6027車架有限元分析【proe三維】,proe三維,6027,車架,有限元分析,proe,三維 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 設計(論文)題目： 汽車車架有限元分析 　　　　　　　　 學生姓名： 于敏 學　　號： 1004102048 專　　業(yè)： 車輛工程 所在學院： 機電工程學院 指導教師： 智淑亞 職　　稱： 副教授 年 月 日 開題報告填寫要求 1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見； 3．“文獻綜述”應按論文的框架成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊）； 4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 5.開題報告（文獻綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據所查閱的文獻資料，每人撰寫不少于1000字左右的文獻綜述： 一、 前言 汽車車架是整個汽車的基體,在它上面安裝著汽車的各個主要總成,如發(fā)動機、離合器、傳動系、變速器、汽車車身、轉向器和車箱等,并把這些總成聯合成為一輛完整的汽車。另外,車架還承受作用于汽車上的所有靜載荷(懸掛以上的汽車各總成的重量和有效載荷)和汽車行駛時產生的動載荷 (各種力和力矩)。 因此，汽車車架是至關重要的，為了使車架具有上述功能,對于汽車車架要有足夠的強度，以保證足夠的可靠性和壽命，縱梁等主要部件在使用期內不應有的嚴重的變形和開裂。所以，車架強度在汽車總體設計中顯得尤為重要。 二、課題研究領域的現狀、動態(tài)及發(fā)展方向 在國外，從60年代起就開始運用有限元法進行汽車車架結構強度的計算。1970年美國宇航局將NASTRAN有限元分析程序引入汽車結構分析中，對車架結構進行了靜強度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進行車架輕量化的分析。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進行車架結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術已非常成熟，其工作重心已轉向瞬態(tài)響應分析、噪聲分析、碰撞分析等領域。特別是隨機激勵響應分析備受青睞，主要是因為它可用來進行車輛的強度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析。 國外將有限元法引入到車架強度計算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應用于車架的結構強度設計分析中。在有限元法對汽車車架結構的分析中，早期多采用梁單元進行結構離散化。分析的初步結果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結構較為復雜的車架結構，不能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應力分布，而且它還忽略了扭轉時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強度預測手段。近十年來，由于計算機軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應用到汽車車架結構分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段。隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，特別是微機性能的大幅提高及普及，在微機上進行有限元分析已不再是很困難的事，同時有限元分析的應用得以向廣度和深度發(fā)展。 綜合分析這些文獻可知，當前國內對于有限元法應用于車架結構分析的研究只是限于對車架或車架結構在靜態(tài)扭轉、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結構的靜態(tài)應力分布，并對其進行了局部的修改，由于軟硬件對計算模型規(guī)模的限制，模型的細化程度不夠，因而結構的剛度、強度分析的結構還比較粗略，計算結果多用來進行結構的方案比較，離虛擬試驗的要求還有相當大的差距。 三、 結語 本文采用有限元法對某車型車架的靜態(tài)強度特性進行較為準確的分析，從而使車架設計從經驗設計進入到科學設計階段，主要體現在: (1)運用有限元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設 計、分析和制造的效能和車架的性能。 (2)車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉和整體扭轉等變形。傳 統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法能夠很好 的解決這一問題。 (3)利用有限元法進行結構模態(tài)分析，可以得到車架結構的動態(tài)特性。從設 計上避免車架出現共振的現象。 (4)通過對車架結構的優(yōu)化設計，可以進一步降低車架的重量，在保證車架 性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。 綜上所述，有限元法已成為現在汽車車架設計的重要關鍵方法，對于提高汽車產品的可靠性、質量、降低產品開發(fā)與生產制造的成本起到了重要作用。 參考文獻 [1]黎西亞，李成剛，胡于進.車架有限元分析技術發(fā)展綜述[J].專用汽車，2001,（1）. [2]謝世坤，程從山.基于ANSYS的邊梁式車架有限元模態(tài)分析[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2005,18（1）. [3]韓璐，司景萍，李臣.基于ANSYS軟件的車架設計研究綜述[J].專用汽車，2008，（3）. [4]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009. [5]黃金陵，汽車車身設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007. [6]許兆棠，劉永臣，汽車構造(下冊) [M].北京：國防工業(yè)出版社，2012. [7]馬迅，盛勇生.車架剛度及模態(tài)的有限元分析與優(yōu)化[J].客車技術與研究，2004，26（4）. [8]張鐵山，胡建立，唐云.輕型汽車車架動態(tài)有限元分析[J].南京理工大學學報，2001,25（6）. [9]李峻，于學兵，張昆.汽車車架的優(yōu)化設計方法[J].機械設計與研究，2005,34（2）. [10]王五春，李志遠.汽車車架試驗臺靜、動態(tài)強度測試系統(tǒng)的設計研究[J].客車技術，2004，28(3). [11]敖炳秋.輕量化汽車材料技術的最新動態(tài)[R].汽車工藝與材料，2002. [12]杜海珍，榮見華.汽車車架結構的拓撲優(yōu)化設計[J].機械設計與研究,2007,23（1）. [13]馬迅，過學迅.基于有限元法的結構優(yōu)化與靈敏度分析[J].機械科學與技術，2002，7. [14]廖日東，王健，左正興等.有限元技術在載貨車輛車架分析中的作用[J].車輛與動力技術，2006. [15]周志革，王金剛，崔根群等.輕型貨車車架縱梁異常開裂原因的分析[J].汽車工程，2004,26（2）. 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 1、 研究問題 汽車車架作為汽車總成的一部分，承受著來自道路和裝載的各種復雜載荷作用，并且汽車上許多重要總成件都是以車架為載體，因而車架的強度在汽車總體設計中起了非常重要的作用。而有限元法在對車架進行靜態(tài)強度分析中具有重要的理論研究價值。 2、研究手段 (1)做好理論基礎方面的準備。 (2)查閱汽車專業(yè)書籍，掌握汽車車架結構和強度可靠性參數。 (3)學習計算機軟件，能夠熟練操作。 (4)查閱大量有關書籍和論文，學習關于課題領域的研究方法。 (5)制定出項目預定目標和研究步驟并實施。 (6)加強與指導老師和專業(yè)人員的交流，探討解決遇到的疑難問題。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 3.是否同意開題：√ 同意 □ 不同意 　　　　　　　　　　　　　　　　指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 　　　　　　　　　　　　　　　　負責人： 年 月 日 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 設計(論文)題目：汽車車架有限元分析 學生姓名： 于敏 學　　號： 1004102048 ?！　I(yè)： 車輛工程 所在學院： 機電工程學院 指導教師： 智淑亞 職　　稱： 副教授 起訖日期：2013年 12 月08日—2014年 05月05日 發(fā)任務書日期：2013年12月08日 任務書填寫要求 1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據各課題的具體情況填寫，經學生所在專業(yè)的負責人審查、系（院）領導簽字后生效。此任務書應在畢業(yè)設計（論文）開始前一周內填好并發(fā)給學生。 2．任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫，不得涂改或潦草書寫；或者按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，要求正文小4號宋體，1.5倍行距，禁止打印在其它紙上剪貼。 3．任務書內填寫的內容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經過所在專業(yè)及系（院）主管領導審批后方可重新填寫。 4．任務書內有關“學院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數字代碼。學生的“學號”要寫全號，不能只寫最后2位或1位數字。 5．任務書內“主要參考文獻”的填寫，應按照《金陵科技學院本科畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》的要求書寫。 6．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“2002年4月2日”或“2002-04-02”。 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的： 學會汽車車架Pro/E建模，再將實體模型導入ANSYS利用ANSYS建立車架有限元模型進行靜態(tài)的強度分析，得出該車架的可靠性參數。其目的在于培養(yǎng)學生綜合分析和解決相關問題的獨立學習和工作能力,拓展學生的基本知識；培養(yǎng)學生應用軟件分析問題的能力；培養(yǎng)學生收集檢索資料、正確使用參考文獻的綜合分析能力及正確編寫技術文件等方面的工作能力；使學生養(yǎng)成良好的工作態(tài)度和工作作風；同時掌握進行調查研究、面向生產實際，面向工程技術人員學習的工作方法。 2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）： 設計內容： 1．使用Pro/E建立汽車車架模型并將實體模型導入ANSYS，建立有限元模型； 2．利用ANSYS建立車架有限元模型進行靜態(tài)的強度分析，得出該車架的可靠性參數。 設計要求： 1. 要求在畢業(yè)設計過程中，應有嚴肅認真的科學態(tài)度，嚴謹求實的工作作風； 2. 依據課題設計任務，認真進行資料收集、閱讀、整理，正確使用工具書和網絡，熟練掌握相關軟件，按時完成開題報告、外文參考資料等； 3. 要求設計內容正確、合理、完整，語言通順，能夠體現一定的創(chuàng)新性，撰寫一份不少于1萬字的畢業(yè)設計說明書，符合本科生畢業(yè)設計規(guī)范，保質保量完成課題任務。 4. 按時參加答辯，答辯前各項規(guī)定的資料要完整、齊全。 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 3．對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求〔包括圖表、實物等硬件要求〕： 1、利用有限元方法對車架進行靜態(tài)強度分析； 2、畢業(yè)設計不少于1萬字； 3、外文參考資料譯文（附原文）不少于3000字。 4．主要參考文獻： [1]黎西亞，李成剛，胡于進.車架有限元分析技術發(fā)展綜述[J].專用汽車，2001,（1）. [2]謝世坤，程從山.基于ANSYS的邊梁式車架有限元模態(tài)分析[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2005,18（1）. [3]韓璐，司景萍，李臣.基于ANSYS軟件的車架設計研究綜述[J].專用汽車，2008，（3）. [4]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009. [5]黃金陵，汽車車身設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007. [6]許兆棠，劉永臣，汽車構造(下冊) [M].北京：國防工業(yè)出版社，2012. [7]馬迅,盛勇生.車架剛度及模態(tài)的有限元分析與優(yōu)化[J].客車技術與研究,2004,26（4）. [8]張鐵山，胡建立，唐云.輕型汽車車架動態(tài)有限元分析[J].南京理工大學學報，2001,25（6）. [9]李峻，于學兵，張昆.汽車車架的優(yōu)化設計方法[J].機械設計與研究，2005,34（2）. [10]王五春，李志遠.汽車車架試驗臺靜、動態(tài)強度測試系統(tǒng)的設計研究[J].客車技術，2004，28(3). [11]敖炳秋.輕量化汽車材料技術的最新動態(tài)[R].汽車工藝與材料，2002. [12]杜海珍，榮見華.汽車車架結構的拓撲優(yōu)化設計[J].機械設計與研究,2007,23（1）. [13]馬迅,過學迅.基于有限元法的結構優(yōu)化與靈敏度分析[J].機械科學與技術，2002,7. [14]廖日東，王健，左正興等.有限元技術在載貨車輛車架分析中的作用[J].車輛與動力技術，2006. [15]周志革，王金剛，崔根群等.輕型貨車車架縱梁異常開裂原因的分析[J].汽車工程，2004,26（2）. 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃： 起 訖 日 期 工 作 內 容 2013.12.05-2013.12.26 2013.12.27-2014.02.24 2014.02.25-2014.04.15 2014.04.16-2014.05.04 2014.05.05-2014.05.09 2013.05.10-2013.05.16 確定選題，填寫審題表；指導教師下發(fā)任務書，學生查閱課題相關參考文獻、資料，撰寫開題報告。 提交開題報告、外文參考資料及譯文、畢業(yè)設計（論文）大綱；開始畢業(yè)設計(論文)。 具體設計或研究方案實施，提交畢業(yè)設計（論文）草稿，填寫中期檢查表。 完成論文或設計說明書、圖紙等材料，提交畢業(yè)設計（論文）定稿，指導老師審核。 提交畢業(yè)設計紙質文檔，學生準備答辯；評閱教師評閱學生畢業(yè)設計（論文）。 根據學院統(tǒng)一要求，進行畢業(yè)設計答辯。 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 金 陵 科 技 學 院 畢業(yè)設計（論文）選題、審題表 學 院 機電工程學院 出題 教師 姓 名 智淑亞 專 業(yè) 車輛工程 職 稱 副教授 申報題目名稱 汽車車架有限元分析 題目類型 √畢業(yè)設計 □畢業(yè)論文 題目性質 H 題目來源 A B C D √ 題目簡介 汽車工業(yè)隨著國民經濟發(fā)展和交通運輸體系的全面建立得到了飛速發(fā)展。汽車車架是整個汽車的基體,在它上面安裝著汽車的各個主要總成,如發(fā)動機、離合器、傳動系、變速器、汽車車身、轉向器和車箱等,并把這些總成聯合成為一輛完整的汽車。另外,車架還承受作用于汽車上的所有靜載荷(懸掛以上的汽車各總成的重量和有效載荷)和汽車行駛時產生的動載荷 (各種力和力矩)。因而車架的強度在汽車總體設計中起了非常重要的作用。利用有限元法對車架進行靜態(tài)強度分析，具有重要的理論研究價值。 畢業(yè)設計(論文)要求（包括應具備的條件） 1. 利用有限元方法對車架進行靜態(tài)強度分析 2. 畢業(yè)設計1萬字左右。 題目預計 工作量大小 大 適中 小 題目預計難易程度 難 一般 易 √ √ 所在專業(yè)審定意見： 負責人： 年 月 日 注：1．該表作為本科學生畢業(yè)設計（論文）題目申報時專用，由選題教師填寫，經所在專業(yè)有關人員討論，負責人簽名后生效； 2．有關內容的填寫見背面的填表說明，并在表中相應欄內打“√”； 3．選題、審題表由院部自行存檔。 填 表 說 明 1．該表的填寫只針對1名學生做畢業(yè)設計（論文）時選擇使用，如同一課題由2名及2名以上同學選擇，應在申報題目的名稱上加以區(qū)別（加副標題），并且在“設計（論文）要求”一欄中加以體現。 2．“題目性質”一欄： A．工程設計 B．理論研究類 C．軟件工程（如CAI課題等） D．實驗研究類 E．文獻型綜述 F．藝術設計類 G．案例研究類 H．應用研究類 I．其它 3．“題目來源”一欄： A．結合社會生產實際 B．教師課題 C．學生自擬 D．其他 4．“題目簡介”一欄： 主要指研究設計該題目的背景介紹及目的、意義。 5．“設計（論文）要求（包括應具備的條件）”一欄： 主要指本課題技術方面的要求，而“條件”指從事該課題必須應具備的基本條件(如儀器設備、場地、文獻資料等)。 金陵科技學院學士學位論文 目錄 畢 業(yè) 設 計（論 文）大 綱 設計(論文)題目： 汽車車架有限元分析 學生姓名： 于敏 學　　號： 1004102048 ?！　I(yè)： 車輛工程 所在學院： 機電工程學院 指導教師： 智淑亞 職　　稱： 副教授 2014年01 月10 日 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第1章 緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 汽車車架介紹 2 1.3 有限元基本思想及軟件介紹 4 1.4 課題國內外研究現狀 5 1.5 課題研究意義及內容 6 第2章 車架有限元模型的建立 7 2.1 車架結構的技術參數和簡化 8 2.2 車架結構的技術參數和簡化 11 第3章 車架有限元分析 12 3.1 靜力分析基礎 13 3.2 車架靜力學分析模型的建立 14 3.3 車架的材料性能參數 16 3.4 載荷的處理 17 3.5 車架的工況分析及約束處理 29 第4章 總結與展望 30 參考文獻 31 致謝 32 Ⅰ 金陵科技學院學士學位論文 第一章 緒論 汽車車架有限元分析 摘 要 現代汽車的車架絕大多數都是整車骨架，它是整個汽車的基體。汽車大部分部件與總成（發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、懸架、轉向、駕駛室、貨箱及有關操縱機構）都是通過車架來固定其位置的。車架的作用是支撐和連接汽車的各零部件，所以它會承受汽車車內外各種載荷。因此，車架的靜、動態(tài)特性是其結構設計、改進和優(yōu)化的依據，是確保整車性能優(yōu)良的關鍵因素之一。 本文以6470型SUV車架作為研究對象，分析論證了CAD/CAE技術在汽車車架設計中的應用，主要內容如下： 1、選取一個SUV車型，通過查找和測量得到其主要的車型參數。 2、運用CAD軟件PRO/E建立車架的三維模型。 3、通過PRO/E軟件和ANSYS件的無縫連接將汽車車架的三維模型導入ANSYS軟件中。 4、運用ANSYS有限元軟件對該車架進行網格劃分，并施加適當的約束和載荷，對車架進行有限元靜態(tài)分析，從而校核了該車架的強度和剛度。通過分析結果，校核該車架的強度和剛度能否滿足要求。 在建模和有限元分析過程中，就CAD三維實體的建模方法、有限元理論的數學基礎、有限元軟件ANSYS、CAD軟件與有限元接口技術、有限元分析方法的前期后期處理等方面做了研究工作，為后續(xù)工作做了較好的技術準備。 關鍵詞：車架；CAD/CAE；ANSYS；有限元分析；靜力分析 Ⅱ Finite Element Analysis of 6470 SUV frame Abstract Most 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, 6470 SUV frame is the objects to be researched to analyze and demonstrate CAD/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 Pro/E; (3) Import the three dimensional frame model in Pro/E into ANSYS through the seamless connection??between Pro/E 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 Ⅲ 1 第1章 緒 論 1.1 課題研究背景和意義 安全與節(jié)能已經成為現代汽車工業(yè)的重要主題。汽車的任何設計都是以保證安全為前提條件的，所以，現代汽車的首要原則就是保證結構性能的安全性。而車架作為汽車的承載體，不但承擔著發(fā)動機、底盤和貨物的重量，還要承受行駛過程中各部位傳來的各種力和力矩。故而，車架的強度分析尤為重要，這不僅關系到車輛的正常行駛，還關系到整車的安全性能。所以汽車車架的結構性能分析對汽車安全性起到非常重要的作用。 1.2汽車車架的介紹 汽車車架是發(fā)動機、底盤和車身各總成的安裝基礎，是汽車的關鍵承載部件。車架支撐著發(fā)動機、離合器、變速器、轉向器、貨箱等，承受著傳給它的各種力和力矩。所以，車架應有足夠的強度，使安裝在車架上的相關機構的相對位置在汽車行駛時能夠保持不變，并使車身的變形最小。車架也應該有足夠的剛度以保證其有足夠的可靠性和使用壽命，縱梁等主要零件在試用期內不應該有嚴重的變形與開裂。如果車架的剛度不足， 將會引起震動和噪聲，汽車的舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些部件的可靠性也會下降。 但車架的扭轉剛度也不宜過大，否則將會導致車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大，使汽車的輪胎接地性變差，從而降低通過性。所以，車架必須滿足以下的要求[1]： （1）應該滿足汽車的總布置要求。，固定在車架上各部件之間不應 發(fā)生干涉。 （2）要有足夠的強度和剛度。在凹凸不平的道路上時，受到載荷的影響，車架下可能發(fā)生扭轉變形和彎曲變形。它們會使安裝在車架上的各部件之間的相對位置發(fā)生變化，從而影響其正常工作。因此，車架還應該具有足夠的強度和適當的剛度。 （3）車架的結構應盡量簡單，使得安裝于車架上的機件要容易拆裝，以便于汽車的維修。 （4）車架的形狀應盡可能的配合車身和各總成，以降低汽車的質心，及獲得較大的前輪轉向角，能夠提高汽車的操縱穩(wěn)定性和機動性。 目前，按車架縱梁、橫梁結構特點，汽車車架的結構布局形式主要有三種：邊梁式車架、中梁式車架和綜合式車架。其中，邊梁式車架在汽車車架中應用最廣。 接法或者焊接法將縱梁是槽鋼，有的也做成Z字形或箱型斷面。依據汽車組成形式的不同和結構布置的要求，縱梁的或是非等斷面的。橫梁不僅可以支撐汽車上的主要部件。通常，載貨汽車有5-6根橫梁， 33 和布置其他總成，貨汽車及大多數的特種汽車上。 1.3 有限元的基本思想及軟件介紹 過去，國內汽車設計的主要手段是用傳統(tǒng)的樣車和舊車型作參考的模式。在對車架進行分析設計時經常會對車架進行大幅度的簡化。因為用經典力學對其進行結構分析時，為了能夠計算，必須把模型構造的非常簡單。這種方法不但費時費力，大多依靠經驗，缺乏用經典力學的方法 不可能得到精確的解答，尤其在設計初期因為不會有實測數據。所以，以前的設計基本上是依賴于經驗和類比，缺乏建立在力學特性、剛度、強度等分析基礎上的科學依據。 隨著計算機技術的高速發(fā)展，汽車車架的結構設計逐漸由傳統(tǒng)的經驗設計方法轉向了現代設計方法。如模態(tài)試驗方法、有限元方法等。其中，有限元方法已經成為建立有限元模型、模擬車架的主要分析途徑，并慢慢走向成熟。 有限元法是根據變分原理對數學及物理問題進行求解的數值計算方法，是隨著計算機的出現而發(fā)展起來的一種新興的數值計算方法，是工程方法和數學方法的混合產物，可以用來求解許多過去無法解決的問題。 ANSYS公司是1970年由美國匹茲堡大學的John Swanson博士創(chuàng)建的，其總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡，是目前世界上CAE行業(yè)最大的公司。最初版本的ANSYS只能提供熱分析和線性分析的功能，是一個批處理程序，而且僅能在大型計算機上使用。20世紀70年代，隨著非線性、子結構和更多的單元類型的加入，ANSYS軟件發(fā)生了巨大的變化，新技術的融入進一步滿足了用戶的需求；70年代末，交互方式加入ANSYS，使軟件發(fā)生了顯著的變化，使模型生成和結果評價大為簡化。40年來，ANSYS公司一直致力于設計分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計算方法，和計算技術，領導著世界有限元技術的發(fā)展 。 ANSYS軟件主要包括3個部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。前處理模塊擁有結構分析（）、熱分析、流體動力學分析、可以模擬多種物理介質的相互作用，具有可以將計算機結果用彩色等值線顯示、等方式顯示，也可以將計算結果用圖表、曲線的形式顯示或輸出。ANSYS軟件為用戶提供了100多種的單元類型，以模擬實際工程中的各種結構和材料。 （1）前處理模塊 單擊實用菜單中的“Preprocessor”,進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有三部分內容：參數定義、建立有限元模型和網格劃分。 ①參數定義 ANSYS軟件在建立有限元模型的過程中，首先需要進行相關的參數定義，主要包括定義單位制、定義單元類型、定義單元實常數、定義材料模型和材料特性參數、定義幾何參數等。 在定義單位制的時候，除了磁場分析以外，ANSYS軟件可以使用任一種單位制，但是一定要保證單位制的統(tǒng)一。 建立有限元模型或是對有限元模型進行網格劃分之前，必須先定義相應的單元類型，而單元實常數的確定也依賴于單元類型的特性。 材料模型和材料特性參數能夠表征實際工程問題所涉及材料的具體特性，所以，材料模型的正確選擇和材料參數的精確輸入是實際工程問題得到正確解答的關鍵。 ②建立有限元分析模型 ANSYS有限元軟件提供了4種方法來建立有限元模型：直接建模，實體建模，導入在計算機輔助設計系統(tǒng)CAD中創(chuàng)建的數學模型。 ③網格劃分 ANSYS程序為用戶提供了使用便捷、高質量的對幾何模型進行網格劃分的功能。包括4種劃分方法：。 （2）求解模塊 的模塊，用戶可以定義分析類型及分析選項，施加載荷及載荷步選項。 ① 定義分析類型和分析分析選項 根據所施加的載荷條件和所要計算的響應選擇分析類型。有限元軟件提供的分析類型有靜態(tài)分析、模態(tài)分析等。 ② 載荷 在ANSYS軟件中，載荷分為位移載荷、力或矩陣、面載荷、體積載荷、慣性載荷及耦合場載荷。 ③ 指定載荷步 載荷步選項是用來更改載荷步的，例如子步數、載荷步的結束時間以及輸出控制等。 ④ 求解子模塊 ANSYS軟件的求解模塊包含結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、動力學分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲場分析及壓電分析。 （3）后處理模塊 當ANSYS完成計算后，可以通過后處理器來觀察結果。ANSYS軟件的后處理包括兩個部分：通用后處理模塊和時間歷程響應后處理模塊。通過友好的用戶界面，很容易就可以獲得求解過程的計算結果，并對其進行顯示。這些結果可以是位移、溫度、應力、應變、速度及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示或者數據列表。 與其他的數值分析軟件相比較，ANSYS具有以下技術特點： 1．能夠實現多場和多場耦合功能； 2. 集前后處理、分析求解與多場分析于一體； 3. 具有強大的優(yōu)化功能，是唯一具有流場優(yōu)化功能的CFD軟件； 4. 具有獨一無二的非線性分析功能； 5. 具備快速求解器； 6.是最早采用并行計算技術的FEA軟件； 7. 全部的數據文件都兼容； 8.支持從PC、WS到巨星級的所有硬件平臺； 9.從微機、工作站、大型機到巨型機的所有硬件平臺，具有統(tǒng)一的用戶界面； 10、能與大多數的CAD軟件集成并有接口； 11、可以進行智能劃分網格； 12、具有多層次、多框架的產品系列； 13.具備良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 1.4 課題國內外研究現狀 在國外，有限元法很早就被運用在汽車的結構分析方面。60年代中后期，國外就開始了對車架的有限元靜態(tài)分析。國外十分重視有限元法對車架結構進行輔助設計，并且取得了大量的研究成果。1970年，美國宇航員利用NASTRAN有限元分析程序，對車架結構進行了靜強度分析，從而減輕了車架的自重。這是最早的車輛輕量化分析。后來Ao.Kazuo.Niiyama等人詳細地介紹了利用有限元靜態(tài)強度分析結果來指導車架的設計過程[2]。從70年代起，開始對汽車結構進行動態(tài)特性分析，并取得了大量的研究成果。Krawczuk,Marek等人利用全板殼單元車架有限元模型對一輛貨車車架進行比較全面的動態(tài)研究[3]。Kim.H.S.Hum.H分析討論了車架在較大靜態(tài)載荷的作用下所變現出來的失效形式，Colomina等人利用有限元法建立了一個載貨汽車車架的有限元模型，并對其進行了動態(tài)的結構分析，根據分析結果對車架結構進行了優(yōu)化[4]。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件對車架結構進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術已經非常成熟，其工作重心已經轉向瞬態(tài)響應分析、噪聲分析、碰撞分析的領域。而隨機激勵響應分析可以用來對車輛的強度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析。 我國的有限元理論的研究開始于上個世紀50年代末，我國著名的數學家馮康教授創(chuàng)立了一套現代化、系統(tǒng)化求解微分方程的近似方法，名為基于變分原理它的差分格式。它的內容就是當時被國際人士成為的有限元法。 我國大約是在20世紀70年代末才把有限元法應用于車架結構的設計分析中。1977年，長春汽車研究所的谷安濤和常國振發(fā)表的“汽車車架設計計算的有限元法”，是計算機輔助工程在我國汽車行業(yè)中的首次應用，為有限元分析在我國的發(fā)展打下了重要的基礎[5]。當時研究的內容主要是車架強度分析和如何用梁單元模擬客車骨架等方面。到了九十年代，逐步將有限元分析應用到實際的汽車設計中。如長春第一汽車廠，他們對所有的重要零部件都進行有限元分析校核，上海大眾與同濟大學聯合建立了桑塔納車身有限元模型，對車身進行靜態(tài)扭轉計算等等[6]。而各大高校也都用有限元分析法對車架結構進行分析及優(yōu)化。如吉林大學的黃金陵曾經用理論分析了影響車架結構強度和剛度的因素，并在此基礎上運用懲罰函數法找到了汽車車架各梁截面參數的最佳值[7]。武漢理工大學的鄧亞東教授對輕型載貨汽車車架進行優(yōu)化設計，并得出優(yōu)化結果[8]；清華大學的扶原放老師對微型電動車車架進行結構可靠性優(yōu)化設計，綜合考慮了多種行駛狀況下的沖擊載荷對車架的作用，在這些沖擊破壞下對該車架進行優(yōu)化，從而改進設計結構，基于結構可靠性和有限元法對新設計車架的結構參數進行了可靠性優(yōu)化設計等等[9]。 1.5 課題研究意義及內容 安全與節(jié)能已經成為現代汽車工業(yè)的重要主題。汽車的任何設計都是以保證安全為前提條件的，所以，現代汽車的首要原則就是保證結構性能的安全性。而車架作為汽車的承載體，不但承擔著發(fā)動機、底盤和貨物的重量，還要承受行駛過程中各部位傳來的各種力和力矩。故而，車架的強度分析尤為重要，這不僅關系到車輛的正常行駛，還關系到整車的安全性能。所以汽車車架的結構性能分析對汽車安全性起到非常重要的作用。 代設計方法（有限元分析計算法）。，需對車架結構做大量的簡化以便進行分析，所以它帶有一定的盲目性，也不能對車架結構。 隨著現代計算機技術的飛速發(fā)展，有限元法已經發(fā)展成為一個十分重要的工程計算方法，應用范圍也越來越廣。在汽車的設計和研究上，應用有限元法可以對汽車結構進行強度、模態(tài)、振動、碰撞等多方面的分析和優(yōu)化，為汽車的設計、檢驗、優(yōu)化提供了參考和指導。 現代設計方法，即有限元分析法，使用有限元分析軟件CAE軟件和CAD軟件，兩者并用，使設計水平發(fā)生了質的飛躍。不僅減少了設計成本，縮短了設計和分析時間，產品和工程的可靠性也得到了提高，還能在制造產品前預先發(fā)現潛伏的問題，進行各種模擬試驗，減少了試驗時間和經費，此外，還能進行機械事故分析，查找事故原因。 從上可以看出，有限元法在汽車產品開發(fā)過程中的優(yōu)勢越來越明顯，越來越多的汽車公司將有限元分析方法引入到各個關鍵領域，以提升汽車的整車性能，從而占據市場份額。 本文以6470型SUV車架作為研究對象，用UG軟件建立三維實體模型，通過UG軟件與ANSYS軟件之間的無縫連接，將三維實體模型導入ANSYS軟件，建立有限元模型，運用ANSYS軟件強大的分析功能對車架進行結構分析，進而校核該車架的強度和剛度。通過實例體驗CAD/CAE技術在汽車車架設計中的應用。 通過本課題的研究，可達到如下目的： （1）學習UG，ANSYS軟件，建立車架結構的三維實體模型和有限元模型，為有限元技術在車架優(yōu)化設計中的應用奠定基礎。 （2） 金陵科技學院學士學位論文 第二章 車架有限元模型的建立 第2章 車架有限元模型的建立 2.1車架結構的技術參數和簡化 汽車車架是一個復雜的空間的薄壁結構，若要全部如實的考慮它的結構是很困難的，因此，必須對其進行簡化[10]。有限元計算模型的建立，即模型化，是有限元法的一個重要的步驟。模型化就是要確定節(jié)點，并選擇單元類型，也就是將結構離散化或者單元的劃分過程。簡化結果時要以主要的力學特征為前提，也就是要力求每個單元與實際結構之間的幾何類型一致，還要與單元傳遞的動力學特性相一致。結構簡化要遵循一定的原則：在保證能夠充分反映實際結構力學性能的前提下做些必要的簡化。有限元分析的目的是分析整體車架的強度和薄弱環(huán)節(jié)等的力學特性，太過細致地描述細小的結構不僅會增加建模時的難度，還會增加節(jié)點的數目，而且會使有限元模型的單元尺寸變化過于突然，影響計算的精度。在能充分反映結構的主要力學特性的前提下，應盡量使用較少的單元，選取簡單的單元類型，以便達到既合理又經濟的目的。 為了提高軟件分析的效率，減少分析計算中不必要的時間，在UG中建立車架的三維實體模型時，對一些工藝結構和附屬結構進行了簡化，所依據的簡化規(guī)則為： （1）對分析結果影響較小的孔忽略不計：直徑小于15mm。車架縱梁上有許多裝配用孔，雖然這些小幾何體對整個車架的強度和剛度的影響不大，但對接下來的車架分析計算很是不利。這些細節(jié)在劃分網格是會產生許多網格，網格的質量將會降低，從而導致計算量大，計算精度降低。 （2）結構中不受力的結構忽略不計。有的部件是為了滿足使用上的要求而設計的，并不是依據強度要求設計的，因而可以忽略； （3）將結構中較小的圓角變?yōu)橹苯?。構件上還有些過渡圓角，和小孔一樣，對計算分析產生的影響較小，故將其忽略。 本文研究的是6470型SUV車架，該車架有兩根縱梁，五根橫梁，一根扭桿梁，一根變速箱梁和前后副杠組成，以焊接方式構成剛性結構。 汽車車架的各項技術參數如表2.1 表2.1 車架各項技術參數表 名稱 長度 名稱 長度 縱梁總長 4280mm 車架前寬 840mm 左右縱梁中心距 990mm 車架后寬 1160mm 扭桿中心距 990mm 前車距 1557mm 軸距 2730mm 后車距 1593mm 2.2實體車架模型的建立和網格劃分 通過對該車架的數據分析，在三維制圖軟件UG中建立了車架的三維實體模型，步驟如下： 1、通過構建基準平面，創(chuàng)建草圖，草圖拉伸，建立車架左側縱梁，并以YZ面為鏡像平面，做出右側縱梁。然后以以XY面為基準平面，創(chuàng)建草圖，拉伸制作前后副杠，如圖2-1所示。 圖2-1 車架縱梁及橫杠 2、以右邊縱梁前端內側為基準平面，創(chuàng)建草圖，將正方形草圖拉伸與縱梁等寬，并以YZ面為鏡像面，生成對稱體。將草圖中兩同心圓拉伸并求差，得到第一根橫梁。如圖2-2所示。 圖2-2 草圖拉伸形成第一根橫梁 3、創(chuàng)建基準平面，在該面內制作草圖，拉伸草圖形成第二根橫梁，如圖2-3所示。 圖2-3 草圖拉伸形成第二根橫梁 4、以XY面為基準平面，創(chuàng)建草圖，拉伸草圖形成變速箱梁，如圖2-4所示。 圖2-4 草圖拉伸成變速箱梁 5、分別以右邊縱梁中間部分、后端及其連接部分的內側為基準面，創(chuàng)建草圖，沿X方向拉伸形成扭桿梁、第三根和第四根橫梁，如圖2-5所示。其中，第三根及第四根梁為空心結構。 圖2-5 拉伸形成扭桿梁、第三根及第四根梁 6、創(chuàng)建基準平面，在該平面內制作草圖，沿Y方向拉伸成第五根橫梁，如圖2-6所示。 圖2-6 草圖拉伸形成第五根梁 7、建立鋼板彈簧吊耳模型。左右縱梁各有四個鋼板彈簧吊耳，關于YZ平面對稱，所以，在左邊縱梁外側建立吊耳模型，通過鏡像體得到右側吊耳。建立左側吊耳時，在其與車架連接的相應位置創(chuàng)建所需基準平面，繪制草圖，進行拉伸。其中，前輪處的兩個鋼板彈簧吊耳關于前車橋的中心平面對稱，可以由鏡像體得到。而后輪的鋼板彈簧為非對稱放置，故后輪處吊耳不對稱，只能一一建模，但螺栓孔中心在同一水平面上。鋼板彈簧吊耳模型如圖2-7所示。 圖2-7 鋼板彈簧吊耳模型 8、對車架各部分求和，使之成為一個整體，得到車架的三維實體模型，如圖3-8所示。 金陵科技學院學士學位論文 第二章 軟件的介紹 圖2-8 車架三維實體模型 金陵科技學院學士學位論文 第三章 車架的建模 金陵科技學院學士學位論文 第三章 車架有限元分析 第3章 車架有限元分析 汽車是運輸機械，在工作的過程中總會受到來自各個方面的載荷作用。所以車架必須要有足夠大的強度和剛度來承受這些載荷，因此有必要對車架進行必要的CAE分析。本文利用有限元軟件ANSYS14.5著重對車架進行了三維有限元分析，計算分析了其在四種不同最大載荷工況下應力和變形，以便校核其強度和剛度。 3.1 靜力分析基礎 結構靜力分析是用來計算不包括慣性和阻尼效應的載荷作用在結構或者部件上時引起的位移、應力、應變和力。固定不變的載荷和響應是一種假設，也就是假定載荷和結構的響應隨著時間的變化非常緩慢。靜力分析所加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)定的慣性力和位移載荷等。 通過車架結構強度和剛度的有限元靜力分析，能夠找到車架在各種工況下各個部件變形和應力的分布情況及最大值。以此為依據，改變結構的形狀尺寸或者改變材料的特性以調整質量和剛度的分布，能夠使車架各部位的變形和受力情況盡可能的均衡。同時還可以在保證結構滿足使用強度和剛度的前提下，最大限度地降低材料用量，既能減輕車架的自重，也可以節(jié)省材料，降低油耗，提高整車性能。 在有限元分析的過程中，靜力分析的控制方程為： {K}{U} = {F} (3-1) 其中，{K}——結構剛度矩陣 {U}——位移向量 {F}——載荷向量 在用有限元法進行機體結構的靜力分析時，其基本原理是一樣的：用矩陣形式表示整個結構的平衡方程，得 {K}{δ}={R} （3-2） 其中，{K}——整個剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元剛度陣組成 {δ}——整個物體的節(jié)點位移陣列，由單元節(jié)點位移陣列組成 {R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點力陣列組成 用式（4-2）求出節(jié)點位移{δ}，利用式（4-3）結合求得的節(jié)點位移計算出各個單元的力，并加以整理得出所要的結果。 [σ]=[D][B][σ] （3-3） 其中，[σ]——材料的許用應力陣列 [D]——與單元材料有關的彈性陣列 [B]——單元應變陣列 [δ]e ——單元的節(jié)點位移陣列 通過式（4-3）可以計算得到車架的應力和變形結果，變形可以由后處理中的模塊將模型的變形直觀的變現出來，應力的分布則以應力云圖或者應力圖的等高線表示。節(jié)點的應力是與之相連的單元應力在節(jié)點位置的算數平均值。通過車架的強度要求和材料的特性，選擇最大拉應力、最大剪應力或者綜合應力作為強度校核的基準，材料的失效是以材料發(fā)生塑性變形為標志的，所以車架的靜態(tài)強度校核可以根據第四強度理論，用Vonmiss等效應力來校核車架結構的強度。 Vonmiss等效應力可以表示為： （3-4） 強度條件為： （3-5） 3.2車架靜力學分析模型的建立 應用Pro/E軟件對車架進行三維建模，通過Pro/E軟件和ANSYS軟件的無縫連接將模型導入ANSYS中去，用ANSYS自帶的網格劃分功能進行網格劃分，對有限元模型添加載荷及約束，進入求解器求解，在后處理模塊中檢查結果。這也是ANSYS中靜力分析的主要步驟，本文將按照這個步驟進行靜力分析。 （1）車架材料特性 目前，車架的材料應用最多的是16Mn鋼。16Mn鋼的合金含量較少，綜合性能好，低溫性能好，焊接性能和可切削性能良好，廣泛的應用在橋梁、鍋爐、起重運輸機械和其他較高載荷的焊接結構件中。它的物理性能如下： 彈性模量E=2.0×1011 Pa 材料密度ρ=7850kg/m3 泊松比μ=0.3 最小屈服極限360MPa 最小抗拉強度510MPa 最大抗拉強度 610MPa （2）車架模型導入ANSYS 通過Pro/E軟件與ANSYS軟件之間的無縫連接將三維實體模型導入ANSYS，形成ANSYS模型，具體操作為：File→Import→UG，選擇三維實體模型，即可將模型導入ANSYS軟件。將模型顯示為實體：PlotCtrls→Style→Solid Model Facets,在彈出的對話框中選擇性Normal Faceting，選擇Plot→Rplot，得到車架的實體模型，如圖3-1所示。 圖3-1 導入ANSYS后的實體模型 保存所的模型，File→Save as，保存名為chejia.db。 （3）定義單元類型 實際工程中的結構是千變萬化的，為了方便模擬，ANSYS為用戶提供了幾十種單元用于結構分析，而選取恰當的單元類型是順利進行有限元分析的重要一步。單元類型的選取，既要充分反映結構的力學特性，也要盡可能的選取簡單的單元，使模型計算時簡單又節(jié)約計算費用。ANSYS軟件中，常用的單元類型有Solid實體單元、Shell板殼單元等。本文選用Solid95單元。相對于3-D，8節(jié)點的Solid45單元來說，Solid95單元更為高級，Solid95單元由20個節(jié)點定義，每個節(jié)點有三個自由度，為節(jié)點在x，y，z方向的平移自由度。它能夠吸收不規(guī)則形狀的單元而沒有精度損失，還有可并立的位移形狀，對于曲線邊界的模型能很好的適應。Solid95單元有塑性、蠕變、應力剛度、大變形及大應變能力。Solid95單元的示意圖如圖3-2所示。 圖3-2 Solid95單元 定義單元類型的具體操作為：Main Menu→Preferences→Element Type→Add/Edit/Delete，在彈出的對話框中點擊Add，彈出Library of Element Types對話框，選擇Solid→20node 95。如圖3-3所示。 圖3-3 選擇單元類型對話框 （4）定義材料屬性 具體操作：Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models, 在彈出的對話框中選擇Structural→Linear→Elastic→Isotropic，設置材料的彈性模量EX為200MPa，泊松比PRXY為0.3。 定義材料密度：Structural→Linear→Elastic→Density，設置材料的密度DENS為7.85e-6噸/毫米3 ，具體如圖3-4,3-5所示。 圖3-4 彈性模量及泊松比對話框 圖3-5 密度對話框 材料屬性定義完畢，點擊Material→Exit，退出材料屬性定義。 （5）網格劃分 在前兩步的基礎上劃分網格：Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，在MeshTool對話框中勾選Smart Size，選擇8級精度，點擊Mesh按鈕，出現Mesh Volumes對話框，點擊Pick All，點擊OK。如圖3-6所示。劃分網格完成后后的模型如圖3-7所示。 圖3-6 劃分網格對話框 圖3-7 車架網格劃分 2.3 車架材料的性能參數 目前，車架的材料應用最多的是16Mn鋼。16Mn鋼的合金含量較少，綜合性能好，低溫性能好，焊接性能和可切削性能良好，廣泛的應用在橋梁、鍋爐、起重運輸機械和其他較高載荷的焊接結構件中。它的物理性能如下： 彈性模量E=2.0×1011 Pa 材料密度ρ=7850kg/m3 泊松比μ=0.3 最小屈服極限360MPa 最小抗拉強度510MPa 最大抗拉強度 610MPa 3.4 載荷的處理 運用有限元法對機械結構進行分析時，載荷通常是給定的。根據不同的計算工況來確定載荷，是保證有限元分析結果反映實際情況的前提。根據載荷在結構上的分布情況，可以分為集中載荷、分布載荷兩種，當外載荷作用在結構上的區(qū)域很小時，可以認為該載荷為集中載荷。如果作用在結構上的載荷位置是連續(xù)變化的，即載荷作用在一定面積或者長度上，則稱為分布載荷。根據載荷作用隨時間變化的情況，可以分為靜載荷、動載荷兩種。 汽車在靜止時只承受懸架以上部分的載荷，包括車身和自身質量，車架上各總成與附屬件質量，參數如表3.1所示。 表3.1 車架各總成質量 名稱 質量/kg 車身 810 發(fā)動機 167 變速器與離合器 12.5 轉向器及機構 16 蓄電池 17 油箱及油 49.2 備胎及其托架 513 散熱器及水 13.2 排氣管及消聲器 16.9 其余 20 其中，車身質量按均布載荷處理，平均分配到車架縱梁上；發(fā)動機按集中載荷處理，作用在其支撐位置；變速箱、離合器、蓄電池、油箱等以靜力等效的原則加在其相應的位置，不同工況時還需乘動載系數；車架自重通過定義重力加速 度施加；該車可以乘坐五位乘客，前面兩位，后面三位，每位乘客的質量按標準75kg計算，按均布載荷處理；該車載重量400kg，按均布載荷作用在車架后端。 3.5車架的工況分析及約束處理 汽車在行駛時，考慮到不同的路面上，汽車車架受力狀況不一樣，故靜力分析工況一般選擇彎曲工況和扭轉工況這兩種。在此基礎上，本文還研究了制動和轉彎工況下車架的應力和應變變化。四種工況下，車架所承受的載荷都是由上述載荷組成的，因此加載方式都是相同的。車架載荷分布方式如圖3-8所示。 圖 3-8 車架的載荷分布 3.5.1 滿載彎曲工況分析 （1）滿載彎曲工況下的邊界條件 滿載彎曲工況是模擬汽車在滿載狀態(tài)下，四輪著地在良好路面上勻速行駛時，車架對其所承受的重量的響應。實際汽車行駛時，由于承載系統(tǒng)在六個自由度方向運動，而且系統(tǒng)并非剛體，所以各點的位移不同，加速度是不相等的。因而在計算施加載荷時，車架承受的質量和載荷都要乘以一定的動載系數，再對車架進行強度和剛度校核。動載系數主要取決于三個因素：道路條件，汽車行駛狀況（如車速）和汽車的結構參數（如懸架彈性元件的剛度、輪胎剛度、汽車的質量分布等）。由于這些因素很復雜，使動載系數難以用數學分析法確定。所以，分析時常分別對某些簡單的路面情況進行研究，動載系數則取一些理論研究與實驗修正相結合的半經驗值。本文滿載彎曲工況下，取動載系數為2。 為了能得出解并且唯一，必須對車架進行約束，其約束條件取決于工況。彎曲工況約束施加的節(jié)點參考圖4-10。各個節(jié)點具體約束方式如表3.2所示。 表3.2 彎曲工況的車架約束 節(jié)點編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 1、2、3、4 / / / / / / 6、8、、14、16 / / / 10、12、18、20 / / / / / 注：表中的節(jié)點與圖4-10相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點繞x、y、z軸的轉動自由度，“/”表示對其自由度進行約束。 加載的具體操作為：Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Displament→On Keypoints，彈出一對話框，輸入關鍵點編號，點擊OK，如圖3-9所示。繼而彈出Apply U,ROT on KPs對話框，如圖3-10所示，選擇與關鍵點相應的約束即可。其中，關鍵點編號可通過以下操作查看：PlotCtrls→Numbering，彈出Plot Numbering Controls窗口，將Keypoint numbers設為On即可。還可以通過該窗口顯示模型節(jié)點編號，只需將Node numbers設為On即可。如圖3-11所示。 圖3-9 選取關鍵點 圖3-10 約束對話框 圖3-11 查看關鍵點 （2） 滿載彎曲工況加載 顯示模型所有節(jié)點編號，記下車架受力點，在這些點處施加載荷。具體操作如下： Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Force/Moment→On Nodes，彈出選取節(jié)點的對話框，輸入受力的節(jié)點編號，點擊OK，出現Apply F/M on Nodes對話框。載荷方向均選FZ，載荷大小為負值，表示車架受到的力是-Z方向的。如圖3-12所示。 圖3-12 在節(jié)點上加載對話框 加載時，集中力載荷加載對應節(jié)點上，力的大小由各部件質量決定，計算公式為: F=kmg （3-6） 其中，F——集中力 k——動載系數 m——作集中載荷處理部件的質量 g——重力加速度，取9.8m/s2 如發(fā)動機質量為167kg，那么，彎曲工況下，在發(fā)動機支撐位置的節(jié)點處施加力的大小為：-2×167×9.8=-3273.2N，方向為FZ。 對于均布載荷，則將該力施加在受力面的中間直線上的所有節(jié)點上，力的大小為： F=kmg/n （3-7） 其中， F——每個節(jié)點受力大小 k——動載系數 m——作均布載荷處理的部件質量 g——重力加速度，取9.8m/s2 n——受均布載荷面的中間直線上的節(jié)點數 車架自重是通過定義重力加速度施加的，加速度方向與車架重力方向相反，即加速度方向為Z軸正方向。具體操作為：Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Inertia→Gravity→Global，彈出Apply (Gravitational) Acceleration 對話框，在Global Cartesian Z-comp 一欄中填入9.8，點擊OK即可。如圖3-13所示。 圖3-13 定義加速度對話框 施加載荷后的模型如圖3-14所示。 圖3-14 加載后有限元模型 （3）滿載彎曲工況求解及結果分析 彎曲工況加載完畢后，就要對模型進行求解，具體操作如下：Main Menu→Solution→Solve→Current LS。出現信息窗口和一個對話框，檢查信息窗口，確認無誤，點擊OK，系統(tǒng)開始計算，約五分鐘后出現＂Solution is done＂，點擊OK。 求解完畢，查看計算結果：Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu，出現對話框，在“Items to be Contoured” 一欄中選擇“Stress”在右邊的欄中選擇“Von Mises SEQV”,點擊OK,顯示有效應力云圖,如圖3-15所示。在“Items to be Contoured” 一欄中選擇“DOF Solution”一欄下的Displacement vector sum,則顯示應變云圖，如圖3-16所示。 圖3-15 彎曲工況下的等效應力分布 圖3-16 彎曲工況下的應變分布 從圖3-15可以看出，車架結構的最大等效應力位于第五根橫梁與車架的連接處，這是因為第五根橫梁與車架接觸面較其他連接面較小，因而出現應力集中，最大應力為107MP，小于材料的最小屈服極限360MPa，而且可以算出車架縱梁的安全系數為3.36。說明車架不僅能夠滿足車架強度和剛度要求，還有很大的優(yōu)化空間，從減輕整車質量和降低制造成本的角度出發(fā)，可以適當的將車架的縱梁的厚度減小0.5～1mm。 從這兩張圖可以看出，彎曲工況下最大位移發(fā)生在車架后托架出，大約0.0228mm，這是因為后托架厚度僅為24mm，且是彎曲結構，從結構強度的角度看，較車架上其它結構單 薄。在滿載下，車架中后部承受的載重量遠大于前端承受的重量，因而在彎曲工況下車架尾部發(fā)生翹曲。 圖3-17 彎曲工況下的變形形狀 3.5.2 滿載扭轉工況分析 （1）滿載扭轉工況的邊界條件 扭轉工況下車也是滿載的，只是假設行駛路面崎嶇不平，使三個車輪處于同一平面，而另一個車輪路過有坑的地面而被懸空。假設右后輪懸空。此時的約束條件如表3.3所示。 表3.3 扭轉工況約束 節(jié)點編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 2、4 / / / / / / 1 / / 20mm / / / 3 / / -20mm / / / 6、8、14、16 / / / / / 10、12 / / / 注：表中的節(jié)點與圖3-8相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點繞x、y、z軸的轉動自由度，“/”表示對其自由度進行約束。 （2）滿載扭轉工況加載 汽車在遭受最劇烈的扭轉工況的情況下，通常是在較低車速下通過崎嶇不平路面時發(fā)生的，此時由于車速較低，所以慣性載荷很小，最大動載系數不超過2，本文取1.5的動載系數。加載方式與彎曲工況相同。 （3）滿載扭轉工況求解及結果分析 查看計算結果步驟如前，得到扭轉工況下的應力云圖、應變云圖及變形比較圖，如圖3-18～3-20所示。 圖3-18 扭轉工況下的等效應力 由圖3-18可以看出，最大有效應力值仍發(fā)生在第五根橫梁與車架縱梁的連接處，最大應力約126MPa,比彎曲工況時的有效應力稍微大了些，但仍比最小屈服極限小。此時的安全系數為2.86，其他點的應力都較小，故車架剛度和強度還是能夠滿足要求的,可以保證汽車在崎嶇不平的路面上正常行駛。 圖3-19 扭轉工況下的應變分布 從圖3-19和圖3-20可以看出，扭轉工況下最大位移發(fā)生右縱梁與后杠連接處，大約0.073mm，車架變形量較大。這是因為在模擬扭轉工況時，由于右后輪懸空，使右縱梁后端的變形量較大，并向前逐漸減小。這種情況比較危險，可以通過加大車架的材料厚度或者改變車架的斷面形狀來增強車架的抗扭能力。 圖3-20 扭轉工況下車架變形 3.5.3 滿載制動工況分析 （1）滿載制動工況的邊界條件 汽車在行駛的過程中，由于行駛工況的變化，車輛經常會經歷加速或減速的情況，所以有必要分析車架或車身結構在制動載荷條件下的強度指標。加速或減速會產生慣性力，由于慣性力的作用，車架將受到與行駛方向相反的縱向載荷，縱向載荷的大小取決于制動減速度的和汽車的載質量，慣性力的大小取決于制動減速度。本文主要是檢驗汽車在最大制動減速度下，制動力對車架產生的影響。此時的約束條件如表3.4所示。 表3.4 制動工況約束 節(jié)點編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 1、2、3、4 / / / / / / 6、8、14、16 / / / 10、12、18、20 / / 注：表中的節(jié)點與圖3-8相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點繞x、y、z軸的轉動自由度，“/”表示對其自由度進行約束。 （2）滿載制動工況加載 本文以制動時前后車輪同時抱死的情況進行計算，在車架上施加一個縱向加速度來模擬制動工況。此工況下，載荷的施加方式與彎曲工況時一樣，在此基礎上，需要添加制動方向上的慣性力。由于制動減速度與地面附著系數成正比，因此取最大附著系數0.7，即在Y方向施加-0.7g的慣性力。汽車在制動的工況下，車速是一個逐漸減小的過程，故在計算時，取動載系數為1.5。 （3）滿載制動工況求解及結果分析 加載完畢，對模型求解分析，得到滿載制動工況下車架的應力及應變云圖。如圖3-21和圖3-22所示。 由圖3-21可以看出，制動工況下，最大應力值仍發(fā)生在第五根橫梁與車架縱梁的連接處，最大應力約110MPa,比材料的最小屈服極限小，安全系數約為3.27，車架上其他個點的應力均小于材料的屈服極限，故車架剛度和強度還是能夠滿足要求的。 圖3-21 制動工況下的等效應力分布 圖3-22 制動工況下應變分布 由以上兩幅圖可以看出，制動工況下最大位移發(fā)生后托架處，大約0.038mm。這是因為后托架比其他部件薄，且在模擬制動工況時，有施加沿Y方向的制動加速度，導致后托架變形較大。整體看來，車架后端有上翹的變形形狀，這也是由制動加速度引起的。 圖3-23 制動工況下車架變形形狀 3.5.4滿載轉彎工況分析 （1）滿載轉彎工況的邊界條件 本文模擬汽車在左轉時，車架的受力情況。汽車滿載轉彎時，約束條件如表3.5所示。 表3.5 轉彎工況約束 節(jié)點編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 1、2、3、4 / / / / / / 6、8、 / / / 14、16 / / 10、12、18、20 / 注：表中的節(jié)點與圖3-8相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點繞x、y、z軸的轉動自由度，“/”表示對其自由度進行約束。