1 引言
車架總成是商用車中最重要的總成之一，車輛中幾乎所有的總成部件都安裝在車架上。它承受著所裝載的全部質量，傳遞著全部的驅動力和制動力，因此車架應有足夠的強度和合適的剛度。對車架強度的要求要保證車架在各種道路條件下，不致過早受到嚴重損壞，要有足夠的使用壽命；而車架剛度會影響到車輛的平順性，車架應有合適的彎曲剛度和扭轉剛度。
在進行商用車動力學計算時，一般可簡單地將車架處理為剛體。當考慮車架的柔性時，可在車架三維幾何模型的基礎上，通過有限元軟件生成模態中性文件導入車輛模型中。但這種方法的前提是已有車架完整的三維幾何模型，需要使用有限元軟件進行處理，耗時長，且不易進行修改。
現在車輛設計越來越希望在車輛的概念設計階段引入CAE手段，從而對車輛部件詳細設計起到指導的作用，而在概念設計階段，往往還沒有車架三維幾何設計，針對這種情況，本文通過研究試驗模態文件，實現了車架的簡易建模，可實現對車架一扭、垂向一彎模態頻率和模態振型的設定。通過這一方法實現了在車型概念設計階段，利用商用車動力學計算分析結果來規劃定義車架的基本彎扭特性，從而避免在車輛零部件在后期作較大的改動，更好地滿足車輛平順性的需求。
2 車架的有限元建模方法
進行車輛的操縱穩定性和平順性等汽車主要性能的計算分析，一般可采用商業化的多體動力學軟件MSC.ADAMS/CAR來建立車輛詳細的整車動力學模型，針對具體工況進行性能分析，計算得到車輛主要性能指標。
商用車的車架是連接車輛所有總成的部件，且其一彎、一扭模態頻率較低，將車架處理為柔體將能更好地反映整車實際的性能。對于車架的柔性化處理，一般在車架的三維幾何模型的基礎上，利用有限元軟件通過網格劃分，來得到車架的有限元模型。圖1為車架的完整三維幾何模型，這時車架已完成詳細的設計。圖2是在車架三維幾何模型基礎上通過有限元軟件后得到的車架有限元模型，一般經過幾何清理，網格劃分等工作后得到。
圖1 車架的三維幾何模型
圖2 基于三維幾何的車架有限元模型
ADAMS軟件并不能直接使用車架的有限元模型，該軟件所能接受的柔性體模型的文件格式是模態中性文件MNF，車架劃分有限單元后，利用有限元軟件進行自由模態分析，計算得到模態中性文件MNF類型的文件，導入ADAMS軟件后替換車架原有的剛體。
圖3 車架的一扭模態振型
整車動力學模型建立后，以剛體質心笛卡爾坐標和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標，應用拉格朗日待定乘子法，得到整車的多剛體系統的動力學方程如下：
公式1 整車多剛體系統的動力學方程
式中：T－系統能量；φ(q,t)=0為完整約束方程；θ(q,q,t)=0為非完整約束方程；q為廣義坐標列陣；Q為廣義力列陣；μ為對應非完整約束的拉氏乘子列陣。
3 車架的簡易建模
在車輛開發的概念設計階段，車架還沒有進行實際的設計，因此在這一階段不可能按照已有的方法，在車架的三維幾何模型基礎上，通過有限元軟件生成模態中性文件。本文設想通過試驗模態文件建立車架的柔體模型，此模型應具體現車架基本的彎扭特性，從而通過整車性能分析評價車架的彎扭特性，將整車性能分解到車架總成的模態特征。
經過研究試驗模態文件的具體結構，可以根據在概念設計階段車架的長度、寬度等一些基本數據，通過研究試驗模態文件，來得到簡單能反映車架彎扭特性的模態中性文件，從而可以在車輛的概念設計階段來分析車架彎扭特性的影響，進而對車架的彎扭特性有早期的規劃和控制。為簡化車架的建模，在車架簡易建模中，僅考慮車架的長度和寬度幾何特征，將車架等價于簡單的線框結構，但包括車架的質量、轉動慣量等的物理特征。
4 車架彎扭特性的設定
為了快速生成得到預想的車架簡易模型，經過摸索，采用MATLAB軟件來編寫了實現車架基本彎扭特性的程序，并設計對話界面可以認為設定車架一扭、垂向一彎兩種模態振型的頻率值，并可通過設定一扭、一彎振型對稱軸的位置來控制車架的基本振型。
圖4 車架模態文件生成程序的對話界面
由于僅僅考慮車架的基本特征，簡單的線框結構可以用來定義車架，其長度和寬度根據車輛總體尺寸確定，車架與其他總成的連接位置可以通過具體的坐標位置進行定義。生成后車架模態文件后導入車架模板文件，并通過INTERFACE PART來建立與其它總成的連接關系。圖5為簡易車架模型的一彎振型，模態頻率設定為15Hz，其彎曲振型的對稱軸設在距車架后端1/3總長處；圖6為簡易車架模型的一扭振型，模態頻率設定為12Hz，其扭轉振型的對稱軸設在車架寬度的1/2處，即車架的中間。
圖5 簡易車架模型的一彎振型
圖6 簡易車架模型的一扭振型
5 車架彎扭對整車性能的影響
為驗證車架柔性體簡易建模的方法，應用ADAMS/CAR軟件，在已有的商用車整車模型的基礎上，通過替換原有車輛動力學模型中的剛體車架子系統，得到含有簡易車架模型的整車動力學模型，如圖7和圖8所示。按照GT/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》的國家標準，通過建立不同等級的隨機輸入路面，進行整車動力學模型隨機輸入行駛的仿真計算。
圖7 車架為剛體的整車模型
圖8 包含簡易柔性車架的整車模型
通過已編好的簡易車架生成程序，可方便定義不同的垂向一彎及一扭的模態頻率和振型，將不同車架替換到整車模型中進行相同工況的計算分析，可以獲得不同特性車架對整車平順性的影響，圖9為采用不同車架時車輛加速度的時域信號的對比。針對車輛的平順性能，通過簡易車架進行優化計算，實現在車輛開發的早期對車架的彎扭特性進行規劃和控制。
圖9 包含簡易柔性車架的整車模型
6 結論
汽車的平順性是汽車設計的一個重要性能指標，利用虛擬樣機技術在汽車前期開發設計階段建立了整車的動力學模型，并通過多體動力學軟件進行平順性相關計算分析，得到車輛各總成系統對整車平順性能的影響，從而縮短車輛開發周期，降低研發成本。
本文針對商用車的車架特性，通過研究試驗模態文件，實現了反映車架一彎和一扭特性的車架簡易模型建立，并通過整車模型在隨機輸入路面行駛分析計算，得到車架不同的一彎和一扭特性對車輛加速度響應的影響，從而可在車輛概念設計階段對車架的彎扭特性進行研究和規劃。
本文對車架的研究集中在一彎和一扭的特性上，在進一步工作中，可以實現對車架一階以上模態振型的建模，從而更全面地反映車架的彎扭特性。
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本文標題：商用車動力學計算中車架建模研究
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