基于HyperWorks的车架模态分析

1 前言

汽车车架是汽车各大总成的载体，是重要的受力部件。车架工作时要承受扭转、弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力，同时受到来自路面和车桥的激振而产生振动，设计中除了要有足够的强度、足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度保证汽车对路面不平度的适应性外，合理的振动特性也是十分重要的，以避免汽车在使用过程中各部件之间产生共振，导致某些部件的早期损坏，降低汽车的使用寿命。因此，车架结构模态分析在现代汽车结构设计中具有十分重要的意义。

HyperWorks为美国澳汰尔(Altair)公司的有限元结构分析与优化软件，包括MotionView、HyperGraph、HyperForm、HyperOpt、OptiStruct、HyperMesh等多个功能模块，其中HyperMesh为前后处理器，OptiStruct为结构分析和优化工具，内含有限元求解器。

这里以某公司新开发的中巴车车架为研究对象，利用HyperWorks建立以三角形壳单元和四边形壳单元为基本单元的车架有限元分析模型，分析了该车架的前七阶固有频率及振型，为车架响应分析提供了重要的模态参数，同时也为结构的改进设计提供理论依据。

2 HyperWorks建模流程

HyperWorks有限元建模流程参见图1。

图1 HyperWorks建模流程

在利用HyperWorks进行有限元建模时，需要注意以下几个问题：

(1)导入CAD几何数模（Pro/E、NX、CATIA等）时，如果几何模型很简单，可以考虑利用HyperWorks自带的简单建模工具进行几何建模。如果是较大的项目，需要考虑模型规模的大小，在模型导入前去掉某些不必要的零件，并对一些复杂模型进行简化处理，忽略对整体力学性能影响较小的几何细节如半径为5mm以下的孔、过渡圆角或倒角以及2mm以下的搭接边上的凸台等。

(2)如果导入的CAD模型是实体零件，则需要利用HyperWorks的MidSurfacef（中面抽取）功能对薄壁零件进行中面的抽取工作。

(3)从CAD导入的曲面模型或抽取的中面往往存在缝隙、重叠、错位等缺陷，则需要利用HyperWorks的Geometry Cleanup(几何清理)功能消除错位和小孔，压缩相邻曲面之间的边界，消除不必要细节，以提高整个划分网格的速度和质量，减少计算误差。

(4)有限元网格剖分时，应根据分析的目的并结合模型的特点，选择适当的单元类型，并根据计算机的能力和要求的精度确定合适的网格大小，划分网格。

(5)单元质量对有限元计算结果有较大影响。在有限元网格划分时，检查并控制单元的质量参数显得尤为重要。网格检查内容一般为是否有重复的节点、重复的或缺少的单元，以及高度畸变或翘曲的单元。单元尺寸应得到控制，如单元长宽比110；单元内角≥30°；单元翘曲角≤20°；单元尺寸应尽量均匀，要避免特别小的单元。在使用RBE2单元时，须分清主次，即同一个节点只能丛属于一个主点。

(6)施加载荷和边界条件是有限元模型的精华，这一步需要的是经验和根据经验做出某种简化或者取舍的勇气。

3 车架有限元模型的建立

下面从本文研究对象（车架）的结构、CAD数据的导入、有限元网格的剖分等几个方面，介绍基于HyperWorks的车架有限元分析模型建立。

3.1车架的结构

这里研究的车架为边梁式车架结构，由左右分开的两根纵大梁、两根纵副梁和9根横梁组成，第1、2、5、8、9横梁均为槽型横梁，3、4、6、7横梁为K形横梁。车架长约7. 5m，前、后端宽0.8m，纵大梁断面为槽型，采用等截面设计，大梁板厚为6. 5mm，其它纵、横梁板厚均为Smm。整个车架结构如图2所示。

图2 车架三维模型

3.2三维模型的导入

这里所分析的车架模型是由Pro/ENGINEER2001建立的三维实体模型，因此可以直接利用HyperWorks提供的PROE接口导入模型。

整个车架模型导入时，绝大部分零件几何质量较好，但也有零件曲面变形的情况。针对曲面零件几何变形的情形，我们将该零件在Pro/ENGINEER中保存为IGES的格式，然后利用HyperWorks提供的lGES接口读入，即可得到满意的效果。因此在使用软件时不能盲目地相信与CAD软件的直接接口不会出现模型信息丢失或几何变形的问题，在几何模型导入出现问题时，通用的IGES格式往往可以获得较好的效果。

3.3网格划分

车架结构基本对称，为了减少网格剖分的工作量，仅保留几何模型的一半，在此基础上建立有限元分析模型。

利用HyperWorks的中而抽取功能Midsurface，对车架中的薄壁件抽取中面时，由于导入的车架模型几何质量较好，故不需要对其进行几何清理。

车架纵梁和横梁是通过铆接联结的，建模时认为纵梁和横梁的联接是刚性的。由于车架纵梁上的小圆孔只影响纵梁上很小的局部区域的刚度，而对整个车架的计算精度影响很小，为简化模型，减小解题规模，建模时将这些小孔忽略不计，但要保留与横梁等零件的联接孔。在钢板弹簧前后支架等实体件划分网格前，也对模型作了一些简化处理，如删除小的圆角、平台等特征。

车架结构有限元分析模型中采用四边形壳单位(QUAD)、三角形壳单位(TRIA)、混合型壳单元(MIXED)模拟构成车架的薄壁件，采用四面体单元(TETRA)模拟钢板弹簧前后支架等实体件，采用反映主从关系的刚性单元(RBE2)模拟零件间的焊接与螺栓连接．图3为副梁与其加强板间的焊接。

4 车架的有限元模态分析结果

利用HyperWorks的Optistruct求解，得到的车架前七阶固有频率及振型描述见表1，其振型图略。

5 结语

这里对中巴车车架进行有限元模态分析，得到车架结构的固有频率与固有振型，不仅可以反映结构的动刚度特性，而且还是分析结构动力响应和其他动力特性问题的基础，可以帮助产品设计师在后续设计中避开这些频率或最大限度地减小对这些频率上的激励，从而消除过渡振动和噪声，同时也为结构的改进设计提供了理论依据。

HyperWorks是一个比较优秀的有限元分析软件，进入国内还仅有几年的时间，因此需要在进一步的工程应用中不断总结和积累经验。