基于有限元的副车架随机振动分析(201401)

基于有限元的副车架随机振动分析

张 波 王海军

(苏州江南航天机电工业有限公司 江苏 苏州 215101)

摘要：副车架是连接汽车底盘和车厢（或方舱）的重要结构，副车架的动力学性能对车辆的行驶安全性及可靠性有重要影响。本文利用ANSYS软件分别计算载车以30km/h和60km/h的速度在A级路面上行驶时副车架的随机激励响应，得到以上两种工况条件下副车架内部应力的分布情况，为副车架的结构设计提供参考依据。

关键词：副车架、有限元、随机激励、动力学分析

1 概述

车辆在行驶过程中不仅受到自身重力、乘员重力、装载货物重力等静载荷的作用，同时还受到发动机振动、道路不平引起的随机激励等动载荷的作用。为保证车上人和设备的安全，车辆设计时就必须分析车辆结构是否能够承受静载荷和动载荷的作用[1]。实践证明，大部分的车辆结构失效都是由于动载荷引起的，因而有必要对车辆结构进行动力学分析。

副车架是连接汽车底盘和车厢（或方舱）的重要结构，副车架的动力学性能对车辆的行驶安全性及可靠性有重要影响。利用有限元法分析副车架对路面随机激励的响应，可得到汽车在各种路面不同行驶速度行驶时副车架内部应力的分布情况，为副车架的结构设计提供参考依据。

2 随机振动分析

在实际的自然界和工程问题中，大量的振动现象都不是时间的确定函数。例如，飞机飞行过程中受到气流的干扰作用，船只在海浪中受到的拍击作用，还有地震时建筑物受到的地震波作用等等，都是不确定的。对于汽车而言，最典型的非确定性振动是由于路面不平度引起的汽车振动。这些振动的共同特征是系统的激励和响应在事先都无法利用时间的确定性函数予以描述，我们称这种不确定性的振动过程为随机振动。随机振动虽然具有不确定性，但是仍然可以利用统计分析的方法进行规律性的研究。随机振动的数学描述为随机过程。

随机过程为所有样本函数的集合，记作X（t）。如果随机过程的均值和自相关函[2]

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数与采样时刻t无关，则称随机过程为（弱）平稳随机过程。根据随机过程理论，随机激励载荷可以用功率谱密度（PSD）来描述。PSD是稳态随机过程的频域描述，在频域方法中，结构的疲劳损伤通过结构响应应力的PSD的统计学特性进行估算，应力的PSD

[3]函数通常由有限元频域分析得到。

3 有限元模型

2.1 副车架的组成

副车架采用多种截面形状的型钢以及钢板折弯件焊接而成，所有零部件均采用Q235钢材制作。Q235的材料特性如下：

密度：7.8×103kg/m3；

屈服强度：235MPa；

弹性模量：2.1×1011Pa；

泊松比：0.3。

采用Pro/E5.0建立副车架三维模型。型材的倒角等对计算结果的影响不大，网格划分后却比没有倒角的模型出许多单元和节点，为减少模型的单元和节点数量，节约分析计算时间，建模过程中忽略型材的圆角等对计算结果影响不大的结构。副车架有限元模型见图1，

图 1 副车架有限元模型

4 有限元分析

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4.1 边界条件

副车架在载车行驶过程中既受到自身重力、与之相连的车厢（或方舱）的压力等静载荷作用；同时又受到路面随机激励、发动机振动激励等动载荷的影响。副车架通过两根纵梁与底盘大梁相连接，由于底盘重量远大于副车架重量，分析时将副车架与底盘大梁相连接的两根纵梁简化为固定约束。根据任务书要求，分别计算载车以30km/h和60km/h的速度在A级路面上行驶时副车架的随机激励响应。A级路面的位移功率谱密度（PSD）的几何均值和限值见表1[4~6]。

表 1 A级路面的位移功率谱密度（PSD）的几何均值和限值

4.2 分析结果

首先对副车架进行模态分析，得到副车架前六阶固有频率，见表2。

表 2 副车架前六阶固有频率

将模态分析的结果导入随机振动分析中进行随机振动分析，得到载车以30km/h的速度在A级路面上行驶时副车架的应力分布情况见图2。

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图 2 载车以30km/h的速度在A级路面上行驶时副车架的应力分布云图

根据图2可知，载车以30km/h的速度在A级路面上行驶时副车架上产生的的最大应力为68.414MPa，最大应力发生在车架中部左侧纵梁与横梁焊接处。

载车以60km/h的速度在A级路面上行驶时副车架的应力分布情况见图3。

图 3 载车以60km/h的速度在A级路面上行驶时副车架的应力分布云图

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根据图3可知，载车以60km/h的速度在A级路面上行驶时副车架上产生的的最大应力为173.97MPa，最大应力发生在副车架后部右侧车转锁处横梁与纵梁焊接处。 5 结论

本文通过对某型载车副车架在A级路面不同行驶速度工况条件下进行动力学仿真分析，得到载车在A级路面以30km/h的速度行驶时副车架内产生的最大应力为68.414MPa；以30km/h的速度行驶时副车架内产生的最大应力为173.97MPa，均小于材料Q235的屈服极限235MPa，结果表明副车架的设计满足载车以30km/h和60km/h的速度在A级路面上行驶的刚强度要求。由于时间和篇幅有限，本文仅验证了载车在A级路面以30km/h和60km/h的速度行驶时的强度情况。在有需要的情况下，应当验证载车在不同路面等级和行驶速度下副车架的强度是否满足要求，并进行碰撞分析、噪声分析、瞬态响应分析、优化设计等等，以进一步了解载车的振动舒适性、噪音等性能，使得设计更加优化、合理，并减少材料的使用、节约成本。

参考文献

[1] 靳晓雄，张立军，江浩. 汽车振动分析[M]. 上海：同济大学出版社，2002.

[2] D. E. NewLand. 随机振动与谱分析概论[M]. 北京：机械工业出版社，1978.

[3] 孟凡涛，胡愉愉. 基于频域法的随机振动载荷下飞机结构疲劳分析[J]. 南京航空航天大学学报，2012,44(1).

[4] JTGF30-2003 公路水泥混凝土路面施工技术规范[S]. 北京：人民交通出版社，2003.

[5] JTGF40-2004 公路沥青路面施工技术规范[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[6] GB/T7031-2005 机械振动-道路路面路谱测量数据报告[S]. 北京：中华人民共和国国家质量监督检验总局，2005.

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