重型汽車車架有限元模態分析與試驗模態分析比較
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重型汽車車架是一個無限多自由度的振動系統，在外界的時變激勵下將產生振動。當外界激振頻率與系統的固有頻率接近時，將產生共振。共振將會使得乘員感覺不舒服，帶來噪聲和早期疲勞破壞。因此，合理的車架模態對提高整車的整車的可靠性和NVH性能等有十分重要的意義。在汽車產品設計開發過程中，預先掌握所設計產品的動態特性，使所設計的產品滿足動態特性要求，對車輛的動態特性是非常重要的?？梢詮膬蓚€方面獲得產品結構的固有振動頻率和振型，一種方法是通過試驗的方法，對樣車進行模態試驗，識別出結構的各階模態頻率和振型，另一種方法是通過理論分析計算，分析計算出結構的各階模態和振型。試驗方法的局限性是必須在設計樣車制造出來之后，才能進行試驗分析。通過對實際樣車的試驗分析，得出產品的基本動態特性，如果不能滿足設計需求，需要重新設計，然后再生產樣車試驗。如此往復多次，才能得到一個較為滿意的產品。但是產品開發周期長費用高，不能夠迅速推出產品，占領市場，對企業發展不利。理論計算分析則可以在設計的初始階段，不需要生產樣車，通過計算分析就能夠得到產品的各項動態性能指標，這樣就很大程度上節省開發費用，并縮短研發周期。
本文利用有限元方法，采用HyperWorks軟件離散并建立了重型汽車車架的有限元模型，利用求解器計算，得出了車架的前十階自由模態頻率和振型，并和試驗模態進行了對比。
2 有限元模型建立
在有限元模型前處理軟件HyperMesh中對車架進行幾何清理，并做網格劃分。車架主要由沖壓鋼板組成，通過鉚釘、螺栓進行連接。根據分析的需求，對車架以及各支架部件進行了必要的簡化和處理，車架縱梁以及橫梁與連接板采用殼單元，螺栓與鉚釘采用剛性單元，對于鑄造件采用四面體單元進行離散。模型共劃分單元402788個，節點178504個。其有限元計算分析模型（如圖1所示）。
圖1 車架有限元模態計算分析模型
3.1 模態分析理論基礎
對于多自由度線彈性系統，其運動微分方程可以用矩陣的形式表達為：
M?(t)+C y? (t)+Ky(t)=X(t) （1）
式中：M、C和K分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，y(t)為系統的響應位移矢量，x(t)為系統受到的激勵力矢量。
如果結構阻尼很小，對系統的模態參數影響不大，則在進行計算模態分析時通常忽略方程式(1)中的阻尼力項，這時求解其特征值可以得到系統的實模態，即模態振型所表示的各自由度的相對運動是同相或反相的。而如果結構阻尼較大，則不能忽略阻尼力的影響，求出的是系統的復模態。模態振型各自由度之間的相對運動存在相位差，其大小是由模態阻尼比決定的[1]。
3.2 有限元模態分析
理論僅考慮了車架自身的質量和剛度，計算了車架的前五階模態頻率和模態振型。具體結果如表1所示。
表1 理論分析結果 
圖2 車架有限元分析模態振型
車架的模態試驗主要由以下四部分組成：被試車架、激振系統、拾振系統、數據分析與處理系統。其中激振系統包括信號發生器、功率放大器和激振器。拾振系統包括加速度傳感器、力傳感器、電荷放大器和信號采集系統。模態分析和數據處理系統主要采用LMS Test.Lab分析軟件。
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