基于ANSYS的半承载式长途客车车身模态分析(3).pdf

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1、基于基于 ANSYS 的半承载式客车车身模态分析与优化的半承载式客车车身模态分析与优化 张庆 1（北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081）摘要：摘要：首先用 ANSYS 软件的 APDL命令建立了某长途客车全车骨架结构的几何模型。然后利用梁单元 Beam189，建立了可供计算分析的有限元模型并进行了简化。在有限元模型的建立过程中，不但考虑了边界条件的处理与简化，还考虑了骨架结构以及连接处的处理方法。在 ANSYS 里建立好模型后对车身结构进行了模态分析，获得了车身的固有频率及相应的振型。根据模态分析的结果，对车身结构设计不合理出提出了改进意见，并对改进后的结构再次进行分析，优化后车身

2、结构的动态特性得到明显改善。关键词：关键词：客车车身；模态分析；有限元法；优化 中图分类号：U463.82+2 文献标识码：A Modal Analysis and Optimization of Half-integral Body Structure of a Coach Based on ANSYS ZHANG Qing(School of Mechanical and Vehicular Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:Firstly a geometry model o

3、f the full scale bus skeleton of a coach was established by the APDL commands of ANSYS.Then by using beam element Beam189,the finite element model for modal analysis was set up and simplified.The FEA model also involved treatments of boundary conditions,simplified treatment of some skeleton parts an

4、d dealt with the connection parts which were put on the frame structure.Modal analysis of the bus body frame was carried out after the geometry modal was set up in ANSYS,Then the bodys natural frequency and vibration shape could be obtain.An optimized frame structure was proposed on the basis of the

5、 modal analysis for the roof,and a new modal analysis of the optimized frame structure was carried out.The dynamic characteristic of the frame is significantly improved after the optimization.Keywords:bus body frame;modal analysis;finite element method;optimization 1 1 引言引言 收稿日期：作者简介：张庆（1986），男，研究生，

6、研究方向为复杂结构静动态特性分析，结构疲劳寿命预测 E-mail： 模态是系统的某一本质的振动形态，在这种振动形态下，系统表现出单自由度系统的运动特征。模态分析即将线性定常系统振动微分方程中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。其主要应用于评价系统的动态特性、载荷识别、振动控制等领域，模态分析方法大致有3 种：有限元分析法、试验模态分析法、综合分析法5。客车车身是整车最重要的部件之一，同时也是整车主要的振动部件，在路面激励以及发动机、传动轴等振动的影响下其动态性能的优劣将直接影响乘员舒适性，也会对整车的疲劳寿命产生影响。因此

7、，通过对客车车身进行模态分析，获得车身的模态参数（频率和振型），便可对车身骨架设计方案的动态特性进行评价，根据模态分析结果还可以对结构设计提出改进方案，提高车身的动态特性14。国内关于客车车身动态特性研究的论文在有关刊物上屡见不鲜，其使用的车身模型通常都是先在三维绘图软件里绘制车身的模型，在经过一系列修改和简化，经过中间格式 IGES 导入 ANSYS 进行相关分析的。该方式在模型建立方面快速便捷，但经过中间格式简化后模型通常会发生数据丢失，这样在后续的处理中就会出现一些瑕疵，计算结果不够精确。这是这类分析的一大缺憾，本文中的模型是在ANSYS 直接建立的，通过对车身模型的简化和分析，用点线结

8、构直接模拟客车车身结构，这样就避免了中间格式 IGES 转换时带来的数据丢失问题，分析过程更加快捷，计算结果更加精确。2 2 模态分析理论基础模态分析理论基础 2.12.1 结构振动的三大类方程及边界条件 a)平衡方程平衡方程（考虑惯性力和阻尼力）微小体元 dxdydz 在动力学状态下的平衡关系如上图 微小体元 dxdydz 在动力学状态下的平衡关系如图 1 所示，利用达郎伯原理将惯性力等效到静力平衡中，再考虑阻尼力的作用，下面考虑 2D 情况()()()()()0()()()()()0 xyxxixyyyittb tu tvu txyttb tu tvu txy （1）其中为密度，v为阻尼系

9、数，()xb t，()yb t分别为沿x方向以及y方向作用的体积力，iu，iu 分别表示位移()u t对时间t的二阶导数和一阶导数，即表示沿x方向的加速度和速度，沿y方向也是类似。b)几何方程几何方程()()()()()()()xyxyu ttxv ttyv tu ttxy （2）c)物理方程物理方程 y1()()()1()()()1()()xxyyxxyxytttEtttEttG （3）d)边界条件边界条件 位移边界：在uS上()()()()u tu tv tv t （4）力边界：在pS上()()()()()()xxxy tyxxyxy tyyt nnp tt nnpt （5）初始条件：(,

10、0)()(,0)()utuvtv （6）(,0)()(,0)()utuvtv （7）基于上述基本方程，可以写出平衡方程及力边界条件的等效积分形式()()()()()()()()()()()()()()()()0pxyxixxyyyixxxy tyxSxyxy tyytb tu tvu tuytxttb tu tvu tv dxyt nnp tut nnp tv dA （8）对右端第一项进行分部积分（应用 Gauss-Greenij dz dx dy Z X vu iu 惯性力 阻尼力 Y 图1 微体 dxdydz 在动力学状态下的平衡 Fig.1 Equilibrium of the micr

11、obit in the dynamic state 公式），经整理后，有 ()()0pxxyyxyxyxyxySu uu vvu uvu v dbubv dpupv dA （9）即为动力学问题的虚位移方程。2.22.2 单元构造的基本表达式 单元的节点位移列阵为 111()(),(),(),(),(),()eTnnntu t v t w tu t v t w tq（10）单元内的位移插值函数为(,)()()eettuNq （11）最后得到方程()eeeeeeet.M q+C q+K q=P （12）eTedMN N 单元质量矩阵 eeTvdCN N 单元阻尼矩阵 eTdKB DB 单元刚度矩阵

12、 .eq、.eq、eq 节点的加速度速度和位移向量 epeTTSddAPN bN p 外力向量 将单元的各个矩阵进行组装，可以形成系统的整体有限元方程，即()t.Mq+Cq+Kq=P （13）对（13）式进行傅立叶变换可得 2()()()KMjCqF (14)对线性时不变系统，任一点的响应可表示为各阶模态响应的线性组合。第 i 点的响应 1()()niijjjqq （15）由各阶模态向量组成的矩阵称为模态矩阵，记为：12 ,.n （16）系统的响应列向量为 ()qQ （17）在无阻尼自由振动下，2(0)KQM （18）其有解条件为 20KM （19）由上式可以求出系统固有频率，再带入（14），

13、即可求出其固有频率。为了使用方便，将固有振型正则化，通常按质量归一化，得到正则坐标下的主振型。3 3 车身有限元模型的建立车身有限元模型的建立 3 3.1.1 车身模型的简化 客车车身骨架不仅是一个极其复杂的空间薄壁杆系结构，还包括大量的应力蒙皮，而一些非主要的承载元件对骨架结构的变形和应力分布影响很小，而对问题的求解规模和准确性有着很大的影响。因此没有必要完全按照车身的实际结构来构建其有限元模型，而是根据各个分析的侧重点有针对性地对模型进行一些简化5：1.省略非承载件。对于某些方便使用和辅助承载而设置的构件(如：扶手、制动踏板支架、仪表盘支座、裙部等)，可忽略不计。2.将车身中的微曲梁进行直

14、化处理,侧围和顶盖中的一些曲率较小的构件近似的看作由直梁单元分段组成。3.简化截面形状。由于客车上构件的设计不仅仅是考虑简单的受力，而且还要顾及其他部件的安装与使用要求，因此截面形状可能不很规范，但在离散化时要作适当的形状简化。5.共用节点原则。出于对结构模型病态问题的考虑，对于位置较近的构件结合点则采用适当合并或主从节点的方式，避免实际计算中可能会导致的方程病态。6.根据东南大学王艳辉等人的研究7，车身蒙皮对车身的模态计算结果有一定的影响，在一定程度上增大了车身的动刚度，但蒙皮基本上没有影响车身自由振动的振型和振型的排列顺序，故在工程实践中多忽略蒙皮，减小建模和计算工作量。3.23.2 车身

15、线框模型的建立 在确立好模型简化原则后，首先根据客车车身结构的二维图纸找出车身六大片的关键点，获取关键点坐标，然后编写 ANSYS 命令流文件，用线框来模拟客车车身骨架模型。下图即为建好的线框模型图 3.33.3 单元选取 长途客车车身骨架为型材钢管焊接结构，车身有限元分析中普遍使用空间梁单元，同济大学的沈浩、陈昌明等在研究影响客车车身模态的因素时对纯梁单元及其梁板组合单元车身模型进行了对比分析，结果表明两种模型分析得到的振型基本一致，对应振型的固有频率除个别相差较大外，其余都在允许的误差范围内，且梁单元模型的结果偏高，更接近试验结果，建模的工作量大大降低，故本文采用梁单元Beam189进行模

16、态分析。BEAM189是三节点三维梁单元，适合分析从十分细长到适度短而粗的梁结构，它基于Timoshenko梁理论，包括剪切变形效果。BEAM189为三节点线性梁单元，每个节点具有六个自由度或七个自由度（取决于关键字KEYOPT（1）的设置，在默认情况下，KEYOPT（1）0,为六个自由度），除了三个平动 和三个转动自由度外，当 KEYOPT（1）1 时，还将具有表示扭曲量的第七个自由度。使用 BEAM189 单元可以处理线性、大转动及大应变非线性问题，默认情况下，在分析中打开大变形效果时，该单元将自动包含应力刚化特性，可用于分析弯曲和扭转稳定性问题。3.43.4 网格划分和截面定义 在对梁单

17、元进行网格划分阶段的另一项重要工作就是梁单元在空间的摆放位置，而这是通过定向关键点 L 来定义的。理论上每条线都应当赋予一个定向关键点，这样对于有 1198 条线的车身线框模型的网格划分工作将会十分繁琐且耗时将十分巨大。对于这个问题，作者在查阅了大量的文献的基础上决定采用共用定向关键点的方式，即对于车身骨架中在一个平面的内的单元共用一个定向关键点，而该定向关键点距该面得距离足够远以保证梁单元的空间放置所产生的偏差在允许范围内，本文定的距离为 10000000m，这样既保证了梁单元空间放置的正确性，同时也使得网格划分的工作量大大降低，而且计算结果的精度也符合要求。经过以上工作，得到了下图所示的有

18、限元模型。其中：关键点 1005，直线 1198，节点数 30036，单元数 12325 图2 车身线框模型 Fig.2 Line-frame model of the body 图 3 Beam189 单元 Fig.3 Beam189 element 第一阶 f=7.861Hz 第二阶 f=9.902Hz 第三阶 f=12.071Hz 第四阶 f=13.833Hz 3.53.5 边界条件处理 不施加任何约束的模态分析为自由模态分析，施加了约束的模态分析称为约束模态分析。纵观国内研究，对客车车身多进行自由模态分析。从理论上讲，由自由边界可得约束边界模态；并且，悬架差异及各种非线性特性使不同车身

19、约束模态没有可比较性，这两方面的原因使得进行自由模态分析有一定理论和实际意义，目前的分析多为自由边界分析5。4 4 模态计算及结果分析模态计算及结果分析 使用分块 Lanczos 计算方法，由 ANSYS 计算得出该客车的前 12 阶振动模态。限于篇幅，本文列出其前四阶振型图，如下图所示,其频率值和振型描述如表 1 所示.图5 车身前 4 阶振型图 Fig.5 Vibration shapes of the first 4 order 图4 车身有限元模型 Fig.4 Mesh model of the body 表 1 车身前 12 阶频率及振型 Tab.1 Frequencies and

20、vibration shapes of the first 12 order of the coach body 阶数 模态频率（Hz）振型描述 1 7.861 车身一阶扭转模态 2 9.902 顶盖一阶扭转模态 3 12.071 车身一阶弯曲模态 4 13.833 前围局部振动 5 15.433 车身一阶前后俯仰 6 16.873 顶盖弯扭组合模态 7 18.401 顶盖一阶弯曲模态 8 18.667 顶盖局部模态 9 20.011 顶盖二阶扭转模态 10 22.557 车身二阶扭转模态 11 22.948 顶盖二阶弯曲模态 12 25.578 顶盖三阶扭转模态 汽车车身模态试验结果的评价目

21、前尚无统一的指标，通常分析评价主要有两种方法：分析评价法和类比评价法。分析评价法认为，结构的动态响应由外界激励频率和该频率下激励分量大小以及结构本身的固有频率和相应振型决定，结构动态特性优劣由上述4个因素的综合影响而定5。分析大客车车身使用环境中的激励频率为：1）由于路面不平，汽车运动所引起的激励频率多属于22Hz以下的垂直振动。2）发动机的激励频率大多在23.3-120Hz 3）汽车传动轴的激励频率：城市中一般车速控制在5080km/h 由振型图可知，车身模态的第一、三、四、十阶主要是车身整体振动，且都在路面的激励频率范围内，路况不好时，容易引起振动，车身振动会加剧。第二、五、六、七、八、九

22、、十一、十二阶模态都有顶盖参与的振动且顶盖变形很大，直接影响到整个车身的振动性能。第三、六、七、八、九、十二阶模态有较为强烈的局部振动，这样在车辆行驶中这些局部振动位置很可能产生噪声，需要对结构进行优化处理。5 5 顶盖的结构优化顶盖的结构优化 5 5.1.1 顶盖的振动突变 在前面的振动分析中，顶盖结构的动态性能较差，主要体现在两方面，一是顶盖很“软”，即动刚度不够，振动时变形很大，另外一点就是第四阶模态和在第十二阶模态顶盖的振动发生了突变，这两阶的振型不够光滑，顶盖的局部振动很大，如图6 和 7所示：5 5.2.2 改善方案及分析 在顶盖中部靠前的位置为了放置空调，该处的横梁较多，刚度最大

23、。在顶盖前方位置只有三根纵梁相连，纵梁之间没有横梁跨过，导致第四阶模态图 6 第四阶振型顶盖前部变形 Fig.6 Anterior deformation of the roof in the fourth order 图 7 第十二阶振型顶盖后部变形 Fig.7 Retral deformation of the roof in the twelfth order 顶盖前部振动突变，动态性能较差。为此，在进行结构改善时在此处添加了一根短横梁，以提高此处刚度。顶盖后部两个安全出口之间的没有横梁相连，因此此处的问题与顶盖前部类似，在此处也附加了一根横梁，同时对安全出口处添加了短的横梁。对顶盖结构

24、进行改善后，可以再次进行车身结构的模态分析，图 8 为优化前后频率值对比。可见，经过结构改进，该车身前四阶模态频率值显著提高，车身动态特性得到改善。图 8 前四阶模态频率优化前后对比 Fig.8 Frequencies comparison before and after optimization of the first 4 order 结论结论 通过采用 ANSYS 软件的 APDL 命令对某型长途客车车身模态进行分析，得到了车身前 12阶的固有频率和振型图，根据模态分析结果对车身顶盖进行优化，得到了较为满意的结果，说明有限元分析技术在客车结构设计和改进设计的实用性，随着有限元技术中在客

25、车领域应用的不断深入，必将在以后的新产品开发和老产品改进设计中发挥更加广泛的作用。参考文献：参考文献：1 黄天泽，黄金陵.汽车车身结构与设计M.北京：机械工业出版社，1992.Huang Tianze.Structure and design of the car bodyM.Beijing:Mechanic industry Press，1992.(in Chinese)2 耿玉兰.基于ANSYS的车身模态分析J.机械制造与自动化，2007,36(6):50-51.Geng Yvlan.Modal analysis of car body based on ANSYSJ.Machine Bu

26、ilding&Automation，2007,36（6）:50-51.（in Chinese）3 曹文钢，李辉，陈维等.客车车身强度与刚度的有限元分析J.农业机械学报，2007,38(3):39-43.Cao Wengang,Li Hui,Chen Wei.FEM analysis of strength and stiffness on bus bodyJ.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007,38(3):39-43.（in Chinese）4 冯国胜.客车车身结构的有限元分析J.机械工程学报，

27、1999,35(1):91-95.Feng Guosheng.The FEM analysis on bus body structureJ.Chinese Journal of Mechanical Engineering，1999,35(1):91-95.（in Chinese）5 沈浩,陈昌明等.客车车身模态分析与评价J.公路交通科技，2003,23(2):127-131.Shen Hao,Chen Changming.Modal analysis and valuation on bus bodyJ.Journal of Highway and Transportation Resea

28、rch and Development，2003,23(2):127-131.(in Chinese)6 王远,谷叶水.基于ANSYS的客车车身骨架模态分析J.拖拉机与农用运输车，2009,36(6):58-60.Wang Yuan,Gu Yeshui.Modal analysis on bus body frame based on ANSYSJ.Tractor&Farm Transporter,2009，36(6):58-60.(in Chinese)7 王艳辉,孙庆鸿,朱壮瑞.汽车车身蒙皮对汽车车身动态性能的影响J.东南大学学报(自然科学版)，2002,32(4):1-3.Wang Yanhui,Sun Qinghong,Zhu Zhuangrui.The influence of car skin on dynamic performance of the carJ.Journal of Southeast University。Natural Science Edition，2002,32(4):1-3.(in Chinese)