（车辆工程专业论文）半挂牵引车车架有限元强度分析.pdf

摘要 摘要 本文主要针对某厂c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架在使用过程中出现的问题，通过 采用大型结构通用有限元软件对该车架改进前后进行了静态、模态分析及试验模态 分析，找出了改进前车架裂纹产生的原因，并对改进后的车架进行了评价，为进一 步改进提供了参考依掘，对提高我国半挂牵引车的设计水平和行驶的安全性具有重 要的指导意义。 论文综述了车架有限元分析的研究现状，结合c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架结构 特点，建立了有限元分析模型。成功地将m s c 。p a t r a n 和m s c n a s t r a n 有限元分析 软件应用于半挂牵引车车架强度和模态研究中，探讨了半挂牵引车车架有限元强度 分析所要考虑的各种载荷及其施加的方法，并制定了五种典型的计算工况，分析了 改进前后车架的应力分布特点及改迸前车架裂纹产生的原因，给出了半挂牵引车车 架的固有频率及振型，考察了半挂牵引车车架改进前后的动态特性。 成功地迸行了半挂牵引车车架模态试验，获得了车架的试验模态参数，验证了 本文建立的c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架有限元模态分析模型正确性。为进一步研究整 车振动、疲劳、噪声等问题奠定了基础，也为改进结构设计提供了理论依据。 关键词：车架；有限元；裂纹；强度；模态分析 青岛大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s s t u d y ，t h es t a t i ca n dt h ed y n a m i ca n a l y s i so f af r a m eo fas e m i t r a i l i n gt r a c t o r ( m o d e l ： c a 4 3 2 。1u n d e rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ec a r r i e do u tu s i n gag e n e r a lf i n i t ee l e m e n ta n a i y s i s s o f t w a r ei no r d e rt of i n dt h ep r o b l e m so ft h ef r a m ea n dt h e n ，am o d a lt e s ta n a l y s i sw a ss u b s e q u e n t l y c o n d a c t e dt ov e i l f yt h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h ea n a l y s i s t h er e s u l to ft h ea n a l y s i sf i g u r e do u tt h e r e a s o n so f t h ec r a c ki nt h es e m i t r a i l i n gt r a c t o r sf r a m e s o m e s u g g e s t i o n sw e r ea l s op r e s e n t e dt oh e l p f u r t h e rm o d i f i c a t i o no ft h ef r a m e ，w h i c hc o u l di m p r o v ei t s p e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sh a s s e v e r a lp r a c t i c a lv a l u e si nl e a d i n gt oa na p p r o p r i a t et r a c t o rf a m e d e s i g n t h i st h e s i sc o m p r e h e n s i v e l ys u m m a r i z e st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ev e h i c l e sf l a m e t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h es e m i t r a i l i n gt r a c t o r sf r a m ew a s r e a l i s t i c a l l yc o n s t r u c t e d i nt h i sp a p e rt h e p r e p o s tp r o c e s s i n gs o f t w a r eo fm s c p a t r a n ( m s c s o f i w a r e ，u s a ) a n dt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo f m s c n a s t r a n ( m s c - s o f t w a r e ，u s a ) w e r e u s e di nt h es t r e n g t ha n dm o d a l a n a l y s i so f t h es e m i - t r a i l i n g t r a c t o r sf r a m es u c c e s s f u l l y t h el o a da c t i n go nt h es e m i t r a i l i n gt r a c t o ra n dt h em e t h o d so f a p p l y i n g t h el o a dt ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et r a c t o rw e r ee x t e n s i v e l yd i s c u s s e d t h es t r e n g t h so f t h e f l a m eu n d e rf i v e t y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ec a l c u l a t e d ，b yt h er e s u l t so ft h ea n a l y s i s ，t h e r e a s o n so ft h ec r a c ki nt h ep r i m i t i v ef l a m ew a sf o u n do u t i nt h i sp a p e r , t h em o d a l f r e q u e n c ya n dt h e m o d a ls h a p e sw e r eo b t a i n e d ，t h e n ，t h er e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o nw e r ec o n t r a s t e dw i t ht h a t o ft l l e e x p e r i m e n t b yt h i sw a y ，t h ed y n a m i cp r o p e r t yo f t h ef l a m ew a sk n o w n ， t h em o d a lt e s tw a sc a r r i e do u t s u c c e s s f u l l y ，a n df i n i t e e l e m e n tm o d e lw a sv e r i f i e du s i n gt h e r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti ti sn o to n l yt h et h e o r i c a lf o u n d a t i o no ft h e i m p r o v e m e n tb u ta l s ot h e b a s e m e n to f t h ef u r t h e rn v h s t u d y k e yw o r d s ：f r a m e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c r a c k ，s t r e n g t h ，m o d a l a n a l y s i s 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的提出及意义 半挂牵引车是装备有特殊装置用于牵引半挂车的商用车辆。随着世界经济的高 速发展，半挂牵引车在公路运输中占有越来越大的份额，欧美等发达国家长途货运 几乎都由它们完成。在我国，半挂牵引车也已成为重型专用汽车的第2 2 大品种。 国外的半挂牵引车的使用寿命己从5 0 5 5 万公里提高到8 0 8 5 万公里，部分大型 牵引车的使用寿命可达l o o 万公里。而我国的半挂牵引车无论是在技术水平，还是 在使用寿命方面与国外相比还有很大差距。其使用寿命只有5 0 6 0 万公里【2 1 。 半挂牵引车车架一般较短，通过车架上的鞍座与半挂车相连，外载荷由鞍座传 递到车架上。我国某厂生产的c a 4 3 2 0 型半挂牵引车在使用过程中，车架的第四横 梁与纵梁连接处出现异常开裂现象，有时甚至发生断裂，严重影响了该厂的声誉和 效益，对企业今后的发展也起到阻碍作用。该厂虽然对此提出了一定的改进措施， 如将纵梁的高度加大，第二、第三横梁的高度和宽度分别加大，第二、第三横梁与 纵梁的连接由原来的四个螺栓连接变成六个螺栓连接，第五横梁的结构由原来的工 字形结构变成槽形结构，与纵梁的连接方式由原来的四个钢f 钉连接变成六个铆钉连 接，主横粱两边的外侧翼板向前延长到第四横梁前面等，但未对其发生开裂和断裂 的原因进行详细分析。为此，该厂特将此问题提出作为研究项目，以期使该车能够 安全正常的行驶。 本文针对c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架在行驶过程中出现问题，通过采用大型结构 通用有限元软件对该车架改进前后进行静态、模态分析并进行试验模态分析，找出 改进前车架裂纹产生的原因，并对改进后的车架进行评价，为进一步改进提供参考 依据，对提高我国半挂牵弓 车的设计水平和行驶的安全性具有重要的指导意义。 1 2 车架有限元分析进展现状 车架是汽车的承载基体，不仅承担发动机、底盘和牵引货物的质量，而且还要 承受汽车行驶过程中所产生的各种力和力矩。因此，其强度不仅关系到整车能否i f 常行驶，而且还关系到整车的安全性。对车架设计的要求是：在保证足够的强度、 刚度和稳定性下，尽可能达到质量轻、形状合理，并最大限度地减缓过渡区的应力 集中。近年来，国内外许多学者对车架的有限元分析迸行了大量的研究i 】，归纳起 来主要是以下几个方面：有限元强度应力分析、动态特性分析和优化分析。 1 2 1 车架的计算方法 载货汽车、半挂牵引车和半挂车车架的主要结构形式为边梁式车架，纵梁截面 青岛大学硕士学位论文 多为槽形，横梁截面可为槽形、闭口矩形或圆管。纵梁和横梁的连结方式有焊接、 铆接和螺栓连结等。其连结接头几何形状各异，应力分布复杂。根据是否考虑接头 的真实形状，边梁式车架的结构计算方法可分为两火类： ( 1 ) 不考虑接头形状有最小变形能法、e r z 法、传递矩阵法和空间梁有限元法 等四种。最小变形能法适用于车架弯曲的计算，用于扭转时则显得太繁；e r z 法则可 用于扭转刚度小而弯曲刚度大的车架扭转计算；传递矩阵法可用于车架的弯、扭计 算。但由于多个矩阵相乘导致圆整误差，因此它只被推荐用于抗扭刚度大的车架； 空间梁单元的有限元法简单，但一般的空间梁单元用于开口薄壁构件，计算误差较 大。不考虑接头形状计算方法的不足之处在于：一是忽略了接头的柔度，而它对车 架变形和杆端力矩的计算却很有影响；二是无法确切计算接头区域的应力分布，而 这对于车架的设计和优化却很重要；三是只用梁单元，不能反映设计的修改，如接 头形状和连接形式的改变。 ( 2 ) 考虑接头形状有完全法和混合法。完全法用板壳单元来离散整个车架，可 用于纵梁并不均匀平直的刚架，缺点是用的单元和自由度数曰庞大，且计算的前后 处理工作量大；混合法是交替使用了有限元和矩阵力法，计算精度较高。混合法的 局限性在于它只适用于能将纵、横梁简化为直杆的车架。 由于高应力出现于接头处，因此接头的离散化无论对于混合法还是完全法都是 重要的。研究表明，接头离散化应尽可能包含车架的基本特征，如型材圆角、断面 改变等。槽钢的圆角一般较大，忽略圆角使接头的翘曲柔度产生约1 5 的误差【7 】。 焊接而成的车架，其焊缝离散化是用加厚一排纵、横梁之间的过渡单元来近似双面 焊缝的体积。铆接和螺栓联接一般用实体单元简化，被连接的两块板料在其中面用 板壳单元离散化，i l 洞宜用内八角形，其八角点与四个实体单元相连。螺栓联接也 可用梁单元来模拟，即用梁单元将各块板的八角点连接。s t mw 等考虑了板间的接 触力，采用结构分析软件- a n s y s 中的g a p 单元进行模拟l 。这种菲线性的杆单元受 拉和受压有不同刚度。使用g a p 单元后，明显地提高了计算精度。车架扭转变形的 计算误差从1 2 降到6 。 1 2 , 2 车架强度的有限元静态分析 对车架强度的有限元静态分析开始于6 0 年代中期。国外十分重视利用有限元方 法对车架进行辅助设计，取得了大量的研究成果。b e e m _ 1 a n n ，h j 提出了利用梁、 扳混合单元对货车车架横梁与纵梁连接处进行合理简化的方法【9 l ，k i m ， l s 等人对 车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论i i 。a o ，k a z u o 、n i i y a m a 等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍l i “。国内 也有很多高校和汽车生产厂对各种型号的车架做大量的研究工作，王璋等人利用有 限元法对重型牵引车车架进行了静态分析，提出了发动机和倒置平衡悬架的简化模 第一章引言 型- 2 】：历辉等人对作用在货车车架上的等效载荷的简化和施加方法作了较全面的研 究，尤其对车厢与车架之间榻互 乍用力的简化方法徽了详鳃讨论3 1 ，冠志革等入科 用m s c p a t r a n 有限元前后处理软件和m s c n a s t r a n 有限元计算软件分析并解决了某 轻型货牟牟架纵梁异常开裂的问题f 1 。 】2 3 车架强度的有限元动态分析 对车架进行静态强度分析的同时还要考虑其合理的动态特性以达到控制振动与 噪声的目的。国外从2 0 世 9 7 0 年代开始，对汽车结构的动态特性开展研究并取得大 量研究成果。车架的动力学分析是在1 9 7 1 年开始的i 】”，国外一般采用n a s t r a n 、 s a p 等大型计算程序并研制专用程序，自由度数少则几百多则上万。对于攘车结构 的动力学分析由于自由度过高、计算过程所需计算机资源过高，因此近年来发展了 子结构的方法。分析各予结构而后进行模态综合。k r a w c z u k ，m a r e k 等人利用全板壳 单元车架有限元模型对一货车车架进行了较全面的动态研究t 1 6 】。h a d a d ，h 、 r a m e z a n i ，a 等人对如何利用有限元模态分析结果修正车架设计方案进行了研究t j 。 国内对车架有限元动态分析也越来越重视。郑兆昌等人应用大型结构软件s a p 5 p 对货车车架进行了动态分析。提出了利用车架模态分析结果直接对结构动态特性进 行评价的方法 1 8 1 ，冯国胜对模态分析技术在汽车车架故障诊断中的应用进行了较深 入的研究。 124 车架结构优化设计 对于车架设计，要求在满足强度和刚度的条件下尽可能减轻车架质量。但是影 响车架结构强度和刚度的因素很多，诸如纵梁及横梁的布黄，各梁所采用的截面形 状和尺、九级、横粱联接的型式等等，由于结构和载荷都比较复杂，作一次性全面 分析是困难的。通过对汽车车架性能特点的分析，提出边梁式车架结构参数的优化 数学模型，采用复合形法、混合罚函数法寻求各梁截面参数的最佳值，达到合理利 用材料、减轻车架白重的目的【2 0 。通过试验所得出的一些结论可以看出，若加大横 粱的扭转刚度，可以提高整个车梨的扭转刚度，但与该横梁连接处的纵梁的扭转应 力会加大；如果不加大横梁，而是在两根横梁间再增加横梁，其结果是增强了车架 的扭转刚度，同时还降低与横粱连接处的纵梁扭转应力。据此，国外所采用的轻而 密的横粱，显然对于车架的应力状态十分有利。有限元计算也表明了这一结论的正 确性。在对车架进行强度分析过程中，车架与横粱之间的连接对其分析结果有很大 的影响。采用较柔软的接头一般使对强度起决定作用的扇形正应力降低，但同时也 降低了扭转刚度。当扭转刚度一定时，提高接头柔度和增加横梁数目有利于改善强 度，但使车架质量增加。车架质量一定时，使用数目较少的、截面尺寸较大的横梁 对强度有利。当然，车架优化还要考虑接头区域的应力分布，观察车架的横向弯曲 等。 青岛大学硕士学位论文 以往较为成熟的研究工作几乎都集中在结构截面尺寸及形状优化方面，这是在 结构布局已经决定的情况下进行的。优化设计能产生的效果也限定在布局之内。现 在，许多专家认为，应该在结构设计的初步设计阶段引入结构优化，即在应力约束 下车架的结构拓扑优化设汁。它是在给定外力及支撑的条件下，确定连续体的布局， 同时满足各种设计要求，在确定拓扑的同时确定了结构的形状。该种方法是根据汽 车车架的结构和受力特点，用薄板结构尺寸优化方法的数学模型来描述，建立了汽 车车架结构拓扑优化模型，利用满应力法对汽车车架进行拓扑优化设计，它是属于 静力优化问题，而动态状态下的结构最优布局仅靠经验是无法解决的。从实用角度 看，结构拓扑优化设计只是一种概念性设计，实际设计时需进行一些修改，因此， 实际工作中的车架和优化结果不一定完全一致，修改后会有什么影响，这就要求对 优化结果进行研究，寻求稳定性好的结果【2 “。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要针对某厂c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架在行驶过程中出现问题，通过采用 大型结构通用有限元软件对该车架改进前后进行静态、模态分析及试验模态分析， 找出改进前车架裂纹产生的原因，并对改迸后的车架进行评价。主要研究内容如下： ( 1 ) 在分析c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架结构的基础卜，主要采用板壳单元对车 架进行离散，并建立半挂牵引车车架有限元分析模型： ( 2 ) 根据半挂牵引车的承载特点和行驶工况，对该车架改进前后进行在满载弯 曲工况、满载扭转工况、满载爬坡工况、满载制动工况和满载转弯工况下的静态应 力分析，找出改进前车架裂纹产生的原因，并对改进后的车架进行评价； ( 3 ) 建立半挂牵引车车架有限元模态分析模型，对半挂牵引车车架改进前后进 行有限元模态分析，求得车架改进前后的固有频率和振型，并分析车架改进前后的 动态效果： ( 4 ) 建立半挂牵引车模态试验系统，进行半挂牵引车模态试验，获得车架的试 验模态参数，通过对比有限元模态分析结果和试验模态分析结果，对有限元模型进 行适当的修改，同时验证有限元模型的正确性。 第二章半挂牵引车车架有限元模型的建立 第二章半挂牵引车车架有限元模型的建立 2 1 半挂牵引车车架的结构 c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架采用边梁式结构( 图2 1 、图2 2 ) ，主要由2 根主纵 梁、2 根副纵梁、6 根横粱组成，车架长为6 7 5 0 m m ，前端宽8 8 0 r a m ，后端宽7 8 0 r a m ， 整个车架是一个前宽后窄的变宽结构。 车架改进前( 图2 1 ) ，主纵梁的高度为2 8 0 m m ，在主纵梁内部铆接有厚为5 r i 1 1 的加强板；横粱高为2 2 0 m m ，宽为9 0 m m ，采用槽形截面，横梁与纵梁采用直径为 2 2 m m 的铆钉进行连接。为了增加车架强度及便于固定挂车鞍座，在第5 根横梁的 两侧纵梁上铆接有厚度为8 m m 的侧翼板。 车架改进后( 图2 2 ) ，纵梁的高度加大2 0 m m ，各横梁的高度加大2 0 m m ，宽度 加大3 5 r n m ，第三、第四横梁与纵梁的连接由原来的4 铆钉连接改为6 铆钉连接： 两边的外侧翼板向前延长到第四横梁前面，共加长7 1 0 m m 。 图2 1 改进前半挂牵引车车架结构图 一爿川q 董f 亘瓢1 司。 圈2 2 改进盾半挂牵引车车架结构图 青岛大学硕士学位论文 2 2 有限元法的基本思想 对于火多数的工程技术问题，由于物体的结构形状复杂或者某些特征是非线性 的，很少有解析解。这类问题的求解方法通常有两种，一是引入简化假设，将方程 和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态下的解，但过多的简化 可能导致不正确的甚至错误的解；二是人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础 上，借助于现代科学技术的产物计算机及现代数值分析技术来获得满足工程技 术要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散 单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。 有限单元法的基本思想是将问题的求解域化分为一系列单元，单元之间仅靠节 点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于 单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个 单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件求解。单元划分越细， 计算结果就越精确。 有限元方法是2 0 世纪中叶电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算 工程科学领域里最有效的计算方法。经过5 0 年的发展不仅使各种不同的有限元方法 相当丰富，而且理论基础也相当完善。汽车的机械结构复杂，用有限元法不但能完 成车身、车架等结构静力学分析，而且还能进行动力学分析，因此是汽车设计计算 的重要工具。近年来，由于电子计算机应用的日益发展，数值分析在弹性力学中的 作用显得更为突出，使得一些复杂的问题能够得到数值解【2 ”。 2 2 1 有限元法的分析过程 有限元分析计算的步骤可归纳如下： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化就是将分析的结构物分割成有限个单元体，并在单元体的指定点 设置节点，使, f h c f 单元的有关参数具有一定的连续性，并构成个单元的集合体， 以它代替原来的结构。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形 形态的需要和计算精度而定。 ( 2 ) 选择位移模式 在完成结构的离散化之后，就可以对单元进行特性分析。在有限元法中，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 计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。为了能用节点位移表示单 元体内的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出 一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为位移模式或插 第二章半挂牵引车车架有限元模型的建立 值函数。选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常选择多项式作为位 移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且由于所有 光滑函数的局部，都可以用多项式逼近，至于多项式的项数和阶次的选择，则要考 虑蕾几的自由度和解的收敛性要求，一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度 数，它的阶次应包括常数项和线性项等。单元的自由度是指单元节点独立位移的个 数。根据选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任意一点位移的关系 式，其矩阵形式是 恤) 。【n ) 8 2 一( 1 ) 式中，拙 为单元内任意一点的位移列阵； 6 ) 2 为单元的节点位移列阵； a 日为形函 数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ( 3 ) 分析单元的力学性质 位移模式选定以后，根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其 含义等，进行单元的力学特性分析，包括三部分内容： 1 ) 利用几何方程，由位移表达式2 一( 】) 导出节点位移表示单元应变的关系式： ) = b 】 。2 ( 2 ) 式中， e ) 为单元内任意一点的应变列阵；【b 】为单元应变矩阵。 2 ) 利用本构方程，由应变的表达式2 ( 2 ) 导出用节点位移表示单元应力的关 系式： 0 ) 2 【d 】( e ) 2 d 】 b 】 6 ) 。2 - ( 3 ) 式中， 盯) 为单元内任意一点的应力列阵；【d 为与单元材料有关的弹性矩阵。 3 ) 利用变分原理，建立作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系式，即 单元的平衡方程： 扩 。= k 】。 2 一( 4 ) 式中：【k 。称为单元刚度矩阵；在以后将导出得 k ，= f f 鹏 1 d b 鼻x d y d z ：上式的 积分应普及整个单元的体积。 ( 4 ) 单元组集，建立整个结构的平衡方程。 单元组集包括两方面的内容：一是各个单元的刚度矩阵，集合成整个物体的整 体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力集合成总的载荷列阵。最常用的集 合刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集台所依据的理由是要求所有相临的 单元在公共结点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵 k 】、载荷列阵以及整 个物体的结点位移列阵( 6 ) 表示的整个结构的平衡方程 k 6 ) 协2 - ( 5 ) 这个方程还应考虑几何边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未知结点位 青岛大学硕士学位论文 移。 ( 5 ) 求解未知结点位移 由集合起来的平衡方程组2 一( 5 ) 解出未知位移。这里，可以根据方程组的具体 特点选择合适的计算方法。 ( 6 ) 计算单元应力 最后，就可利用公式2 一( 3 ) 和已求得的结点位移计算各单元的应力，并加以整 理得出所要求的结果 2 3 。5 1 。 2 2 2 有限元法的程序实现 从使用有限元程序的角度来讲，有限元分析可分为前处理、计算和后处理三大 步： 前处理是对计算对象网格划分、形成计算模型的过程。包括单元类型的选择、 结构的材料特征参数的确定。实体建模，节点和单元网格的确定，边界条件或约束 条件及载荷的移置等。许多商用有限元软件不仅提供了与主流c a d 系统的接口，自 己本身也又很好的实体建模性能；有限元软件都提供了一种以上的网格划分方法， 以供使用者根据计算要求进行选择。 计算是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到节点位 移的过程。由f 商用软件已经针对多种模型进行过验证运算，因此只需要按照提示 输入各种条件，包括收敛的方法( 在软件中，这常被称为求解器) 等，计算机就可 以计算，得到计算结果。 后处理是对计算结果( 应力、应变或振型等) 的整理，形成等应力线、变形图、 振型图等，以及结果的输出。 目前有限元程序可分为大型通用程序、专用程序和自编特殊程序三大类。有限 元法发展至今，各种通用程序、专用程序求解功能齐全，前后处理方便，汽车结构 绝大部分的有限元静态分析、固有特性分析、动态分析等，都可应用这些程序来分 析计算。目前应用较多的有限元软件主要有美国m s c 公司的大型线性分析软件m s c n a s t r a n 和人型非线性软件m s c m a r c 、美国a n s y s 公司的大型综合有限元软件 a n s y s 、美国e d s 公司的结构分析软件i - d e a s 和美国奥博世软件公司的高级有限 元分析软件a b a q u s 等【2 6 1 。 2 3 半挂牵引车车架有限元模型的建立 2 3 1 半挂牵引车车架有限元建模时应遵循的原则 在建立半挂牵引车车架有限元分析模型时，本文主要考虑了以下几个方面的问 题： ( 1 ) 车架有限元分析模型应尽可能的从几何特性及力学特性两个方面同时逼近 丝三童童丝耋! ! 耋塞垫童堡垂丝型墼壅塞 ： 车架真实结构，尤其是从动力学特性上进行逼近。 ( 2 ) 在进行网格划分时，保证任意个板壳单元的顶点同时也是其相邻单元的 顶点：尽可能的使单元形状规则，避免单元的某个边过长或者过短以及某个内角太 大或者太小；某些部位允许其退化为三角形单元；某些通过焊接的方法连接到一起 的两个零部件的重合部位的网格节点和单元应重合。 ( 3 ) 对于一些很小的或者不重要的螺栓孔、铆接孔和过渡圆角，在建模的时候 进行可进行简化处理。 ( 4 ) 为了提高计算的精度，建模时根据半挂牵引车车架结构特点和载荷分布特 点，在可能产生应力集中或者应力急剧变化的部位网格划分比其它部分细密，由细 到粗应逐步过渡，不应有网格尺寸上的突变【2 7 q 。1 。 2 3 2 有限元软件及单元的选择 在本文的研究中，使用的软件是目前国际上最为通用有效的商用有限元软件 m s c p a t r a n 和m s c n a s t r a n 。 m s c p a t r a n 软件诞生于2 0 世纪8 0 年代前后，是在美国国家宇航局( n a s a ) 的资助下，随着计算机及其交互技术的发展，孕育而成并日益完善的新一代计算机 辅助工程分析( m c a e ) 前后处理系统，它不仅率先把工程分析人员从繁重的数据 准备工作中摆脱出来，并且提供与世界上大部分的有限元软件的无缝连接，还可以 提供漂亮的计算结果仿真，因此受到世界各大公司的喜爱。目前已广泛应用于航空 航天，汽车，造船，国防等各大领域。m s c p a t r a n 具有非常友好的使用界面，其每 一项功能都对应个操作面板，用于实现相应得操作，完成相应的功能。这样既容 易使用又方便记忆，可以使得使用者将更多的精力用于自己的工作本身，而不是软 件。为了尽可能的减少用户重复建模所浪费的时间和精力m s c p a t r a n 采用了直接几 何访问技术，能够使用户直接从一些很先进的c a d 软件系统中获得几何模型，甚至 参数和特诬。另外它还提供了完善的独立的几何建模和编辑工具，以方便用户更加 灵活的完成模型准备。m s c ，p a t r a n 允许用户直接在几何模型上设定载荷、边界条件、 材料和单元属性，将这些信息自动转化成为相关的有限元信息，以最大程度的减小 设计过程的时间消耗。所有的分析结果均能可视化。m s c p a t r a n 的自动智能化网格 划分工具可以使用户快速的完成他们想做的工作，同时它也提供手动和其他的有限 元建模方法，以满足不同的需要。除此之外它还提供了众多的分析软件接口，将世 界上大部分著名的不同类型的分析软件和技术集于一体，为用户提供了一个公共环 境，可以使得用户不必担心软件之间的兼容问题，在其他软件中建立的有限元模型 在m s c p a t r a n 中依然可以正常使用。m s c p a t r a n 作为一个前后处理软件，还提供了 一种强大的p c l ( p a t r a n c o m m a n d l a n g u a g e ) 语言，使得用户可以将自行开发的应 用程序直接嵌入到m s c p a t r a n 框架系统中。 青岛大学硕士学位论文 m s c n a s t r a n 是m s c 公司推出的大型结构有限元分析软件，自从1 9 6 9 年第一 个版本发展到现在已经相当成熟。通过它分析人员可以进行多种分析。它在静力学 方面除可以进行线性分析以外还可以对包含有塑性、蠕变、大变形和接触等属性的 非线性问题进行分析。m s c n a s t r a n 的动力学分析功能包括正则模态分析、频率及 瞬态响应分析、( 噪) 声学分析、随机响应分析、响应及冲击波分析等。针对于中小 及超大型问题的不同解题规模，可选用不同的动力学方法加以求解。利用 m s c n a s t r a n 还可进行流一固耦合分析、空气动力弹性及颤振分析、多级超单元分析、 高级对称分析、设计灵敏度及优化分析等。它作为m s c p a t r a n 的计算程序之一，为 其提供了非常强的计算支持p ”。 针对实际工程应用，m s c n a s t r a n 有限元分析软件的单元库中有近7 0 余种不同 单元类型可供选择。所有这些单元可满足m s c n a s t r a n 各种分析功能的需要，且保 证求解的高精度和高可靠性。为了进行半挂牵引车车架的静、动态有限元分析，针 对半挂牵引车车架的结构特点，本文选择了m s c n a s t r a n 有限元分析软件单元库中 的s h e l l 板壳单元、s o l i d 实体单元和m p c 多点约束单元进行车架的有限元建模，下 面简单介绍一下这三种单元。 ( 1 ) s h e l l 板壳单元 图23 所示为s h e l l 板壳单元示意图。它是一个弹性板壳4 节点单元。该单元可 以承受拉、压、弯、剪等作用。单元的每个节点具有5 个自由度：沿x 、y 、z 轴的 移动及绕x 、y 轴的转动。s h e l l 板壳单元有以下功能： 1 ) 整个单元表面的厚度可以按等参数变化； 2 ) 单元公式允许耦合的和集中的两种形式的质量矩阵，但是耦合质量矩阵不包 括与旋转相关联的惯量； 图2 3s h e l l 板壳单元自由度示意图 第二章半挂牵引车车架有限元模型的建立 3 ) 可以独立定义与平面内、弯曲、横向剪切以及平面与弯曲形态耦合相关联的 各向异性弹性系数，可用来模拟不均匀复合材料板或者节点偏离的板。 s h e l l 单元的形状对计算精度影响较大，当扭转的形状比在2 0 以内或弯曲的形 状比在1 1 咀内时，s h e l l 单元的计算精度在1 5 以内，在网格划分时应注意 3 2 】。 ( 2 ) s o l i d 实体单元 图2 , 4 所示为s o l i d 实体单元示意图，它具有4 个节点，4 个面，每个面上 有3 个节点。因为每个节点都和 其他3 个节点中2 个形成一个面， 每个节点只有3 个平移自由度， 而3 个旋转自由度全部都应被约 束。所以在考虑约束实体单元节 点时，只考虑3 个平移自由度即 可。 实体单元能表达实际零件信 息，可以从空间的角度来真实的 逼近实体几何形状，尤其对于基 j 二几何建立的有限元模型，几乎 能反映其全部几何变化。在物理 方面，实体单元能表达的信息最全 图2 4s o l i d 单元自由度示意图 例如零件的质量、惯性矩、材料特性等。 实体单元有很多其他单元没有的优点，缺点是占计算机资源较大。 ( 3 ) m p c 多点约束单元 图2 ，5 所示为m p c 多点约束单 元示意图。利用多点约束可以将两个 节点的某些自由度约束到一起，使得 随从点，的某自由度随自由点i 的 某一自i h 度一起运动。m p c 多点约 束单元在约束节点多余自由度、零件 的装配和载荷的施加方面都有重要 的作用 3 3 1 。 2 3 3 车架三维几何模型的建立 图25m p c 多点约束单元示意图 在建立车架三维几何模型时，基于计算机计算能力的考虑，大都将车架各个零 件考虑成个整体进行建模，这样建模可以有效的减小计算机的计算时间，但是却 不能真实的反映车架上应力集中的位置以及应力分布的情况，尤其是纵梁和横梁连 接处的应力分布情况。目前由于计算机计算能力的大幅提高，同时为了方便的建立 青岛大学硕士学位论文 复杂的车架整体模型且便于对结构进行修改，本文在建立车架三维几何模型时是以 车架各零件的模型为基础，即车架整体模型由各零件模型装配而成。 虽然m s cp a t r a n 软件提供了三维几何建模工具，然而对于一些较复杂的部件， 利用m s c p a t r a n 建模时而仍非常困难。故本文对于结构较复杂的零件，如前钢板弹 簧前后吊耳等，先利用p r o e 进行建模( 图2 6 ) ，然后再调入有限元前后处理软件 m s c p a t r o n 中。而对于其他一些相对简单的零件，则直接利用m s c p a t r a n 中的几何 建模工具进行建立。将各零件的几何模型建立好以后，在每个零件的几何模型上确 定一个待装配的装配7 l ，在此孔 的中心建立一个参考直角坐标 系，然后利用m s c p a t r o n 中模型 的坐标变换功能，将零件模型进 行适当的平移旋转，使得相对应 的装配孔相邻在一起，组成车架 整体的几何模型。需要注意的是， 因为它们都在各自板材的中面 图2 6 前钢板弹簧前吊耳和后吊耳几何模型 卜，所以他们之间的距离应诈好 为他们的板材厚度之和的一半。 图2 7 所示为改进前后车架三维几何模型。 ( a ) 改进前 图2 7 车架三维几何模型 ( b ) 改进后 2 3 4 车架有限元网格划分 半挂牵引车车架有限元计算模型的网格划分是利用m s c p a t r o n 软件进行的。对 各横梁、纵梁和g n , f l 翼板采用边长3 0 r a m 的四边形板壳单元( s h e l l ) 进行划分；对于 板簧吊耳和鞍座，采用边长为2 0 m m 的四面体单元( s o l i d ) 进行划分。 第二章半挂牵引车车架有限元模型的建立 改进前车架节点数目为1 5 7 2 1 8 ，单元个数为1 5 9 3 1 7 ；改进后节点数目为1 5 7 8 9 5 单元个数为1 4 5 8 8 8 ，车架有限元网格如图2 8 、图2 9 所示。 图28 改进前半挂牵引车车架有限元网格 图2 9 改进后半挂牵引车车架有限元网格 在进行网格划分的时候，为了使得相邻曲面划分的网格能够相互协调，有必要 在进行网格划分之前对曲面网格划分进行一些人为的控制。 第一种方法是在建立曲面几何模型的时，就应使几何曲面协调。即两几何曲面 青岛大学硕士学位论文 间有相同一致的边。当几何曲面间协调一致，在自动网格划分时，交界处网格自动 一致。采用这种方法，如果遇到几何曲面不协调情况，可以利用m s c p a t r a n 中的命 令e d i t s u r f a c e e d g em a t c h 把缝隙消除，或者是用命令c r e a t e s u r f a c e t r i m m e d 建立新 几何用以消除缝隙。 第二二种方法是在网格正式划分以前，在曲面上设置硬点或者是硬线，硬点或者 硬线的作用就是在网格划分的时候必须在这个硬点所在的位置生成一个节点，或者 是在硬线上生成一系列的节点。可以将硬点或硬线设置在几何模型上要求协调的部 分，这样也可以生成协调的网格。这种方法可以用来处理曲面和实体之间的协调问 题。 对于划分好的结构有限元模型，还要进行重节点和网格的质量检查。 所谓的重节点是当相邻的几何结构相互协调时，则在划分网格以后，两个几何 结构在边界处都会有节点，并且这些节点是重合的。如果不消除这些重节点，就相 当于这两个几何部分之间是分开的，不是连接在一起的掩体，而会使得以后的计算 出现错误。 划分出来的网格质量对于以后计算的精确程度、甚至对能否顺利计算都有至关 重要的关系。因此，划分完网格以后一定对网格质量进行检查，如衡量四边形板壳 单元网格质量的值包括：单元的形状e l ( a s p e c t ) ，四结点不共面程度( w a r p ) ，相邻边 间夹角( s k e w a n g l e ) ，单元的锥度( t a p e r ) 等。若单元网格划分质量不好，则必须 对其进行必要的修改，使得单元质量符合要求，这样才能得到可信的计算结果。 2 3 ，5 铆钉连接和螺栓连接的处理 因车架上的各部分零件都将装配到纵梁上，所以在车架上有很多的铆钉连接和 螺栓连接孔，c a 4 3 2 0 型半挂牵引车车架改进前纵梁上有5 0 0 多个连接孔，改进后有 接近6 0 0 的连接孔。因各零件所受的力和力矩都是通过这些连接孔来传递的，所以 对于这些连接关系的处理就显得异常 重要。为了能对连接关系进行合理的模 拟，本文通过算例比较了3 种常用的模 拟方案。 在算例中，两块板通过两个螺栓连 接到一起，一块板的一个边被完全约 束。另一块板的自由端上端施加一个向 下的1 0 0 0 n 的载荷，如图2 1 0 所示。 图2 1 0 扳螺栓连接示意图 图2 1 1 所示为不同螺栓连接仿真模型网格图，在模型( a ) 中，装配关系被简 化成相应装配孔中心直接采用刚性单元进行连接；在模型( b ) 中，在建立装配关系 时首先将装配孔的边缘与装配孔中心采用刚性单元建立约束关系，然后再如( a ) 模 型一样对相应的装配孔中心点进行刚性连接；在模型( c ) 中，直接将相应装配孔的 篁三塞兰丝童! ! 耋圭鳖童堡重堡型墼壁塞 。 边缘进行刚性连接，同时为了对比结果，建立了两块板通过螺栓实体连接的模型( d ) ， 因为此模型对真实的结构简化最小，所以可以将此模型的计算结果作为真实结果进 行对比。 嚣譬_ ? j j 、，= ，瀵黪燮警l 鬻瓣渗量渗j ：| _ - _ 。： 气 2 ： j ( c ) ( b ) 絮戮爹 誊瓣黼爹i j ；一。 图21 1 不同螺栓连接仿真模型网格图 ( a ) 中心点连接模型( b ) 边缘一中心模型( c ) 边缘连接模型( d ) 螺栓真实连接模型 通过对以上四个螺栓连接仿真模型进行计算，可以得到如图2 ，1 2 所示的应力分 布图，该图反映了在这四种模型中主应力的分布情况。其中模型( d ) 中的应力图可 以作为真实应力分布与其它三种简化方案进行对比。从图2 1 2 可以看出，模型( a ) 与模型( d ) 的应力分布差别很大，( a ) 模型算得的最大主应力为1 2 3 0 m p a ，这与模 型( d ) 算出的最大主应力值3 8 8 m p a 差别非常之大；模型( c ) 的最大主应力值为 5 2 2 m p a ，这与模型( d ) 计算出来的结果仍然有很大的差别；模型( b ) 计算出的最 大主应力为3 7 8 m p a ，该值与模型( d ) 计算出的非常接近。综上所述可知，模型( b ) 螺栓连接的模拟效果最好，对于铆钉联接也同样适用。 青岛大学硕士学位论文 ( b ) ( c )( d ) 图2 - 1 2 不同螺栓连接仿真模型的应力分布图 ( a ) 中心点连接模型( b ) 边缘一中心模型( c ) 边缘连接模型( d ) 螺栓真实连接模型