基于hyperworks的重卡车架模态分析与结构优化.pdfVIP

Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 基于HyperWorks 的重卡车架模态分析与结构优化 王朋波 卢晨霞 长安汽车北京研究院，北京 100081 摘要：本文采用Altair.Hyperworks 对一款冲压铆接自卸车架进行仿真分析。在HyperMesh 环 境中采用刚性单元和梁单元的组合来模拟铆钉连接，能提供较高的计算精度。利用OpitiStruct 进行自由模态分析，模态分析的结果表明该车架具有合理的低阶振型和固有频率。本文还利用 Hypermorh 网格变形工具和OptiStruct 优化工具对车架横梁的位置进行优化设计，使车架的一 阶扭转固有频率有一定的提升。 关键词：车架；有限元；模态分析；结构优化 0 引 言 [1] 汽车车架是发动机、底盘、车身及其它总成的安装基础和关键承载部件 。汽车实际行驶 时，车架受动载荷作用产生振动，会加速某些汽车构件的损坏，增加环境噪声，另一方面还会 加速驾驶员的疲劳。 对于车架受较小动载荷的情况，只需进行静态分析即可[2] ；若受较大动载荷较大，或其作 用力的频率与车架某些固有频率接近时，车架结构将产生强烈的振动，引起很高的动应力，造 成强度破坏或产生不允许的大变形。因此我们有必要研究汽车车架振动的固有频率及其相应的 [3] 振型，并进行适当的结构优化 。 模态是构成各种工程结构复杂振动的最基本的振动形态。通过模态分析可以得到结构的固 有频率和主要振型，为振动系统动态设计及故障诊断提供依据，同时它也是其它更详细动力学 [4] 分析(如谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析)的基础 。 本文以某公司的一款重型自卸车架为研究对象，在HyperMesh 中建立以壳单元为基本单元 的有限元分析模型[5] ，采用 OptiStruct 求解器分析了该车架的低阶固有频率及振型，为车架动 力学分析提供了重要的模态参数。 本文还利用 Hypermorph 网格变形技术[6] ，以车架一阶扭转频率为优化目标，以横梁的位 置为设计变量，利用OptiStruct 优化工具进行结构优化，使车架扭转频率有明显提升。 1 车架结构特征和建模方式 本文所研究的重型自卸车架为边梁式冲压铆接车架，两侧为两条纵梁，中间有若干条横梁， 横梁与纵梁之间用连接板过渡。纵梁、连接板、横梁均采用铆钉连接。车架结构如图1 所示。 - 1 - Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 图1 车架结构示意图 建立车架有限元模型时，纵梁、横梁、连接板等钣金件用板壳单元离散，以四边形壳单元 为主，含少量三角形单元；附属在车架上的铸造件因形状复杂，用六面体单元离散有困难，故 用四面体实体单元离散，为提高仿真精度，选用二阶单元。 铆钉连接最常用的建模方式是将两个铆钉孔简化为孔中心的两个节点，然后将两中心节点 用刚性单元或梁单元连接。本文在HyperMesh 铆钉建模时，用刚性单元（RBE2）将铆钉孔中 心点与孔边节点连接，然后用梁单元(Cbar)连接上下铆钉孔的中心点。与常用的点对点连接方 案，本文的铆钉建模方案能够避免出现虚假的局部高应力，可提供较高精度的局部应力结果。 图2 显示了钣金件、铸件和铆钉的建模方法。 a) 钣金件建模 b) 铸件建模 c) 铆钉建模 图2 车架有限元建模方式 最终得到的车架整体有限元模型如图3 图3 车架有限元模型 2 车架自由模态分析 利用OptiStruct 求解器对车架有限元模型进行模态分析，使用Lanzos 方法求解特征值。只 考虑自由振动模态，所以不对车架施加任何位移约束。得到的前六阶振型和固有频率如图所示。