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毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 轻型货车车架设计及有限元分析 学生姓名：二级学院：班级：提交日期：目 录摘 要IIAbstractIII第1章 绪 论11.1概述11.2 车架国内外研究现状及发展11.3课题研究内容3第2章 轻型载货汽车的车架设计42.1 车架概述42.1.1 车架的制造工艺及材料42.1.2车架纵梁、横梁的联接42.2 车架的结构设计52.2.1 车架参数的确定52.2.2 车架的弯曲应力计算62.2.3 车架的扭转应力计算8第3章 货车车架三维模型的建立113.1 CATIA软件简介113.2 三维模型的建立11第4章 汽车车架的有限元分析174.1 ANSYS软件介绍174.2车架有限元的静力分析174.2.1 三维实体模型的网格划分184.2.2施加约束条件194.2.3车架工况分析19结论25参考文献26致 谢27II轻型货车车架设计及有限元分析摘 要车架跨接在前后车桥上，是支承车身，承受汽车载荷的基础构件。货车的绝大部分部件和总成都是通过车架来固定位置。本课题主要参考货车解放CA1040的相关参数进行相关设计计算，首先进行轻型载货货车车架设计的计算，主要计算车架的弯曲应力以及扭转应力。然后根据计算出的数据使用CATIA软件进行车架的建模，将车架模型导入ANSYS软件，进行分析车架的弯曲工况与扭转工况。通过对比设计数据与分析结果，得出车架的设计满足设计要求。关键词：车架，设计，CATIA，有限元分析Frame design and finite element analysis of light truckAbstractThe frame connected across the front and back axles, is supporting the body, foundation structure under vehicle load. The vast majority of parts of the automobile and assembly are fixed by the frame.In the first place, the paper does the calculation of light-duty truck frame design, mainly by reference to related parameters of truck liberation of ca1040, calculating the frame bending stress and torsional stress. And then refers to the relevant data to build a model by means of CATIA software, simultaneously, importing the frame model into ANSYS software, for the analysis of the frame condition under the circumstance of bending and torsion. Finally, through the comparison of the design data and analysis results, it is concluded that the frame design meets the design requirements.Key words: Frame，design ，CATIA ，the finite element analysis3第1章 绪 论1.1概述现在汽车制造这一行业的竞争越来越大，并且与其相关的制造技术也是越来越先进。车架作为汽车的主要承载结构，车身的寿命以及车辆的性能与车架的质量密切相关。实现汽车的轻量化，就是尽可能地减小汽车车身的重量，但与此同时也要能够满足汽车的各个性能的要求，从而达到提升汽车性能的目的。曾经有实验可以证明，当汽车的质量可以降低一半的话，其燃料消耗量大概也能够降低一半左右。当今，随着人们对生活质量的要求越来越高，眼光也越来越挑剔，因此我们需要设计生产出不仅仅质量好而且车辆性能较好汽车。汽车轻量化作为目前汽车发展的趋势之一，已经引起了人们足够的重视，因其可以节约能源和材料，实现低碳生活。因此在汽车的设计过程中，在可以达到车辆运行中对车架刚度、强度等因素要求的情况下，需要最大程度的减小车架自身质量和生产成本。进行车架结构设计的目的是既能够满足车架生产的相关技术要求，也能够减小车架的自身重量，从而可以节约制造材料以及减少车辆使用过程中的燃油消耗，还能够减小污染气体的排放。我们国家的汽车工业比较落后，设计主要是参考和模仿国外的一些设计，自己独立研究设计的产品较少。国内的一些生产厂家在设计和制造货车的过程中还是沿用一些老的设计方法和创新理念，因此导致了产品存在一些缺陷，比如车架一些部位的强度过高，最终导致制造材料浪费严重。而且我国生产的货车，在实际操作使用的过程中经常会有比较多的问题。因此在使用的过程中存在着一定程度的安全隐患。所以在货车车架设计生产之前进行车架结构强度的计算，有着重要的意义。在最近的十几年以来，有限元法渐渐在成熟起来的同时，也产生了许多与其相关的通用程序和专用程序，这些程序的计算求解功能强大，在处理数据方面也比较简便。车架结构中的大部分部件的静态分析和动态分析等，都能够使用上述相关程序来分析求解，得出结论。我国汽车工业目前的设计以及生产水平还是比较落后，所以在其设计、生产以及改进的过程中，需要学习西方先进设计技术，比如应用有限元分析法。1.2 车架国内外研究现状及发展如果单纯从车架的设计方法这一模块来讲的话，在刚起步研究设计车架的时候人们是一边设计一边进行实验测试。在经过好多次的理论设计之后，车架结构才能够基本定型，车架设计的对象是一个真实的物体，看起来还是比较的直观，车架的设计生产过程中必须要经历制造样品这一环节，然后再进行测试试验，检验其性能。最后再进行修改设计这一过程的不断循环，这种方法最终会导致整个车架设计过程时间太长，而且对于人力和物力以及财力等资源的造成严重的浪费。导致整个设计过程不是很顺畅。但随着人们设计经验的日积月累，人们把计算机技术应用到机械设计中，比如本文所讲的车架结构的设计与分析，减小了人力资源的浪费，提高了工作效率。最初的车架结构设计计算，首要任务是将其结构进行简化，在得到简化后的结构之后再进行车架结构设计的相关计算。目前这种车架的计算分析方法人们仍在参考使用，可是它已经跟不上人们的需求。后来，人们把比较设计的思想应用到汽车的设计中。运用比较设计方法的前提是必须有相同类型设计的经典案例，将那些经典的设计案例作为模版进行参考设计，这种设计方法目前在我国各大汽车公司能够经常见到。但是，这种设计方案也存在着缺点，比如导致车架结构的强度不均匀，有些部件的强度太大，有些部件强度又太小，浪费材料。21世纪以来，电子计算机技术发展迅速，有限元分析法得到了人们的重视，被广泛运用于各个领域。如今不在需要对所分析的结构进行过分的简化，能够满足多种计算要求与条件，也能够计算各种工况，并且它的计算精度比较高。有限元法是将无限个自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体，复杂问题简单化，将其转变为能够用数值解法解决的问题。比如我们如果能够确定单元的受力情况，然后按照结构分析的方法，将其整个分析过程进行简化然后计算求解，原来看来非常复杂的工程问题解决起来也非常的简便。在国外的汽车生产制造工业中，他们在60年代起就已经可以运用有限元法对汽车车架结构进行分析计算。在20世纪末，一个美国人将有限元分析程序引用到汽车结构设计的分析中，他对车架结构进行了简单的静态强度的有限元分析，最后在一定程度上减轻了车架本身的重量，成为了最早的车架轻量化的分析案例。当前，国外各大汽车制造公司的有限元分析技术已经相当成熟，利用有限元分析技术对车架结构进行静态分析、模态分析已经不再是重点，他们不仅仅局限于分析这些简单内容，他们已经开始了对瞬态响应、噪声、碰撞等领域的分析。还有人们的特别关注的机激励响应分析，因为它能够进行分析汽车的强度、刚度、以及振动舒适性和噪声等。总的来说，我国的有限元技术与国外相比较发展较晚，在上个世纪七十年代我们国家的汽车工业方面的技术还是相当的薄弱，那个时候才开始接触有限元技术并其运用到汽车设计中。要想在汽车工业领域有较好的成绩，有限元技术一定要重视起来。早期运用有限元法对车架结构进行分析时一般以梁为结构单元。刚开始的效果虽然不错，但还是因为梁单元自身结构存在一定的缺陷，最终还是不能精确的反映车架结构中横梁和纵梁接触部位的应力分布情况，还存在着一个问题就是有时不能够体现出车架截面的扭转变形，所以他的分析不是非常的精确，而只是一个大概情况。近十几年以来，随着计算机软件和硬件的快速发展，板壳单元渐渐的被应用到汽车车架结构分析中，车架结构的分析精度比起以前精确了许多，由以前的比较模糊的分析进步到比较精确的分析。综合分析相关文献能够知道，目前我们国内对于有限元法应用于分析车架结构的技术还不成熟，目前的研究仅仅是对于车架和车架结构在静态扭转、弯曲载荷等几种工况载荷作用下的分析，得出车架结构的静态应力分布图，然后对其进行局部的修改。与汽车工业比较发达的国家相比，我国这一方面的技术还是有许多需要学习改进的地方。只有不断革新，不断学习进步，才能够跟上社会快速前进的步伐，不被残酷的社会所淘汰。1.3课题研究内容本课题通过参考国内外轻型载货车车架的结构的基础上，对车架进行简单的设计计算，然后利用CATIA建模并应用ANSYS软件对的车架进行有限元分析，具体工作如下。（1）以轻型货车车架为研究对象，参照解放CA1040的参数进行简单设计，计算其弯曲应力以及扭转应力。（2）应用该货车车架参数，用CATIA软件建立车架有限元模型。 （3）将建好的车架模型导入ANSYS软件中，利用ANSYS软件对车架有限元模型进行静态有限元分析。 第2章 轻型载货汽车的车架设计2.1 车架概述车架作为汽车的一个重要组成部分，需要承受着车身的大部分重量以及车身其它部件传给它的各种力和力矩。所以车架应有足够的弯曲刚度，从而使装在车架上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也要有足够的强度，从而保证车架的可靠性和寿命。车架的结构型式主要是根据纵梁的结构特点来分类，一般有周边式车架、X形车架、梯形车架、脊梁式车架等几种车架。2.1.1 车架的制造工艺及材料车架纵梁和其他零件的制造，多采用钢板的冷冲压工艺在大型压力机上冲孔及成形；也有采用槽型钢、工字钢、管料等型材制造的。轿车车架的组装多采用二氧化碳保护焊、塞焊和点焊，设计时应注意对焊接规范、焊缝布置及焊接顺序的选择；货车车架的组装多采用冷铆工艺，必要时也可采用特制的放松螺栓联接。为保证车架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和加紧，特别应保证有关总成在车架上的定位尺寸及支承点的相对位置精度。车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好的冷冲压性能和焊接性能。低碳和中碳合金钢能满足这些要求。车架材料与所选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢08、09MnL、09MnREL等钢板制造；拉伸尺寸不大、形状又不复杂的冲压件常采用强度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等钢板制造。有的重型货车、自卸车、越野车为了提高车架强度，减小质量而采用中碳合金钢板热压成形，再经热处理，例如采用30Ti钢板的纵梁经正火后抗拉强度即由450MPa（HB156）提高到480620MPa（HB170）。本课题研究的车架材料为冲压成型的16Mn钢板。2.1.2车架纵梁、横梁的联接纵梁是车架的主要承载元件，也是车架中最大的加工件，其形状应力求简单。载货汽车的车架纵梁多取平直且断面也不变或少变，以简化工艺；为使纵梁各断面的应力接近，可通过改变其断面高度即使其中部断面高、两端较低来达到。因槽型断面梁的扭转刚度和强度都比较好，所以载货汽车纵梁的断面形状多为开口朝内的槽形。车架的纵梁多为冲压件，超重型汽车的纵梁则常采用焊接结构或轧制的成型材。轿车车架的纵、横梁采用焊接方式联接，而货车则多以铆钉联接。铆钉联接具有一定弹性，有利于消除峰值应力，改善应力状况，这对于要求有一定扭转弹性的货车车架具有重要意义。当纵、横梁以它们的上、下翼缘均分别联接时，由于联接跨度大，刚度亦较大，这时其扭转刚度及扭转应力均较大。当横梁与纵梁的腹板相连接时则情况会相反，这时应注意不使其联接跨度和联接刚度太小，以免影响对纵梁的局部扭转的必要约束。横梁在与纵梁的连接处往往应力较高，故常将其端部翼缘加宽或采用较厚及尺寸较大的联接板；也可使其中部的断面尺寸适当缩小，或在其腹板上加设一些较大的孔，以降低横梁连接处的应力。2.2 车架的结构设计以下设计数据都参考解放CA1040的相关参数，如表2.1所示：表2.1车辆参数车总长 /mm5100轴距 /mm2500载重量 /kg1850空车质量 /kg1960满载质量 /kg4010驾驶室长 /mm1765货箱长 /mm3335乘员 满油油箱 /kg2202.2.1 车架参数的确定1、首先选取的是梯形车架，主要由两根纵梁和七根横梁组成，纵梁和横梁之间用铆钉连接。梯形车架的优点是车身和车厢安装起来比较方便，而且其它部件也比较容易布置。又因为货车车架上面布置比起其它类型的车辆还是相对简单，因此梯形车架在载货汽车上面应用的比较多。车架全长等宽，取750mm。车架长度大致接近整车长度，约为轴距的1.41.7倍，取车架长度为4600mm，在纵梁的全长范围内具有相等的高度和宽度。纵、横梁均由7mm厚的16Mn钢板（一般情况货车的纵梁钢板厚度为6.5-8.0mm，钢板使用冲压技术）。车架纵梁的槽型截面的上、下翼缘的宽度大概是车架腹板厚度的百分之三十五到百分之四十左右，纵梁槽形断面如图2.1所示。图2.1 纵梁断面2、铆钉的选择 根据GB/T 867-1986 选择半圆头铆钉，如图2.2所示。 其中d=6mm； =11.35mm； k=3.84mm； R6mm； L =860mm。图2.2 铆钉2.2.2 车架的弯曲应力计算假设我们设计的货车车架的纵梁承受均布载荷，如图2.3所示，将车架的弯曲应力计算进行简化。将纵梁想象成支承在车辆前后轴上面的简支梁；如果是空车的话就仅仅是簧上负荷(货车可取，为汽车整备质量)，重量即货车整体质量，它们均匀分布在两根纵梁上。如果是货车满载的情况，那么所有的有效载荷则全部均匀的分布在车厢所在位置的纵梁上面；（计算过程中忽略掉局部扭转的影响）。图2.3 车架载荷的分布情况如图2.2.3中，其中表示的是车架上其中一根纵梁的前支承反力，a是车架前端到前轮中心轴的距离，b是车架后端到后轮中心轴的距离，c为车厢长度，为车厢前端到后轮中心轴的距离，为车厢后端到后轮中心轴的距离，L为车架总长。由以上信息可以得出： （2-1）求的货车驾驶室所在位置的纵梁的弯矩是： （2-2）求的除过货车驾驶室所在位置的这一段纵梁的弯矩是： （2-3）根据经验可以很明显的看出，在这一段纵梁上会出现最大弯矩值，然后对表达式（2-3）中做一计算处理，让它等于0然后进行求导，最后得出最大弯矩的所在位置，如以下计算：计算得出： （2-4）将x的表达式代入公式（2-3），最终可以得出货车车架纵梁所承受的最大弯矩值。已知4600mm，2357mm，=900mm，997mm，=3507 mm，=1903mm，=1503mm。=N=966.90mm=1169262.92查阅相关书籍可知货车车架动载荷系数可以取值的范围是；货车车架疲劳安全系数可以取值的范围是，确定它们要取的值，然后代入表达式（2-5），最后计算车架纵梁的最大弯矩。 （2-5）疲劳安全系数和与动载荷系数的值确定为：n=1.40，=4.0经过计算求得最大弯矩： 则车架的弯曲应力可以由表达式（2-6）求得： （2-6）上述表达式中的代表一个系数，这个系数是我们所要计算的纵梁的弯曲截面系数，对于梁的槽型断面有表达式（2-7）： （2-7）表达式中：表示梁的槽型断面的腹板高，它的单位为mm；h=120.0mm。 梁的翼缘宽，它的单位为mm；b=45.0mm。 车架梁的断面的厚度，它的单位也为mm；t=5.0mm。经计算求的车架最大弯曲应力：=109.13Mpa查阅相关资料书籍，可知16Mn钢板的疲劳极限范围是：=320360MPa；=109.13Mpa2.2.3 车架的扭转应力计算为使其计算过程比较简单，需要先将车架结构简单化，其中车架的一个悬架梁作为车辆的牵引梁，剩余六根横梁分别是：用来布置货车工具箱的一个横梁，三个形状为方形的横梁，还有一个矩形的横梁以及后端横梁，七根横梁之间的距离是：=413.0mm； =910.0mm； =906.0mm； =885.0mm； = 835.0mm；=280.0mm。图2.4 货车车架扭转情况分析简图分析求解车架的最大扭矩值：首先假设车架受扭时每一个横梁的扭转角度相同。而且，无论车架横梁还是纵梁它们单位长度的扭转角也是相等的。因为扭转角和扭矩T以及扭转刚度之间有一定的联系，如表达式（2-8）所示： (2-8)在表达式中：T车架上的零件的扭值矩，其单位是Nmm； L车架上零件的长度，其单位是mm； G的是车架所用材料的剪切弹性模量，其单位是MPa； 的是货车车架上零件的计算截面的极惯性矩，其单位是。由上述内容可知，车架上任意一个元件的扭矩值与其扭转刚度值之间存在着正比例关系，所以存在如下关系：上述关系式中：车架横梁所受的扭矩值；车架横梁的计算截面的极惯性矩值；车架纵梁受到的的扭矩值；车架纵梁的极惯性矩值。如果将车架由对称平面处切开见图2.5，则切掉的一半对尚存在的一半的作用相当于在切口横断面上作用着的扭矩和横向力。对于最右边的横梁1取力矩的平衡方程式，所以有：图2.5 车架受扭转载荷作用的受力分析简图 (2-9)由(2-8)式得：； ； ； ；。将上式代入(2-9)，经整理后得: (2-10) 表达式（2-10）中： n车架的横梁数； M车架的两跟横梁中间的纵梁区段数； C车架的宽度，（文中设定车架的宽度参数为750mm）； L货车前桥与后桥之间的距离，（文中设定轴距为2500mm）。 因扭转剪应力： （2-11）综合上述公式，带入数值求的车架最大扭转剪切力：315.35 Mpa查阅相关资料书籍，可知16Mn钢板的疲劳极限范围是：=320360MPa；315.35Mpa。这一章首先对车架的结构型式进行介绍，然后对纵梁、横梁及其连接的型式和车架的制造工艺做出介绍。通过对已知车型的了解与学习，对车架的相关部件参数进行选择性设计，车架的材料选用16Mn，车架长4600mm，宽750mm，高150mm。根据设定的基本参数计算车架的弯曲应力和扭转应力，求得结果与车架材料的刚度强度进行对比，得出车架的结构符合设计要求。10 第3章货车车架三维模型的建立第3章 货车车架三维模型的建立3.1 CATIA软件简介CATIA是基于变量化建模的CAD软件，即在设计中可以先有特征、后定位，前面的设计特征可以参考后面的特征来进行定位。这样更符合人的设计思维。 CATIA是一个很好的产品设计软件平台，而不是强调建模功能的软件，因为企业的行为是产品。新产品的设计是来源与现有产品的，因此产品在结构上有30%-90%的相似性，而我们一般会从头来设计产品。CATIA则提倡最大限度地利用现有的资源，因为这些是经过生产实践验证的数据。比如说：电视前面板零件，是由外观和一些加强筋、安装定位孔等组成，在CATIA中可以重复使用这些资源。 一般产品的设计是在静态的环境中完成的，但CATIA提供了动态的设计环境，我们可以在DMU的环境中完成对产品的虚拟装配，机构防真等操作，而且在这个工程中我们可以实时分析相关零件的位置、干涉等，保证产品的第一设计是真确的。在产品设计中，我们会累积到很多知识，但目前这些知识只保存在工程师的大脑中，是随着工程师的流失而流失的。在CATIA中，我们可以把这些知识以规则的形式保存下来，同时应用到生产中去。最主要的是我们可以在CATIA的环境中完成这些工作，而不是在外部通过二次开发来完成这些工作。所以企业并不会因为拥有CATIA就可以拥有别人的设计能力，它同样是可以随着企业行为而累积的。 PPR（流程、产品、资源）的概念在CATIA的设计中越来越重要。在CATIA的目录树中，我们可以看到其他工程师的分析结果，比如项目工程师进行干涉分析后，发现错误，通知相关结构工程师进行修改，而他的分析结果是挂在目录树中的，即结构工程师修改后只需UPDATE就可以看到检查结果，而不需要从新进行分析。3.2 三维模型的建立货车车架结构比较复杂，为了简化计算在建立有限元模型时，在不失对主要因素研究的前提下,省略掉那些为了实现其他功能设计的对于车架结构并不不重要的部件。本文中设计的车架为梯形车架,主要是由两根纵梁七根横梁组成的。其连接方式主要是由铆钉连接在一起，车架选用的材料是16Mn钢铁。货车车架的长度和宽度分别是是5100mm、750mm，车架前面和后面的高度都是相同的，高度是150mm。为了减少单元数量,缩短后续网格划分工作，简化计算过程,对车架的部分细节进行了简化。本文应用CATIA进行实体建模。1.建立车架纵梁模型车架使用纵梁冲压技术的钢板厚度是5mm，车架总体长度是4500mm，车架纵梁翼缘的宽度是55mm，腹板高度为150mm，在翼缘上打数个圆孔，用于横梁与纵梁连接时的放置铆钉的孔，R=6mm。同时在腹板处也打有相应的孔，用于钢板弹簧与车架的连接时的螺栓孔。纵梁建模过程：新建零件设计进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凸台选取合适的面面进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凹槽打孔镜像。纵梁模型如图3.1。图3.1 纵梁2.建立车架前梁模型前梁建模过程：新建零件设计进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凸台选取合适的面面进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凹槽打孔镜像。这一部分主要有两个横梁，横梁的整体长度为730mm，翼缘比较宽的地方是80mm，比较窄的地方为40mm，腹板的高度为140mm，横梁模型如图3.2。图3.2 前梁3.中梁横梁的建模横梁建模过程：新建零件设计进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凸台选取合适的面进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凹槽打孔镜像。它包括4根横梁，中梁由槽钢和夹板构成，梁全长730mm，翼缘宽度60mm，腹板高度140mm见图3.3和3.4所示。图3.3 横梁a图3.4横梁b4.后钢板弹簧横梁建模过程：新建零件设计进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凸台选取合适的面进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凹槽打孔镜像。它包括2个横梁，梁全长为730mm，翼缘宽度为85mm，腹板高为140mm，见图3.5所示。图3.5 后钢板弹簧横梁5.后钢板弹簧角板建模过程：新建零件设计进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凸台打孔镜像。图3.6 后钢板弹簧角板6.后梁后梁建模过程：新建零件设计进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凸台选取合适的面进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器凹槽打孔镜像。梁全长为740mm，翼缘宽度为75mm，腹板高为100mm，见图3.7所示。图3.7 后梁的建模7.铆钉的建模建模过程：新建零件设计进入草图编辑器轮廓退出草图编辑器选取合适的轴旋转体。 图3.8 铆钉8.模型装配打开Product文件，建立部件与部件之间相对应的约束，完成装配。图3.9 模型装配图这一章应用CATIA软件并根据第二章中的设计尺寸，然后对车架的横梁、纵梁等部件根据相应的尺寸进行三维建模，建好模型之后并把各部件装配起来。经过简化处理，形成初步完整的车架三维模型，为后面要进行的车架的限元分析做好准备。16 第4章汽车车架的有限元分析第4章 汽车车架的有限元分析当今社会科技发展迅速，物质生活水平不断提高，越来越多的高质量、先进水平并且结构复杂的机构和装置被人们研究设计出来。之后，还必须得通过高效系统的计算手段，将工程的结构准确的描绘出来，但是传统的分析方法因为分析的结果不够准确已经无法满足这些要求了。基于这个现状，一种有效并且精确的数值分析方法有限元法就应运而生了。4.1 ANSYS软件介绍ANSYS软件处理模块一般包含前处理、求解和后处理。第一个模块的主要任务是讲所绘制的图改成网格；第二个模块的任务是分析计算；第三个模块的作用是把计算分析的结果用颜色和梯度等指标显示出来。 ANSYS软件可以和很多种CAD软件相接来互换和共享数据。我们在进行ANSYS分析的时候，首先把数据库里的内容全部消除，然后创建一个新的分析界面，在界面创建好之后，要为其设置一个标题和它的文件名称，最后把我们分析需要用到的零件存到电脑的相关索引目录中。在创建模型的时候，通过了解零件的特性，把它的单元类型确定下来，并且确定它的各种属性，之后就可以创建几何模型，最后把模型转化成网格单元的形式。通过检验，如果正确合理，便可以将文件进行保存。在分析运算的过程中，首先选择出分析的类型并设置分析选项，接着对零件作用一个力并为其设置合适的载荷选项，最后对这些力进行计算。在检验分析结果的时候，首先大体观察分析的情况，然后对结果进行评估。有限元的基本思想是将一个整体拆分成若干个部分，然后对每一个小部分一次进行研究分析。通常，我们把这若干个小部分称为单元。它们一般不会相互接触，只有在节点的时候才会发生连接。有限元的单元划分是指把连续完整的物体分割成若干部分的过程。有限元法的优点很多，实用性很高，在好多方面都被广泛使用，能够更加简单精确的把想要设计的东西设计出来。有限元分析方法的的目的是把所要设计的东西变成它最初的东西，然后再对其进行分析。有限元中的节点、单元等就能很直观的体现出整体的分析结果。ANSYS软件是一种大型的工程分析软件，它集中了热力学、结构学和电磁学等多种物理学科理论，如今已经广泛使用于航天、汽车交通、海上交通以及电子等工业科技领域。ANSYS的使用相对比较复杂，因为它经过多门科学的糅合并且又超出这些科学里的知识，但是我们只需要简单的了解这一软件，把握它的基本思想，再在此基础上熟练的进行一些基本的操作，这对我们的设计分析有非常重要的意义。4.2车架有限元的静力分析4.2.1 三维实体模型的网格划分用CATIA将车架模型建好之后，把车架模型文件另存为“igs”格式。然后再把另存好的模型文件传入到有限元分析软件ANSYS中，产生一个“.db”格式的模型文件。因为采用梁单元的话比较方便，所以本文采用了梁单元的分析方法。分析软件对模型的前期处理中由于单元数与节点数都不是很多，所以整个过程工作量不是很大，计算起来比较快。但这个方法也有一定的弊端，即应力集中的情况没办法详细分析。在货车车架有限元模型当中，我们采用自由网格划分的方法，将其大小尺寸选择为10。最终确定的车架网格形状与车架的材料属性选择参考图4.1与 4.2，车架模型的网格划分如图4.3所示。图4.1单元定义图4.2 车架材料属性选择图4.3 网格划分 4.2.2施加约束条件这个课题所选的参考车架的后悬架采用有主、副簧结构的钢板弹簧，为了使计算分析过程比较简单，对车架静力分析的时候运用刚性支承。所以在车架的上面设置了八个固定好的支座为了便于和钢板弹簧连接起来，车架纵梁的下面设置四个重要的位置点。 4.2.3车架工况分析 载货货车在实际使用时的工作状况是非常复杂的，车架上的载荷也不是一直不变的，而是经常变化且载荷的变化程度比较大。分析过程中，车架的加载方式都是选择以均布载荷方式加载。1.车架弯曲工况 （1）约束条件和应力加载 车架弯曲工况的分析是当货车处于满载的情况，并且货车的车轮都与地面接触，然后对车架的进行的强度与刚度校核分析，假设货车在比较平整的路面上匀速直线行驶，然后模拟车架的应力分布和变形情况。因为是比较理想的状态，所以车辆的行驶速度比较快，因此动载系数取值为3。然后进行约束的车架自由度具体做法是先将货车的两个前轮的UX，UY，UZ三个方向与两个后轮的UY方向实行自由约束车轮剩余的自由度不用进行约束。由文章前面确定的货车参数可知货车的额定载荷为1.85t。假设车架所有载荷都均匀分布在车技的纵梁上面。货车车厢所受到的载荷施加的位置在17184500mm处(z坐标，下同)，载荷值为0.25459MPa；货车驾驶室所受到的载荷的施加位置在01608mm处，载荷值为0.15707MPa。车架的加载情况如图4.4所示。图4.4 车架加载情况（2）有限元后处理与结果分析经过有限元软件对车架的分析得到满载工况下车架的位移云图（如图4.5所示）和应力云图（如图4.6所示）。图4.5 车架满载弯曲位移云图图4.6 车架满载弯曲应力云图从上面两张工况分析图可以明显的看到，在车架满载的情况下此货车车架的两端变形都不是非常严重，车架的中部变形比较的厉害。出现这种情况的主要原因是载货货车在满载情况下，车架需要承受车厢的重量大大增加，载荷变大；而车架的前半部分只需要承载货车驾驶室，需要承受的重量比较小，所以车架中部变形最大。因此有限元分析结果和实际情况是一致的。车架的前部和前桥以及转向机构等连接，因此车架前部变形越小对汽车转向几何特性的影响就越小；而车架中部较大的变形则有利于改善车架整体的应力状况，并起到一定的缓冲作用。由上图能够得出该货车车架在满载的情况下应力最大值等于86MPa。它要比车架选用的材料16Mn的屈服极限值（正常情况下320360MPa）小，而汽车架结构的强度安全系数表达式为，若结果是n1，则表示在这个工况下，汽车车架结构的强度满足设计要求；反之，就表示汽车车架结构强度不能够满足要求，产品不合格。求的该车架的强度安全系数n1，所以该车架的结构强度满足要求。2.车架扭转工况（1）约束条件和应力加载实践表明车身承受的最剧烈的扭转工况一般是在汽车低速通过畸岖不平路面时发生昀。车速一般较低，故取动载系数为1.5。模拟汽车左后轮和右前轮2个对角车轮之间扭转工况，然后进行约束车架自由度，具体做法是先将货车的右前轮和左后轮UX、UY、UZ三个方向实行自由约束，然后将剩下的两个车轮在UX、UZ方向进行约束，车轮剩余的自由度不用进行约束。 货车额定载荷为1.85t。货箱的载荷施加位置为17184600mm处(z坐标，下同)，与其对应的的载荷等于0.1344MPa；货车驾驶室对车架施加载荷的位置在01608mm处，载荷值为0.070288MPa。车架载荷的加载情况如图4.7所示。图4.7 车架扭转工况加载情况（2）有限元后处理与结果分析经过有限元软件对车架的分析得到各工况下车架的位移云图（如图4.8所示）和应力云图（如图4.9所示）。图4.8 车架扭转工况位移云图图4.9 车架扭转工况应力云图从上面两张工况分析图可以明显看出，在上述情况中车架的两对角变形较大，由左后轮到右前轮向对称的两侧变形量逐渐减小至车架左前和右后部分，由于车架前后结构的差异，左前部分车架变形最大，而且左前部分车架是整个车架上应力最集中的部位。因此也证明了车架扭转工况应该具有的特点，有上述信息可知车架在这种工况下的最大应力值等于305MPa。其最大值要比车架所用材料16Mn的屈服极限（一般情况为320360MPa）可选的最小值还要小，所以车架不会产生破坏现象，即本车架结构强度满足设计要求。这一章通过有限元软件对车架进行工况分析，得出其弯曲应力及扭转应力并与车架材料屈服极限相比较，得出车架强度满足设计要求。与第二章传统的设计计算结果相比，两者之间有存在一定误差，但均满足设计要求。在这一过程中，我们能够看出有限元法其方便简洁的优点，能够较大程度的解放劳动力，提高人们的工作效率。24 第5章结论结论在本课题中首先通过搜集相关资料确定了所要参考设计的车架参数，然后运用自己所学相关知识，对车架结构进行了简单计算设计，并运用CATIA软件对该车架进行三维建模，最后又运用有有限元软件ANSYS对车架进行静态有限元分析。通过系统的设计计算以及分析，让我对车架的结构试验及其优化设计有了更深层次的认识与了解。通过本课题的研究，最终得出以下结论：1、完成了车架结构设计，初步选择了车架结构形式、材料，同时经过计算得出该设计方案满足车架设计的所要求的刚度，挠度应在满足车架本身的刚度，挠度，在此基础上，可以利用ANSYS对已设计出的车架进行结构优化，使最终设计出来的车架在不影响使用性能的前提下，达到节省材料，结构轻量化的要求。2、对载货车车架结构进行