基于Workbench的赛车车架模态分析

1、基于 Workbench 的赛车车架模态分析摘 要：参照中国大学生方程式汽车大赛竞赛规则， 利用 SolidWorks 软件建立了车架三维模型， 在 Workbench 中 建立车架梁单元模型，并对车架进行模态分析，求取其前 5 阶模态频率，并利用其振型动画，找到试验模态的最佳激励 点和悬挂点，接着通过试验模态的方法对车架进行模态测试， 将试验数据与仿真结果进行对比，前五阶频率误差不超过 2Hz,结果表明，通过梁单元建立的车架模型会有较高的精 度，可以进行后续的优化设计。关键词：赛车车架；固有频率；模态测试；模态分析 车架作为赛车总成最重要的一部分，其上安装着所有的 零部件，承载着来自各个系统

2、的载荷，车架的结构设计在汽 车总体设计中显得非常重要。赛车车架承受着来自道路的各 种复杂载荷，在行驶时会由于各种不同振动源激励而产生振 动。由于全国方程式赛车比赛时在良好道路条件下进行的， 因此路面的激励不是主要激励，发动机激励为赛车车架的主 要激励源。 本文采用有限元软件 Workbench 对某赛车车架进 行模态分析，并与实际试验数据进行对比，结果表明利用梁 单元建立的车架模型具有较高的精度，可以利用此模型进行 后续的优化设计。1. 发动机激励分析 发动机激励是整车最为重要的激励源，如果车架的某阶 频率与发动机激励频率接近，车架将会发生严重的振动，从 而影响赛车的平顺性及可靠性。方程式赛车

3、采用CRF-450单缸 4 冲程发动机， 转速区间 900-9500r/min 。发动机 2 阶点火 激励为最主要的激励，其频率可以表示为：2. 车架模态测试2.1 模态试验原理 试验时赛车车架采用自由悬挂方式，赛车车架用四根弹 簧绳悬挂，模拟自由约束状态。试验原理图如图 1 所示，由 于赛车车架质量只有 32.6kg，使用激振器不方便安装，试验 过程中容易晃动造成试验数据不准确， 所以试验时使用 50KN 的冲击力锤产生激励信号。 6 个单向加速度传感器，用于测 量各拾振点的振动信号， DH8302 采集系统用于数据采集及 分析。加速度传感器通过磁座安装在车架钢管上。2.2 模态测试测点和激

4、振点选择与布置方案 根据赛车车架的结构特点，对其进行模态测试时，布置 了一个激振点， 57 个测点，分别测取 x、y、z 三个方向的加 速度信号，为提高测试结果的精度，每个测点敲击 4 次，求 取平均值，模态测试测点及激振点布置如图 3 所示，其中红 色点位测点位置。2.3 模态试验结果 模态试验结果如表 2。3. 试验结果分析讨论3.1 车架有限元模型的建立 赛车车架是由钢管拼焊而成的结构，建立有限元模型， 先由 SolidWorks 软件建立结构实体，然后转化为 x_t 格式文 件或 igs 格式文件输入到 Workbench 系统生成。建立有限元 模型时，忽略了局部的棱角、支耳等，把由焊

5、接形成的组合 零件构造成为一整体零件，不考虑焊缝的影响。车架材料为结构钢，总质量为32.6Kg。在进行计算时取密度p =9.15 X 103 kg/m3 ;杨氏模量 E=200Gpa；泊松比卩=0.3 划分网格时，网格尺寸设计为2mm。计算结束后，得到17100 个单元， 34147 个节点。3.2 试验和计算结果分析对比 通过对车架的有限元模型进行自由模态分析计算，由于 发动机常用转速对应的激励频率不超过70Hz,所以提取车架前 5 阶低阶模态，得到车架的固有频率和振型等模态参数。 有限元计算模态与试验模态的结果对比见表 2。比较结果表明，有限元模型计算得到的固有频率与试验 得到的频率误差不

6、超过 5%，说明有限元模型比较精确，理 论计算结果可信，用所建立的有限元模型很好地反映了实际 结构的振动特性。试验数据表明，该车架的前 5 阶频率集中 在40-90HZ之间。发动机怠速频率为 7.5Hz，车架1阶模态频率在 40Hz 左右，远离发动机怠速激励频率段，在怠速阶段 车架振动不会与发动机激励产生共振；发动机常用转速工作 频率为45.83-62.5 Hz,而该车架的 1、2阶频率为39.47Hz、 57.24Hz,处于发动机工作频率段之间，这很有可能引起车架的共振，应适当调整车架结构，使其 1、 2 阶频率避开发动 机工作频率范围。4 结论车架的共振现象会造成车架的破坏,大大降低了车架的 使用寿命,所以在车架结构设计的时候要避免产生共振。本 文利用有限元方法对车架进行模态分析,得到了某赛车车架 的前 5 阶固有频率及振型,结合试验数据,验证了模态分析 的正确性。观察振型可知,车架纵向方向的刚度不过,车架 容易发生弯曲变形,因此纵梁应选用刚度更好的材料或则增 加原钢管的直径。模态分析和试验结果表明,该赛车车架的 频率分布比较合理,振型平滑,但是部分固有频率处于发动 机激励频率范围内,在行驶过程中可能出现大幅振动,以致 损坏车架结构。参考文献1 赵诚，王国权，姜立？，白世鹏.FASE方程式赛车车 架结构强度试验J.北京信息科技大学学报， 2013，28（ 3）： 43-