定义控制卡片 模态分析需要定义sol和param两个控制卡片
7.2模态振型 二扭：28.29Hz。
七
结 果 读 取
CAE
7.2模态振型 局部模态：38.05Hz。
七
结 果 读 取
CAE
7.2模态振型 局部模态：38.05Hz。
七
结 果 读 取
谢谢!
析
析
读
设
检
连
划
流
意
取
置
查
接
分
程
义
CAE
4.1 刚性连接 rbe2
四
部 件 连 接
CAE
4.2 螺栓连接
四
部 件 连 接
CAE
4.3 焊点连接
四
部 件 连 接
七
六
五
车架模态分析报告(二)
车架模态分析报告（二）引言概述：车架模态分析是指对汽车车架进行振动模态的分析和研究，旨在评估车架的结构强度和稳定性。
本报告是车架模态分析的第二部分，将针对车架的振动模态进行详细的解析和探讨。
通过分析车架的振动特性，可以进一步改善汽车的舒适性和操控性，提高车辆的性能和安全性。
正文：1. 振动模态的测量与分析1.1 选择合适的测量设备和传感器进行振动模态的采集1.2 采集车架振动数据并进行预处理1.3 分析车架振动模态的频率和阻尼特性1.4 对车架振动模态的测量结果进行验证和校准1.5 基于振动模态的分析结果提出改进方案和建议2. 车架的固有频率与模态分布2.1 研究车架的固有频率和模态分布对车辆的动力学性能有着重要影响2.2 分析车架在不同频率下的振动响应特点2.3 探讨车架振动特性与车辆驾驶舒适性的关系2.4 分析车架振动模态对车辆操控性能的影响2.5 提出调整车架结构或材料的建议以优化固有频率和模态分布3. 车架的振动模态与结构相互关系3.1 研究车架振动模态与结构的相互关系可以揭示车架的强度和稳定性3.2 分析车架结构参数对振动模态的影响3.3 探讨车架材料的选择对振动模态的影响3.4 分析振动模态与车架结构缺陷的关系3.5 基于振动模态与结构相互关系提出车架优化设计的建议4. 车架振动模态的模拟与仿真4.1 采用有限元分析方法建立车架的振动模型4.2 对车架模型进行应力和振动响应的数值模拟4.3 分析仿真结果与实际测试结果的一致性4.4 基于仿真结果提出车架结构优化的方案和策略4.5 验证优化方案的有效性并进行必要的调整和改进5. 车架模态分析的应用和推广5.1 振动模态分析在车辆工程中的应用前景和意义5.2 探讨车架振动模态分析技术的改进和创新5.3 分析车架模态分析在新能源汽车和智能驾驶领域的应用5.4 推广车架模态分析技术的必要性和难点5.5 提出进一步研究车架模态分析的方向和思路总结：本报告对车架模态分析的各个方面进行了详细的阐述和探讨。
汽车车架的动力学分析--模态分析
北京科技大学机械工程进展（论文）题目：汽车车架的动力分析计算（模态分析）院别：机械工程学院专业班级：机研106班学生姓名：学号：导师：评分：2010年11月26日轻型载货汽车车架模态分析摘要：车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。
所以对车架的结构十分重要。
本文主要采用有限元方法对车架的进行模态分析，研究了车架结构与其固有频率及其振型的关系, 给出车架在一定约束下的固有频率及固有振型，为解决车架结构的动力学问题和结构的改进提供了一定的依据。
关键词：有限元方法；车架；固有频率；模态分析1 引言车架是一个弹性系统，在外界的时变激励作用下将产生振动。
当外界激振频率与系统固有频率接近时，将产生共振。
共振不仅使乘员感到很不舒适，还会带来噪声和部件的疲劳损坏，威胁到车架的使用寿命和车辆安全。
车架是一个多自由度的弹性系统。
因此，它也有无限多的固有振型，而作用在车架上的激励来自于悬架系统、路面、发动机、传动系等的振动，这些振动对车架的激励可以认为是全频率的，但是，路面和悬架系统对车架结构激励的特点一样，每种激励在所有频率范围内并不是等能量分布的，所以，试图在所有频率上消除作用在车架上的激励，与车架结构的某些振型的共振是不可能。
因此，只有将注意力集中在各激励的能量集中的频率上，使之与所关心的车架的某阶振型不发生共振。
因而对车架进行模态分析以掌握车架对激振力的响应，从而对车架设计方案的动态特性进行评价，己经成为车架设计过程中必要的工作[1]。
2 模态分析理论基础在有限元分析程序中，振动方程表示为：1-1该方程可作为特征值问题，对无阻尼情况，方程可简化为：1-2其中。
ω2(固有频率的平方)表示特征值;{μ}表示特征向量，在振动的物理过程中表示振型，指示各个位置在不同方向振动幅值之间的比例关系，它不随时间变化。
对有阻尼情况，振动方程可转化为:1-3以上各式中，[M]为结构的质量矩阵;[C]为结构的阻尼矩阵;[K]为结构的刚度矩阵;{μ}为结构的位移列阵;为结构的速度列阵;为结构的加速度列阵。
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车架的模态分析
Frame模型的模态分析
班级：T943-1
姓名：王子龙
学号：20090430124
Frame模型的模态分析
T943-1-24王子龙20090430124
一、模型问题描述
1、如图所示1，机架为一焊接件，材料为结构钢，在两根长纵梁的八个圆孔内表面采用Cylinder
Support约束，分析结构的前6阶固有频率。
2、在短纵梁2另一侧增加一短纵梁，使其于短纵梁1对称，分析新结构的前6阶固有频率，并与
原结构对比。
短纵梁
短纵梁
图1 机架模型
二、模型分析
（一）无预紧力情况
1、导入模型：打开ANSYS Workbench，从左侧工具栏中双击Modal（ANSYS），右击A3项，右键选择
Import Gemetry→Browse，找到文件Frame.x_t点击打开，然后双击A4栏，打开Mechanical窗口。
2、施加约束：选择左侧结构树中的Modal，选择两根长纵梁的八个圆孔内表面，右键选择Insert→
Cylindrical Support，如图2所示。
图2 八圆孔内表面施加约束
3、在solution（A6）中插入Toal Deformation，点击Solve求解，求解结果如图3所示。
图3 无应力时的变形图及6阶频率
（二）有预紧力情况
1、回到Workbench界面，从左侧工具栏中的Static Structural(Ansys)拖至A4栏，如图4所示，双
击B5栏，进入Mechanical窗口。
图4 拖拽Static Stuctual(ANSYS)到A4
2、按住“shift”键，选择A5分支中Cylindrical Support，右键选择Copy，右键单击B5项，选择
Paste。
3、在Static Structual（B5）中施加载荷：选择焊接件底面insert→Force，Force=4000N，如图5所
示。
图5 施加预紧力
4、在Solution（B6）中插入Equivalent Stress，点击Slove求解，如图6所示。
图6 Equivalent Stress图
（三）模态分析
1、建立模态分析项，上面进行了静态结构分析，下面在此基础上进行预紧力的模态分析。
操作时先回
到Workbench窗口，再在鼠标点亮B6栏（Solution），右键弹出菜单中选择Transfer Data to New-Modal（ANSYS），如图7所示。
图7 建立有预紧力的模态分析项
2、在Solution（C6）中插入Toal Deformation，点击Solve，结果如图8所示。
图8 有预应力时的变形图及6阶频率
（四）有无预应力对比分析
频率/Hz 最大形变
/mm
1 2 3 4 5 6
无预应力296.77 381.67 422.21 624.43 647.16 657.56 11.59 有预应力296.77 381.67 422.21 624.36 647.15 657.4 11.59
表1 有无预应力6阶频率及最大变形
得出结论：有无预紧力其模态分析结果变动幅度不大。
（五）在短纵梁2另一侧增加一短纵梁，使其与短纵梁一对称
1、导入模型：打开ANSYS Workbench，从左侧工具栏中双击Modal（ANSYS），右击A3项，右键选择
Import Gemetry→Browse，找到文件Frame.x_t点击打开，然后双击Gemetry。
2、冻结模型和建立Plane4，选择Tools→Freeze，然后建立Plane4，如图9所示。
图9冻结模型和建立Plane4
3、切分，选择Create→Slice，Bases Plane选择Plane4，点击Apply后，点击Generate完成操
作。
如图10所示。
图10 切分
4、建立Plane5，如图11所示。
图11 建立Plane5
5、选择Create→Body Operation进行镜像操作，Bodies选择为短纵梁1，Mirror Plane选择为短
纵梁2外表面，点击Generation，如图12所示。
图12 镜像图
6、按下Ctrl，选中左侧模型树中的4个Solid，右键选择From New Part，如图13所示。
图13 形成一个part
7、解冻结，选择Tools→Unfreeze,点击Generate，如图14所示。
图14 解冻结
（六）加梁无预紧力情况分析
在solution（A6）中插入Toal Deformation，点击Solve求解，求解结果如图15所示。
图15无应力时的变形图及6阶频率
（七）加梁有预紧力情况的分析
在Solution（B6）中插入Equivalent Stress，点击Slove求解，如图16所示。
图16 Equivalent Stress图
（八）加梁模态分析
在Solution（C6）中插入Toal Deformation，点击Solve，结果如图17所示。
图17 有预应力时的变形图及6阶频率
（九）加梁有无预应力对比分析
频率/Hz 最大形变
/mm
1 2 3 4 5 6
无预应力292.86 377.55 422.6 618.81 636.11 648.62 11.173 有预应力292.87 377.54 422.61 618.89 636.13 648.77 11.174
表2 有无预应力6阶频率及最大变形
得出结论：加梁有无预紧力其模态分析结果变动也幅度不大。
（十）加梁与不加梁分析
加梁之后频率有所降低，变形减小，因此加梁有利于模型承受力，而且通过模态分析了解到6阶频率变化。
三、学习Workbench心得体会
通过本学期ANSYS Workbench课程的学习，我们初步了解建模步骤，学会操作建模，而且学会模态分析，拓扑优化，网格划分，静力分析，摩擦系数设定等问题，通过此软件可以分析到物件的最大位移，最大应力，并且了解到了应力集中解决方法，从而对每个实体进行优化，以达到所模型的优化设计，达到要求，本课程老师耐心，受益匪浅，以后继续学习ANSYS软件，达到熟练程度。