1 前言
汽車車架是汽車各大總成的載體，是重要的受力部件。車架工作時要承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪切力，同時受到來自路面和車橋的激振而產(chǎn)生振動，設(shè)計中除了要有足夠的強(qiáng)度、足夠的抗彎剛度和合適的扭轉(zhuǎn)剛度保證汽車對路面不平度的適應(yīng)性外，合理的振動特性也是十分重要的，以避免汽車在使用過程中各部件之間產(chǎn)生共振，導(dǎo)致某些部件的早期損壞，降低汽車的使用壽命。因此，車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析在現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有十分重要的意義。
HyperWorks為美國澳汰爾(Altair)公司的有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件，包括MotionView、HyperGraph、HyperForm、HyperOpt、OptiStruct、HyperMesh等多個功能模塊，其中HyperMesh為前后處理器，OptiStruct為結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化工具，內(nèi)含有限元求解器。
這里以某公司新開發(fā)的中巴車車架為研究對象，利用HyperWorks建立以三角形殼單元和四邊形殼單元為基本單元的車架有限元分析模型，分析了該車架的前七階固有頻率及振型，為車架響應(yīng)分析提供了重要的模態(tài)參數(shù)，同時也為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計提供理論依據(jù)。
2 HyperWorks建模流程
HyperWorks有限元建模流程參見圖1。
圖1 HyperWorks建模流程
在利用HyperWorks進(jìn)行有限元建模時，需要注意以下幾個問題：
(1)導(dǎo)入CAD幾何數(shù)模（Pro/E、NX、CATIA等）時，如果幾何模型很簡單，可以考慮利用HyperWorks自帶的簡單建模工具進(jìn)行幾何建模。如果是較大的項(xiàng)目，需要考慮模型規(guī)模的大小，在模型導(dǎo)入前去掉某些不必要的零件，并對一些復(fù)雜模型進(jìn)行簡化處理，忽略對整體力學(xué)性能影響較小的幾何細(xì)節(jié)如半徑為5mm以下的孔、過渡圓角或倒角以及2mm以下的搭接邊上的凸臺等。
(2)如果導(dǎo)入的CAD模型是實(shí)體零件，則需要利用HyperWorks的MidSurfacef（中面抽�。┕δ軐Ρ”诹慵M(jìn)行中面的抽取工作。
(3)從CAD導(dǎo)入的曲面模型或抽取的中面往往存在縫隙、重疊、錯位等缺陷，則需要利用HyperWorks的Geometry CLEANup(幾何清理)功能消除錯位和小孔，壓縮相鄰曲面之間的邊界，消除不必要細(xì)節(jié)，以提高整個劃分網(wǎng)格的速度和質(zhì)量，減少計算誤差。
(4)有限元網(wǎng)格剖分時，應(yīng)根據(jù)分析的目的并結(jié)合模型的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋�，并根�?jù)計算機(jī)的能力和要求的精度確定合適的網(wǎng)格大小，劃分網(wǎng)格。
(5)單元質(zhì)量對有限元計算結(jié)果有較大影響。在有限元網(wǎng)格劃分時，檢查并控制單元的質(zhì)量參數(shù)顯得尤為重要。網(wǎng)格檢查內(nèi)容一般為是否有重復(fù)的節(jié)點(diǎn)、重復(fù)的或缺少的單元，以及高度畸變或翹曲的單元。單元尺寸應(yīng)得到控制，如單元長寬比110；單元內(nèi)角≥30°；單元翹曲角≤20°；單元尺寸應(yīng)盡量均勻，要避免特別小的單元。在使用RBE2單元時，須分清主次，即同一個節(jié)點(diǎn)只能叢屬于一個主點(diǎn)。
(6)施加載荷和邊界條件是有限元模型的精華，這一步需要的是經(jīng)驗(yàn)和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出某種簡化或者取舍的勇氣。
3 車架有限元模型的建立
下面從本文研究對象（車架）的結(jié)構(gòu)、CAD數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、有限元網(wǎng)格的剖分等幾個方面，介紹基于HyperWorks的車架有限元分析模型建立。
3.1車架的結(jié)構(gòu)
這里研究的車架為邊梁式車架結(jié)構(gòu)，由左右分開的兩根縱大梁、兩根縱副梁和9根橫梁組成，第1、2、5、8、9橫梁均為槽型橫梁，3、4、6、7橫梁為K形橫梁。車架長約7. 5m，前、后端寬0.8m，縱大梁斷面為槽型，采用等截面設(shè)計，大梁板厚為6. 5mm，其它縱、橫梁板厚均為Smm。整個車架結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 車架三維模型
3.2三維模型的導(dǎo)入
這里所分析的車架模型是由Pro/ENGINEER2001建立的三維實(shí)體模型，因此可以直接利用HyperWorks提供的PROE接口導(dǎo)入模型。
整個車架模型導(dǎo)入時，絕大部分零件幾何質(zhì)量較好，但也有零件曲面變形的情況。針對曲面零件幾何變形的情形，我們將該零件在Pro/ENGINEER中保存為IGES的格式，然后利用HyperWorks提供的lGES接口讀入，即可得到滿意的效果。因此在使用軟件時不能盲目地相信與CAD軟件的直接接口不會出現(xiàn)模型信息丟失或幾何變形的問題，在幾何模型導(dǎo)入出現(xiàn)問題時，通用的IGES格式往往可以獲得較好的效果。
3.3網(wǎng)格劃分
車架結(jié)構(gòu)基本對稱，為了減少網(wǎng)格剖分的工作量，僅保留幾何模型的一半，在此基礎(chǔ)上建立有限元分析模型。
利用HyperWorks的中而抽取功能Midsurface，對車架中的薄壁件抽取中面時，由于導(dǎo)入的車架模型幾何質(zhì)量較好，故不需要對其進(jìn)行幾何清理。
車架縱梁和橫梁是通過鉚接聯(lián)結(jié)的，建模時認(rèn)為縱梁和橫梁的聯(lián)接是剛性的。由于車架縱梁上的小圓孔只影響縱梁上很小的局部區(qū)域的剛度，而對整個車架的計算精度影響很小，為簡化模型，減小解題規(guī)模，建模時將這些小孔忽略不計，但要保留與橫梁等零件的聯(lián)接孔。在鋼板彈簧前后支架等實(shí)體件劃分網(wǎng)格前，也對模型作了一些簡化處理，如刪除小的圓角、平臺等特征。
車架結(jié)構(gòu)有限元分析模型中采用四邊形殼單位(QUAD)、三角形殼單位(TRIA)、混合型殼單元(MIXED)模擬構(gòu)成車架的薄壁件，采用四面體單元(TETRA)模擬鋼板彈簧前后支架等實(shí)體件，采用反映主從關(guān)系的剛性單元(RBE2)模擬零件間的焊接與螺栓連接．圖3為副梁與其加強(qiáng)板間的焊接。
圖3 副梁與其加強(qiáng)板間的焊接
4 車架的有限元模態(tài)分析結(jié)果
利用HyperWorks的Optistruct求解，得到的車架前七階固有頻率及振型描述見表1，其振型圖略。
表1 前七階固有頻率及振型
5 結(jié)語
這里對中巴車車架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得到車架結(jié)構(gòu)的固有頻率與固有振型，不僅可以反映結(jié)構(gòu)的動剛度特性，而且還是分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和其他動力特性問題的基礎(chǔ)，可以幫助產(chǎn)品設(shè)計師在后續(xù)設(shè)計中避開這些頻率或最大限度地減小對這些頻率上的激勵，從而消除過渡振動和噪聲，同時也為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)。
HyperWorks是一個比較優(yōu)秀的有限元分析軟件，進(jìn)入國內(nèi)還僅有幾年的時間，因此需要在進(jìn)一步的工程應(yīng)用中不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)。
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