基于有限元分析的汽车车架优化设计

摘 要车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的各种载荷最终都传递给车架，因此，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计的成败。通过有限元法对车架结构进行性能分析，在设计时考虑车架结构的优化，对提高整车的各种性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。大型通用有限元软件结构静力分析和动力分析以及优化设计等方面具有无可比拟的优越性。本文以过对和用实体单元，对车架结构的有限元建模、车架结构的静、动态特性分析问题进行了研究。以实体单元为基础创建了车架结构的简单的尺寸优化模型，以车架的纵梁截面尺寸为设计变量，以车架结构的总体积最小为优化目标，对车架纵梁的截面尺寸进行优化并分析了优化结果。阐述了应用广到解决以板壳单元为基础的车架优化问题，根据实际需要调整优化的设计变量、状态变量以及目标函数。通过对到了一些有益的结论，为车架的设计提供了指导作用。关键词：车架；载荷；轻量化；有限元分析；三维建模；is as an of an to，as a of is or to to of of in of EA of a as on a on is as of an be to he be to of a ey 摘要论究目的和意义究背景限元法在国内外车架结构设计中的研究现状要研究内容及技术路线4第2章 有限元结构的基础理论限元法的基本理论限元法的基本概念限元法的基本思路章小结10第3章 车架有限元模型的建立型的建立原则何建模的注意事项何建模的简化立车架模型模时的简化处理架模型的建立用实体单元章小结16第4章 车架结构的有限元静态分析辆载荷分析驶载荷作载荷殊载荷架受力情况载荷载荷架结构的静力性能分析力分析的基本概念及流程架结构静力分析工况及约束处理架结构静力分析规范架结构的静力性能分析结果曲工况静力分析结果转工况静力分析结果章小结26第5章 车架结构的动力性能分析架结构的动力性能分析架的模态分析构动力性能分析方程度矩阵和质量矩阵形成架结构模态分析规范架结构模态分析结果章小结33第6章 车架结构参数的优化设计化设计的理论基础化设计的步骤化设计的数学描述化设计数学模型的建立化设计数学模型建立的原则单的车架纵梁优化设计模型的建立义优化变量及运行优化义优化变量置并运行优化化结果分析章小结47结论48参考文献49致谢51附录52附录52附录58附录59附录59附录63附录70附录76第 1章 绪 究目的和意义随着现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必然的趋势，主要体现在 61 ：运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架丌发、设计、分析和制造的效能和车架的性能。车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力变形情况，有限元法正好能够解决这一问题。利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避免车架出现共振的现象。通过对车架结构的优化设计，可以进一步降低车架的重量，在保证车架性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。综上所述，有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更新速度快，设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越高的今天，对于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争能力具有重要意义。通过本文的研究，预计达到以下目的：建立车架结构有限元分析的规范化步骤，为将有限元技术应用于车架设计做好基础性工作。通过运用有限元软件对车架结构进行分析，可供车架设计有关人员提供参考。对所研究的车架进行结构的静、动态特性分析，为车架的设计提供理论支持。对车架结构的优化进行初步探讨，为优化设计运用于车架设计进行初步的尝试，以便于以后更好地为车架设计服务。究背景在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件以及驾驶室噪声的分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力工具之一。目前，在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法对车架进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式导致的问题包括两个方面：一是车架简化计算精度不够，为保证强度及刚度要求而使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；二是造成车架的设计与计算分离，不利于提高车架设计人员的设计水平。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。因此，要对车架结构有限元模型的建立，静、动态特性分析以及设计参数的优化等内容进行研究与探讨，最终掌握车架结构的特性，对车架结构进行评价，得出车架结构纵梁优化模型，为车架结构的强度及动力特性的仿真以及优化提供基础 7 。限元法在国内外车架结构设计中的研究现状在国外，从60年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算。1970年美国宇航局将车架结构进行了静强度有限元分析，减轻了车架的自重，是最早进行车架轻量化的分析。当前，国外各大汽车公司利用有限元软件进行车架结构静态分析、模态分析的技术已非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等领域。特别是随机激励响应分析备受青睐，主要是因为它可用来进行车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析：国外将有限元法引入到车架强度计算比较早，而我国大约是在七十年代末才把有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。在有限元法对汽车车架结构的分析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好的描述结构较为复杂的车架结构，不能很好的反映车架横梁与纵梁接头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的。而板壳单元克服了梁单元在车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段。近十年来，由于计算机软件与硬件的飞速发展，板壳单元逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提高，由过去的定性或半定量的分析过度到定量阶段。随着计算机软、硬件技术的发展，特别是微机性能的大幅提高及普及，在微机上进行有限元分析已不再是很困难的事，同时有限元分析的应用得以向广度和深度发展。国外大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在车架设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构设计数据库、设计改正记录和设计规范。目前应用于车架开发上比较成熟的方面主要有：刚度、强度分析(应用于整车、大小总成与零部件分析以实现轻量化设计)，种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等)、机构运动分析等；建立在分析和实验基础上的种优化方法为车架设计提供了多种实用的选择方案，使车架设计从经验设计到优化设计跨出了一大步。在关于优化算法方面的研究，国外将遗传算法引入到结构形状优化算法中并获得良好的效果。总的看来，国外轻量化研究主要有以下几个方面：(1)提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量化结构；(2)将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中；(3)提出新的现代优化方法，并进入到结构轻量化中；(4)利用硬件优势，大量考虑动态过程中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量化结构。我国早在1956年就由我国著名的数学家冯康教授在有限单元法的研究方面发表了研究论文，在研究变分问题的差分格式中，独立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程结构的分析，为有限元法的形成做出了贡献。目前，我国利用有限元法进行汽车分析已发展到普遍应用有限元法静强度和有限元动态响应分析及优化分析阶段。2002年马迅、盛勇牛以车架的部分结构的截面尺寸为优化变量，采用板壳和梁单元组合建立有限元模型，以车架变形和一阶频率为约束，效果。2003年10月李娜采用板壳单元对机车车顶结构建立有限元模型，应用自己编制的遗传算法程序，对形状、加强筋的布置数量和位置以及截面尺寸进行了优化，004年5月杜海珍针对汽车典型结构拓扑优化方法及应用进行了研究。为了解决在删除无效材料时可能导致的应力集中问题，基于围绕结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的思想，提出了一种新的基于应力及其灵敏度的优化准则。2005年4月吉林大学的余传文采用板壳单元对某重型载货汽车车架结构建立有限元模型，并对车架结构的静、动态特性分析的进行了研究，在建立简单的车架梁单元优化模型的基础上，以车架纵梁截面尺寸为设计变量对车架进行优化分析，从车架体积和最大变形随着迭代过程的变化曲线可以看到车架的自重明显降低006年6月北京航空航天大学的张洪伟，张以都等人探讨了基于动力特性灵敏度分析的动力修改技术。建立了某农用车车架的参数化有限元模型，并对车架进行灵敏度分析，在分析结果的指导下，进行了车架的动力修改，取得了良好的效果，为农用车改型设计及推出新产品提供了思路和设计依据，为在工程实践中应用结构动力修改和结构优化设计理论作了有益的尝试。虽然前人在车架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究对灵敏度分析和优化设计大都是分开进行的，对其进行动力修改，提高其动力性能，单凭设计人员的经验进行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改动达到最佳的效果，因此有必要在灵敏度分析的基础上进行优化设计。在国内，高等院校对基于结构优化的车辆轻量化研究发展也很多，但由于没有完备的结构设计数据库和设计规范，有时只能按解剖进口车结构来进行参照性设计。具体在车架结构分析方面，车架的刚度分析对结构分析的重要性近些年已受到广泛的重视。从分析类型上看，仍以车架结构静态分析为主。虚拟试验场整车分析正在着手研究，此外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。其中，车架刚度、强度分析，碰撞模拟分析，空气动力特性分析。金属板件拉延成形特性分析等已步入实用化阶段，为车架的全面优化设计奠定了基础。国内目前的轻量化研究主要集中在汽车一般零部件、底盘车架结构等的改形设计方面，在产品设计阶段引入有限元法对车架轻量化设计的研究很少。与国外相比，国内关于在轻量化设计过程中引入新的现代优化算法的研究比较匮乏，轻量化设计过程中的分析规模较小，时，国内外不少公司、科研机构及高等院校陆续开发了一些通用性很强的大型有限元结构分析软件程序，这些程序可用来分析任意规模的结构，如整架飞机或整个汽车的结构。这些有限元软件已发展到成熟的阶段，比较成熟并且普及较广的有美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的国麻省理工学院研制的国国家航空与航天局研制的国斯图加特大学宇航结构静力学研究所研制的界上最大的有限元分析软件公司之一的美国些通用程序的研制成功，大大简化了结构分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理论，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法即可。这些大型商业通用有限元分析软件也像实力的汽车厂商甚至为自己的产品开发独立地从事这些有限元分析软件的二次开发。综合分析这些文献可知，当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究只是限于对车架或车架结构在静态扭转、弯曲载荷以及几种极限工况载荷作用下的分析，得出车架结构的静态应力分布，并对其进行了局部的修改，由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结构还比较粗略，计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距。要研究内容及技术路线功能强大，可靠性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国外大多数汽车公司所采用。本文将基于汽车车架结构进行静力和动力分析的研究以及对车架进行尺寸优化设计的研究。首先，对车架结构进行有限元分析做好准备工作；其次，以用车架结构的静、动态特性进行深入研究，对车架进行性能分析评价，最后以车架纵梁截面尺寸作为设计变量，以车架总体积为设计目标，运用 章 限元法的基本概念有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代数值计算方法。它以弹性力学为理论基础，又与经典的弹性力学解析法不同。有限单元法将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的自由体。有限元单元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。在此基础上，对每一单元假设一个简单的位移函数来近似模拟其位移分布规律，通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程，即是建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特性关系集合起来，就可建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后利用计算机解此方程组求得节点位移，并计算各单元应力。而且，单元细化程度越高，所得的解越接近精确值。限元法的基本思路（1）物体离散法将某个工程结构离散为有各种连结单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来。单元节点的设置、数目等问题的性质，由计算精度而定（一般情况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样的材料由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限单元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。（2）单元特性分析1 选择未知量模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算机自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物体离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等用节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。2 分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元基本步骤之一。3 计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而这种作用在单元边界上的表面力，体积力或集中力都需要等效地移动节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。（3）单元组集利用机构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程 （中，是节点位移列阵；4）求解未知节点位移解有限元方程式（出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。要是因为它具有下列特点：唯一能够实现多场及多场耦合分析功能的软件，可以进行结构、热、流体流动、电磁等的单独研究或者它们之间相互影响的研究。唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元分析软件。唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。有强大的非线性分析功能。多种求解器分别适用于不同问题及不同的硬件配置。支持从微机、工作站到巨型机，以及所有平台之间的并行计算。支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容。多种自动网格划分技术。可与大多数良好的用户开发环境，综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入，图形化输出等多种方式，使应用更加方便。以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。体建模和网格划分。1)实体建模顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。2)网格划分质量的对括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。分析计算模块分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上。些文件以任务名为文件名的基础，通过对该任务名后添加字符或者使用不同的扩展名来识别不同类型的文件。结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。动力学分析运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。流体动力学分析析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。压电分析用于分析二维或三维结构对流)、流)或任意随时问变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。章小结对有限元分析软件点及功能进行了简要的概述，对户界面及数据存储结构进行了简要的介绍，对用基本单元、耦合与约束方程、连接关系的处理、网格检查以及求解器等内容进行了总结，为以后应用该软件做好了准备。第 3 章 何建模的注意事项为了达到事半功信的目的，使用建立几何模型，特别应该注意建模步骤与技巧。使用，首先应从绘制平面草图入手，因为实体特征都是由平面草图通过各种命令，如旋转、拉伸等生成的。绘制平面草图时，要注意应用尺寸驱动原理。开始作图时，只需要大致的轮廓尺寸，部需要精确控制草图的每一个尺寸；修改草图时，再输入要求的控制尺寸，系统就可以通过再生建立准确的图形。应用尺寸驱动原理绘制草图，既方便，也节省时间，提高设计效率。建立几何模型之前，要观察结构的主要特征是什么，确定从哪里开始建模。一般先做出主要特征，再做出局部的特征，也就是从整体到局部的建模思路。基准是完成特征的第一步。基准包括基准面、基准轴、基准曲线、基准点、基准坐标系，其主要用途是为三维造型设计提供建模参考，也可以作为草绘图和标注的参考。实体建模，首先需要考虑是采用系统默认的基准，还是采用白定义的基准