ANSYS在车架模态分析中的应用

车架的模态分析Frame模型的模态分析班级：T943-1姓名：王子龙学号：20090430124Frame模型的模态分析T943-1-24王子龙20090430124一、模型问题描述1、如图所示1，机架为一焊接件，材料为结构钢，在两根长纵梁的八个圆孔内表面采用CylinderSupport约束，分析结构的前6阶固有频率。

2、在短纵梁2另一侧增加一短纵梁，使其于短纵梁1对称，分析新结构的前6阶固有频率，并与原结构对比。

短纵梁短纵梁图1 机架模型二、模型分析（一）无预紧力情况1、导入模型：打开ANSYS Workbench，从左侧工具栏中双击Modal（ANSYS），右击A3项，右键选择Import Gemetry→Browse，找到文件Frame.x_t点击打开，然后双击A4栏，打开Mechanical窗口。

2、施加约束：选择左侧结构树中的Modal，选择两根长纵梁的八个圆孔内表面，右键选择Insert→Cylindrical Support，如图2所示。

图2 八圆孔内表面施加约束3、在solution（A6）中插入Toal Deformation，点击Solve求解，求解结果如图3所示。

图3 无应力时的变形图及6阶频率（二）有预紧力情况1、回到Workbench界面，从左侧工具栏中的Static Structural(Ansys)拖至A4栏，如图4所示，双击B5栏，进入Mechanical窗口。

图4 拖拽Static Stuctual(ANSYS)到A42、按住“shift”键，选择A5分支中Cylindrical Support，右键选择Copy，右键单击B5项，选择Paste。

3、在Static Structual（B5）中施加载荷：选择焊接件底面insert→Force，Force=4000N，如图5所示。

图5 施加预紧力4、在Solution（B6）中插入Equivalent Stress，点击Slove求解，如图6所示。

基于ANSYS的副车架结构强度及模态分析杨德胜; 蒋清丰; 刘庆; 李先彬; 饶志明【期刊名称】《《制造业自动化》》【年(卷),期】2019(041)009【总页数】3页(P12-14)【关键词】压裂车; 副车架; 有限元分析; 结构强度; 模态分析【作者】杨德胜; 蒋清丰; 刘庆; 李先彬; 饶志明【作者单位】四川宝石机械专用车有限公司广汉 618300; 斯伦贝谢科技服务成都有限公司成都 610200【正文语种】中文【中图分类】TE90 引言压裂车是将高压、大排量的压裂液压入地层裂缝，从而撑开地层将支撑剂挤入裂缝的主要设备，目前，压裂车已成为石油压裂所用的核心设备之一。

压裂车主要由运载底盘和台上设备（包含发动机、变速箱、压裂泵和散热器四大主件）所组成，中间通过副车架来连接。

在压裂车使用过程中，副车架得有足够的强度和刚度，才能承受所有台上设备由于不断振动所产生的应力影响。

因此，减小副车架的变形已成为压裂车设计时需要重点考虑的问题[1]。

压裂车副车架的结构强度是影响压裂车使用寿命的重要因素之一，吴汉川[2]等分析了衡梁数量对副车架承载能力的影响；高媛[3]，王旱祥[4]等通过分析提出了优化压裂车车架设计及上装布置的建议。

Liu J等[5]分析了主框架与副车架之间的连接器数量和位置对底盘承载能力的影响。

以上研究对现有压裂车副车架的结构强度分析较少，无法为副车架的结构优化提供理论依据。

因此，本文通过三维建模软件建立副车架的三维模型，并借助有限元分析软件对副车架的结构分析，查找薄弱环节，为后期有针对性的进行加强副车架结构强度、提高副车架的承载能力提供理论依据。

该研究的开展有效提高了副车架的实际应用，具有重要的实际意义。

1 有限元模型的建立根据对压裂车副车架结构进行分析与测量，并结合三维CAE软件建立了如图1所示的副车架结构模型。

由图1可知，该副车架主要由两根主梁和若干纵梁组成，发动机底座、变速箱底座、散热器底座和压裂泵底座等附属支架通过焊接与车架相连，副车架通过止推板与主车架连接。

机械模态分析方法在汽车工程中的应用前言振动现象是汽车行驶中无法避免的问题之一。

而强烈的振动会造成结构的共振以及疲劳，从而引起结构破坏，引发安全问题，并且不合适的振动会对人的驾驶感受和乘坐舒适度引起极大影响，因此控制好汽车相关部件的振动不仅可以延长汽车的使用寿命，更可以使汽车的NVH性能得到大大提升，从而提高产品的市场竞争力。

模态分析是有效对汽车振动进行控制的手段。

为了避免类似共振、噪声过大等不良现象，确保汽车与传动系统路面激励等发生相互影响的可能性，从而可通过结构的合理设计避开共振频率。

本文即就汽车工程中运用模态分析方法对汽车设计进行预测指导性的作用进行一简要阐述。

1.基于Ansys软件的客车车架刚度及模态的分析与优化基于有限元法的车架设计流程为：根据设计任务书并参照同类车型车架确定初步的结构方案；建立车架的实体模型；对实体模型进行网格划分，建立车架的有限元计算模型（用于结构选型的概念性设计阶段，大多采用空间量单元模拟车架的纵横梁）；确定载荷和约束条件；计算车架的刚度、强度、振动模态等关键性能指标；分析计算结果，将其与设计要求对比，看是否符合要求；将初始结构参数作为设计变量，将一些关键性能指标作为状态变量，以质量最轻或体积最小为目标进行优化设计。

在对车架进行初步选型之后，为了后续的优化设计，必须对车架进行参数化建模。

选择合适的网格单元BEAM188号单元对车架模型进行网格划分，单元总数为312，节点总数为626，从而得到其有限元模型。

确定边界条件：车架刚度有很多种，其中最重要的是车架的弯曲和扭转刚度。

参照车架的刚度试验方法确定其边界条件。

其计算示意图分别如下：图1 车架弯曲刚度计算示意图图2 车架扭转刚度计算示意图求解结果与分析：用Block Lanczos法提取自由振动时车架的前五阶固有频率，频率范围为0.05~50Hz。

如表一:表一车架的前五阶固有频率并最终可求得改车架的弯曲刚度和扭转刚度，并与同类车架进行比较，分析其薄弱环节，以及对于整车的影响，进而对相关参数进行从新选择，优化车架设计，并最终设计出符合设计要求的最终选型，2.汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析驱动桥作为汽车四大总成之一，因位于动力传动系的末端，工作时它的受载情形相当复杂：在承受自身的减速器、差速器和半轴等组件重量的同时，同从动桥一起支承车架及其上的各总成质量；行驶时，还将承受由车轮传来的牵引力、制动力力、侧向力、垂向力并经悬架传给车架。

基于ANSYS汽车连杆的模态分析摘要：振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一。

由于振动会造成结构的共振或或疲劳，从而破坏结构。

所以必须了解结构固有的频率和振型，避免在实际工况中因振动因素造成结构的损坏。

模态分析主要研究结构或机器部件的结构特性，将得到结构的固有频率和振型，对复杂结构进行精确的模态分析，将为评价现有结构的特性特性、新产品和诊断动态性能的预估及优化设计，提供科学的依据。

关键词：ansys；汽车连杆；模态分析1引言汽车众所周知的最常用的交通工具之一，在整个汽车的复杂系统中，发动机就是其中最重要的之一，常常也称作汽车的心脏。

当汽车发动机工作时，活塞燃烧室产生的气体其爆炸力通过连杆传递给曲轴，曲轴带动飞轮转动从而将动力输出。

在这工作的过程中，发动机连杆在传递燃料爆炸作用力的同时也承受了最大最强烈的冲击力、动态应力，因此,连杆成为发动机动力学负荷最高的部件。

连杆是发动机传递力最重要的零部件之一，同时也肩负着传递力的方向的重任。

所以,汽车发动机连杆的质量和性能就直接关系到整个发动机工作的稳定性以及故障率。

利用有限元对汽车连杆零部件进行模态分析,有利于对连杆零部件更科学的使用。

2基本原理2.1ANSYS简介ANSYS软件是可以处理的分析类型：结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析。

结构分析首先待求的自由度是位移，而其他量诸如应变、应力、反应力等均是通过位移值来得到的。

在ANSYS中，结构分析主要包括7种：静力分析、模态分析、谱分析、瞬态动力学分析、谐响应分析、特征屈服分析、专项分析。

而模态分析是本论文的着重应用，主要分析用于计算结构的自然频率和振型，用于解决实际生活中的机械振动。

2.2ANSYS模态分析简介结构动力学分析不同于静力学分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用效果。

模态分析是动力学分析功能的一种。

动力学分析是用来确定质量（惯性）和阻尼起重要作用的结构和构件动力学特性的技术。

价值工程0引言车架作为半挂车的关键部件，其结构必须有足够的静强度和刚度来达到其疲劳寿命、装配和使用的要求，同时还应有合理的动态特性来达到控制振动与噪声的目的。

在车架结构设计中，如果只考虑结构的静强度和刚度，很可能会在设计过程中造成车架局部结构的不合理，而导致半挂车在运行中产生共振，产生噪声。

模态分析作为动态分析的基础，是动态分析的重要内容。

对车架进行模态分析以掌握车架对激振力的响应，从而对车架设计方案的动态特性进行评价己经成为半挂车车架设计过程中必要的工作。

1车架的模态分析1.1建模CXQ9190型半挂车的车架主要是边梁式结构，由2根阶梯工字型纵梁和20根折弯件的横梁组成，纵梁和横梁上还不规则的分部着许多的电线安装孔和加强块。

车架结构复杂，但是根据圣维南原理，模型的局部细小变化和改动并不影响模型总的分析结果，因此建立车架有限元模型前对车架进行了一些简化[1]。

1.1.1部分离应力远的圆弧过渡简化为直角，工艺上需要的倒角、抜模斜度等都不予考虑，这样可以减少在这些区域上的网格划分的数量，提高计算速度；1.1.2车架上有些构件，如凸台、销孔、线路孔、吊环孔等，仅是为了满足功能要求而设置的对结构的强度没有很大的影响，可以忽略；1.1.3除去对车架结构应力分布不产生太大影响的工具箱和防护网等零部件[2]。

本模型采用solid92单元，网格划分采用ANSYS 软件自带的Mesh tool 工具，设置单元边长为30mm ，采用自由体划分。

车架主纵梁模型共化为196804个单元，396071个节点。

材料的属性为：材料的弹性模量E=2.1×1011Pa ；材料的密度为ρ=7.8×10-9t/mm 31.2加载及求解首先定义分析类型，分析选项，指定模态提取方法，然后定义主自由度，在模型上加载，指定载荷步选项，最后开始计算求解，退出求解器。

在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。

如果在某个DOF 处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束代替在该处的设置。

基于ANSYS的某汽车悬架有限元分析翟培培(西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065)摘　要:采用某麦弗逊悬架参数,建立悬架系统的三维模型㊂利用ANSYS Workbench有限元分析软件对悬架进行了三种工况下的静力学分析,得出悬架的强度和刚度特性,并对悬架有限元模型进行了模态分析,将计算得到的悬架固有频率与汽车受到的其他激励频率进行对比,评价该悬架是否具有避开与车辆其他系统产生共振区域的性能,为今后的悬架设计提供了一定的理论基础㊂关键词:汽车悬架　有限元分析　模态分析中图分类号:TH164 文献标识码:A 文章编号:1002-6886(2019)02-0061-04Finite element analysis of a vehicle suspension based on ANSYSZHAI PeipeiAbstract:The model of suspension system was established based on the parameters of McPherson.The static analysis of sus⁃pension under three working conditions was carried out using ANSYS Workbench,and the strength and stiffness characteris⁃tics of suspension were obtained.The modal analysis of the suspension model was carried out,and the calculated natural fre⁃quencies of the suspension were compared with excited frequencies of the vehicle to judge whether the suspension will pro⁃duce resonance.It provided a theoretical basis for future suspension design.Keywords:vehicle suspension,finite element analysis,modal analysis0　引言随着人们生活水平的提升,人们在追求汽车所带来的便利之外,还希望获得最大的乘坐舒适感㊂汽车悬架系统作为汽车底盘中的重要组成部分之一,不仅起到了支撑车身的功用,且其性能直接决定了乘坐者的乘坐舒适度和汽车行驶的平稳度,当车辆遇到不平路面时,汽车悬架可以将车轮上所受到的力和力矩转移到车身上,进而达到减弱道路对车辆的冲击,缓解承载结构震动的效果,所以,在车辆运行过程中,汽车悬架自身的性能直接决定了汽车能否正常行驶[1-2]㊂鉴于此,本文主要以某麦弗逊车前悬架系统为原型,利用ANSYS Workbench有限元分析软件对汽车悬架系统进行分析,为今后的悬架设计提供了一定的理论基础[3]㊂1　悬架有限元模型建立1.1　悬架实体模型建立及模型简化本文在建立悬架实体模型时,考虑到选件零件比较复杂,装配比较困难的特征,利用Workbench自带的CAD接口,将模型导入其中㊂在Solidworks建立了悬架系统的弹簧㊁减振器㊁转向节㊁三角臂㊁球销等零件并根据悬架真实的工作环境进行了装配,得到实体模型如图1所示㊂根据模型的简化原则,对悬架作出了如下简化处理:对焊接和螺栓连接部分采用了绑定连接方式,球销与三角臂连接的方式选择Workbench连接关系中的球面副(spherical)㊂由于本次分析主要关心悬架关键零件的强度问题,因此弹簧和减振器不作为分析的主要对象㊂根据某麦弗逊悬架参数,建立了所关心强度变化的模型如图2所示㊂1.2　模型网格划分及材料定义网格划分是有限元求解过程中非常重要的一部分,良好而优质的网格不仅可以提高分析结果的精㊃16㊃图1　悬架三维模型图 图2　悬架简化模型度,同时可以提高分析的速度,减小分析过程出错率[4]㊂经过综合考虑所要分析的悬架结构,规则形状零件采用六面体实体单元,不规则平面采用正四　图3　悬架网格划分面体实体单元,对着重考虑的区域进行了细化网格的处理,并对连接处的网格进行了修复,计算了网格的数量㊂网格划分后的模型如图3所示㊂装配体模型导入后,需要定义装配体的各个零件的材料,悬架各个零件所使用的材料性能直接影响悬架整体结构的强度和其他性能㊂表1　悬架材料属性表零件材料密度/(kg /mm 3)弹性模量/Pa泊松比转向节45CrMo 7.85E-6 1.78E110.27球销42CrMo7.85E-6 2.1E110.28三角臂SAPH4407.85E-62.07E110.32　不同工况下悬架结构强度分析1)车辆在运动时,受到的来自于不平路面的冲击;2)车辆在刹车过程中,受到的地面的冲击力和车辆本身的惯性力;3)车辆在转弯过程中,受到的来自车身内部与路面的力㊂分别求出上述工况发生时悬架的受力情况,并利用该力作为施加载荷,对悬架进行有限元分析,得出悬架在不同工况下的强度㊂2.1　不平路面工况当车辆行驶在不平路面上时,车轮受到来自地面的垂直载荷而向上跳动,此时的动载系数最大,悬架主要受到垂直于地面向上的力的作用[6]㊂带入车辆相关参数数据,经过计算可以得到车辆在经过不平路面时所受到的最大垂直载荷为11930N㊂利用ADAMS /Car 模块中的准静力学仿真功能,对悬架各点进行力学分析,得到转向节主轴承座处力大小为11869N㊂根据上述分析所得的结果,对悬架系统进行有限元分析,对悬架系统的转向节轴颈施加载荷,图4为悬架系统约束和加载情况㊂图4　不平路面工况下 图5　不平路面工况下 约束和加载 应力云图悬架在粗糙路面的应力分布云图如图5所示,应力最大值为139.39MPa,该值出现在转向节与减振器连接处以及下球销的轴颈处,其主要原因是由于汽车在通过不平路面时,受到来自于垂直路面方向的力,这使得下球销处受到了较大的垂直载荷作用,在此载荷作用下,三角臂绕球销转动,因此三角臂应力较小㊂图6　不平路面工况下 图7　制动工况下约束 位移云图 和加载图6是悬架系统在不平路面情况下的变形图,从图中可以看出,最大变形出现在转向节主轴承座处以及球销与三角臂连接处,这是因为三角臂两轴套处以圆柱副固定,汽车通过不平路面受到了垂直于地面的载荷的作用,三角臂绕穿过两轴套处的中心轴转动,因此使得上述两处出现较大的变形量㊂2.2　制动工况除了汽车在行驶过程中遇到的不平路面的工㊃26㊃况,制动工况也是不可避免的㊂这种工况较上一种工况略微复杂,因为车轮轮毅安装在轴承上,所以汽车在制动工况下转向节的中心受力处不会受到扭矩作用,汽车在刹车过程中只受到来自地面的垂直载荷Z ′max ,经过计算可得车轮的垂直载荷Z ′max 为6681N,制动载荷X ′max 为5345N㊂将所得数据输入到ADAMS /Car 模块中进行准静力学仿真,得到的转向节主轴承座处受力为Z ′max 为6620N,X ′max 为5965N㊂在制动工况下对悬架系统进行有限元分析时如图7所示㊂悬架在制动工况下的应力分布云图如图8所示,该工况下最大应力值291.05MPa,应力主要集中在转向节与减振器连接处的下螺栓孔处和球销轴颈处,及球销处㊂悬架在制动工况下的变形图如图9所示,最大变形发生在转向节与制动盘连接螺栓孔的下方以及转向节与球销连接处,与实际情况相符㊂图8　制动工况下应力 图9　制动工况下位移云图 分布云图2.3　转向工况转向工况相对复杂,既要保持车身转弯时的平衡性能及各零件的正常运行,又要达到合理的转弯目的㊂因此使得汽车不仅受到来自于地面的力,还受到转弯过程引起的各种力,当汽车转弯时,受到指向转弯中心的向心力,该向心力是由静摩擦力充当的㊂经计算得,垂直载荷为4772N,最大横向载荷为3818N㊂将该数据代入到ADAMS /Car 模块中进行准静力学仿真,可以求出关键点在仿真过程中的受力情况,求得转向节轴承座处载荷Z ″max 为4712N,Y ″max 为3787N㊂根据悬架实际工作情况,在对其进行转向工况下有限元分析时,其应力云图如图10所示㊂由图10看出在转向工况下,最大应力值为251.1MPa,出现最大应力的位置为转向节主轴承座止口处以及转向节与减振器连接臂下端,这是由于在转向工况下,悬架主要承受来自于横向的力,该横向力在悬架纵向平面内形成力矩㊂图10　转向工况下应力 图11　转向工况下位移云图 分布云图转向工况下的变形图如图11所示,最大变形发生在转向节与横拉杆连接处以及转向节与球销连接处,因为在该种工况下,转向节节臂由于横向力的作用而受到较大力矩㊂3　悬架模态分析3.1　模态分析的目的汽车在运动过程中,悬架承受着来自于地面的冲击载荷以及车身内部其他零件相互作用的载荷,大多数的载荷是动载荷,使悬架受到了冲击作用和振动作用㊂模态分析是动力学分析的基础,模态分析不仅可以确定悬架结构的固有频率,防止共振的产生,而且还能确定悬架在各类动载作用下的振动特性和振动规律[7-8]㊂3.2　模态分析及结论在模态分析中,结构的动力影响主要来自低阶振型,因此,结构的动态特性主要通过低阶振型判定,本文选取低阶模态进行计算求解㊂选取悬架整体㊁转向节㊁三角臂分别进行前6阶的模态计算㊂在模态分析中,固定方式为约束转向节和减振器接触处的6个自由度,在三角臂与副车架相连的两个位置选择圆柱副固定,即释放切向旋转自由度,固定其他所有自由度㊂网格划分如同前1.2节所述,规则形状零件采用六面体实体单元,不规则平面采用正四面体实体单元,关键部位合理细化㊂经过分析求解悬架前6节固有频率如表2㊂为了更加直观的观察到模态的变化规律,方便与模态振型云图对比,绘制了前6阶固有频率可以绘制模态分布图,以横坐标为阶数,纵坐标为频率,如图12㊂㊃36㊃表2　悬架前6阶模态表阶　数频率/Hz 1271.992443.643515.234630.325700.336742.33图12　模态分布图不同阶数的模态都对应着不同的振型,通过观察振型可以找到悬架整体最大位移处,即最容易破坏的位置㊂列出1~6阶振型云图如图13-18所示㊂图13　悬架1阶模态振型云图　图14　悬架2阶模态振型云图图15　悬架3阶模态振型云图　图16　悬架4阶模态振型云图图17　悬架5阶模态振型云图　图18　悬架6阶模态振型云图通过模态振型云图可以看出各阶频率下悬架容易发生的共振的位置,高频阶段振动主要发生在三角臂处,低频阶段振动主要发生在转向节节臂,悬架的固有频率在271.99Hz 至742.33Hz 变化,将该频率与车辆在行驶过程中受到的来自于路面㊁发动机及其他因素引起的激励的频率进行对比,其中,高速公路和较好路面激励在5Hz 以下,发动机激振在100Hz 以下,其他条件的激励也维持在100Hz 以下[9],因此该悬架可以避免汽车在行驶中与汽车产生共振,设计较为合理㊂4　结论本文对悬架系统在不平路面工况㊁制动工况以及转向工况下,分别分析了静力学特性,得出了悬架在三种工况下的应力和位移云图,结合实际分析了悬架的强度和刚度特性㊂同时还对悬架系统进行了模态分析,得出了前6阶的固有频率,通过与汽车受到的其他激励频率相比,确定了该悬架系统不会与汽车发生共振现象㊂参考文献[1]　梁新成,黄志刚,朱亭.汽车悬架的发展现状和展望[J ].北京工商大学学报,2006,24(2):30-33.[2]　黄李丽.某型汽车悬架系统性能分析与研究[D ].南宁:广西大学,2008.[3]　BROOK C ,THORNLEY F R.Plant and equipment usedin opencast mining and associated activities [J ].Colli⁃eryGuardian ,2013,89(11):710-721.[4]　许京荆.ANSYS Workbench13.0数值模拟技术[M ].北京:中国水利水电出版社,2012.[5]　张卫华,翟婉明.第十七届国际车辆系统动力学会议简介[J ].国外铁道车辆,2002,39(1):6-9.[6]　张红旗,曹文刚,徐涛,等.基于ANSYS 的客车转向节的有限元分析[J ].CAD /CAM 与制造业信息化,2002(9):25-27.[7]　袁旦.汽车转向节有限元分析与优化设计[D ].杭州:浙江工业大学,2010.[8]　ALBERT P C ,CHAN N M ,DANIEL W M ,et al.Over⁃view of the application of fuzzy techniques in construction management research [J ].Journal of Construction Engi⁃neeringand Management ,2013,66(12):1241-1252.[9]　郭洪艳,陈虹,赵海艳,等.汽车行驶状态参数估计研究进展与展望[J ].控制理论与应用,2013,30(6):661-672.作者简介:翟培培(1989-),女,陕西兴平人,硕士研究生,研究方向:机械工程㊂收稿日期:2018-11-26㊃46㊃。