【iSolver案例分享65】汽车前副车架模态分析案例

iSolver案例分享：汽车前副车架模态分析案例

0. 引言

iSolver为一个完全自主的通用结构有限元软件，对标国际主流结构CAE商业软件Abaqus、Ansys、Nastran，支持结构分析的常用功能，线性及材料非线性的精度和Abaqus没有误差，效率和Abaqus相当，iSolver自带友好的三维可视化前后处理界面，也可作为一个轻量化插件集成到Abaqus/FEMAP或者自主软件中。本帖以一单层球面网壳模态分析为例，将iSolver求解器和Abaqus、Ansys、Nastran、Midas计算结果、进行对比，验证iSolver的求解可靠性。

1. 问题描述

汽车的前副车架是连接车身和车轮的中间装置，起支撑、隔振以及提高悬架刚度的作用。汽车前副车架是汽车各大总成的载体，是重要的受力部件。前副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，在实际行车过程中，副车架还要受到来自路面的激励和发动机的激励，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，影响乘客驾乘的舒适性。因此，前副车架模态要求在汽车设计中是非常重要的。前副车架的模态与发动机常用转速下的激励频率很接近时，副车架与发动机的激励频率发生共振，整车便会产生轰鸣声，影响整车的NVH值，降低汽车的使用寿命，影响乘客的舒适性。而如何科学地定义前副车架的模态目标值是研究的重点。

本例中，为了研究副车架的模态和iSolver求解器计算精度，计算副车架自由状态下的副车架前五阶柔性模态。

2. 副车架有限元建模

以某量产车型的冲焊结构副车架为例，采用壳单元进行网格划分，rbe2抓取硬点，模型包含54302个节点，56422个壳单元，其中三角形单元占比为5.8%。模型材料为钢材，副车架有限元模型和材料参数如下图1和表1所示。

图1 副车架有限元模型

表1 材料属性

材 料	E/MPa	μ	密度ρ t/mm3
钢材	210000	0.3	7.85e-9

3. 副车架自由模态分析与对比

自由模态是副车架刚度特性的基本指标之一，根据模态振型可以帮助工程师确定刚度关注点、疲劳关注部位以及悬置布置位置等。通过iSolver计算副车架前五阶柔性模态。

图2 iSolver模态计算设置

iSolver模态频率结果和MSC Nastran商用有限元软件结果对比：

表2 模态频率结果对比

模态阶数	iSolver /Hz	MSC Nastran /Hz	相对误差
1	142.7	143.8	-0.77%
2	249.7	249.6	+0.04%
3	321.7	322.2	-0.16%
4	395.3	396.8	-0.38%
5	454.2	454.4	-0.04%

以上结果对比可见，iSolver与MSC Nastran求解器计算的模态频率结果基本一致，最大误差仅为-0.77%。

iSolver模态频率结果和MSC Nastran商用有限元软件结果对比：

1）第一阶柔性模态振型对比

图2 副车架第一阶（142.7Hz）柔性扭转模态-iSolver

图3 副车架第一阶（143.8Hz）柔性扭转模态-MSC Nastran

2）第二阶柔性模态振型对比

图4 副车架第二阶（249.7Hz）柔性弯曲模态-iSolver

图5 副车架第二阶（249.6Hz）柔性弯曲模态-MSC Nastran

3）第三阶柔性模态振型对比

图6 副车架第三阶（321.7Hz）柔性模态-iSolver

图7 副车架第三阶（322.2Hz）柔性模态-MSC Nastran

4）第四阶柔性模态振型对比

图8 副车架第四阶（395.3Hz）柔性模态-iSolver

图9 副车架第四阶（396.8Hz）柔性模态-MSC Nastran

5）第五阶柔性模态振型对比

图10 副车架第五阶（454.2Hz）柔性模态-iSolver

图11 副车架第五阶（454.4Hz）柔性模态-MSC Nastran

由此可见，iSolver与MSC Nastran求解器计算的模态振型结果也是基本一致，总的来说，固有频率和振型计算结果几乎吻合。

4. 总结

本例中计算了汽车副车架的自由状态下的模态，其分析结果对于汽车设计具有非常重要的意义，特别是其一阶扭转和二阶弯曲模态的频率和振型，帮助避免与发动机常用转速产生共振，以及有效设计悬置安装位置。

本例中，iSolver求解器与MSC Nastran商用软件结果基本一致。iSolver软件在本例上有非常高的的求解精度。