（光学工程专业论文）基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其试验研究.pdf

硕士论文基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 摘要 i 1 0 y m 帆2 m - 0 叭6 叭2 m 叭6 叭6 1 1 1 1 9 | ! ! l i l 本文结合某中型卡车车架的开发工作，以有限元法的相关理论为依据对车架进行有 限元分析，在此基础上，对车架进行结构改进和轻量化设计，并应用非电量电测技术对 车架进行台架试验，以验证有限元分析的可靠性和考核车架的疲劳寿命。 应用h y p c rw o r k s 软件，根据车架零件的结构形式选择合理的单元类型进行网格的 划分、螺栓连接和焊接结构的模拟，建立了带有驾驶室、车厢、各支架以及前后钢板弹 簧悬架的较为完整的整车有限元模型，研究了不同工况下的约束和载荷添加方式，并使 用n x n a s t r a n 求解出车架不同工况下的应力分布，计算出车架的扭转刚度，找出了车 架原设计的薄弱环节和不合理结构。 根据有限元分析结果，加强了第五、六横梁连接板；然后进行了车架的轻量化设计， 新设计的车架比原设计重量减少了4 9 3 ，且刚、强度满足要求。 为了研究新设计车架的动态特性，对其进行了结构自由模态分析。结果表明，新车 架低阶频率高于车轮激振频率，且低于发动机怠速频率，整体频率避开了发动机正常工 作的频率范围，车架与车轮、发动机产生共振的可能性非常小，说明车架动态特性合理。 最后，对车架样件进行了弯曲工况和扭转工况的应力应变试验和疲劳试验，得到了 车架应力应变分布情况，试验数据和有限元计算结果有较好的一致性，验证了有限元分 析的可靠性；疲劳试验结果表明，车架满足疲劳寿命要求，进一步说明了车架结构和性 能的合理性。 关键词：车架，有限元，静力分析，结构改进，轻量化设计，模态分析，台架试验 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fam e d i u m - d u t y t r u c kf r a m e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ef r a m e h a db e e nc o m p l e t e db a s e do nt h et h e o r yo ff e m a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，f l a m e s s t m c m r ew a si m p r o v e da n dl i g h t w e i g h t e d i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo f f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n de v a l u a t et h ef a t i g u el i f eo f t h ef r a m e ，f r a m eb e n c ht e s t sw e r ep r o c e s s e db yu s m g n o ne l e c t r i c a lp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o t h eg e o m e t r i cs h a p eo ft h ef r a m es t r u c t u r e ，p r o p e re l e m e n tt y p e sw e t e c h o s e 儿t h eb o l tc o n n e c t i o n sa n dw e l d i n gj o i n t sw e r es i m u l a t e d ，ac o m p l e t ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h et r u c kw a sb u i l tu pb yh y p e r w b r k ss o f t w a r e ，i n c l u d i n gw i t hc a b i n ，b o x ，b r a c k e t s ， 舶n ta n dr e a rs u s p e n s i o n s t h em e t h o d sw e r er e s e a r c h e dt os e tu pt h em o d e lo f l e a fs p r i n g s ， a 1 1 da d dt h ec o n s t r a i n t sa n dl o a d s t h e n ，u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n so n t h e 觚ea n di t st o r s i o ns t i f f n e s s w e r ec a l c u l a t e dw i t hn x n a s t r a n t h ew e a k n e s sa n d u r l r e a s o n a b l es t r u c t u r eo ft h eo r i g i n a lf r a m ed e s i g nh a db e e nf o u n d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h e f i f t ha n ds i x t hc r o s s b e a mc o n n e c t o r sw e r e s t r e n g t h e n e d t h e n ，l i g h t w e i g h td e s i g no nt h ef r a m ep a r t sw e r ec a r r i e do u t ，w h i c hm a d e t h e w e i mo ff r a m er e d u c e4 9 3 m e a n w h i l e ，n e wf r a m ec o u l dm e e t t h es t i f f n e s sa n ds 仃e n g 吐l r e q u i r e m e n t h lo r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cr e s p o n s e ，f r e em o d a la n a l y s i so f t h e0 p t i m i z e df r a m ew a s c o m p l e t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a t ，i t sl o wf r e q u e n c yi sh i g h e rt h a nt h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c y 劬mw h e e l s ，a i l db e l o wt h ef r e q u e n c yo fi d l es p e e de n g i n e t h e w h o l ef r e q u e n c ya v o i d e dt h e 丘e q u m c yr a n g eo fe n g i n en o r m a lw o r k t h a tm e a n s ，r e s o n a n c eb e t w e e nf l a m e ，w h e e l s a 1 1 d e n g i n ei si m p o s s i b l e t h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h eo p t i m i z e df r a m ew a sr e a s o n a b l e f i n a l l y , u n d e rb e n d i n ga n dt o r s i o n c o n d i t i o n s ，t h ef r a m es t a t i cs t r e s s 。s 咖n t e s t sa 1 1 d 僦嘴l i f et e s t sh a db e e np r o c e s s e d ，a n dt h e s t r e s s - s t r a i nd i s t r i b u t i o no nt h e 丘锄ew e r e o b t a i n e d t e s td a t a 缸l df i n i t ee l e m e n tt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sw e r ei ng o o da g r e e m e n t ，t h a t p r o v e dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a v ea h i g l l l ya c c u r a c y f r a m ef a t i g u el i f et e s t sp r o v e di t s 觚g u el i f em e e t st h er e q u i r e m e n t ，f u r t h e ri l l u s t r a t e di t ss t r u c t u r ea n d p r o p e r t ya r e r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：f r a m e ， d e s i g n ，m o d a la n a l y s i s ， i i f i n i t ee l e m e n t ，s t a t i ca n a l y s i s ，s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t ，l i g h t w e i g h t b e n c ht e s t 硕士论文基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 1 绪论 目前，汽车行业竞争日趋激烈，缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低制造成 本成为关系到产品在市场竞争中能否胜出的关键因素。传统的设计方法一般是使用旧车 型作为参考先制造样车，利用样车在室内或道路上进行试验，该方法周期长、费用高， 大多依靠工程师的经验，不仅难以找出问题的根源，而且只能在样车制造以后进行，无 法预测产品生命周期内将出现的问题，根本满足不了目前汽车设计“短周期、高精度、 低成本 的要求【l 】。而随着计算机技术发展所逐渐兴起的计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 技术，能够减少样车试验次数，缩短产品的开发周期，降低 开发成本，提高市场竞争力，为解决复杂的工程问题提供了有效的途径。 c a e 技术是用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的力学性能以及结构性能的优 化等问题的一种数值分析方法。c a e 分析时将传统设计方法中制造成本很高的物理样机 使用虚拟样机来代替，并且能够预测产品在整个生命周期内的可靠性，预先发现潜在的 问题，找出产品最佳设计方案【2 1 。c a e 技术主要包括结构有限元分析和多体动力学分析， 其中有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f e a ) 是目前工程力学问题分析中应用最为 广泛的数值计算方法，由于它的通用性和有效性以及较高的计算精度，受到工程技术领 域的高度重视，其理论亦日趋成剿3 1 。克莱斯勒汽车公司的罗格斯工程师通过将有限元 计算结果与试验数据进行对比，发现有限元计算结果的最大变形误差不超过5 ，而应 力误差不会超过1 0 ，说明有限元分析具有较高的可靠性【4 】。有限元分析内容包括静态 应力分析、模态分析、动态响应分析、疲劳分析、振动噪声分析、碰撞分析、场( 热场、 磁场、电场等) 分析和优化设计等。将有限元方法应用到汽车的设计开发中来，不仅能 够快速解决开发过程中碰到的一系列复杂问题，缩短开发周期；而且减少了样车的数量 和试验次数，降低了开发成本，从而提高了公司市场竞争能力。 1 1 研究的背景及意义 车辆结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义，对汽车进行减重，可以节约原 材料的使用，使汽车的制造成本随之下降，同时重量轻的汽车也意味着较低的燃油消耗， 有利于节能环保【5 】。因此，车辆结构的轻量化是提高材料的利用率、降低生产成本、减 少排放的最有效措施之一【6 】。在满足车辆各项使用性能的前提下实现减重的目标则是一 个非常有意义的研究课题，其中由于车架重量占汽车重量的比重较大，所以减轻车架重 量又成为车辆轻量化研究中的重点。 车架是整个汽车的基体，汽车绝大多数部件和总成都是通过车架来安装固定的，它 承受着来自车内外的各种载荷作用【7 j 。因此车架一定要有适当的刚度，以保证在汽车工 l 绪论 硕士论文 作过程中安装在车架上的各个部件之间的相对位置保持不变并使车身的变形最小，车架 刚度不足会给汽车带来强烈的振动和噪声，从而使汽车的操纵稳定性、乘座舒适性及行 驶安全性下降，但其刚度又不能太大，过大的刚度将使车架和悬架系统所承受的载荷增 加，并导致轮胎的接地性变差，降低汽车的通过性【8 h 1 0 1 。同时应保证车架有足够的强度， 使其可靠性更高、寿命更长，车架主要部件在工作时不应有严重变形和开裂1 2e l l 】【1 2 l 。 通过加厚材料的方法可以提高车架的刚度和强度，但这样会导致汽车重量增加，有 悖于汽车轻量化的目标，目前车架的主要发展趋势是在满足刚度和强度的前提条件下尽 量减轻车架的重量。减轻车架重量的方法主要有两种：一是使用新型复合材料或轻金属 之类的低密度高性能材料代替目前车架上普遍使用的碳钢材料，采用这种方法能达到很 高的减重比，轻量化效果将相当明显，但新型材料的成本很高，而且其制造工艺也比碳 钢要复杂，目前在车架上应用的并不多；二是使用现代c a e 技术中的优化设计方法， 对传统的碳钢车架结构进行优化设计，使其结构更加合理、材料的利用率更高、质量更 轻，相对第一种方法来说优化设计方法就比较容易实现，而且成本不高，如果参数处理 得当，在使车架达到最优化结构时的减重效果也是比较可观的【1 3 1 。 在对车架进行结构改进和轻量化设计之前，应先了解车架各方面的性能指标，如车 架的刚度、静态强度和动态特性。车架工作时受力状态比较复杂，用传统的数学方法求 解需要做很多的简化与假设，结果失真比较大，仅可作为一个参考，无法对其各部分的 结构性能进行准确的分析计算。有限元方法的独特优点是能够求解各种类型和形式的结 构在复杂载荷和边界条件下的相关问题，并且具有相当高的计算精度【1 4 】。利用有限元方 法可以在汽车的三维设计阶段对车架的刚度、强度、动态特性和疲劳寿命进行较为准确 的分析和预测，为设计工程师对车架进行改进设计指明了方向，对提高车架整体性能， 缩短车架设计周期，降低车架开发成本具有十分重要的意义。 1 2 车架有限元技术的发展及研究现状 有限元方法的出现为解决车架的结构分析问题提供了便利，使用传统分析方法来分 析车架结构零件的受力状态比较困难，有限元方法将这个问题变得简单易行。1 9 7 0 年， 美国国家宇航局的结构分析程序n a s t r a n 引入汽车领域，标志着以有限元分析验证为 基础的汽车结构设计革命的开始【15 1 。近年来，国内外学者和工程师对有限元技术在汽车 车架上的应用做了相当多的研究，也取得了大量的研究成果。 1 2 1 国内车架有限元技术的发展及研究现状 我国对有限元技术的研究始于上世纪8 0 年代，经过近3 0 年的发展，目前，我国有 限元分析技术已普遍应用于汽车车架静强度计算、刚度计算、模态分析、疲劳寿命预测 以及优化设计当中。早在1 9 8 2 年郑兆昌就利用有限元方法对车架的固有频率和振型进 2 硕士论文 基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 行过计算【1 6 1 。1 9 8 9 年，李玉娟在静动态应力分析的基础上对超重型车车架进行了校核 评价【1 7 1 。1 9 9 5 年，道克森等人根据有限元分析结果探讨了影响车架刚度的有关因素和 确定安全系数的方法【1 8 】。2 0 0 1 年，张铁山等人对车架进行了疲劳试验和有限元疲劳分 析，对比发现试验结果和有限元计算结果比较吻合【1 9 】。2 0 0 5 年，王成龙应用有限元分 析方法对轿车副车架进行了耐久性设计1 2 0 1 。2 0 0 7 年，王显会、李守成等人采用三维连 续体结构拓扑优化方法对车架进行了原创性的结构优化分析，为车架的整体设计提供了 参考依据【2 l 】。2 0 0 9 年，合肥工业大学的刘丹以板厚为设计变量，车架轻量化为目标对 车架进行了尺寸优化，达到了较理想效果【2 2 1 。2 0 1 1 年，太原科技大学的智晋宁和要志 斌在对车架的动态特性进行研究时，不仅仿真计算出了车架的模态特性参数，还分析了 车架在冲击载荷作用下的瞬态动力响应1 2 引。 我国的工程技术人员和学者在车架有限元分析应用方面已做了相当多的研究，但还 不够深入和全面。例如，在静态分析时基本集中在车架弯曲和扭转两种典型工况，很少 涉及其它复杂工况。汽车在行驶过程中经常出现的比较有代表性的工况如：急转弯、紧 急制动和动载荷等，这些工况下车架都要受到比较大的载荷作用，因此对车架进行静态 分析时还需要在这些工况下做相关的分析和研究。在车架动态特性分析方面，大部分的 分析都是讨论车架的结构自由模态，很少有关于路面不平度导致的随机载荷作用下车架 响应情况的研究。由于模态分析仅仅是为了考察车架的固有频率和振型，若要更全面地 考核车架的动态特性，就需要分析车架在各种随机路面载荷作用下是如何响应的 2 4 2 5 】。 1 2 2 国外车架有限元技术的发展及研究现状 国外在汽车车架有限元分析方面的研究开始的比较早，技术也相对比较成熟。1 9 7 3 年，b o r o w s k i ，v j 等人采用简单的梁单元模拟了h 型车架，并对其进行了有限元计算 2 6 1 。 1 9 8 4 年，b e e r m a n n ，h t 利用梁单元和板单元相混合的方法对货车车架的纵、横梁进行 有限单元建模，使建立的车架有限元模型更加合理，计算结果精度更高1 2 。1 9 9 1 年， r o l l e rd 提出了如何利用有限元分析方法对车架进行参数化设计1 2 引。1 9 9 5 年，k r a w c z u k ， m a r e k 等人在建立车架有限元分析模型时，采用了全板壳单元进行网格划分，并对车架 动态特性进行了较全面的研刭2 9 1 。2 0 0 1 年，c h e ncj 等人应用优化设计方法对车架进行 了改进设计【3 0 l 。2 0 0 4 年，h a d a d ，h ，r a m e z a n i ，a 等人深入研究了如何将有限元模态分析 结果应用于车架设计方案的改进【3 。2 0 0 5 年，h e l m u td a n n b a u e r , c h r i s t i a ng a i 等人对车 架上典型的焊接结构进行了疲劳分析1 3 2 1 。 国外在车架有限元静态方面的研究比较全面，不仅仅局限于几种典型的工况，他们 更注重应用有限元方法对车架进行参数化设计和结构优化设计；动态特性方面的研究大 多使用子结构的方法，即在多台计算机上对同一车架的不同结构同时进行分析计算，通 过数据通信及传输技术来达到同步和综合分析，该方法占每台计算机资源很少，因此速 l 绪论 硕士论文 度更快，但对工程技术人员的专业知识掌握程度要求变得更高【3 3 】1 3 5 1 。 1 3 论文研究的主要内容 本课题以某公司新开发的一款中型卡车车架为研究对象，应用h y p e rw o r k s 软件， 建立了较完整的整车结构有限元分析模型，对车架结构强度、刚度及模态进行了分析， 结合校核结果对其进行结构改进和轻量化设计，最后进行台架试验研究，主要研究内容 具体如下： ( 1 ) 建立较为完整的有限元分析模型。对车架三维模型进行几何清理，将对车架 性能影响很小的工艺结构进行合理的简化；选择合理的单元类型进行网格划分；正确模 拟螺栓连接和焊接结构；研究钢板弹簧建模及不同工况下的约束和载荷添加方式。为了 尽可能的模拟汽车实际情况，建立了带有驾驶室、车厢、各支架以及前后悬架的较为完 整的整车有限元模型。 ( 2 ) 车架结构静态有限元分析。分析车架的扭转刚度、扭转强度、3 种不同加载时 的弯曲强度以及车架在加速工况、紧急制动工况、急转弯工况和动载荷工况下的强度， 并对车架刚度和强度进行分析评价。 ( 3 ) 车架结构改进及轻量化设计。通过对车架刚度和强度结果进行分析，找出车 架结构的不合理环节，进行结构改进；在保证承载能力和可靠性的前提下提出可行的轻 量化方案，预期使车架减重6 ，并对结构改进和轻量化设计后的车架进行分析评价。 ( 4 ) 车架结构模态分析。对车架进行结构自由模态分析，得出车架的固有频率和 固有振型，了解车架的振动特性，避免与其他部件产生共振。 ( 5 ) 车架台架试验。设计车架试验台夹具，搭建试验台架，建立车架电测试验系 统，在车架纵梁上粘贴电阻应变片和位移传感器，分不同工况加载后进行试验，获得车 架的应力结果和刚度值；将试验结果与有限元分析结果进行对比，以验证有限元分析是 否可靠；最后对车架进行疲劳试验，考核被试车架的疲劳寿命。 结合公司项目，本文的工作流程如图1 1 所示： 4 硕士论文 兰三童堡歪坌堑竺! 型主兰! 墨垦兰堡生墨茎窒竺翌窒 1 4 本章小结 图1 i 工作流程图 本章首先概述了c a e 技术的内容及其特点，对本课题的背景和研究意义进行了说 明，接着简要地介绍了国内外汽车车架有限元技术的发展及研究现状，最后提出了课题 的主要研究内容及工作流程。 2 有限元法及相关软件介绍 硕士论文 2 有限元法及相关软件介绍 2 1 有限元法概述 早在1 9 世纪，有限元方法的思想就已经用作数值求解，由于其计算量相当大且求 解复杂，没有被广泛应用。到了2 0 世纪中期，计算机技术的迅猛发展为有限元技术的 发展奠定了基础，巨大的计算量已经不再是一个难题，因此，人们逐渐开始了对有限元 法实际应用的研究工作。1 9 6 0 年c l o u g h 对利用三角形单元解决平面弹性问题做了深入 的研究，并首次提出“有限单元法 这个名称，使人们对有限元法的特点及功用有了进 一步的认识【3 6 1 。 有限元法的核心理念是：将连续系统分割成有限多个单元，单元之间通过边界上的 节点相互连接起来，对每个单元上未知量的变化规律进行合理的设定，并取节点处未知 量的值作为基本未知量，再利用力学中的有关原理导出一组代数方程，从而形成原有系 统的一个数值近似系统，最后对数值近似系统进行求解。有限元法按所选基本未知量的 不同可以分为三类，即位移法、应力法和混合法，其中位移法在当前工程领域应用最为 普遍【3 7 1 。 由于有限元法具有丰富的单元集，能够适应各种结构的简化，所以它能够求解各种 类型和形式的结构在复杂载荷和边界条件下的相关问题，并且有相当高的计算精度。有 限元单元类型包括梁单元、板单元、壳单元、体单元和弹簧单元等，从而使我们能够非 常方便的用有限元模型来模拟工程实际i - j 题【3 8 】。目前，有限元法的理念已经渗透到多个 工程领域和多种力学问题的解决当中，它既可以求解线性问题，也能够求解非线性问题， 适于解各向同性材料，也可求解各向异性材料。利用有限元方法能够缩短开发周期，提 高设计质量，节省开发成本，增强产品研发能力。 2 2 有限元法分析过程 有限元法分析问题的计算步骤可以归结为：连续系统离散化，单元分析，整体分析 以及数值求解【37 1 。对于不同的结构分析，选择不同的单元类型对结构进行离散，但每种 单元的分析方法基本是一致的。 2 2 1 连续系统离散化 连续系统离散化俗称网格划分，是有限元分析的关键步骤，它用若干个单元来代替 原有的连续体，同时，单元的边界也被划分，并使用划分后边界上节点的已知位移和约 束条件来代替原来边界上的位移边界条件。通过网格划分，将连续体化为一个仅在节点 6 硕士论文基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 连接，仅靠节点传力，仅在节点处约束的有限个单元的集合体【3 7 1 。 2 2 2 单元分析 以有限元位移法为例，有限元位移法取单元的节点位移为基本变量。则对于弹性力 学问题，单元分析就是确定各个单元节点位移和节点力之间的关系。 2 2 2 1 设定单元的位移模式 为了在求得节点位移后能求出单元内的应力，需要对单元内位移的变化规律确定一 个表达式，单元内任一点的位移( f ) 可用节点处的位移表示为： ( f ) = 【n 】( 6 ) p( 2 1 ) 其中：( 6 】e 单元节点位移； 【n 】形函数矩阵。 2 2 2 2 分析单元的力学性质 根据式( 2 1 ) 的节点位移模式，利用弹性力学中应变与位移的关系，导出单元内 任一点的应变与节点位移的关系式： ( ) = b ( 6 ) p( 2 2 ) 其中：( ) 单元内任一点应变； 【b 】单元应变矩阵。 结合式( 2 2 ) 和材料的应力与应变关系，导出用节点位移表示的单元内任一点的 应力表达式： ( o ) = d 儿b ( 6 ) p = s 】( 6 ) e( 2 3 ) 其中：( 田单元内任一点应力； d 弹性矩阵； 【s 】单元应力矩阵。 ，- 利用弹性力学中的最小势能原理( 变分原理) ，导出节点力与节点位移之间的关系 式，建立节点的平衡方程： ( f ) e = 【k l a p( 2 4 ) 其中：( f ) p 单元节点力： k 】单元刚度矩阵。 最后，作用在单元上的载荷如集中力、面力、体力等按静力等效的原则移置到节点 上成为单元节点载荷( r ) e ，使得有限单元集合体仅在节点上受载荷作用。 2 2 3 整体分析 有限元位移法建立的是节点平衡方程，单元集合体上各节点在单元对其作用的力 ( 与节点对单元作用的节点力大小相等方向相反) 及节点载荷共同作用下处于平衡状态， 7 2 有限元法及相关软件介绍 硕士论文 前者可用节点位移及单元刚度矩阵表示，将所有的节点平衡方程组成一个方程组，即得 到结构整体的平衡方程： 【k 】( 占) = ( r )( 2 5 ) 其中：【k 】系数矩阵，它是单元刚度矩阵按一定规律迭加而成的，故称为整体刚度 矩阵，或总刚度矩阵； ( 田整体节点位移列阵或总位移列阵； f r ) 整体载荷列阵，其元素为各节点上的载荷。 2 2 4 数值求解 根据上面得到的代数方程组式( 2 5 ) ，按已知的位移边界条件进行修正后，即可求 解。对线性代数方程可用某些熟知的有效解法，如果方程是非线性的( 如弹塑性问题， 或非线性弹性问题) 则问题要复杂很多，通常可以将其化成一系列的线性方程求解。 作为基本未知量的节点位移求得后，即可根据需要求其它物理量，如根据式( 2 2 ) 求应变，或根据式( 2 3 ) 计算单元内的应力。进一步可再求主应力、主倾角等。甚至 还可令计算机绘制物理变形前后的图形，以及物体内的等应力线等。 2 3 有限元软件介绍 使用有限元法来解决实际问题需要用到相关的有限元软件，有限元软件的好坏直接 关系到求解结果的精确程度。随着科技的进步以及有限元理论和算法的完善，通用化的 有限元软件也日益成熟，其中较为著名的有：m s c 公司的p a t r a n 和n a s t r a n ， a n s y s 公司的a n s y s ，a l t a i r 公司的h y p e rw o r k s ，h k s 公司的a b a q u s ，e d s 公司 的f e m a p ，a d i n a 公司的a d i n a 等。这些软件都是目前应用较为广泛的，它们在解 决工程问题时各有所长，可以根据不同的求解要求进行选用。本文采用的前处理软件为 h y p e rw o r k s1 0 0 中的h y p e rm e s h 模块，求解器为n x n a s t r a n ，后处理软件为h y p e r w o r k s1 0 0 中的h y p e rv i e w 模块。 2 3 1h y p e rw o r k s 软件简介 美国a l t a i r 公司开发的h y p e rw o r k s 是一个高度集成的多学科仿真工程平台，它的 功能相当全面，性能非常优秀，良好的界面风格使得操作简单、快捷，一流的前、后处 理技术能很大程度上帮助工程师提高c a e 仿真效率。h y p e rw o r k s 的具有良好的兼容性， 其内核能和大多数的c a d 软件和c a e 求解器协同工作，形成一个统一的工程环境，它 具有五大类解决方案，共1 8 个模块，其主要模块有：h y p e rm e s h 、o p t i s t r u c t 、h y p e rg r a p h 、 h y p e rv i e w 、h y p e rs t u d y 、m o t i o ns o l v e 等【3 9 1 。 8 硕士论文基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 2 3 1 1h y p e rm e s h 模块 h y p e rm e s h 作为目前应用最为广泛的有限元分析前处理平台，拥有工程领域主要的 c a d 数据接口，提供方便、实用的几何清理工具，智能的自动网格划分功能使用户网 格划分的总体速度和质量得以提高：同时，它还具有云图显示网格质量、单元质量跟踪 检查等方便的工具，可以及时检查并优化网格质量；它的输出文件能够输入到大多数主 流c a e 求解器当中进行求解【3 9 1 。 2 3 1 2h y p e r v i e w 模块 h y p e rv i e w 为用户提供了一个完整的可视化后处理环境，用于有限元分析结果的显 示和数据处理，包括位移云图、应力云图、变形过程等，它能够同时查看多个分析结果， 这就为用户在分析对比不同方案提供了便利。同时，其处理瞬态或动力分析结果的功能 也非常强大，它还具有快速3 d 图形和非平行功能，并可以输出用h y p e rv i e wp l a y e r 观 看的动画文件【3 9 j 。 2 3 2n x n a s t r a n 软件简介 n x n a s t r a n 产品于2 0 0 3 年9 月正式发布，它是由u g s 和p l m 共同研发，2 0 0 7 年 被西门子公司收购。n x n a s t r a n 凭借其优秀的性能和可靠的求解精度，成为国际上应用 最为广泛的c a e 工具，其分析结果也成为了工业化的标准【4 0 1 。 n x n a s t r a n 主要包括b a s i cp a c k a g e 、n o n l i n e a rp a c k a g e 、o p t i m i z a t i o np a c k a g e 、f e m a p p a c k a g e 四个标准包和选配的功能模块，完整地涵盖了c a e 静力、屈曲、动力学、频率 及瞬态响应、随机响应、响应及冲击波、非线性、热传导、空气动力弹性及颤振、流体、 流固耦合、多级超单元、高级对称和设计灵敏度及优化等分析【4 们。 使用h y p e rw o r k s 和n x n a s t r a n 软件进行有限元分析的一般流程可归结为如图2 1 所示： 9 2 有限元法及相关软件介绍硕士论文 导入c a d 数模 几何清理 ( 6 e o m e t v c l e a m l a ) 建立几何及单元集 ( c o m pc o l l e c t o r s ) 建立材料卡片 ( m a tc o l l e c t o r s ) 划分单元 ( 1 d 忽d _ 乃d ) 2 4 本章小结 单元检查与优化 ( c h e c ke i e m s q u a l i t yi n d e x ) 建立载荷集 ( l o a d c o n e c t o r s ) 施加载荷 g 饼鲋c c 艇妇 p r e s s t u r e ) 建立载荷工况 ( l o a ds t e p ) 设置计算参数 输出有限元文件 利用求解器 n x n a s t r a a 进程求解 后处理 图2 1h y p e rw o r k s 和n x n a s t r a n 进行有限元分析的一般流程 本章首先介绍了目前应用非常广泛的数值模拟方法一有限元法，简要阐述了有限 元法的发展、核心思想、有限元法的优点以及有限元法的应用范围；然后重点说明了有 限元法分析问题的主要步骤，为本课题研究提供了理论依据；最后简要介绍了课题研究 过程中所使用的两款有限元分析软件h y p e rw o r k s 和n x n a s t r a n ，并对使用h y p e rw o r k s 和n x n a s t r a n 软件进行有限元分析的一般流程进行了总结。 1 0 硕士论文 基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 3 车架有限元模型的建立 3 1 整车主要技术参数 论文以某公司新开发的6 吨双轴中型卡车为研究对象，该卡车的主要技术参数如下 表3 1 所示。 表3 1 中型卡车主要技术参数 名称 参数 车架总长度( m m ) 轴距( m m ) 前轮距( m m ) 后轮距( m m ) 满载质量( k g ) 空载质量( 埏) 驾驶室( 加3 人) 质量( k ) 3 2 车架的结构形式 本课题研究的中型卡车采用的是边梁式车架，由左右纵梁、纵梁前后加强板、七根 横梁及其连接板组成，车架结构如图3 1 所示。 第第 纵 横覆 梁 梁梁 第 五 横 梁 第第 六七 横横 梁梁 5 8 2 o o d ； 嘟 姗 咙 伽 咖 蝴 泓 5 3 1 1 6 2 5 构结车 第四横梁 璨 王图 第三横梁 3 车架有限元模型的建立硕士论文 该车架采用的是前宽后窄的梯形结构，这种形式的车架弯曲刚度较大，便于安装驾 驶室、车厢及其他总成部件。作为主要承载元件，纵梁断面形状为槽形，沿长度方向高 度有所变化，内侧附有加强板。第一横梁和第七横梁为开口梁，且第一横梁带有连接板， 其余横梁均为圆管梁。开口横梁和纵梁之间使用螺栓进行连接，圆管横梁和连接板焊接 在一起靠螺栓和纵梁相连接。横梁将左右纵梁连接起来，使其构成框架结构，提高车架 的抗扭转能力。其中第三、四横梁及其连接板是通用件，列举车架各部件的材料厚度如 表3 2 所示： 表3 2 车架各部件的材料厚度( 单位：m m ) 纵梁、前后第一、七第三、四、 第一、三、 第二横梁第五横梁第六横梁 加强板横梁 第二横梁 四横梁连 五、六横梁连接板连接板连接板 接板 4432 5 4 4 53 55 3 3 建立车架有限元分析模型 建立车架有限元分析模型是本课题研究的关键环节，模型的优劣将直接关系到计算 规模和精度。由于有限元分析的对象都比较复杂，所以建模时首先应该对模型进行合理 的简化，在不影响模型主要力学特征的前提下使模型易于建立和模拟；接着选择合适的 单元类型，合适的单元类型能使模型有更高的精确度，能更好地模拟分析对象的实际状 况；最后赋予对应的材料属性，建立载荷集和边界条件，得到一个完整的、具有较高精 确度的有限元分析模型。 3 3 1 车架模型简化 卡车车架是一个比较复杂的空间板壳结构，包括大量的螺栓和铆钉连接。由于一些 细小的工艺结构对车架结构的变形和应力分布影响很小，而对问题的求解规模和经济性 有着很大的影响，增加了建模的难度和单元节点数，因此在保留车架主要力学特性前提 下，有必要根据分析的侧重点有针对性的对模型进行一些简化。本文根据分析的实际情 况对车架模型采取了以下几点简化措施： 4 1 j 4 2 1 ( 1 ) 省略非承载件：对于一些为了方便使用和辅助承载而设置的构件，由于其对 车架的变形和应力分布影响较小，可以忽略不计； ( 2 ) 构件表面光顺化：对于一些对车架整体刚、强度影响很小的工艺结构，如小 孔、小台肩、小圆角等，它们的设计目的通常是为了铺设油路和线路或者用于装配连接， 在网格划分时对其进行简化处理； ( 3 ) 截面形状简化：由于卡车车架上构件的设计不仅仅是考虑简单的受力，而且 1 2 硕士论文 基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 还要顾及其他部件的安装与使用要求，因此截面形状可能不很规则，在离散化时要作适 当的形状简化； ( 4 ) 主从节点原则：为了避免划分的网格出现畸形，对于位置非常接近的结合点 采用适当合并或“主从节点 的方式处理。 3 3 2 单元类型的选择 划分网格是建立有限元模型的一个重要步骤，划分的网格单元类型对计算规模和计 算结果将产生直接影响，所以在网格划分时需要慎重地选取单元类型。在车架有限元分 析中常见的单元类型有梁单元、板壳单元和体单元等。梁单元建模比较简单，计算量相 对较少，但相应的计算结果精度也较低。由于车架上的零部件大多是冲压成形的薄板零 件，厚度都比较小，所以主要采用板壳单元( p s 腿l l ) 进行网格划分，板壳单元能很 好地模拟车架的弯曲、扭转和剪切变形，更能接近其真实状况。 本文在h y p e rm e s h 中进行有限元建模时，车架和车厢有限元网格大小按照1 0 m m 进行划分，孔周围网格进行细化，单元类型为c q u a d 4 及少量c t r i a 3 板壳单元；前、 后桥及钢板弹簧采用梁单元来进行模拟；大部分附件支架有限元网格大小按照1 0 m m 进 行划分，单元类型为c q u a d 4 及少量c t r i a 3 板壳单元；板簧支架、驾驶室支架等关 键性支架采用4 m m 体单元( c h e x a 、c p e n t a ) 来划分。下图3 2 为板壳单元和实体 单元效果图。 板壳单兀六面体单元四面体单元 图3 2 板壳单元和实体单元效果图 3 3 3 网格质量控制 网格质量对有限元计算结果的精度影响很大，划分网格时有必要对其进行质量控制， 使其达到企业要求。影响网格质量的主要因素有翘曲度、长宽比、雅克比以及歪斜度等。 一个网格单元的组成节点不在同一平面内则认为产生了翘曲，有限元建模时，网格翘曲 是允许的，但须控制在一定范围内。若网格的翘曲程度太大，我们可以采用细化或分解 网格的方法来消除。网格单元的长宽比也会影响网格质量，当四边形网格单元的长宽比 较大，超过5 0 时，节点位移的最大差值将达到2 4 1 4 3 1 。同样的，为了使网格质量达标， 其他几个影响因素也须满足一定的条件。本文划分网格时控制网格质量的主要指标如表 3 车架有限元模型的建立硕士论文 3 3 所示： 表3 3 控制网格质量的主要标准 雅克比 0 7 长宽比 5 翘曲度( d e g ) 1 2 歪斜度( d e g ) 6 0 四边形最小角( d e g ) 4 5 四边形最大角( d e g ) 1 3 5 三角形最小角( d e g ) 1 5 三角形最大角( d e g ) 1 0 5 3 3 4 有限元模型建模策略 3 3 4 1 驾驶室和货物建模 驾驶室和货物采用集中质量单元c o n m 2 + r b e 3 进行模拟，并自动分配权重系数( 保 持为1 ) 。其中驾驶室质量点按驾驶室重心位置进行设置，货物质量点按车厢中心位置进 行设置，如图3 3 所示： 图3 3 驾驶室和货物模型 3 3 4 2 悬架、车桥和轮胎建模 在以往的车架有限元建模中，一般将前、后悬架省略或简化，但这样会失去准确的 约束点，可能会导致由于前、后悬架简化而带来的结果误差偏大。车架是通过悬架系统、 车桥和车轮支承在地面上，悬挂系统对车架的刚、强度影响很大，所以在建模时应该采 用合理的单元来模拟悬架元件。 传统的钢板弹簧简化模型，通常理想化为两个垂直弹簧和一个刚度很大的平衡杆， 如图3 4 所示，这样的简化只能保证钢板弹簧的弯曲刚度，但是其扭转刚度与实际情况 有很大差异【矧。为了能够更精确的模拟实际情况，本次建模中，钢板弹簧、车桥以及吊 耳均使用c b a r 单元来模拟，其中吊耳的倾斜度应与整车静态时的吊耳倾斜度保持相同。 c b a r 单元截面属性为矩形梁，设置相应参数，调整材料密度使得板簧质量与实际情况 一致，并且使用c o n m 2 单元调整车桥质量至与实际情况一致，衬套用c b u s h 单元模 拟，并设置其六个自由度方向上的刚度数值，最后调整单元位置和实际情况接近以保证 分析的精确性。轮胎用r b e 2 + c o n m 2 单元模拟，r b e 2 尺寸为轮胎半径，其两端分别 为轮胎中心点和接地点。建立好的悬架、车桥和轮胎的模型如图3 5 所示： 1 4 硕士论文基于有限元分析的中型卡车车架改进设计及其实验研究 图3 4 传统钢板弹簧模型 图3 5 本文所用的悬架、车桥和轮胎模型 3 3 4 3 主要附件的模拟 具有质量的主要附件，包括动力总成、油箱、蓄电池、储气筒、催化转换装置、备 胎、工具箱、散热器、减振器等，在其质心位置使用集中质量单元c o n m 2 模拟其质量 载荷，并用r b e 3 或r b e 2 连接至附件支架上。排气系统用r b e 2 + c o n m 2 单元模拟， 吊挂用c e l a s l 弹簧单元进行模拟，并设置吊挂刚度值。 3 3 5 零件连接方式处理 对于车架结构而言，其构件之间通过特定的连接方式固接在一起，以保证它们的装 配关系。车架上最常见的连接方式有：螺栓连接、铆钉连接、焊接以及枕木连接。为了 使所建模型具有较高的准确性，用软件如何来处理这些连接方式也成为有限元建模时的 关键性问题。 3 3 5 1 螺栓和铆钉连接 对于车架而言，纵、横梁及纵梁加强板板间