货车车架的建模与模态分析
有限元建模方法
却未 在与 枝群 头芳 独同 欢温 笑暖
固定端杆件的受力 a-工程系统；b-有限元模型
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4、建立有限元模型的一般过程
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二、车架基本结构
车架是一个大型复杂的装配体，很难把所有的结构建 立有限元模型，因而在尽可能反映车身结构主要力学特性， 保证结构同样准确的前提下，对构件进行相应的简化。省 略车架构件中对车架的整体振型影响丌大的小尺寸结构， 比如弹簧吊耳，拉支架，焊接线夹等。忽略车架的焊缝及 所有工艺孔，将所有倒角和过渡圆角简化为直角等，简化 后的车架装配图。
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2）．单元数据
(1)单元编号 (2)组成单元的节点编号 (3)单元材料特性值 (4)单元物理特性值 定义单元本身的物理特性和辅助几何参数，如弹簧单元 的刚度系数、间隙单元的间距、集中质量单元的质量、板 壳单元厚度和曲率半径等。 (5)一维单元的截面特性值 截面特性包括截面面积、惯性矩、极惯性矩、弯心位置、 剪切面积比等，截面特性通常由定义的截面形状和大小由 软件自动求出。 (6)相关几何数据 描述单元本身的一些几何特征，如单元材料的主轴方向、 梁单元端节点的偏移量和截面方位、刚体单元自由度释放 码等。
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三、车架有限元分析及结果
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四、总结
本文在以往对越野车车架，轻型货车车架和电动汽车车 架实例的基础上，利用有限元软件Hypermesh建立车架有 限元模型。再利用Nastran求解器对车架进行自由模态分 析，得到车架结构的固有频率和振型模态分析结果丌仅反 映了结构的动态特性，而且可以帮助设计人员在后续设计 中尽量避开这些频率或最大限度地减小对这些频率的激励， 从而减少共振和噪声，提高整车的平顺性和舒适性，同时 为结构的进一步改进提供理论依据。
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）。
载货车车架参数化建模技术的研究
(1)圆形截面（图 2a）
2 13
4
（a） 1
23 （e）
21
3 21
12
34 （b） 2
3 14
（f）
654 （c）
34
25
1
计方法。 边梁式车架是由两根纵梁和若干根横梁 组成，整体形式有前后等宽、前窄后宽、前低后高 等几种形式。 重型汽车车架纵梁一般为等截面, 但 有的也根据整车布置要求做成变截面。 由于重型 汽车前部一般受力较小， 因此变截面的车架纵梁 主要是前小后大。 改变截面的方式有两种：一种为 槽形截面梁的翼面变小， 一种为槽形截面梁的腹 板变小。 不管哪一种方式，都必须均匀过渡，以避 免应力集中[5]。 纵梁的截面形状一般为槽形、Z 形 和箱形等，横梁的截面形状比较多，因此要应用参 数化建模的方法建立载货车车架的几何模型，必 须正确地确定建立各种截面所需要的参数。 2.2 参数的确定
以槽形截面的纵梁为例说明参数化建模过程 中参数的选择与确定方法。
由图 1 可见，建立该段槽形梁，首先要确定该 槽形梁的左、右截面，而左、右截面分别由四个关 键点和连接这四个关键点的三条线所决定。 因此， 决定左右截面的参数就分别为确定四个关键点位 置的几何参数以及确定关键点连接方式的拓扑参
－ 13 －
5 结论
本文针对载货车车架在传统建模过程中存在 的周期长、效率低的问题，对车架的参数化建模方 法进行了研究。 实现参数化建模也是近年来许多 行业的结构分析技术人员关心的问题。 但由于 ANSYS 的可交互性差， 使得在 ANSYS 中建模成 为非常庞大而又有大量重复性的工作。 实现车架 建模的参数化，则可缩短有限元的分析时间，而且 可以减少重复工作量， 从而把分析人员从繁重的 建模工作中解脱出来。
车架有限元分析
车架有限元建模及模态分析栾富钰(济南大学机械工程学院，山东济南250022）摘要：有限元方法和软件技术在汽车结构分析中了极其重要的位置。
本文主要结合越野车车架，轻型货车车架和电动汽车车架实例，利用Hyperworks建立以壳单元为基本单元的车架有限元分析模型，论述了有限元建模流程和建模过程中应该注意的事项。
应用Optistuct 求解器对车架进行模态分析，分析该车架自由状态下的前十阶固有频率及振型特性，为车架响应分析提供了重要的模态参数，同时为该车的结构改进提供了理论依据。
关键词：车架；有限元；模态分析1前言模态的设计与分析方法是现代设计方法之一，它克服了静态方法的局限性，强调从结构的整体考虑问题，在性能校核中考虑了振动的因素。
车架是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外载荷的主要结构。
车架是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置。
因此，车架工作时要承受扭转弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力，同时受到来自路面和车桥的激振而产生振动，设计中除了要有足够的强度足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度保证汽车对路面不平度的适应性外，合理的振动特性也是十分重要的，以避免汽车在使用过程中各部件之间产生共振，导致某些部件的早期损坏，降低汽车的使用寿命。
因此，车架结构模态分析在现代汽车结构设计中具有十分重要的意义。
2车架的基本结构车架是一个大型复杂的装配体，很难把所有的结构建立有限元模型，因而在尽可能反映车身结构主要力学特性，保证结构同样准确的前提下，对构件进行相应的简化。
省略车架构件中对车架的整体振型影响不大的小尺寸结构，比如弹簧吊耳，拉支架，焊接线夹等。
忽略车架的焊缝及所有工艺孔，将所有倒角和过渡圆角简化为直角等，简化后的车架装配图如图 1 所示。
图 1 车架三维装配图2有限元分析的流程有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
载重货车车架设计及有限元分析
摘要汽车车架是整个汽车的基体，是汽车设计中一个重要的环节。
车架支撑着发动机离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的重要机件，承受着传给它的各种力和力矩。
因此，车架必须要有足够的弯曲刚度，也要有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命。
同时，随着现在汽车的发展，载重货车的乘坐舒适性，操控性能也在不断提高，因此车架的设计还应同时兼顾舒适性和操控性。
本文以商用载重货车为研究目标，结合货车的各项参数，对车架进行设计。
确定了车架总成以及纵梁横梁的各项参数。
运用solidworks软件做出了车架的三维模型图。
同时利用ANSYS WORKBENCH有限元分析软件对车架的四种典型工况做出静力分析，得到各种工况下的变形情况和应力分布情况，同时对车架进行了模态分析。
最后根据分析结果对车架做出优化建议。
关键词: 载重货车；车架；结构设计；有限元分析IABSTRACTThe vehicle frame is the base of the car, is one of the most important parts in the automobile design. Frame supports the engine clutch, transmission, steering gear, non bearing body and the container all spring quality the important parts, bear and pass it on to all kinds of force and moment. Therefore, the frame must have enough bending stiffness, also want to have enough strength, to ensure sufficient reliability and life. At the same time, with now the development of automobile and truck ride comfort, handling performance also continues to increase, so design of the frame should also combine comfort and handling.In this paper, the commercial truck as the research objective, combined with the parameters of the truck, the frame design. Frame assembly and the longitudinal beam parameters were determined. The 3D model chart of the frame was made by SolidWorks software.. At the same time, the finite element analysis software ANSYS Workbench of the frame of four kinds of typical working conditions to make static analysis, obtained under various conditions of deformation and stress distribution, and the modal analysis of the frame. Finally, according to the results of the analysis of the frame to make optimization recommendations.Keywords:Truck； frame；structure design；finite element analysisII目录摘要 (I)ABSTRACT .................................................................................... I I 1 绪论 .. (1)1.1车架总成概述 (1)1.2国内外研究情况及其发展 (2)2 车架总成设计 (6)2.1参考车型及其参数 (6)2.2车架类型的选择 (6)2.3车架设计的技术要求 (11)2.4车架的轻量化 (13)2.5车架的参数设计 (13)3 车架的有限元静力学分析 (19)3.1车架几何模型的建立 (19)3.2车架有限元模型的建立 (19)3.3车架的静力学分析 (21)3.4 基于静力分析的车架轻量化 (32)4 车架的模态分析 (34)4.1车架模态分析的基本理论 (34)4.2车架有限元模态分析结果 (36)4.3车架外部激励分析 (40)5 总结与展望 (42)III5.1总结 (42)5.2工作展望 (43)参考文献 (45)致谢 (47)IV1 绪论1.1车架总成概述汽车车架是整个汽车的基体，是将汽车的主要总成和部件连接成汽车整体的金属构架，对于这种金属构架式车架，生产厂家在生产设计时应考虑结构合理，生产工艺规范，要采取一切切实可行的措施消除工艺缺陷，保证它在各种复杂的受力情况下不至于被破坏。
基于有限元的半挂车车架阵型模态分析
基于有限元法的半挂车车架振型与模态分析汽车服务工程专业丁建建指导老师吴永海摘要车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的各种载荷最终都传递给车架，因此，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计的成败。
随着汽车工业的高速发展，对汽车的性能要求越来越高，这使得传统的设计计算方法已经无法满足现代汽车设计的要求。
有限元法的飞速发展为车架的结构性能的计算分析带来了新的革命。
本课题采用有限元方法对HYG9386半挂车车车架结构进行振型模态分析,运用Solidworks对车架进行三维建模,通过Ansys软件进行模态分析,计算了车架在施加位移约束下的前二十阶模态特性，识别出车架振型的模态参数,获得了车架在该状态下的固有频率和振型特征。
关键词半挂车，车架，有限元，模态分析1绪论1.1研究的目的和意义车架作为支承连接汽车的各零部件是汽车的主要骨架之一，它是整个整个汽车的基体。
整车的绝大多数部件和总成(包括地板、侧围、悬架和发动机等)都是通过车架来固定位置的,它将汽车的各总成有机连成一体。
汽车在行驶过程中作用在汽车各部件上的载荷都是动载荷，结构上产生的位移、应力、应变不仅随其在结构中的空间位置变化，车架要承受扭转、弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力，同时受到来自路面和车桥的激振。
当载荷的频率与结构的某些固有频率接近或相等时，结构将产生强烈的共振，从而引起很高的动应力，它会使汽车各部分之间产生剧烈振动，会出现噪声过大，早期损坏汽车的某些部件的现象，降低汽车的使用寿命。
设计中除了要有足够的强度、足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度保证汽车对路面不平度的适应性外，合理的振动特性也是十分重要的，因此车架对整车的刚强度、抗疲劳等性能和汽车的振动频率有非常重要的影响。
车架结构的模态分析是汽车新产品开发中结构分析的主要内容，尤其是车架结构的低阶弹性模态，它不仅反映了车架的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。
BJ01C7车车架建模及模态分析毕业论文
河北工业大学毕业论文作者：曾祥雷学号：100282学院：机械学院系(专业)：车辆工程题目： BJ01C7车车架建模及模态分析指导者：崔根群教授评阅者：(姓名) (专业技术职务)2014年 5月 24日BJ01C7车车架建模及模态分析摘要：车架也称大梁。
每辆汽车的主体，由两根纵梁和5~8根横梁组成，经由各种设备安装在车轮上。
汽车的很多总成都是联系在车架上，在车架上连接支承的部件，可以保持位置的合理正确性。
车架还能承受汽车的各种载荷。
保证汽车的总体质量。
汽车的车架是一个重要的汽车结构，可以说，车架的质量直接影响了汽车的质量。
为了使汽车在强度和刚度上有一定的量度来承受汽车所受载荷及冲击，在设计过程中引入了有限元分析。
本课题针对BJ01C7的需求，绘制了车架的三维模型，对BJ01C7车车架的模型进行修改，分析和计算。
本次毕设把CAD的二维制图技术、UG的二维草图设计和三维模型建立应用到车架结构中，并成功运用Nastran软件来进行车架的模态分析，得到车架的各阶固有频率和固有振型。
并对数据进行合理分析。
然后基于分析结果提出改进意见。
关键词：车架设计建模有限元分析模态分析目录1.绪论······································································错误!未定义书签。
重型货车车架模态分析与优化设计
中选择兰索 士法提取车架 的前 ｌ ０阶固有频率和振 常工作的频率范围； （） ３ 车架 固有频率 ， 应避 开路 面不平度 的激励 型 ， 阶频 率值及振型 （ — 阶为刚体运动 ， 各 １ ６ 频率为 频率 ； 零） 分别见表 １ 和图 ２ 。 （） ４ 车架固有频率间有一定距离 ， 避免频率耦合。 表 １ 车架前 １ ０阶模态频率和振型描 述
收稿 日期 ：０ ２ ０ — ５ ２ １ — １ １ 作者 简介 ： 欧阳天成（ ９ ６ ）男 ， 西桂 平人 ， １ ８一 ， 广 硕士研究 生 ， 研究方 向 ： 动力机械及工程 。
１ ９
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ４， ０ ２ ｎ ｆ ｃｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ． ２ １ ｉ
３ ４
５
２． ３２ ８ ３． ２４ ０
３． ７８ ７
一阶外张
８
５． 二阶扭转 ２９ ４ ５． 局部二阶弯 曲 ７９ ４
嘉
（ ４ ）
一阶扭转弯 曲 ９
：阶侧向弯 曲 １ ６ ．１ 兰阶弯 曲 ０ ２４
式中，
（） １ ａ第 阶模态
为发 动机 转速 ，ｍｉ； ｒ ｎ ／ 为发动机的缸数 ； 为发动机冲程数 。 货车使用六缸四冲程发动机 ， 怠速转速为 ７０ ０ ７ ０ ／ｉ， ３ ｍｎ 所以发动机激振频率为 ３ ～３． Ｈ 。 ｒ ５ ６ ｚ ５
中图分类号 ：４ ３３ Ｕ ６． ２
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：６ ２５５ （０ ２０ ＿ ０ ９ ０ １ ７— ４ × ２ １ ）４ ０ １ － ３
重型货车在交通 运输 领域 中起到重要作用 ， 车 架是整个汽车 的基体 ， 是发动机 、 车身 和悬架等部件 的安装基础 ，并承受来 自车 内外 的各种载荷 ，其强 度、 刚度及动力学特性 ， 直接影响整车性能和使用寿 命 。由于车架结构的复杂性和行驶条件的多变性 ， 车 架的设计和校核基本 以静强度为基准 ，但是在行驶 过程 中 ，车架受到多种动载荷 ，如发动机 的振动载 荷、 路面随机振动载荷等 ， 这些动载荷可能引起整车 和局部的动态响应 ， 导致车架产生共振 。 模态分析是动态分析的基础 ，为了提高汽车的 通过性 、 操纵稳定性和平顺性 ， 有必要对车架做模态 分析 ， 确定其动态特性。 本文通过有限元软件 Ａ Ｓ Ｓ ＮＹ
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货车车架的建模与模态分析
摘要：车架作为载货汽车的承载基体，对整车的性能有很大的影响，利用catia软件对汽车车架进行建模，对所建模型划分网格，并对其加载，进行强度和刚度校核，对车架模型进行束模态分析。
通过分析，得到车架各阶固有频率和振型，知道车架的弯曲和扭转情况，在车架设计中就可以尽可能地避免共振。
关键词：车架；建模；模态分析
一、课题研究意义
对于载货汽车来说，车架是承受载荷的主体，对整车的性能有很大的影响。
上世纪五六十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核是依靠传统的经验及方法[1]。
这种方法对结构做了大量的简化，因此简单易行，但是设计中很容易出现车架各部分强度分配不合理的现象，达不到对车架进行优化设计的目的。
有限元法能对工程实际中几何形状不规则、载荷和支承情况复杂的各种结构以及零部件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论是形状还是载荷都相当复杂，所以有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具[2]。
利用模态分析，可以从设计上避免车架的共振现象[3]。
利用有限元分析的方法，对于加快产品的开发速度、降低设计成本、提高产品竞争力有重要意义。
二、ca1091k2型汽车车架静态分析
1.建立有限元模型和划分网格。
首先在保证车架主要特性、确保网
格划分顺利进行的同时对ca1091k2型汽车车架局部简化。
利用catia软件对车架进行实体建模，建立的简化后的车架模型如图2-1所示。
图2-1〓简化后的车架模型
对建立的实体模型，利用catia软件中的“分析与仿真模块”来进行模型网格的划分，在此模块中，对横梁、纵梁等其他零件设置各个参数，选用四节点直边单元生成网格，最终建立了69587个节点，划分的单元数为276378个。
2.车架的强度和刚度分析。
汽车在实际行驶过程中，车架主要受动载荷的作用[4]，而动载荷的大小又取决于动载系数的大小。
动载荷系数主要由三个因素决定：道路不平度、汽车的行驶状况（如车速）和汽车的结构参数（如悬架的刚度、车轮刚度、汽车的质量分布等）。
fzs=kxs×■fz （2-1）
其中：kzs为动载系数
kzs=1+■（2-2）
式中：c1、c2——前、后悬架刚度，c1=185n/mm，c2=362n/mm.
?姿——经验系数，取?姿=1000（km/h）2；va——车速，该车取
va=80km/h
ga——自重，ga=43000n；h——路面不平度，取h=80mm
根据等式2-2计算得到kzs=2.08，取kzs=2.1，符合常规设计kzs=2.0～2.5的要求。
将等式2-2所得的kzs代入等式2-1，计算得fzs=1228205n，经有限元分析得到的车架应力分布图如图2-2所示。
图2-2 垂直动载荷作用下应力分布图
从应力云图中可以看出，汽车在路面不平度为80毫米，车速为80千米/时。
在垂直动载作用下车架的变形主要以弯曲变形为主，变形幅度不大，各测点的应力值都满足材料的屈服极限，而且远小于材料的强度极限。
当车架上作用有对称垂直载荷时，结构处于弯曲工况，其整体的弯曲刚度可以由车架的最大垂直挠度来评价[5]。
约束前悬架与车架连接点的三个平动自由度以及后悬架与车架连接点的y，z两个平动自由度，对模型进行加载，所得的位移图如图2-3所示，车架的最大垂直挠度比较小，符合设计要求。
图2-3 车架受垂直动载荷时的位移图
三、车架的模态分析
对车架模型设置边界条件及施加载荷，设置完成后便可以进行模态分析了。
选择里兹法进行约束模态分析，求得前四阶的模态频率振型，分别如图3-1、3-2、3-3、3-4所示。
图3-1 车架一阶模态振型（频率42.67hz）
图3-2 车架二阶模态振型（频率66.13hz）
图3-3 车架三阶模态振型（频率91.37hz）
图3-4 车架四阶模态振型（频率105.47hz）
从以上四阶振型图可以看出，车架的固有振型分为两类：一类是车架的整体振动，另一类是以车架一个或几个部分振动为主的局部振动。
其中，在第一、二阶车架主要表现为横梁和纵梁的弯曲变形，属于第二类；第三、四阶主要为车架的弯扭变形为主，属于第一类。
车架激励一般来源于路面和发动机。
路面的激励频率多在20hz以下，该车发动机的怠速为700转/分钟，相应发动机的爆发频率为23hz，经常使用的车速是60~80千米/小时，发动机爆发频率为
50~65hz。
根据车架的分析结果可知，车架的第二阶模态频率
66.13hz与65hz相接近，因此车架的动态特征还需要改进，使其远离发动机的爆发频率。
本文对ca1091k2型货车车架进行了建模，并进行了刚度、强度校核，体现了有限元分析设计快速、准确、高效的特点。
在此基础上对车架模型进行了约束模态分析，做出了车架的动态特征，为车架避免共振和优化提供了有力的基础。
参考文献：
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[3]李阳，唐应时.自卸车车架静动态计算分析[j].汽车技术，2005：68-70.
[4]梅威.轻型载货汽车边梁式车架的模态分析[j].机电产品开发
与创新，2005：56-58.
[5]robert j.melosh.finite element analysis of automobile structure[j].sae 740319，2003：89-93.。