Hypermesh助力皮卡车架模态分析：参赛作品展示

摘要：应用Hypermesh 分析某皮卡汽车车架的固有频率，验证与外部激励发生共振的可能性，同时得出分析结论。

关键词：Hypermesh 车架结构 有限元

1 概述

HyperMesh 是一个高性能的有限单元前、后处理器，让用户在交互及可视化的环境下验证各种设计条件。HyperMesh 的图形用户界面易于学习，支持CAD 几何模型和已有的有限元模型的直接输入，可减小重复性建模工作；其后处理工具能形象地表现复杂的仿真结果。HyperMesh 具有很高的速度，很好的适应性和可定制性，并且对模型规模没有限制，现已成为国内以及国际上汽车界的主导CAE 分析软件。

车架结构模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是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，它不仅是控制汽车常规振动的关键指标而且反映了汽车车身的整体刚度性能，而且，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。实践证明，用有限元法对车架结构进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有振型等有充分认识，尽可能避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计，使车架结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法。该皮卡车架的分析流程如图1 所示。

2 车架有限元模型的建立

采用UG 软件对该皮卡车架进行三维建模，并通过PARASOLID 格式转入到HyperMesh中，模型分别如图2 和图3 所示。为了保证计算结果的正确性和经济性，在建模过程中尽量保持和原始结构一致的同时，也需要进行必要的简化。因为过于细致地描述一些非关键结构，不但增加建模难度和单元数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。

对于必要的简化要以符合结构主要力学特性为前提。车架结构中的小尺寸结构，如板簧吊耳、副簧限位件等，对车架的整体振型影响不大，可以忽略不计。而对于链接两个零件的铆钉，则采用刚性单元代替。

车架结构都采用板壳单元进行离散。单元形态以四边形单元为主，避免采用过多的三角形单元引起局部刚性过大；为了使整个车架有限元模型规模不致过大保证计算的经济性，单元尺寸控制在10～25mm。车架板壳结构的材料参数取:弹性模量E＝2.07e11pa，伯松比u＝0.3,密度均取：ρ＝7830kg/m3。模型规模：车架单元总数为16606 个，节点总数为16862 个。

3 车架结构振动分析

在汽车设计领域，伴随着计算技术的迅猛发展，有限元分析在汽车数字化开发过程中获得了广泛的应用，尤其是对轿车承载式车身基本力学性能的分析，已经作为新产品开发设计中结构分析的主要内容。然而对于皮卡车,目前还没有明确的设计标准，所以概念设计阶段的有限元分析校核往往容易被忽视。也正因此，国内某些车型在投产后出现了局部损坏和驾驶室共振问题，给企业造成了声誉和经济上的双重损失。为避免同类问题的出现，缩短开发周期，本文以大型有限元软件HyperWorks 和Optistruct 为平台，对某皮卡汽车车架数模进行了有限元分析，并依据分析结果对结构设计作出了评价，使企业在概念设计阶段便可以了解产品基本力学性能，从而有的放矢的进行结构分析改进，避免重复设计。

3.1 自由模态分析的边界条件为：无任何约束。

本计算采用自由模态分析方案，将Hypermesh 中建立的有限元模型导入OPTISTRUCT 进行计算，对比分析了车架结构前4 阶自由模态（固有频率值和振型），并在Hypermesh 后处理器中查看结果。由于对驾驶室的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，为此分析了车架前4阶典型振型。模态分析结果如表1 所示。

4 结论

汽车的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多为1～3Hz，对低频振动影响较大；因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11Hz，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免；发动机引起的扭转振动和垂向激振分别在10±1.67Hz 和20±1.67Hz 以上（取怠速为600r/min，4 缸发动机），此激励分量较大；城市中一般车速控制在40～80km/h ,高速公路上一般车速控制在90km/h 左右, 传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在30Hz 以上,此激励分量较小。从模态分析结果可知，该皮卡车架各低阶模态频率值在24.65hz 左右，对驾驶室的影响不大，不会和路面激励形成共振。

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