浅析承载式车身发动机机架模态

作者：张毅

   为了保证承载式车身的固有频率避开发动机以及其他外界激振的频率范围，从而保证其良好的工作性能，人们将发动机机架的模态分析作为新车设计中的重要内容。本文将对某紧凑型汽车的车身发动机机架进行建模与分析，并根据分析结果优化其固有频率，避免发动机机架与路面及发动机产生共振。

1车身发动机机架有限元模型的建立

1.1建模原理

  在模态分析过程中，有限元分析模型建立的好坏将直接影响到分析结果的精度，良好的有限元模型既要保证相应的计算精度，又不至于计算量过大。在承载式车身发动机机架的建模过程中，应使其具有足够的准确性，并且要划分良好的网格结构，但是模型又不宜过于复杂，否则会花费过多的人力物力，增加计算费用。

1.2有限元分析模型的建立

  在三维建模软件CATIA中建立某紧凑型汽车车身发动机机架的模型，如图1所示。将发动机机架的三维模型导出为分析所用的IGES格式后，再导人到Hypermesh软件中进行相应的中面抽取。发动机机架由多个部件组成，大部分部件都是由钣金件冲压形成，故模型相对复杂。又由于分析软件自身的局限性，抽取的中面会出现一定的错误，故对发动机机架模型的中面进行相应的几何清理与修复。

  考虑到承载式白车身的发动机机架采用薄壁钣金件材料，基于有限元分析理论，采用二维壳单元对其进行仿真分析。考虑到车身发动机机架构件的复杂性，故对其部件进行逐个划分并分别在不同的管理层管理，网格划分后得到83 671个单元和82 154个节点。

  网格质量的好坏直接影响到分析结果，划分不合理的网格甚至会出现软件报错现象，故需进行网格的质量检查。在Hypermesh中控制网格的标准为：warpage>5，O，jacobian<0.6，taper>0.5；四边形网格角度控制为：min angle<45，max angle>135；三角形单元角度控制为：min angle<20，max angle>120。经过相应的检查和修改，网格质量达到了计算要求。

  车身发动机的机架一般采用一种材料的钣金件焊接完成，在此将材料定义为结构钢( Q235)，弹性模量E-2. 12×10s MPa，泊松比为0.288，密度为7. 86 g/cm3。模型的材料属性定义完成后，在软件中对单元类型和厚度等进行相应的定义，最终更新后，软件自动将定义的属性赋予模型。

由于之前划分网格在不同的管理层内，各部件之间无法传递力和位移，故要对部件之间进行装配。本文分析的车身发动机机架采用焊接和螺栓连接，最终在Hypermesh软件中建立完成的车身发动机机架有限元模型如图2所示。

2仿真分析

2.1模态分析理论基础

在实际的结构动力学分析过程中，会把一个连续的结构离散成为具有n个自由度的相应离散系统。而对于具有任意黏性阻尼的系统，矩阵为n×n维矩阵，振动微分方程的一般形式为：

其中：[M]为系统的质量矩阵；[K]为系统的刚度矩阵；{u}和{u）分别为系统的位移和加速度向量。假设系统中划分的质量块做同频率与同相位的简谐振动，则：

其中：w为振动频率；{A）为激励的振动向量；妒为相位。

将式(1)、式(2)合并得到：

式(4)为本系统的特征矩阵。为求特征值，令所求的特征矩阵行列式为零，即：

  由特征矩阵可以求得n个特征值，把这些特征值开放后可以得到系统的n个固有频率。特征值开方后由小到大依次为第1阶，第2阶，…，第n阶系统固有频率。

2.2模态求解

  将Hypermesh中建好的有限元模型以cdb格式导出，然后倒入Patran中，提取发动机机架的前14阶模态，设置好求解卡片后提交Patran求解器进行求解。

3结果分析

3.1模态分析

调用Patran模态分析模块，求解完成提取相应的特征值以及各阶模态变形云图。考虑到环境的影响，本文分析模态只提取了发动机机架的前14阶模态振型进行分析。由于部件具有6个自由度，故有6个刚体模态，计算求得的结果接近零，符合理论上前6阶模态都为零。而其余的7阶～14阶模态相关振型描述和固有频率计算值如表1所示。

3.2振型分析

此紧凑型车身发动机机架7阶～14阶的模态振型云图如图3所示。

  在实际的汽车行驶过程中，所产生的激励主要来自于所行驶的路面状况、所使用的发动机型号以及传动轴的不平衡等因素。本文分析的为紧凑型轿车，多行驶在高速公路和一般城市的路面，其激励多为3 Hz以下。而本车型的发动机所引起的激励一般为35 Hz以上，与其他几个因素相比所占的激励分量较大，而其他激励对车身发动机机架的分量较小。故车身发动机机架的主要振型应出现在3 Hz～35 Hz的范围内，以避免与路面和发动机产生共振。

4结论

  本车型为普通的城市紧凑型轿车，城市中一般车速控制在50 km/h～80 km/h，高速公路上的车速一般控制在120 km/h以下，发动机引起的激励在35 Hz以上。故通过分析可以判定发动机工作产生的激励不会引起发动机机架的共振，安全可靠。

从振型云图可以看出，车身发动机机架在较低频率激励的作用下变形主要集中在左、右悬臂和前悬架。当固有频率的值在17 Hz以下时，所产生的变形主要集中在左右悬臂上；而当固有频率的值在17 Hz以上时，所产生的变形主要集中在前悬架上。为了使发动机机架更加平稳地工作，需要对发动机机架的左、右悬臂及前臂进行优化。

5摘要：基于三维建模软件CATIA建立某承载式车身发动机机架模型，将其导入Hypermesh软件中建立有限元模型，利用Patran软件对此发动机机架进行模态分析，得到其固有频率和相应的各阶振型。结果表明，此型号发动机机架不会因路面颠簸及发动机颤振产生共振，安全性能可靠。