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基于ANSYS的轻卡车架模态分析及结构优化

孙加龙肖平

摘要：为了研究轻型卡车车架结构的动态特性，对其车架结构进行有限元模态分析及优化设计。首先，运用SolidWorks2020软件建立轻卡车架三维实体模型，进而利用ANSYSWorkbench2021软件进行模态分析，得到前6阶固有频率，并与车架激励频率进行对比研究，从而对轻卡车架进行结构优化，将优化结构的固有频率再与激励频率进行对比分析。

关键词：轻卡车架ANSYS模态分析结构优化

Abstract：Inordertostudythedynamiccharacteristicsoflighttruckframestructure，thefiniteelementmodalanalysisandoptimizationdesignoftheframestructurewerecarriedout.Firstofall，SolidWorks2020softwareisusedtoestablishathree-dimensionalsolidmodelofthelighttruckframe，andthenANSYSWorkbench2021softwareisusedformodalanalysistoobtainthefirstsixnaturalfrequencies，whicharecomparedwiththeexcitationfrequencyoftheframe，soastooptimizethestructureofthelighttruckframe，andthencomparethenaturalfrequencyoftheoptimizedstructurewiththeexcitationfrequency.

Keywords：lighttruckframe，ANSYS，Modalanalysis，Structuraloptimizati

车架作为轻型卡车的核心部分，车架上安装有发动机、变速器等重要部件，且承受货箱及货物的重量。汽车是一个复杂的多自由度振动系统，在车辆行驶过程中，车架受力复杂，当外界激励频率与自身固有频率相同时，则车架发生共振，进而影响车辆平顺性与安全性，严重则会直接对结构造成破坏。本文已轻型卡车车架作为研究对象，对其进行模态分析与结构优化，避免车架发生共振，为轻卡车架设计制造提供有价值的参考。

2轻卡车架建模

2.1三维实体建模及简化

运用Solidworks2020对轻卡车架主梁、中梁、尾梁、前横梁、加强轴等零件进行三维实体建模，再将其进行装配，集成为车架装配体。车架总长6米；总宽8.42米；前横梁、加强轴、元宝梁、尾梁各1根；主梁2根；中梁3根；铆钉若干。材料选用Q235。Q235材料屬性如表1。车架模型如图1所示。

2.2有限元模型

本文运用的是ANSYSWorkbench2020软件进行模态仿真研究，将轻卡车架三维实体模型导入ANSYSWorkbench软件，装配体导入DM后没有任何装配关系，每个零部件都是完全独立的。为了方便仿真计算，删除铆钉等多余零件，并运用布尔运算将车架主梁、中梁、尾梁、前横梁、加强轴等零件连接成整体。然后进入设置模块进行网格划分，本文网格采用自动划分功能，由于整体模型较大，网格尺寸设置为0.05m，偏斜度设置为小于2，平滑设置为中等，其它设置保持默认即可。网格划分后，轻卡车架模型具有202568个节点，101857个网格。有限元模型如图2所示。

3模态分析

在实际工程中，由于车架所受到的约束非常负责，且包含非线性因素，大部分约束都不是完全刚体。若在有限元分析时，对车架进行固定支撑设置，及约束部分为0位移，则结果可能与实际情况差距很大。所以本文模态分析采用自由模态分析，求解轻卡车架前12阶模态，舍弃前6阶刚体模态，保留其后6阶结构模态，为方便理解，7～12阶模态后文称1～6阶模态。轻卡车架1～6阶模态振型如图3所示。

在车辆行驶过程中，因路面不凹凸不平引起的激励频率一般为1～20Hz。此外，发动机怠速引起的外界激励频率也是造成车架共振的主要因素，其激励频率公式为：

z—发动机缸数；

—发动机冲程数；

n—发动机转速。

本文研究车架所用发动机为4缸4冲程，怠速区间为500～600r/min，取其怠速时最高转速，则计算得到怠速时，激励频率为20Hz。即若想避免轻卡车架产生共振，其结构固有频率需大于20Hz。

由模态结果可知，轻卡车架前6阶固有频率为17.004～83.1