车架纵梁的有限元分析论文 罗文昭

汽车工程学院湖北汽车工业学院HUBEI UNIVERSITY OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程名称 汽车专业课程设计 设计题目 车架纵梁简化模型的有限元分析 班级 T1043-5 专业 热能与动力工程 学生姓名 罗文昭 学号 20100430522 指导教师（签字） 起止日期： 2013 年 12 月 23 日- 2014 年 1月 10 日 2014 年 2 月 24 日- 2014 年 2 月 28 日目录第一章 概论2第二章 分析结果比较32.1 静力分析的比较32.1.1 一维模型的静力分析32.1.2 二维模型的静力分析42.1.3 三维模型的静力分析62.2 约束模态分析的比较72.2.1 一维约束模态分析72.2.1 二维约束模态分析102.2.1 三维约束模态分析12第三章 车架纵梁的优化15第四章 ansys经典界面的一维梁分析17第五章 关于车架纵梁的理论计算185.1 车架纵梁最大挠度的计算185.5 车架纵梁最大应力的计算18文献阅读20心得体会22参考文献23第一章 概论这次课程设计的任务是：对车架纵梁分别采用一维、二维和三维模型计算在图示的载荷和约束下结构的应力、变形与安全系数；比较各模型的计算结果；对车架纵梁的三维实体模型计算纵梁简化模型的前四阶约束模态；对车架纵梁的一维模型利用载荷步和工况组合功能分别计算各种载荷对纵梁简化模型组合应力、弯曲应力和变形的影响；对车架纵梁的三维简化模型进行参数化研究及目标驱动的优化设计。分析所需要的数据为：车架纵梁简化模型的形状、尺寸和约束方式如下图所示；图 车架纵梁的简化模型车架纵梁采用的材料弹性模量为211GPa，泊松比为0.3，密度为：7.8g/cm3；均布载荷作用在纵梁中部距离为1000mm范围内，大小为2Nmm；在距离左右两端支撑为500mm的位置上，还受到两个大小为1000N的集中力作用；考虑纵梁的自重。第二章 分析结果比较2.1 静力分析的比较2.1.1 一维模型的静力分析采用概念建模的方法来构建一维模型，如下图所示：图1 一维实体模型将一维模型导入DS模块中，网格划分大小为5mm，节点数为721，单元数为360。图2 一维网格模型在DS模块中加载，分析得到如下结果：图3 车架纵梁沿z轴的变形图4 组合应力图5 弯曲应力一维模型的最大变形为0.622mm，最大组合应力为19.109MPa，弯曲应力为19.109MPa，左端约束力为2275.4N，右段约束力为2275.4N。若网格划分大小为10mm，则节点数为361，单元数为180。一维模型的最大变形为0.622mm，最大组合应力为19.109MPa，弯曲应力为19.109MPa，左端约束力为2275.4N，右段约束力为2275.4N。2.1.2 二维模型的静力分析绘制一个二维平面，如下所示：图6 二维实体模型将二维模型导入DS模块时，输入厚度为40mm，网格划分大小为5mm，节点数为7581，单元数为7200。图7 二维网格模型加载后，分析、计算后得到：图8 沿y轴方向的变形图9 车架纵梁的等效应力二维模型的最大变形为0.62144mm，最大等效应力为19.113MPa，左端约束力为2275.4N，右段约束力为2275.4N。若网格划分大小为10mm，则节点数为1991，单元数为1800。二维模型的最大变形为0.62109mm，最大等效应力为19.103MPa，左端约束力为2275.4N，右段约束力为2275.4N。2.1.3 三维模型的静力分析在DM模块中建模，如下所示：图10 三维实体模型将三维实体模型导入DS模块中，网格划分大小为5mm，节点数为261897，单元数为57600。图11 三维网格模型在DS模块中约束后加载，分析得到：图12 车架纵梁沿y轴的变形图13 等效应力三维模型的最大变形为0.62178mm，最大等效应力为19.121MPa，左端约束力为2275.4N，右段约束力为2275.4N。若网格划分大小为10mm，则节点数为36869，单元数为7200。三维模型的最大变形为0.62178mm，最大等效应力为19.12MPa，左端约束力为2275.4N，右段约束力为2275.4N。静力分析：网格划分大小节点数单元数最大变形最大等效应力最大组合应力弯曲应力左端约束力右端约束力一维57213600.62219.10919.1092275.42275.4一维103611800.62219.10919.1092275.42275.4二维578172000.6214419.1132275.42275.4二维10199118000.6210919.1032275.42275.4三维5261897576000.6217819.1212275.42275.4三维103686972000.6217819.122275.42275.42.2 约束模态分析的比较2.2.1 一维约束模态分析对于一维模型的约束模态分析，网格划分大小为5mm，节点数为721，单元数为360；一阶模态最大变形为6.6959mm，频率为65.767Hz；图14 一阶约束模态二阶模态最大变形为5.9602mm，频率为72.417Hz；图15 二阶约束模态三阶模态最大变形为6.3563mm，频率为180.49Hz；图16 三阶约束模态四阶模态最大变形为5.9393mm，频率为285.34Hz；图17 四阶约束模态五阶模态最大变形为6.3646mm，频率为351.76Hz；图18 五阶约束模态六阶模态最大变形为6.358mm，频率为577.19Hz。图19 六阶约束模态若网格划分大小为10mm，节点数为361，单元数为180；一阶模态最大变形为6.6959mm，频率为65.767Hz；二阶模态最大变形为5.9602mm，频率为72.417Hz；三阶模态最大变形为6.3563mm，频率为180.49Hz；四阶模态最大变形为5.9393mm，频率为285.34Hz；五阶模态最大变形为6.3644mm，频率为351.76Hz；六阶模态最大变形为6.358mm，频率为577.19Hz。2.2.2 二维约束模态分析对于二维模型的约束模态分析，网格划分大小为5mm，节点数为7581，单元数为7200；一阶模态最大变形为6.5002mm，频率为57.339Hz；图20 一阶约束模态二阶模态最大变形为5.9625mm，频率为72.437Hz；图21 二阶约束模态三阶模态最大变形为6.2203mm，频率为160.26Hz；图22 三阶约束模态四阶模态最大变形为5.9483mm，频率为285.84Hz；图23 四阶约束模态五阶模态最大变形为6.2603mm，频率为317.15Hz；图24 五阶约束模态六阶模态最大变形为6.2826mm，频率为527.34Hz。图25 六阶约束模态若网格划分大小为10mm，节点数为1991，单元数为1800；一阶模态最大变形为6.6062mm，频率为61.719Hz；二阶模态最大变形为5.9628mm，频率为72.443Hz；三阶模态最大变形为6.3013mm，频率为170.56Hz；四阶模态最大变形为5.9492mm，频率为285.64Hz；五阶模态最大变形为6.3376mm，频率为334.57Hz；六阶模态最大变形为6.3582mm，频率为552.44Hz。2.2.3 三维约束模态分析对于三维模型的约束模态分析，网格划分大小为10mm，节点数为36869，单元数为7200。一阶模态最大变形为6.7051mm，频率为65.768Hz；图26 一阶模态约束二阶模态最大变形为5.9631mm，频率为72.424Hz；图27 二阶约束模态三阶模态最大变形为6.3839mm，频率为180.59Hz；图28 三阶约束模态四阶模态最大变形为5.9506mm，频率为285.45Hz；图29 四阶约束模态五阶模态最大变形为6.4171mm，频率为352.17Hz；图30 五阶约束模态六阶模态最大变形为10.28mm，频率为569.67Hz。图31 六阶约束模态对于三维模型的约束模态分析，网格划分大小为15mm，节点数为14236，单元数为2562。一阶模态最大变形为6.7024mm，频率为65.664Hz；二阶模态最大变形为5.963mm，频率为72.424Hz；三阶模态最大变形为6.3813mm，频率为180.3Hz；四阶模态最大变形为5.9506mm，频率为285.45Hz；五阶模态最大变形为6.4149mm，频率为351.63Hz；六阶模态最大变形为10.28mm，频率为569.73Hz。模态分析：网格划分大小节点数单元数一阶最大变形一阶频率二阶最大变形二阶频率三阶最大变形三阶频率四阶最大变形四阶频率一维57213606.695965.7675.960272.4176.3563180.495.9393285.34一维103611806.695965.7675.960272.4176.3563180.495.9393285.34二维5758172006.500257.3395.962572.4376.2203160.265.9483285.4二维10199118006.606261.7195.962872.4436.3013170.565.9492285.64三维151423625626.702465.6645.96372.4246.3813180.35.9506285.45三维103686972006.705165.7685.963172.4246.3839180.595.9506285.45第三章 车架纵梁的优化将截面改为箱型，纵梁的长度不变，材料属性不变，截面积不变，截面的外表面底长为100mm，高为100mm，内表面底长为75mm，高度为80mm。在DM模块中，构建的实体模型如下：图32 箱型实体模型用三维模型进行静力分析，网格的划分大小为10mm，节点数为60181，单元数为10260。图33 箱型网格模型图34 沿y轴方向的变形图35 箱型车架纵梁的等效应力最大变形为0.40909mm，最大等效应力为12.455MPa。采用箱型截面，在同样的载荷下，车架纵梁的最大变形要远小于矩形截面的最大变形，并且所受到的最大应力也极大的减小了。第四章 ansys经典界面旳一维梁分析采用BEAM3单元，实常数,带入数据b=40mm，h=100mm，得惯性矩,截面积为4000，高度为100mm，材料属性Ex=2.11e5，PRXY=0.3，Density=0.0078。图36 ansys经典界面一维模型单元划分数量为36，在中间的二十个单元上加上压力，为2N，在距离两端为400mm的地方加上集中力，为-1000N。由于采用的是平面单元，故左端约束为Ux，Uy，VELX，VELY，右端约束为Uy，VELY。图37 沿y轴的变形求解得到，最大变形为0.617301mm。第五章 关于车架纵梁的理论计算5.1 车架纵梁最大挠度的计算将车架纵梁的简化模型的受载情况看作是3个方面的受力之和，分别为：整个梁均受向下的均布载荷，大小为2N/mm；距离车架纵梁的左右两端均为400mm的范围内，受到向上的均布载荷，大小也为2N/mm；距离车架纵梁左右两端均为500mm远处，受到向下的集中力，大小为1000N。由材料力学I中的模型及公式，可知在梁的中间位置处的挠度最大。设a=500mm，b=1300mm，L=1800mm，q=2N，F=1000N，故在中间位置：由所产生的挠度，由所产生的挠度，由所产生的挠度W=0.63-2*0.0445=0.541mm经计算，梁的质量为56.16Kg，所以还要加上重力的均布载荷。此时q1=56.16*9.8/ 1800=0.30576N/mm。=0.0594mm。所以总挠度为0.541+0.0594=0.6004mm。与上述一维、二维、三维计算的最大变形相适应。5.2 车架纵梁最大应力的计算根据车架纵梁的简化模型，可以作出相应的剪力图与弯扭图。1800800900-800-18002000NN-2000x/mm01800剪力图如上所示由图形可知，在车架纵梁中部切应力为0。根据剪力图画出弯矩图：M/(Nmm)115000009000x/mm1800弯矩图如上所示由图形可知，在车架纵梁中间位置有最大弯矩，即有最大正应力。由于该车架纵梁为矩形截面，故车架纵梁的抗弯界面系数400000/6 ，所以。以上为未加重力的结果，加上重力以后，有重力所产生的弯矩M1=123832.8Nmm，所以，。与上述一维、二维、三维的最大应力相适应。文献阅读汽车车架俗称汽车大梁，是将汽车的主要总成（发动机、变速器、传动系、前轴、后桥、驾驶室、车厢等）和部件联结成汽车整体的金属构架。因此，车架是整个汽车的基体，它的结构形式应满足汽车总布置的要求。车架要承受静载荷（汽车悬挂以上的各总成、部件的自重和乘载荷重）以及汽车在行驶时所产生的各种动载荷。车架应满足：要有足够的强度；要有合适的刚度；自重要小；结构要简单。车架一般由纵梁和横梁组成。其形式主要有边梁式和中梁式两种，边梁式车架或称梯形车架，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。中梁式车架或称脊骨式车架，它只有一根位于中央贯穿汽车全长的纵梁。车架的宽度有如下情况：前窄后宽，这是为了给前轮转向和转向拉杆留出足够的空间；前宽后窄，这是因为一般载重汽车的后轴负荷大，轮胎和钢板弹簧都需要加宽，同时又要安装外形尺寸大的发动机，所以只好减小前轮转向角，使车架成为前宽后窄的型式；前后等宽，只要总布置允许，应尽量采用这种型式。这是因为冲压不等宽车架纵梁时，容易在转折处的上、下翼面上产生“波纹”区，引起应力集中，致使早期出现裂纹或断裂。同时，前后等宽的车架制造工艺简单，因此绝大多数载重汽车车架都采用这种型式。纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般为槽型，也有的做成Z形或箱型。很据汽车形式的不同和结构布置的要求，纵梁可以在水平面内或纵平面内做成弯曲的，以及等断面或非等断面的。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。通常载货车有56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、车厢及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，因此被广泛用在载货汽车和大多数特种汽车上。车架纵梁与横梁多数采用搭接板由铆钉连接，如解放CA10B、跃进NJ130等型汽车；有些车架采用焊接，如北京BJ130、上海SH130、别拉斯540等型汽车；也有局部采用螺栓连接，如黄河JN150型汽车车架的第二横梁。我们在选择旧车时，对于车架号的检查可以说是最为重要的一项，当我们消费者没有准确的把握经验，必须要找一个懂得维修的人来进行帮忙，对于我们消费者来说，检查车架可以识别出是否为事故车。由于在经过试车以后，大部分的事故车会在车架号上留下一定的痕迹，这必须要我们进行详细的观察才可以进行准确的判断。特别是在轿车一般车架号都可以采用整体车身的结构来进行构架，所以车身以及车架的整体设计上来说，很多的货车或是说SUV型的车都会采取单独的车身处理，车架式在设计上也以单独的方式进行处理，对于公路型或是城市型的SUV型车也会采取整体的车身设计，也就是我们通常所说的轿车底盘设计的车型。如果当车架受到一定的损伤以后，车辆在行驶的过程中会发生一些不良的影响，如果在转向的过程中存在不稳定的情况时，由于直行车辆的车轮会有一定的声音，轮胎会存在一定的磨损痕迹，转向是侧面时会产生不均匀的现象或是存在跑偏等问题，这都是与车架的弯曲度有很大的关系，如果是这样就说明已经出现过相应的交通事故，这车就不能购买。在进行现场勘察的过程中，可以对前后轮进行直线检查，如果左前后轮与右两侧的前后轮都不是一条线就说明车架整体已经变形了。如果车轮后侧与轮罩之间的间隙长短不一，就说明整车的车身有了一定的弯曲现象，以上这种车不能购买。在过去相当长的时期内，世界各国都用优质低碳结构钢板来冲制载重汽车车架的纵梁，如苏联的格斯51、玛斯200等型汽车的纵梁就是用25号钢板料冲压而成，美国用SAE1020及SAE1025号钢板料冲压汽车车架。这是因为优质低碳结构钢塑性较好，有利于冲压。现在世界各国都普遍采用低碳合金钢板作为车架纵梁的材料，如苏联的吉尔164、130等型汽车用30号钛钢，法国贝利埃型汽车用ST52号钢（相当于中国的16MnL号钢）。我国汽车行业则采用锰钢，这种低碳合金热轧锰钢板的屈服极限和强度极限都比普通碳素结构钢高得多。因此，目前车架纵梁和大多数横梁都采用这种锰钢，只有那些形状复杂或要求深度压延的横梁才采用普通碳素钢。心得体会经过几个星期的努力，汽车设计课程设计终于做完了。在这次课程设计的开始阶段，在通过概念建模的方法建立一维模型时，每一次都导入不进去，最后指导老师说需要勾上line body这个选项才可以。这充分显示了，对于ansys workbench我还有很多不清楚，这也让我更加的注重这次课程设计。在建立二维的梁模型时，我是在DM模块中先建一个平面，然后导入到DS模块中，这时输入一个厚度来完成二维模型的建立的。三维的建模是直接拉伸一个实体来完成模型的创建的。在一维、二维、三维的模型创建时，为了方便加载，一维的模型我是利用split（分割工具）来实现的，二维、三维是通过添加印迹面的方式来实现的。除了用一维、二维、三维的方式来互相验证以外，我还用了ansys经典界面来实现一维梁单元的建模，来进行分析验证。此外，还用了材料力学的知识，理论计算梁的最大变形与最大应力，其计算结果与试验结果几乎相等。在这些问题都完成以后，我又在不改变截面积大小，不改变尺寸，不改变材料参数的条件下，改用箱型截面来进行计算，这时其最大变形和最大应力都变小了。这次的课程设计使我更加熟练地掌握了ansys经典界面的使用和ansys workbench的使用，在查阅关于车架纵梁的资料时，我了解到大部分的事故车会在车架号上留下一定的痕迹，可以通过仔细观察，可以知道是不是事故车。再次感谢老师在这次课程设计中的指导，使我能够更好地完成这次课程设计。参考文献1 吴君希，汪祖年汽车车架的修理，1980,82 丁普海汽车车架车箱实用修理，1994,53 湖北汽车工业学院汽车工程系有限元分析软件ANSYS上机指南，2009,14 马迅ANSYS Workbench入门指南，2012,95 刘鸿文材料力学I，2011,1问题：1、一维二维三维选用何种单元？答：一维模型选用的是梁单元，二维模型选用的是壳单元，三维模型选用的是体单元。2、为什么工字型比矩形好？答：因为在受力时，工字型能更好的发挥其材料的性能，而且相对于矩形界面来说，在受相同大小的力的情况下更加节约材料。3、我们做的分析和实际的有哪些区别？答：我们所做的是对实际的车架纵梁进行简化分析的结果，只留下了一些必须的条件，而且我们所做的是静力学分析，实际上车架是运动的。4、静力分析，模态分析，疲劳分析？答：梁的静力分析和模态分析都是分析纵梁结构力学性能的一些基本分析，疲劳分析是一个非常复杂的问题，对于指导产品的设计、制造、检验和管理具有重要意义。27