车架有限元分析

现代汽车绝大多数都有作为整车骨架的车架，车架是整个汽车的基体。汽车绝大多数 部件和总成（如发动机、传动系统、悬架、转向、驾驶室、货箱及有关操纵机构）都是通 过车架来固定其位置的。车架的功用是支撑连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各 种载荷。因此，车架的静、动态特性是其结构设计、改进和优化的依据，是确保整车性能 优良的关键因素之一。本文以6470型SUV车架作为研究对象，分析论证了 CAD/CAE技术在汽车车架设计中 的应用，主要内容如下：（1）选取一个SUV车型，通过查找和测量得到其主要的车型参数。（2）运用CAD软件Unigraphics （简称UG）建立车架的三维模型。（3）通过UG软件和ANSYS件的无缝连接将车架的三维模型导入ANSYS软件中。（4）运用ANSYS软件的强大的有限元分析功能对该车架进行网格划分，施加适当的 约束和载荷，对车架进行有限元静态分析，从而校核了该车架的强度和刚度，分析结果， 校核该车架的强度和刚度能否满足要求。在建模和有限元分析过程中，就CAD三维实体的建模方法、有限元理论的数学基础、 有限元软件ANSYS、CAD软件与有限元接口技术、有限元分析方法的前期后期处理等方面 做了研究工作，为后续工作做了较好的技术准备。关键词：车架；CAD/CAE； ANSYS；有限元分析；静力分析AbstractMost modern cars are used as vehicle skeleton frame, which is through the matrix. Most parts and assemblies of a vehicle （such as engine, transmission, suspension, steering, cab, containers and related control mechanism and so on ）are all over the frame to a fixed location. The function of a vehicle frame is to support the connection parts, and to take from inside and outside the vehicle loads. So, the static and dynamic analysis characteristics of frame is not only the base of its structure design, improvement and optimization, but also one of the key factors to ensure that vehicle performance.Finite element analysis has become an essential technology in the design of vehicle structure. As for compute-intensive and the analysis step，intuitive linear analysis of frame is very difficult. And ANSYS Finite element analysis software program can discrete elements into countless units to facilitate analysis, calculation and optimized results.On this article, 6,470 SUV frame is the objects to be researched to analyze and demonstrateCAD/CAE technique and its application in the design of automobile frame. Mainly as follows:(1) Select a SUV models, Find and measure its main parameters;(2) Establish the three dimensional model of the frame by UG;(3) Import the three dimensional frame model in UG into ANSYS through the seamless connection between UG and ANSYS;(4) Use the powerful finite element analysis for the frame element mesh, impose the appropriate constraints and loads and make the finite element static analysis of frame to check the strength and rigidity of the frame,During the modeling and finite element analysis, a lot of research work about the three-dimension solid modeling method, mathematical basis of finite element theory, interface technology of finite element, late and early processing of finite element analysis method is done, preparing for the follow-up work to be done better.Keywords： Frame, CAD/CAE; ANSYS; Finite Element Analysis; Static Analysis目录摘要IAbstract I第1章前言错误!未定义书签。1.1汽车车架介绍31.2国内外研究现状41.3研究意义及目的5第2章软件介绍62.1 UG 简介62.1.1 UG发展综述72.1.2 UG软件的优势 72.2 ANSYS 简介82.2.1有限元软件ANSYS发展综述82.2.2 ANSYS的技术特点82.2.3 ANSYS 的功能 8第3章车架的建模103.1车架结构的简化103.2实体车架模型的建立 11第4章车架的有限元分析 134.1静力分析基础144.2车架静力学分析模型的建立 154.3悬架的模拟194.4载荷的处理204.5车架静力分析工况及约束处理214.5.1满载弯曲工况分析 224.5.2 满载扭转工况分析274.5.3满载制动工况分析294. 5.4满载转弯工况分析31第5章传统车架计算方法与有限元法比较33第6章论文总结37致谢错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。第1章 前言1.1汽车车架介绍汽车车架是发动机、底盘和车身各总成的安装基础，是汽车的关键承载部件。车架支 撑着发动机、离合器、变速器、转向器、货箱等，承受着传给它的各种力和力矩。所以， 车架应有足够的强度，使安装在车架上的相关机构的相对位置在汽车行驶时能够保持不 变，并使车身的变形最小。车架也应该有足够的刚度以保证其有足够的可靠性和使用寿命， 纵梁等主要零件在试用期内不应该有严重的变形和开裂。如果车架的刚度不足，将会引起 震动和噪声，使汽车的舒适性、操纵稳定性及某些部件的可靠性下降。但车架的扭转刚度 也不宜过大，否则将会导致车架和悬架系统的载荷增加，使汽车的轮胎接地性变差，从而 降低通过性。所以，车架必须满足以下的要求1(1) 车架的结构形式首先应该满足汽车的总布置要求。在复杂多变的行驶过程中， 固定在车架上各总成和部件之间不应该发生干涉。(2) 要有足够的强度和刚度。在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷的作用下可 能产生扭转变形和在纵向平面的弯曲变形。这些变形会使安装在车架上的各部件之间的相对位置发生变化，从而影响其正常工作。因此，车架还应该具有足够的强度和适当的刚度。（3）车架的结构应尽量简单，使得安装于车架上的机件要容易拆装，以便于汽车的 维修。（4）车架的形状应尽可能的配合车身和各总成，以降低汽车的质心，及获得较大的 前轮转向角，能够提高汽车的操纵稳定性和机动性。目前，按车架纵梁、横梁结构特点，汽车车架的结构形式基本上有3种：边梁式车架、 中梁式车架（或称脊梁式车架）和综合式车架。在汽车车架中，应用最为广泛的还是边梁 式车架。边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或者焊接法将纵梁与 横梁连接成坚固的刚性构架。纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般是槽钢，有 的也做成Z字形或箱型断面。根据汽车形式不同和结构布置的要求，纵梁可以在水平面内 或纵向平面内做成弯曲的，以及等断面的或是非等断面的。横梁不仅用来保证车架的扭转 刚度和承受纵向载荷，而且还可以支撑汽车上的主要部件。通常，载货汽车有5-6根横梁， 有时会更多。边梁式车架的结构特点是便于安装驾驶室、车厢和一些特种装备和布置其他 总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车。因此，它被广泛的使用在载货汽车及大多数 的特种汽车上。1.2国内外研究现状过去，国内汽车设计的主要手段是用传统的样车和旧车型作参考的模式。在对车架进 行分析设计时经常会对车架进行大幅度的简化。因为用经典力学对其进行结构分析时，为 了能够计算，必须把模型构造的非常简单。这种方法不但费时费力，大多依靠经验，缺乏 科学性，而且也不可能针对多种方案进行评价。此外，车身车架是一个十分复杂的结构， 用经典力学的方法不可能得到精确的解答，特别是在设计的初期不会有实测数据。所以， 以前的设计基本上是依赖于经验和类比，缺乏建立在力学特性、刚度、强度等分析基础上 的科学依据。随着计算机技术的高速发展，汽车车架的结构设计逐渐由传统的经验设计方法转向了 现代设计方法。如模态试验方法、有限元方法等。其中，有限元方法已经成为建立有限元 模型、模拟车架的主要分析途径，并慢慢走向成熟。有限元法是根据变分原理对数学及物理问题进行求解的数值计算方法，是随着计算机 的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方法，是工程方法和数学方法的混合产物，可以 用来求解许多过去无法解决的问题。在国外，有限元法很早就被运用在汽车的结构分析方面。60年代中后期，国外就开始 了对车架的有限元静态分析。国外十分重视有限元法对车架结构进行辅助设计，并且取得 了大量的研究成果。1970年，美国宇航员利用NASTRAN有限元分析程序，对车架结构进行 了静强度分析，从而减轻了车架的自重。这是最早的车辆轻量化分析。后来 Ao.Kazuo.Niiyama等人详细地介绍了利用有限元静态强度分析结果来指导车架的设计过 程。从70年代起，开始对汽车结构进行动态特性分析，并取得了大量的研究成果。 Krawczuk,Marek等人利用全板壳单元车架有限元模型对一辆货车车架进行比较全面的动 态研究。Kim.H.S.Hum.H分析讨论了车架在较大静态载荷的作用下所变现出来的失效形 式，Colomina等人利用有限元法建立了一个载货汽车车架的有限元模型，并对其进行了动 态的结构分析，根据分析结果对车架结构进行了优化。当前，国外各大汽车公司利用有 限元软件对车架结构进行静态分析、模态分析的技术已经非常成熟，其工作重心已经转向 瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析的领域。而随机激励响应分析可以用来对车辆的强度、 刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析。我国的有限元理论的研究开始于上个世纪50年代末，我国著名的数学家冯康教授创 立了一套现代化、系统化求解微分方程的近似方法，名为基于变分原理它的差分格式。它 的内容就是当时被国际人士成为的有限元法。我国大约是在20世纪70年代末才把有限元法应用于车架结构的设计分析中。1977年， 长春汽车研究所的谷安涛和常国振发表的“汽车车架设计计算的有限元法”，是计算机辅 助工程在我国汽车行业中的首次应用，为有限元分析在我国的发展打下了重要的基础。 当时研究的内容主要是车架强度分析和如何用梁单元模拟客车骨架等方面。到了九十年 代，有限元分析法迅速的被应用到实际汽车零部件结构的分析中，国内各大汽车公司也正 在逐步将有限元分析应用到实际的汽车设计中。如长春第一汽车厂，他们对所有的重要零 部件都进行有限元分析校核，上海大众与同济大学联合建立了桑塔纳车身有限元模型，对 车身进行静态扭转计算等等。而各大高校也都用有限元分析法对车架结构进行分析及优 化。如吉林大学的黄金陵曾经用理论分析了影响车架结构强度和刚度的因素，并在此基础 上运用惩罚函数法找到了汽车车架各梁截面参数的最佳值。武汉理工大学的邓亚东教授 对轻型载货汽车车架进行优化设计，并得出优化结果；清华大学的扶原放老师对微型电 动车车架进行结构可靠性优化设计，综合考虑了多种行驶状况下的冲击载荷对车架的作 用，在这些冲击破坏下对该车架进行优化，从而改进设计结构，基于结构可靠性和有限元 法对新设计车架的结构参数进行了可靠性优化设计等等9。1.3研究意义及目的安全与节能已经成为现代汽车工业的重要主题。汽车的任何设计都是以保证安全为前 提条件的，所以，现代汽车的首要原则就是保证结构性能的安全性。而车架作为汽车的承 载体，不但承担着发动机、底盘和货物的重量，还要承受行驶过程中各部位传来的各种力 和力矩。故而，车架的强度分析尤为重要，这不仅关系到车辆的正常行驶，还关系到整车 的安全性能。所以汽车车架的结构性能分析对汽车安全性起到非常重要的作用。目前，车架设计一般分为两种：一种是传统设计方法（经验设计法），另一种是现代 设计方法（有限元分析计算法）。由于传统的设计方法所依靠的是经典的经验公式，需对 车架结构做大量的简化以便进行分析，所以它带有一定的盲目性，也不能对车架结构的应 力分布及刚度分布进行定量分析。因而达不到车架优化设计的目的。随着现代计算机技术的飞速发展，有限元法已经发展成为一个十分重要的工程计算方 法，应用范围也越来越广。在汽车的设计和研究上，应用有限元法可以对汽车结构进行强 度、模态、振动、碰撞等多方面的分析和优化，为汽车的设计、检验、优化提供了参考和 指导。现代设计方法，即有限元分析法，使用有限元分析软件CAE软件和CAD软件，两者并 用，使设计水平发生了质的飞跃。不仅减少了设计成本，缩短了设计和分析时间，产品和 工程的可靠性也得到了提高，还能在制造产品前预先发现潜伏的问题，进行各种模拟试验， 减少了试验时间和经费，此外，还能进行机械事故分析，查找事故原因。从上可以看出，有限元法在汽车产品开发过程中的优势越来越明显，越来越多的汽车 公司将有限元分析方法引入到各个关键领域，以提升汽车的整车性能，从而占据市场份额。 本文以6470型SUV车架作为研究对象，用UG软件建立三维实体模型，通过UG软件与ANSYS 软件之间的无缝连接，将三维实体模型导入ANSYS软件，建立有限元模型，运用ANSYS软 件强大的分析功能对车架进行结构分析，进而校核该车架的强度和刚度。通过实例体验 CAD/CAE技术在汽车车架设计中的应用。通过本课题的研究，可达到如下目的：（1）学习UG，ANSYS软件，建立车架结构的三维实体模型和有限元模型，为有限元 技术在车架优化设计中的应用奠定基础。（2）对所研究的车架进行静态特性分析，为车架的轻量化设计提供理论支持。第2章软件介绍2.1 UG简介UG(Unigraphics)是 Unigraphics Solutions 公司推出的集 CAD/CAM/CAE 与一身的 三维机械设计平台，也是如今世界广泛使用的计算机辅助设计、分析及制造软件之一，被 广泛的应用在汽车、飞机、机械、消费产品、医疗器械、船只制造等行业，为制造行业产 品开发的全过程提供了解决方法1UUG的功能包含概念设计、工程设计、性能分析及制造。2.1.1 UG发展综述UG最早应用在美国麦道飞机公司。该公司是从二维制图、数控加工编程、曲面造型等 方面发展起来的。20世纪90年代初，美国的通用汽车公司选择UG作为全公司的CAD/CAM/CAE的主导系统，推动了 UG的发展。1997 年 10 月，Unigraphics Solutions 公司同 Intergraph 公司签约，合并了 Intergraph公司的机械CAD产品，将微机版的Solidedge软件统一到Parasolid平台上。 从而形成了一个从低端到高端，既有UnixX作站版，也有Windows NT微机版的比较完善 的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。1991年，。6并入美国的EDS公司，2001年9月， 与SDRC公司一同并入EDS公司，并在2005年推车了 UG的最新版本UG4.0。它集成了美国 航空航天、汽车工业的经验，成为机械集成化CAD/CAE/CAM的主流软件之一。知识驱动了 自动化技术领域中的领先者实现了将设计的优化技术与基于产品和过程的知识工程相结 合，在航空航天、汽车、通用机械、医疗器械、工业设备及其他高科技应用领域的机械设 计、模具加工自动化领域得到了广泛的应用，大大改进了工业生产率。它采用的是基于约 束的特征建模和传统的几何建模为一体的复合建模技术。在曲面造型、数控加工方面是UG 的强项，而分析方面相对较弱。但UG提供了分析软件NASTRAN、ANSYS、PATRAN接口， 注塑模分析软件MOLDFLOW、机构动力学软件IDAMS接口等，以便于对模型进行分析。2.1.2 UG软件的优势(1) 能够为机械设计、模具设计和电器设计单位提供一套完整的设计、分析、制造 方案;(2) 它是一个完全的参数化软件，能为零部件的系列化建模、装配、分析提供强大 的基础支持。(3) 能够管理CAD数据和整个产品的开发周期中所有的相关数据，能实现逆向工程 和并行工程等先进的设计方法。(4) 可以完成包括自由曲面在内的复杂模型的建模，同时还可以在图形显示方面运 用区域化管理，节约系统资源。(5) 拥有强大的装配功能，并且在装配模块中运用了引用集的设计思想。有效地解 决了节省计算机资源的问题，极大地提高了设计效率。随着UG版本的提高，软件的功能越来越强大，复杂程度也随之增加，。对于汽车设计 者来说，UG是使用最广泛的设计软件之一。目前，国内的许多院校、研发部门都在使用该 软件。2.2 ANSYS 简介2.2.1有限元软件ANSYS发展综述ANSYS公司是1970年由美国匹兹堡大学的John Swanson博士创建的，其总部位于美 国宾夕法尼亚州的匹兹堡，是目前世界上CAE行业最大的公司。最初版本的ANSYS只能提 供热分析和线性分析的功能，是一个批处理程序，而且仅能在大型计算机上使用。20世纪 70年代，随着非线性、子结构和更多的单元类型的加入，ANSYS软件发生了巨大的变化， 新技术的融入进一步满足了用户的需求；70年代末，交互方式加入ANSYS，使软件发生了 显著的变化，使模型生成和结果评价大为简化。40年来，ANSYS公司一直致力于设计分析 软件的开发，不断吸取新的计算方法，和计算技术，领导着世界有限元技术的发展12。2.2.2 ANSYS的技术特点与其他的有限元分析软件相比较，ANSYS具有以下技术特点：1. 能够实现多场和多场耦合功能；2. 集前后处理、分析求解与多场分析于一体；3. 具有独一无二的优化功能，是唯一具有流场优化功能的CFD软件；4. 具有强大的非线性分析功能；5. 具备快速求解器；6. 是最早采用并行计算技术的FEA软件；7. 从微机、工作站、大型机直至巨型机的所有硬件平台上，全部的数据文件都兼容；8. 支持从PC、WS到巨星级的所有硬件平台；9. 从微机、工作站、大型机到巨型机的所有硬件平台，具有统一的用户界面；10. 能与大多数的CAD软件集成并有接口；11. 可以进行智能划分网格；12. 具有多层次、多框架的产品系列；13. 具备良好的用户开发环境。2.2.3 ANSYS 的功能ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块。前处理模块拥 有强大的实体建模及网格划分工具，方便用户构造有限元模型。求解模块包含结构分析（结 构线性分析、结构非线性分析及结构高度非线性分析）、热分析、流体动力学分析、声场 分析、电磁场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可以模拟多种物理介质的相互作用， 具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可以将计算机结果用彩色等值线显示、梯度 显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示等方式显示，也可以将 计算结果用图表、曲线的形式显示或输出ANSYS软件为用户提供了 100多种的单元类型， 以模拟实际工程中的各种结构和材料。（1）前处理模块单击实用菜单中的Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有三 部分内容：参数定义、建立有限元模型和网格划分。 参数定义ANSYS软件在建立有限元模型的过程中，首先需要进行相关的参数定义，主要包括定 义单位制、定义单元类型、定义单元实常数、定义材料模型和材料特性参数、定义几何参 数等。在定义单位制的时候，除了磁场分析以外，ANSYS软件可以使用任一种单位制，但是 一定要保证单位制的统一。建立有限元模型或是对有限元模型进行网格划分之前，必须先定义相应的单元类型， 而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特性。材料模型和材料特性参数能够表征实际工程问题所涉及材料的具体特性，所以，材料 模型的正确选择和材料参数的精确输入是实际工程问题得到正确解答的关键。 建立有限元模型ANSYS软件提供了 4种方法来建立有限元模型：直接建模，实体建模，导入在计算机 辅助设计系统CAD中创建实体模型，导入在计算机辅助设计系统CAD中创建的有限元模型。 网格划分ANSYS程序为用户提供了使用便捷、高质量的对几何模型进行网格划分的功能。包括 4种划分方法：自由网格划分，映射网格划分，延伸网格划分和自适应网格划分。（2）求解模块求解模块是ANSYS软件对所建立的有限元模型进行力学分析和有限元求解的模块，在 这个模块中，用户可以定义分析类型及分析选项，施加载荷及载荷步选项。 定义分析类型和分析分析选项根据所施加的载荷条件和所要计算的响应选择分析类型。ANSYS软件提供的分析类型 有静态（稳态）分析、瞬态分析、模态分析、谐波分析、谱分析、挠度和子结构。定义完分析类型后，用户可以根据分析类型来定义分析选项。 载荷在ANSYS软件中，载荷分为位移载荷、力或矩阵、面载荷、体积载荷、惯性载荷及耦 合场载荷。 指定载荷步载荷步选项是用来更改载荷步的，例如子步数、载荷步的结束时间以及输出控制等。 求解子模块ANSYS软件的求解模块包含结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力 学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析及压电分析。（3）后处理模块当ANSYS完成计算后，可以通过后处理器来观察结果。ANSYS软件的后处理包括两个 部分：通用后处理模块和时间历程响应后处理模块。通过友好的用户界面，很容易就可以 获得求解过程的计算结果，并对其进行显示。这些结果可以是位移、温度、应力、应变、 速度及热流等，输出形式可以是图形显示或者数据列表。第3章车架的建模3.1车架结构的简化汽车车架是一个复杂的空间的薄壁结构，若要全部如实的考虑它的结构是很困难的， 因此，必须对其进行简化低有限元计算模型的建立，即模型化，是有限元法的一个重要 的步骤。模型化就是要确定节点，并选择单元类型，也就是将结构离散化或者单元的划分 过程。简化结果时要以主要的力学特征为前提，也就是要力求每个单元与实际结构之间的 几何类型一致，还要与单元传递的动力学特性相一致。结构简化要遵循一定的原则：在保 证能够充分反映实际结构力学性能的前提下做些必要的简化。有限元分析的目的是分析整 体车架的强度和薄弱环节等的力学特性，太过细致地描述细小的结构不仅会增加建模时的 难度，还会增加节点的数目，而且会使有限元模型的单元尺寸变化过于突然，影响计算的 精度。在能充分反映结构的主要力学特性的前提下，应尽量使用较少的单元，选取简单的 单元类型，以便达到既合理又经济的目的。为了提高软件分析的效率，减少分析计算中不必要的时间，在UG中建立车架的三维 实体模型时，对一些工艺结构和附属结构进行了简化，所依据的简化规则为：（1）对分析结果影响较小的孔忽略不计：直径小于15mm。车架纵梁上有许多装配用 孔，虽然这些小几何体对整个车架的强度和刚度的影响不大，但对接下来的车架分析计算 很是不利。这些细节在划分网格是会产生许多网格，网格的质量将会降低，从而导致计算 量大，计算精度降低。（2）结构中不受力的结构忽略不计。有的部件是为了满足使用上的要求而设计的， 并不是依据强度要求设计的，因而可以忽略；（3）将结构中较小的圆角变为直角。构件上还有些过渡圆角，和小孔一样，对计算 分析产生的影响较小，故将其忽略。3.2实体车架模型的建立本文研究的是6470型SUV车架，该车架有两根纵梁，五根横梁，一根扭杆梁，一根 变速箱梁和前后副杠组成，以焊接方式构成刚性结构。通过对该车架的数据分析，在三维制图软件UG中建立了车架的三维实体模型，步骤 如下：1、通过构建基准平面，创建草图，草图拉伸，建立车架左侧纵梁，并以YZ面为镜像 平面，做出右侧纵梁，如图3-1，3-2所示。图3-1车架左纵梁形成图图3-2镜像得到右侧纵梁2、以XY面为基准平面，创建草图，拉伸制作前后副杠，如图3-3所示。图3-3拉伸形成纵梁前后杠3、以右边纵梁前端内侧为基准平面，创建草图，将正方形草图拉伸与纵梁等宽，并 以YZ面为镜像面，生成对称体。将草图中两同心圆拉伸并求差，得到第一根横梁。如图 3-4所示。空心结构，如图3-7所示。图3-6草图拉伸成变速箱梁图3-4草图拉伸形成第一根横梁图3-5草图拉伸形成第二根横梁4、创建基准平面，在该面内制作草图，拉伸草图形成第二根横梁，如图3-5所示。5、以XY面为基准平面，创建草图，拉伸草图形成变速箱梁，如图3-6所示。6、分别以右边纵梁中间部分、后端及其连接部分的内侧为基准面，创建草图，沿X 方向拉伸形成扭杆梁、第三根和第四根横梁，如图3-7所示。其中，第三根及第四根梁为图3-7拉伸形成扭杆梁、第三根及第四根梁7、创建基准平面，在该平面内制作草图，沿Y方向拉伸成第五根横梁，如图3-8所图3-8草图拉伸形成第五根梁图3-9 钢板弹簧吊耳模型8、建立钢板弹簧吊耳模型。左右纵梁各有四个钢板弹簧吊耳，关于YZ平面对称，所 以，在左边纵梁外侧建立吊耳模型，通过镜像体得到右侧吊耳。建立左侧吊耳时，在其与 车架连接的相应位置创建所需基准平面，绘制草图，进行拉伸。其中，前轮处的两个钢板 弹簧吊耳关于前车桥的中心平面对称，可以由镜像体得到。而后轮的钢板弹簧为非对称放 置，故后轮处吊耳不对称，只能一一建模，但螺栓孔中心在同一水平面上。钢板弹簧吊耳 模型如图3-9所示。9、对车架各部分求和，使之成为一个整体，得到车架的三维实体模型，如图3-14所/示O图3-14车架三维实体模型第4章车架的有限元分析汽车是运输机械，在工作的过程中总会受到来自各个方面的载荷作用。所以车架必须 要有足够大的强度和刚度来承受这些载荷，因此有必要对车架进行必要的CAE分析。本文 利用有限元软件ANSYS12.0着重对车架进行了三维有限元分析，计算分析了其在四种不同 最大载荷工况下应力和变形，以便校核其强度和刚度。4.1静力分析基础结构静力分析是用来计算不包括惯性和阻尼效应的载荷作用在结构或者部件上时引 起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假设，也就是假定载荷和结构 的响应随着时间的变化非常缓慢。静力分析所加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳 定的惯性力和位移载荷等。通过车架结构强度和刚度的有限元静力分析，能够找到车架在各种工况下各个部件变 形和应力的分布情况及最大值。以此为依据，改变结构的形状尺寸或者改变材料的特性以 调整质量和刚度的分布，能够使车架各部位的变形和受力情况尽可能的均衡。同时还可以 在保证结构满足使用强度和刚度的前提下，最大限度地降低材料用量，既能减轻车架的自 重，也可以节省材料，降低油耗，提高整车性能。在有限元分析的过程中，静力分析的控制方程为：KU = F(4-1)其中，K结构刚度矩阵U位移向量F载荷向量在用有限元法进行机体结构的静力分析时，其基本原理是一样的：用矩阵形式表示整 个结构的平衡方程，得K 5 = R(4-2)其中，K整个刚度矩阵，由整体刚度矩阵单元刚度阵组成 5 整个物体的节点位移阵列，由单元节点位移阵列组成R载荷阵列，由作用于单元上的节点力阵列组成用式(4-2)求出节点位移5，利用式(4-3)结合求得的节点位移计算出各个单元 的力，并加以整理得出所要的结果。o = DBoe(4-3)其中，。材料的许用应力阵列D与单元材料有关的弹性阵列B单元应变阵列5e 单元的节点位移阵列通过式(4-3)可以计算得到车架的应力和变形结果，变形可以由后处理中的模块将 模型的变形直观的变现出来，应力的分布则以应力云图或者应力图的等高线表示。节点的 应力是与之相连的单元应力在节点位置的算数平均值。通过车架的强度要求和材料的特 性，选择最大拉应力、最大剪应力或者综合应力作为强度校核的基准，材料的失效是以材 料发生塑性变形为标志的，所以车架的静态强度校核可以根据第四强度理论，用Vonmiss 等效应力来校核车架结构的强度。Vonmiss等效应力可以表示为：o =；2 G -。)2 +G -a)2 + G b )2(4-4)强度条件为：。，W。(4-5)4.2车架静力学分析模型的建立应用UG软件对车架进行三维建模，通过UG软件和ANSYS软件的无缝连接将模型导 入ANSYS中去，用ANSYS自带的网格划分功能进行网格划分，对有限元模型添加载荷及约 束，进入求解器求解，在后处理模块中检查结果。这也是ANSYS中静力分析的主要步骤， 本文将按照这个步骤进行静力分析。(1) 车架材料特性目前，车架的材料应用最多的是16Mn钢。16Mn钢的合金含量较少，综合性能好，低 温性能好，焊接性能和可切削性能良好，广泛的应用在桥梁、锅炉、起重运输机械和其他 较高载荷的焊接结构件中。它的物理性能如下：弹性模量E=2.0X10ii Pa材料密度P =7850kg/m3泊松比u=0.3最小屈服极限360MPa最小抗拉强度510MPa最大抗拉强度610MPa(2) 车架模型导入ANSYS通过UG软件与ANSYS软件之间的无缝连接将三维实体模型导入ANSYS，形成ANSYS模 型，具体操作为：一UG，选择三维实体模型，即可将模型导入ANSYS软件。将模型显示为实体：PlotCtrls Style Solid Model Facets，在弹出的对话框中选择性 Normal Faceting，选择PlotRplot,得到车架的实体模型，如图4-1所示。VOLUMES图4-1导入ANSYS后的实体模型保存所的模型，as，保存名为chejia.db。(3) 定义单元类型实际工程中的结构是千变万化的，为了方便模拟，ANSYS为用户提供了几十种单元用 于结构分析，而选取恰当的单元类型是顺利进行有限元分析的重要一步。单元类型的选取， 既要充分反映结构的力学特性，也要尽可能的选取简单的单元，使模型计算时简单又节约 计算费用。ANSYS软件中，常用的单元类型有Solid实体单元、Shell板壳单元等。本文 选用Solid95单元。相对于3-D，8节点的Solid45单元来说，Solid95单元更为高级，Solid95 单元由20个节点定义，每个节点有三个自由度，为节点在x，y，z方向的平移自由度。 它能够吸收不规则形状的单元而没有精度损失，还有可并立的位移形状，对于曲线边界的 模型能很好的适应。Solid95单元有塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变能力。Solid95 单元的示意图如图4-2所示。图 4-2 Solid95 单元定义单元类型的具体操作为：Main Menu Preferences Element Type Add/Edit/Delete,在弹出的对话框中点击Add,弹出Library of Element Types对话框， 选择 Solid20node 95。如图 4-3 所示。目 SriBf*rira.T*cEJ Frspx ?K：3ja.arqi* Im*11 ch. Owh Trpe 监 1 T-rlh 史司璀!*.】(3 1.cb1 Ueiaji LuaAaQ i-kl4T l1 Fr +ps Stcti-a&E0 l adHlifiiEQ 皆业.Q ChckLB Clrls Q T*uih-ir ClrZi.Q As- cbi-F-cQ Cnpl LB( I (Er l i ub.b.ElOk.Q r*5tK*Fl TumbEu si J ob tram心1；爻剧日幅 l7-krid 15 CinmrQt E ese图4-3选择单元类型对话框(4) 定义材料属性具体操作：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models, 在弹出 的对话框中选择StructuralLinearElastic Isotropic,设置材料的弹性模量EX为 2.0e5MPa,泊松比 PRXY 为 0.3。定义材料密度：StructuralLinearElasticDensity,设置材料的密度DENS为 7.85e-9吨/毫米3,具体如图4-4,4-5所示。r1CT Linear Isotropic Properties for Kat er. . | X|riDensity for lat erial Huber 1Lineir Izotropic Material Properties Ear Materi：=tl hiriter 1Density for Material Number 1T1Tctij1EX|25?EXY0 3|riTeniperatiireEDEH5.阪-9Adi T emp er1 Del etc 7 emperatur e 1GrqphAdd Temp er atm-Deletp T enperatijTsGraphJI； | CancelHelp K I Cancel 1Help图4-4弹性模量及泊松比对话框图4-5密度对话框材料属性定义完毕，点击MaterialExit，退出材料属性定义。(5) 网格划分在前两步的基础上划分网格：Main Menu PreprocessorMeshingMeshTool，在 MeshTool对话框中勾选Smart Size,选择8级精度，点击Mesh按钮，出现Mesh Volumes 对话框，点击Pick All,点击OK。如图4-6所示。划分网格完成后后的模型如图4-7所 示。图4-6划分网格对话框图4-7划分网格结果4.3悬架的模拟车身与车架是通过悬架系统、车桥和车轮支撑在地面上的。为了准确地模拟实际使用 工况，将悬架元件与车身及车架组合起来分析。因此，正确模拟悬架结构是获得车架准确 静力特性的关键。本文所研究的6470型SUV车架前后悬架均为普通的钢板弹簧。钢板弹簧具有缓冲与 导向作用，因此，模拟时可以采用以下两种组合方式16(1) 刚性梁单元与柔性梁单元的组合(图4-8)；(2) 刚性梁单元与弹簧单元组合(图4-9)。图4-8刚性梁与柔性梁组合模拟悬架图4-9刚性梁与弹簧单元组合模拟悬架其中，刚性梁单元起导向作用，柔性梁单元或者弹性单元则起缓冲作用。本文采取刚 性单元与弹簧单元组合的方式来模拟前后悬架。整个车架前、后悬架系统的模型如图4-10 所示。J416IW司7图4-10前、后悬架的结构模拟4.4载荷的处理运用有限元法对机械结构进行分析时，载荷通常是给定的。根据不同的计算工况来确 定载荷，是保证有限元分析结果反映实际情况的前提。根据载荷在结构上的分布情况，可 以分为集中载荷、分布载荷两种，当外载荷作用在结构上的区域很小时，可以认为该载荷 为集中载荷。如果作用在结构上的载荷位置是连续变化的，即载荷作用在一定面积或者长 度上，则称为分布载荷。根据载荷作用随时间变化的情况，可以分为静载荷、动载荷两种。汽车在静止时只承受悬架以上部分的载荷，包括车身和自身质量，车架上各总成与附 属件质量，参数如表4.1所示。表4.1车架各总成质量名称质量/kg车身810发动机167变速器与离合器12.5转向器及机构16蓄电池17油箱及油49.2备胎及其托架51散热器及水13.2排气管及消声器16.9其余20其中，车身质量按均布载荷处理，平均分配到车架纵梁上；发动机按集中载荷处理， 作用在其支撑位置；变速箱、离合器、蓄电池、油箱等以静力等效的原则加在其相应的位 置，不同工况时还需乘动载系数；车架自重通过定义重力加速度施加；该车可以乘坐五位 乘客，前面两位，后面三位，每位乘客的质量按标准75kg计算，按均布载荷处理；该车 载重量400kg，按均布载荷作用在车架后端。4.5车架静力分析工况及约束处理汽车在行驶时，考虑到不同的路面上，汽车车架受力状况不一样，故静力分析工况一般选择弯曲工况和扭转工况这两种。在此基础上，本文还研究了制动和转弯工况下车架的 应力和应变变化。四种工况下，车架所承受的载荷都是由上述载荷组成的，因此加载方式 都是相同的。车架载荷分布方式如图4-11所示。图4-11车架的载荷分布图4.5.1满载弯曲工况分析（1）满载弯曲工况下的边界条件满载弯曲工况是模拟汽车在满载状态下，四轮着地在良好路面上匀速行驶时，车架对 其所承受的重量的响应。实际汽车行驶时，由于承载系统在六个自由度方向运动，而且系 统并非刚体，所以各点的位移不同，加速度是不相等的。因而在计算施加载荷时，车架承 受的质量和载荷都要乘以一定的动载系数，再对车架进行强度和刚度校核。动载系数主要 取决于三个因素：道路条件，汽车行驶状况（如车速）和汽车的结构参数（如悬架弹性元 件的刚度、轮胎刚度、汽车的质量分布等）。由于这些因素很复杂，使动载系数难以用数 学分析法确定。所以，分析时常分别对某些简单的路面情况进行研究，动载系数则取一些 理论研究与实验修正相结合的半经验值。本文满载弯曲工况下，取动载系数为2。为了能得出解并且唯一，必须对车架进行约束，其约束条件取决于工况。弯曲工况约 束施加的节点参考图4-10。各个节点具体约束方式如表4.2所示。表4.2弯曲工况的车架约束节点编号UxUyUzROTxROTyROTz1、 2、 3、 4/6、 8、 14、 16/10、 12、 18、 20/注：表中的节点与图4-10相同，其中Ux、Uy、Uz为节点在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz为节点绕x、y、z轴的转动自由度，“/”表示对其自由度进行约束。力口载的具体操作为： Main MenuPreprocessor Loads Define LoadsApply Structural一Displament一On Keypoints,弹出一对话框，输入关键点编号，点击OK,如 图4-12所示。继而弹出Apply U,ROT on KPs对话框，如图4-13所示，选择与关键点相 应的约束即可。其中，关键点编号可通过以下操作查看：PlotCtrlsNumbering，弹出PlotNumbering Controls窗口，将Keypoint numbers设为On即可。还可以通过该窗口显示模 型节点编号，只需将Node numbers设为On即可。如图4-14所示。Aupl? U,ROT on KPs尽Pick广-UnpiclE(*SinaleLBexL广CircleL a opCdLintii口MaJtJ-HLUIIL=549= J.Nq.=f*- Llmt o * rr-ejr.sL Min r Mslf ZEixczi2 Apply IT, ROT on KPsUK Apply Displacements (U., ROT) on KeyjiointsL：b2 DOFs to be constrained(Apply asIf Code taut v：iine then：VALUE Disjl 折i snt巨E：T!FHIi E：pstli1 disp to nodeE?No图4-12选取关键点图4-13约束对话if k.awx wi| EZu K&. num tr/TLEPLJOTc -t Txppn. OKA-p| R.pl a -t，iOKApplyCTiC 3.Ttelp1图4-14查看关键点编号(2) 满载弯曲工况加载显示模型所有节点编号，记下车架受力点，在这些点处施加载荷。具体操作如下:Main Menu 一 Preprocessor 一 Loads 一 Define Loads 一 Apply 一 Structural 一Force/MomentOn Nodes，弹出选取节点的对话框，输入受力的节点编号，点击OK，出现Apply F/M on Nodes对话框。载荷方向均选FZ，载荷大小为负值，表示车架受到的力是-Z方向的。如图4-15所示。图4-15在节点上加载对话框F Ajply ForeejMomonUirectiou of force/mIf Canstant value thenVALUE lorce/nonent vdne01：Applyhelp加载时，集中力载荷加载对应节点上，力的大小由各部件质量决定，计算公式为:F=kmg(4-6)其中，F集中力k动载系数m作集中载荷处理部件的质量g重力加速度，取9.8m/s2如发动机质量为167kg，那么，弯曲工况下，在发动机支撑位置的节点处施加力的大 小为：-2X 167X9.8=-3273.2N，方向为 FZ。对于均布载荷，则将该力施加在受力面的中间直线上的所有节点上，力的大小为：F=kmg/n(4-7)其中，F每个节点受力大小k动载系数m作均布载荷处理的部件质量重力加速度，取9.8m/s2受均布载荷面的中间直线上的节点数车架自重是通过定义重力加速度施加的，加速度方向与车架重力方向相反，即加速度 方向为 Z 轴正方向。具体操作为:Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApply 一Structural InertiaGravityGlobal，弹出 Apply (Gravitational) Acceleration 对话框，在Global Cartesian Z-comp 一栏中填入9.8，点击OK即可。如图4-16所示。图4-16定义加速度对话框施加载荷后的模型如图4-17所示。图4-17加载后有限元模型(3) 满载弯曲工况求解及结果分析弯曲工况加载完毕后，就要对模型进行求解，具体操作如下：Main MenuSolution SolveCurrent LS。出现信息窗口和一个对话框，检查信息窗口，确认无误，点击OK， 系统开始计算，约五分钟后出现Solution is done ”，点击OK。求解完毕，查看计算结果：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现对话框，在 “Items to be Contoured 一栏中选择“Stress，在右边的栏中选择“Von Mises SEQV”，点击OK,显示有效应力云图，如图4-18所示。在 “Items to be Contoured” 一栏中选择 “DOF Solution” 一栏下的 Displacement vector sum,则显示应变云图，如图4-19所示。查看受力前后车架变形比较：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape,如图4-20所示。图4-18弯曲工况下的等效应力分布从图4-18可以看出，车架结构的最大等效应力位于第五根横梁与车架的连接处，这 是因为第五根横梁与车架接触面较其他连接面较小，因而出现应力集中，最大应力为 107MP，小于材料的最小屈服极限360MPa，而且可以算出车架纵梁的安全系数为3.36。说 明车架不仅能够满足车架强度和刚度要求，还有很大的优化空间，从减轻整车质量和降低 制造成本的角度出发，可以适当的将车架的纵梁的厚度减小0.5-1mm。图4-19弯曲工况下的应变分布图4-20弯曲工况下车架变形形状从这两张图可以看出，弯曲工况下最大位移发生在车架后托架出，大约0.0228mm，这 是因为后托架厚度仅为24mm，且是弯曲结构，从结构强度的角度看，较车架上其它结构单 薄。在满载下，车架中后部承受的载重量远大于前端承