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硕士论文安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 摘要 车架是汽车主要的承载部件，汽车大部分部件如：动力总成、驾驶室、货箱各车桥 等都与车架直接相连。因此，车架就必须具有足够的刚度和强度以保证有承受冲击载荷 和各种工况载荷的能力。 本论文是以某企业生产的四轮驱动车车架为研究对象，采用有限元分析方法对该车 架结构系统进行分析研究。该企业生产的四轮驱动车车架后悬置钢板弹簧处安装乐驾 后，在越野路面上作可靠性试验时，车架上横梁出现开裂现象。为此，作者对该车原车 架和装乐驾车架进行有限元模拟仿真分析，通过对不同工况的强度校核和动态仿真计 算，给出了可能的原因。然后，通过变化乐驾上的活动吊耳侧板安装孔位置以及变化乐 驾簧片的厚度，重新进行分析计算，为设计改进与定型提供参考。同时，为了分析的需 要，笔者还计算了该车后板簧系统在加装乐驾前后、改变乐驾簧片的料厚以及乐驾上的 活动吊耳侧板取不同安装孔位置时的垂直刚度。 通过对安装乐驾前后的车架强度校核和动力学的分析，得到了装上乐驾后，会牺牲 所分析车架的强度，尽量采取一种使后板簧垂直刚度增加较少的安装方式。 关键词：车架，乐驾，有限元方法，钢板弹簧，静态分析，仿真分析 硕士论文 a b s t r a c t t h ef l a m ei sm a i ns u s t a i n a b l ea s s e m b l yi nv e h i c l e s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt h a tt h ef r a m e s h o u l dh a v ea p p r o p r i a t es t r e n g t ht oe n d u r et h ed i f f e r e n tl o a d t h i sp a p e rp r e n s e n t st h er e s e r c ho nt h es p e c i a lf r a m es t r u c t u r es y s t e m 丽t hi n t e g r a t e d m e t h o do fc o m p u t e ra i d e df i n i t ee l e m e n ta n a y s i s f i r s to fa l l ，t h ec a c u l a t i o no ft h es t i f f n e s so f l e a fs p r i n g sw h i c hw i t l lr o l l g a r da n dw i t hn or o l l g a r d ，a n dt h e nt h es t a t i ci n t e n s i t yo ft h e f l a m ei sa n a l y z e da n ds t u d i e di ns o m ep a r t i c u l a ri n s t a n c e d y n a m i c a la n a l y s i si sm a d ei nt h i s p a p e r ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h em o d e lo ft h ef r a m ew h i c hu s et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ef l a m ei st e n t a t i v e l ye s t i m a t e db yt h ei h e r e n tf r e q u e n c ya n d t h e v i b t a t i o nm o d e lo ft h ef r a n l e i nt h i sp a p e r ，t h ed y n a m i cl o a d so nt h ef l a m ei nt h r e et y p i c a l c a s ea r es i m u l a t e du s i n ga d a m s s i m u l a t i o na n a l y s i st ot h el a r g ec o m p l e xs t r u c t u r e sa sf r a m e 埘mw e l l - k n o w ni n t e g r a t e d c a es o f t w a r em a yb eb o t hr e d u c ec y c l et i m ef o rp r o d u c t i o na n de c o n o m i z em a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r s e s m e a n w h i l e ，t h ep a p e ru s e sf e m s u c c e s s f u l l y s u c ha na t t e m p ti sv a l u a b l ei n p r a c t i c a lt e c h n o l o g ya sw e l la si nr e f e r e n c ev a l u e s k e yw o r d s ：f r a m e , r o l l g a r d ，f e m ，l e a fs p r i n g , s t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i c a la n a l y s i s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：夸么弛夕。7 年否月日 学位论文使用授权声明 ， 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：黏雹k p 7 年占月6 目 硕士论文安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 1 绪论 1 1 立题的依据及意义 1 1 1 问题的提出 车架【1 】是汽车主要的承载部件，汽车大部分部件如：动力总成、驾驶室、货箱各车 桥等都与车架直接相连。因此，车架就必须具有足够的刚度和强度以保证有承受冲击载 荷和各种工况载荷的能力。本课题所涉及的车架是一个边梁式车架。边梁式的车架是由 两个位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或者焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的 刚性结构架。纵梁和横梁连接处的应力情况成了一个关键问题。 以往的车架进行有限元分析大多都是对车架本身进行机构优化设计，这样的分析存 在一定的问题，例如结构优化之后改变了车架原先的结构，这可能解决目前存在的问题， 但是会对其它的性能产生的影响。本课题与之前车架有限元法研究有所不同。本课题是 源自某企业生产的四轮驱动车的实际车架，因该四轮驱动车在行驶中板簧过度频繁地受 到冲压和拉伸而疲劳，从而失去承载和避震的功能。为了解决这个问题，该企业在车架 钢板弹簧上安装了乐驾( 将在下面一节介绍此装置，需要注意的是乐驾是一种悬架稳定 器) 。该稳定器的主要的功用是通过安装时所施予的预应力，从而有效的抑制钢板弹簧 的回弹。安装乐驾之后，因其控制弹簧钢板弹簧的回弹，可以有效防止弹簧钢板压伤， 从而保证原有弹簧钢板寿命。但是，在安装了该乐驾之后，在越野路面上做可靠性试验 时，该车架上横梁出现开裂。为了解决开裂问题，本文就从应力的角度对安装乐驾之后 的车架进行强度校核和动力学仿真分析。本课题旨在不改变车架结构的基础上，在钢板 弹簧上安装乐驾，以满足该车架复杂工况的需要，因安装乐驾钢板弹簧的刚度变大，对 车架造成了影响，现利用现代有限元技术对该车架进行强度校核和动力学仿真分析，从 而得到适当安装乐驾稳定器的方式方法，以满足复杂工况的要求。 1 1 2 课题的意义和应用价值 汽车是用车架把发动机、底盘和车身中各主要总成连成一体的。车架的功用是做这 些总成的安装基体，承受这些总成的重量及其传给车架的各种力。因此，车架的可靠性 关系到整车能否正常运行、甚至关系到人的生命安全，设计过程中必须保证车架的刚度、 强度符合要求【2 】。深入了解车架的承载特性是车架结构设计改进和优化的基础。过去的 汽车设计多采用样车参考，这种方法不仅费用大，试制周期长，而且也不可能对多种方 案进行评价。现代车架设计已发展到包括有限元、优化、动态设计等在内的计算机分析、 预测和模拟阶段。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架研究中十分行 硕士论文 之有效的方法。 悬架啪是现代汽车上的重要总成之一，它把车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 弹性 地连接起来。其主要作用是传递作用在车轮和车架( 或车身) 之间的一切力和力矩；缓 和路面传给车架( 或车身) 的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的 行使平顺；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性。保证汽车的操控稳定 性，使汽车获得高速行使能力。钢板弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，它 是由若干片等宽不等长( 厚度可有相等也可以不相等) 的台金弹簧片组合而成的一根 近似等强度的弹性梁。 对车架的有限元分析，无论国内还是国外都做了很多的工作这些分析要么就是从 车架的本身结构上入手，利用的有限元计算，不断地对车架模型进行优化，最后得到一 个合理的有限元模型，要么就是从有限元的算法上入手。本文和其他研究者所做工作不 同之处是：本文是针对车架的钢板弹簧安装了乐驾后进行分析，也就是在不政变车架的 结构的基础上，在钢板弹簧上安装乐驾然后利用现有的有限元软件对安装乐驾的车架 进行有限元分析，寻找更好的设计( 更改) 方案。 乐驾是一种全新的悬架稳定器，该稳定器可以有效防i e 汽车行车过程中发生侧倾。 图l1 为乐驾稳定器( 注：以下简称为乐驾) 的结构示意图。 1 吊耳2 簧片3 滚筒4 叉杆销5 开口销6 阻尼块 图l l 乐驾基本结构示意图 吊耳是和钢板弹簧直接作用构件之一，它是将簧片和钢板弹簧连接成体的主要构 件。簧片起增加钢板弹簧刚度的作用。滚筒的作用是能使得吊耳和钢板弹簧连接，并且 能够相对运动。叉杆销是贯穿吊耳和滚筒，可以限定滚筒和吊耳。开口销用来限定叉杆 销，不让其从吊耳空脱落出来。阻尼块的作用就是不让簧片和钢板弹簧直接接触，乐驾 的阻尼块一般有两种：平垫橡胶阻尼块和弧套橡胶阻尼块，如果汽车钢板弹簧在车轴之 2 硕士论文 安装乐驾的某四轮驱动车车桨的有限元分析 上，使用平垫橡胶阻尼块，如果汽车钢板弹簧在车轴之下，则使用弧套橡胶阻尼块。安 装好了的乐驾如图1 2 所示。 该稳定器是美国a m t e c h 公司的新产品，它的发明源于美国或其它国家频繁发生的 汽车交通事故。为提升汽车悬架安全，从而提高行车的安全性，针对钢板弹簧悬架的设 计缺陷，美国汽车工程界著名的设计师p e t e r e b r y a n t 先生从1 9 9 9 年到2 0 0 1 年经过两 年的时间，研究了近2 7 0 多种型号的汽车，综合其侧翻原因、数据，以及车辆本身的结 构特点，首先针对钢板弹簧悬架的汽车防侧翻问题，针对钢板弹簧设计本身缺陷，利用 机械作用力原理，利用特殊材质，设计出巧妙的结构和方法，提出了简易有效的解决之 道，印发明了乐驾( r o l l g a r d ) 汽车悬架稳定器。 依据同样的原理，a m t h 公司现已研发出针对螺旋弹簧悬架的防侧翻产品。该稳 定嚣先后在美国及全球各地与各大汽车厂商进行配套。 该稳定器的功能： 1 ) 有效防止汽车侧倾，提升汽车安全性能； 2 ) 山路行驶或颠簸时增加汽车的操控性和稳定性； ( 1 ) 通过吊耳与汽车原有弹簧钢板连接，使得汽车悬架紧紧连在车轴上，增加车 体与车轴连接的一体性，将重量并均分布在轮胎上，从而增加操控性和稳定性。 ( 2 ) 山路上行驶时或颠簸时，因为路面的坑洼易造成汽车弹跳，即弹簧钢板形成 回弹。安装上乐驾后，有效抑止钢板弹簧回弹，其作用原理等同于防止侧倾的原理，使 得轮胎不抬离地面，从而使汽车不至于过度跳跃，增加操控性和稳定性； ( 3 ) 当汽车紧急制动时，因为惯性的因素，汽车后体会抬离地面从而会形成前倾， 安装上乐驾后，与防侧倾原理相同，抑止钢板弹簧回弹，使得汽车后体不至于抬升过高， 从而减少制动时的前倾； 1 绪论硕士论文 ( 4 ) 汽车转弯时的摇晃及操作时的打滑，这些都将因安装上乐驾后有所减少。 3 ) 有效保护汽车原有钢板弹簧 长途行驶中，弹簧钢板会因过度频繁地受到冲压和拉伸而疲劳，从而将会失去其承 载和避震的功功能。安装上乐驾后，因为其控制弹簧钢板的回弹以及与原有弹簧钢板共 同承载，可以有效防止汽车弹簧钢板拉伤，从而有利于原有弹簧钢板的寿命。 4 ) 安装简便 2 0 0 7 年乐驾产品引进中国，2 0 0 7 年5 月在安徽定远汽车试验场进行了试验，并通 过江苏汽车质量监督检验鉴定试验所的鉴定，其结论如下： 稳态回转比对试验中，不足转向度有一定的降低，车身侧倾角的下降幅度在1 0 以 上： 角阶跃输入与蛇形比对试验中，车身侧倾角的下降幅度在1 0 以上； 制动性能比对试验中，制动效能提高4 左右，制动稳态性( 制动点头角、跑偏量) 有显著提升； 加装该悬架稳定器的车辆，在行驶过程中，其稳定性有大幅度提高。 乐驾的工作原理： 1 ) 弹簧钢板的设计缺陷 汽车弹簧钢板起到牵引、避震、以及承重的作用，但是无法对弹簧回弹起到控制作 用，所以在汽车快速过弯道时对车体内侧的抬高无法抑制。 2 ) 乐驾悬架稳定器的作用原理 乐驾产品通过两边吊耳与汽车原有弹簧钢板进行连接，通过安装时所施予的预加力 量，控制钢板弹簧回弹。 安装乐驾前，将汽车车体抬起，此时汽车原有弹簧钢板完全没有承载，会恢复到原 状，此时有点类似于汽车快速过弯时汽车内侧的弹簧钢板负载状况； 安装乐驾后，通过吊耳将汽车原有弹簧钢板向上( 另一说法是向内) 进行拉紧，此 时由于机械作用力与反作用力原理，乐驾将在轮轴地方向下压，即有往下的作用力，在 汽车过弯道时则表现为使得汽车轮胎不离开地面； 簧下质量则是汽车弹簧悬架下面的质量总称。因为安装时已在轮轴上方施予向下的 力，以及足够的附着力保证汽车轮胎不离地面，因此在转弯时则可以通过簧下质量来控 制车体( 即簧上质量) ； 过弯道时，汽车内侧对车体通过安装时所施予的预加向下力量，控制车体不会抬升， 同时在汽车外侧与原有汽车弹簧共同承受车体向下的重压，使得外侧不至于过度下沉， 如此双方面作用，预防汽车侧翻。 由于控制汽车原有弹簧钢板的回弹，从而防止了过度拉伤以及因承载过大而疲软。 4 硕士论文安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 目前国内外对本课题研究内容所做工作公开的文献不多，对于使用乐驾之后的钢板 弹簧对车架的影响还不是非常清晰。本课题中所涉及到的某企业生产的四轮驱动车的车 架，就是在安装乐驾稳定器试用之后发现车架上倒数第二根圆管横梁出现开裂现象，因 此有必要开展研究。安装乐驾之后的悬架，实际运用中确实改良了之前钢板弹簧的很多 不足，但是乐驾的具体如何安装，乐驾的安装孔位置，乐驾的板簧的尺寸等如何选择却 没有明确的准则，若选择、安装不当，将削弱乐驾的效果。所以，有必要运用有限元技 术，利用现有的商业化集成c a e 软件，考虑改变乐驾的安装孔位置、乐驾板簧的尺寸 等，对车架的结构进行仿真分析，以求达到车架关注部位的应力增量更小，给的乐驾试 用提供一定的依据。 本文的研究工作中包含虚拟仿真，下面对虚拟样机技术进行下简单的介绍。 虚拟样机技术是基于计算机技术的一个新概念技术，其核心部分是多体系统动力学 与动力学建模理论及其技术实现，但到目前还没有一个确切的定义。美国国防部对虚拟 样机有关概念建设性的意见是：虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型， 在一定程度上具有物理样机相当的功能真实度。目前我国也尚未有一个统一的定义，；有 学者对几种代表性的论述归纳为：虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的 特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性；借助于这项技术，设计师可以 在计算机上建立机械系统模型，伴以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和 动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统。 同基于物理样机的设计研究方法相比，虚拟样机的设计方法的特点有： 1 ) 全新的研发模式：虚拟样机技术是基于并行工程的研发方法，实行的是系统角 度的产品优化； 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期和更高的产品质量； 3 ) 实现动态联盟的重要手段。鉴于这些优越性虚拟样机技术在国外早已得到推广， 大量应用于机械、汽车、航空产品开发研究中，我国引用的较晚，目前许多公司也已将 它投入实际应用了，国内也正在大力研究开发自己的仿真分析软件并取得了一定的成 果，如上海交通大学基于a d a m s 开发出了c a d a m b 等。 但目前应用比较多的还是a d a m s 、a d a s 、m a t l a b 等软件。a d a m s 主要模块有： 核心模块、功能扩展模块、专业模块、模块接口。通过这些模块a d a m s 可以单独或联 合建模和分析软件对汽车的各项实车试验进行仿真模拟分析，对汽车的各项性能进行评 价，然后再通 过_ a d a m s 中的函数应用，对参数进行设置优化，改进机构参数实现性能 的提高。 对于仿真软件其发展状况与应用的概况：早期的计算机仿真技术大致经历了如下几 个阶段：2 0 世纪4 0 年代模拟计算机仿真；5 0 年代初数字仿真；6 0 年代早期仿真语言的出 现等。8 0 年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了新活力。我国早在5 0 年代 5 1 绪论 硕士论文 就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。7 0 年代初 开始应用数字计算机进行仿真。随着数字计算机的普及，近几十以来，国际、国内出现 了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如c a m p ，a c s l ，s l m n o n ， m a t l a b s i m u l i n k ，m a t i x x s y s t e mb u i l d ，c s m p c 等。 同样，车辆设计中的优化问题绝大多数是建立在三维连续空间里的。由于计算机很 难理解三维优化结果所体现的设计意图，也不能使用简单的造型元素将这些设计意图表 达出来，所以至今还没有一种通用的方法可从优化结果中自动提取出c a d 模型。这一 步仍需要设计人员花费大量时间。 同时，现实中的一些实际因素阻碍了优化。比如，c a d 系统与c a e 系统的接口还 很不完善，许多c a d 数据并没有参数化，使得优化软件修改c a d 模型变得困难。优化 条件往往并不能很精确的给定，如被动安全性优化中，碰撞角度、驾驶员位置、材料属 性都会影响结果的健壮性。而如果在优化中考虑这些因素的随机分布，则现有的计算资 源不能满足要求。尽管多学科优化的价值得到广泛的承认，不同学科( 结构、疲劳和被 动安全) 往往在研发的不同阶段建立模型( 因为要求的细节不同) ，因此确保这些模型的 一致性成了一大难题。 有限元仿真及其优化技术及其它相关技术在汽车设计领域中的应用，势必将为未来 汽车设计带来巨大的变革，该方法在汽车设计领域中的前景是十分广泛的。在产品设计 阶段进行多方案的分析和优选，可使试验费用减到较低程度，但设计的最终评价仍要以 试验结果为准。 以往的对车架的优化，多数处在对其计算方法的优化。针对乐驾上述特点，对汽车 的板簧安装乐驾，这样只需调整乐驾的安装得到合适的板簧刚度，就能满足不同工况的 车辆使用。 随着当今世晃c a e 技术和有限元法日益的成熟，有限元法已经成为开发、设计机械 零件的一个重要的手段。有限单元法的基本思想就是把一个连续体人为的分割成有限个 单元，即把一个结构看成由若干通过结点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然 后再把这些单元组合起来代表原来的结构，这种先化整为零、再积零为整的方法就叫有 限元法。它最先应用于结构的应力分析，现在已经广泛应用于求解热传导、电磁场、流 体力学等连续问题。 使用有限元技术有很多的优点，首先使用有限元技术来实现设计意图，其可靠性要大 大增强。其次使用c a e 技术企业能缩短设计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产 和产品测试的次数。 6 硕士论文安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 1 2 国内外研究概况和发展趋势 1 2 1 车架结构分析发展历史 在采用现代数学模型技术之前，通常所进行的结构分析仅计算某些特定构件，如车 门铰链、传动系和悬架部件的应力。直到1 9 5 6 年，才出现一本关于车身工程的典型书 籍，设计的验证完全依赖于实验室试验或试车场的经验，这有许多缺点，其中最重要的 是需要等待造出样车以后才能开始试验。由于这是发生在设计周期的后期，故为实现根 据试验结果而建议的修改往往要付出较高的代价。直至6 0 年代中期广泛应用有限元分 析方法之前，是用剪流板和加强梁组成的等效箱形结构去代替实际汽车的几何形状来进 行结构的初步分析的【4 1 。由此可看出，1 9 7 0 年以前，汽车结构设计师面临着采用传统方 法所不能解决的问题，由于对汽车的结构设计要求增加了，如果仍采用实车试验来确定 需要重新设计的部位，大大扩大了产品开发周期。当时已有的分析工具仅限于各种零部 件的材料强度计算，结构的整体性状只有在制作出汽车原型并进行试验之后才能预测。 因此，汽车工业已迫切需要一种新的结构分析方法。 ，。 现代汽车结构分析是从车身一车架结构分析开始的，因为现代汽车的结构主要是由 车架和车身组成的。早期的汽车结构分析主要是对汽车结构的经验判断和试验模拟，应 用经典的力学方法进行零部件的材料强度刚度计算。而对车架这样复杂的大型连续弹性 体来说，人们的解决方法就显得十分有限，很难能得到有意义的分析结构。车架整体力 学特性只能在制作出样车后进行一系列的复杂试验得到【4 】。 1 9 6 6 年美国的汽车工业部门颁布了公路安全法案和国家交通与汽车安全法案，这个 法规提出了最早的汽车安全标准。1 9 7 0 年以后，随着大型计算机的出现，标志着以分析 验证为基础的汽车结构设计革命的开始。而1 9 7 0 年美国宇航局结构分析软件程序 n a s t r a n 的出现，代表了一种新的计算能力，它是一个面向用户的通用的结构分析程 序。随着计算机技术的发展，有限元法已在当今工程分析中获得广泛应用。由于它的通 用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。现已成为计算机辅助设计和计算机辅助制 造的重要组成部分【5 1 。它能对工程中几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂的各种结构 及零部件进行变形计算和应力分析。因此，有限元法是进行现代车辆结构分析的有效而 实用的工具。 1 2 2 国内外车架结构c a e 分析现状及差距 1 9 7 0 年美国宇航局有限元结构程序n a s t r a n 的引入，标志着以有限元分析为基 础的汽车结构设计与分析的开始。美国福特汽车公司在2 0 世纪7 0 年代就使用 n a s t r a n 软件，用板、梁单元进行车架的有限元静态分析，找出高应力区，并改进应 力分布。日本五十菱汽车公司在8 0 年代末已将c a e 应用到车身设计的各个阶段，从最 7 l 绪论硕士论文 初设计阶段的粗略模型到设计中、后期的细化模型，分析的范围包括强度、刚度、振动、 疲劳、碰撞及形状和重量的优化。进入2 0 世纪9 0 年代有限元分析得到了更为广泛的应 用。美国通用汽车公司在通用有限元程序的基础上自主开发了后处理程序，将发动机和 道路激励载荷集成到数据库中，进行汽车对发动机和道路激励的响应分析和改进，大大 简化了分析过程。日本尼桑汽车公司利用有限元分析仿真来带动整车性能的优化，其分 析中使用的模型已经包括悬架、发动机、轮胎和转向机构。 1 9 9 7 年，通用汽车就率先在汽车开发中应用了分析与试验相结合的方法。随着计算 机技术的迅速发展，一些通用化商业化的有限元分析软件也相继推出并日趋完善，目前 在汽车界广泛使用的c a e 软件n a s t r a n ，a b a q u s ，l s d y n a ，h y p e r m e s h 等。 长期以来，我国的汽车设计方法一直停留在静态、类比和经验设计的水平上，车架 结构设计基本上都是从静态的角度出发进行静态强度、刚度校核。而车架是一个复杂的 结构，在行驶过程中会受到来自内部和外部环境的激励而产生振动，影响车架动态性能 甚至会出现车架局部开裂，严重影响行车安全性。 目前，国内对汽车结构的设计与研究，已从主要依靠经验设计发展到应用有限元法 进行静强度计算和模态分析阶段。我国于2 0 世纪8 0 年代初在高校和有关研究所开始从 事有限元的研究和应用，如长春汽车研究所的谷安等人建立的车架有限元分析模型。当 时研究工作主要集中在车架分析以及用梁单元来模拟大客车骨架等方面【6 l ，二十世纪九 十年代以来，随着微机技术的进一步发展，吉林工业大学的乔淑平等人采用壳单元对某 款轿车白车身进行了有限元建模，分析主要部件对车身弯曲和扭转刚度的影响，并提出 了简化车身有限元模型时应注意的原则【7 1 。随后，清华大学的马幼鸣等人用超参数厚壳单 元对某越野车架建立有限元模型并用刚度敏感尺寸法对车架结构进行了优化【8 】。 随着计算机软、硬件技术在国内的迅速发展及汽车产业在国民经济发展中地位的突 起，在相关方面取得了不少成果，但与国外相比明显存在着差距。主要表现在： ( 1 ) 汽车结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参考性设计的，多 用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真正做到并行。 ( 2 ) 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、 强度分析的结果还比较粗略。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。 ( 3 ) 有限元分析主要用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声等方 面模拟计算起步较晚，对汽车结构的各项性能指标进行系统分析及优化的事例还处于探 索阶段。 1 3 论文的工作内容和工作思路 在汽车总成中，车架是主要承载部件，在工作中它不仅要支撑汽车上各部件的重量， 8 硕士论文安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 而且还要承受来自发动机的动载荷、弹簧的张紧缓冲力和工作载荷等。因此，车架的强 度和刚度在汽车设计中显得非常重要。车架刚度不合理，直接影响车身的结构可靠性、 安全性、n v h ( 噪声、振动和平顺) 性能等关键性指标。 汽车在复杂多变的路况上行驶过程中，车架在随机路面载荷或周期载荷作用下可产 生复杂扭转变形以及在纵向平面内的复杂弯曲变形，当载荷较大时，还可能使整个车架 扭曲成形。通过车架有限元分析，可以在产品设计初期对车架的关键部位进行预测，找 到结构的薄弱环节，提出合理的改进方案，还可以大幅度降低或最终取代部分试验。随 着计算机软、硬件水平的逐步提高，将关键零部件的设计水平从寿命定性设计上升到寿 命定量设计已经逐步成为可能。本论文正是基于此现实情况，应用有限元分析技术对课 题选定车架结构进行仿真分析的。 本课题旨在针对与车架相连的钢板弹簧的结构进行优化。在钢板弹簧上安装乐驾， 然后利用现代先进的有限元技术对改进后的此车架进行仿真分析，从而得出一个更能适 合车架的钢板弹簧以满足车架的承载要求同时能延长车架的使用寿命。根据课题的具体 要求，主要在以下几个方面开展了工作： t， i ) 车架的有限元模型建立与分析：建立车架几何模型、网格划分、正确处理焊点 连接、铆钉和螺栓连接，分析各种情况下的边界条件的约束和载荷； 2 ) 安装乐驾前后钢板弹簧垂直刚度分析计算； 3 ) 对安装乐驾后的车架进行强度校核：通过模拟几种典型工况来对车架进行强度 校核； 4 ) 车架动态仿真分析：计算钢板弹簧安装乐驾和未安装乐驾前后两种情况，然后 进行对比并得出结论； 5 ) 通过对不同方案结果的比较分析，提出本课题研究对象的修改方案。 9 2 有限元法基础与问题求解方法硕士论文 2 有限元法基础与问题求解方法 2 1 有限元法基本思想 在工程技术领域内，对于力学问题或其它场问题，已经得到了基本微分方程和相应 的边界条件。但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单且几何边界相当规则 的少数问题。因此，人们多年来一直在寻求另一种方法，即数值解法。 有限元法是2 0 世纪6 0 年代逐渐发展起来的对连续力学和物理问题的一种新的数值 求解方法，它是力学，计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的理论基础和求 解方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体 的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或用其它方法将其归结为代数方程 组求解。 有限元法的基本思想是将一个实际的结构( 弹性连续体) 划分为有限大小的，有限个 数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。 这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。有限个的单 元称为有限单元，简称单元。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建 立近似的力学模型，对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位 移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成 结构，形成整体结构的刚度方程离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性 质、描述变形形态的需要和计算精度而定，一般情况下，单元划分越细则描述变形情况 越精确，即越接近实际变形，但计算量也越大。所以有限元法中分析的结构已不是原有 的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的 结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。如果划分单元数目足够多而合 理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 有限元法的优点【9 1 ： ( 1 )由于可任选单元体的形状和尺寸，故可以“组拼出形状复杂的机械零件。 在作应力分析时，无需对零件的几何形状作过多的简化，从而提高了解题精度，扩大了 可解的范围： ( 2 ) 对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察： ( 3 ) 对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点来计算； ( 4 ) 易于解决有初应力、热应力的问题； ( 5 ) 易于处理材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解； ( 6 ) 可以解决材料的非线性和结构的非线性问题； ( 7 ) 采用大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动 1 0 硕士论文安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 和稳定性。 总的来说有限单元法具有牢固的理论基础，是一个广泛的数值分析工具，非常适合 于分析计算复杂形状的零部件的受力变形问题。因此，本车架采用有限元的方法来分析。 2 2 有限元法基本思路 有限元法的基本思路是通过连续体离散化的方法，寻求适应控制方程并满足边界条 件和连续条件的有效值方法。 它的具体做法是，先将物体假想地分割( 离散化) 成许多小单元，各个单元由节点联 结起来。对于每个单元，用节点未知量通过插值函数近似地表征单元内部的各种物理量， 并使它们在单元内部以积分的形式满足问题的控制方程，从而将每个单元对整体的影响 和贡献，转化到各自单元的节点上。然后将这些单元总装成一个整体，并使它们满足整 个求解域的边界条件和连续条件，得到一组有关节点未知量的联立方程，方程解出后， 再用插值函数和有关公式，求得物体内部各点所要求的各种物理量【1 0 1 。 有限元分析主要包括结构离散化和确定位移函数、单元特性分析、单元组集、求解 未知节点位移和计算应力等内容。 ( 1 ) 结构离散化和确定位移函数 将某个工程结构离散为由各种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结起来；单元节点的设置、性质、数目应体现问 题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定( 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己不是 原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样 用有限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。 根据构件的几何特性、载荷情况及所要求的变形点，建立由各种单元所组成的计算 模型。再按单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数 u ( x ，m z ) ，v ( x ，m z ) ，w ( x ，m z ) 和d = s ( x ，y , z ) a 。利用节点处的边界条件写出以a 表示的节点位移 q 。= k 1 1 ，l w i u 2 1 ，2 w 2 2 并写成g 。= c a 求c _ 1 及a - - c - 1 9 。，并代入d = s a ，得d = s c - 1 q 。= n q 。 它是用节点位移表示的单元体内任意点位移的插值函数式。 ( 2 ) 单元特性分析 1 ) 选择位移模式 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，所以在有限元法中位移法应用范围最广。 1 1 2 有限元法基础与问题求解方法硕士论文 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、 应变和应力等由节点位移来表示。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，有限元法中我们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，如： y = q 一 ( 2 1 ) i = l 其中，a i 是待定系数，是与坐标有关的某种函数。 2 ) 分析单元的材料性质、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，此时需要应用 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， 这是有限元法的基本步骤之一。 根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应变为 g = b q ( 2 2 ) 式中卜应变矩阵。相应的变分为： ， 瑟= b 国。 ( 2 3 ) 由物理关系，得应变与应力的关系式为： 仃= d 占= d b q 。 ( 2 4 ) 式中，d 为弹性矩阵。 根据虚位移原理防r o d v = 国，厂，可得单元节点力与位移之间的关系式为： f 。= k 。q 式中，k 。是单元特性，即刚度矩阵，并可写成 k 。= i b r d b d v ( 2 5 ) 由 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到节点上去，也就是用等效的节点力来 代替作用在单元上和力。 ( 3 ) 单元组集 利用结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联接起来，形成整 体的结构平衡方程组即整体结构的节点力与节点位移的关系。 f = 砀 ( 2 6 ) 式中，k 整体结构的刚度矩阵； f _ 总的载荷列阵； 1 2 硕士论文安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 q 整体结构所有节点的位移列阵。 对于结构静力分析载荷列阵f 可包括 f = ，+ 厶+ 工 ( 2 7 ) 式中，f = i r p ，d 矿( 体积力转移) ；厶= 【r p ，d s ( 表面力转移) ； 工= 【r p ，d y ( 集中力转移) 。 ( 4 ) 求解未知节点位移 解有限元方程组得到节点位移，可采用不同的计算方法解有限元方程，得出各节点 的位移。在解题之前，必须对结构平衡方程进行边界条件处理，然后再解出节点位移。 ( 5 ) 计算应力 若要求计算应力，则在计算出各单元和节点位移g 后，由g = b q 和o r = d e , 即可求 出相应的节点应力。 根据上述分析可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合一，分是为了进行单元 分析，合则是对整体结构进行综合分析【1 1 1 。 2 3 有限元法分析流程 在有限元分析实际应用中，大量的工作是数据准备和整理计算结果。目前，许多软 件都提供前后处理程序，自动生成有限元模型数据( 尤其是几何数据) ，自动处理分析结 果数据并赋予图形显示。因此，有限元设计过程就是正确使用有限元分析软件的过程， 典型的流程如图2 1 所示。 图2 1 有限元分析流程示意图 1 3 3 车架有限元计算模型的建立硕士论文 3 车架有限元计算模型的建立 3 1 前处理和分析软件的选定 有限元分析技术已经发展成为c a e 的核心，而贯穿于产品概念设计、详细设计和 制造过程的c a e 仿真技术对提高产品性能和质量起着举足轻重的作用。作为有限元仿 真分析基础的有限元分析前处理技术、有限元网格划分和有限元建模技术越来越受到分 析人员的重视。据统计，有限元前处理要占c a e 分析流程8 0 的时间，且计算分析结 果的准确性依赖于网格的质量，因此高性能的前后处理软件可以大大缩短c a e 分析流 程的时间及成本。 网格的划分是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工 作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将直接产生影响。所以采用一个功 能强大，使用方便灵活，并能够与众多c a d 系统和有限元求解器进行方便的数据交换 的有限元前处理软件对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。 近几年随着有限元技术的发展，有限元软件的功能也越来越全面。目前，在国际上 被认可的前后处理软件包括a l t a i r 公司的h y p e r m e s h ，m s c 公司的p a t r a n ，e d s 公司的 f e m a p ，c a e b e t a 公司的a n s a 以及a n s y s 软件。 应用最广泛的前后处理软件首推h y p e r m e s h ，它是一个针对有限元主流求解器的高 性能前后处理软件。h y p e r m e s h 通过输入输出功能，可以阅读各种行业内主要的c a d 软件数据格式，同时，可以对输入的几何实体进行清理或修补。所输入的几何模型中含 有面的信息，以及含有缝隙，重叠和不对齐现象，这就会防碍网格自动划分器生成高品 质网格。通过消除不对齐处及小孔，通过对相邻面间的边界进行抑制，可以在模型更大， 更广的区域内划分网格，从而提高整体网格划分速度和质量。 h y p e r m e s h 支持多种求解器输入输出格式，与主流求解器n a s t r a n ，a b a q u s ， l s d y n a , a n s y s 等无缝集成，本文所用分析软件是在汽车行业中著名a n s y s 求解器以及 l s d y n a 求解器。h y p e r m e s h 提供了一整套后处理功能，能够使用户方便精确地理解和 分析复杂的模拟结果。h y p e r m e s h 还提供了一整套可视化工具，使用等势面、变形结果、 等高线、瞬时结果、向量绘制以及用切割面轮廓线等方式对结果进行显示。h y p e r m e s h 还能够将变形通过线性和模态方式动态显示。通过这些功能及友好的用户界面，可以使 用户能够迅速找出问题区域，缩短结果评估所花费的时间。 所以，笔者选用h y p e r m e s h 作为前处理软件。 1 4 硕士论文 安装乐驾的某四轮驱动车车架的有限元分析 3 2 建模中的关键问题及方案的确定 有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征【1 4 】，在对具体问 题进行有限元分析时，需要建立相应的有限元模型。广义的有限元模型包括所有的节点、 单元、材料、边界条件和载荷，以及表现这个物理系统的其它相关物理特征。建立准确 可靠能反映分析问题本质的结构有限元计算模型，是一项尤为重要的工作，直接关系到 分析结果的正确与否。但是实际工程中，结构形状，材料行为，约束条件和载荷等往往 很复杂，在建立有限元模型过程中，需要做相应的简化，使得它能够反映工程问题的本 质，良好的有限元模型需要满足以下两点【1 5 】： ( 1 ) 有限元模型要有较好的经济性：当需要对大型结构进行有限元计算时，在建立 模型时，一定要考虑模型的经济性问题。虽然复杂的有限元模型具有较高的分析准确性， 但同时会增加前处理和计算时间，从而使计算费用大大增加。 ( 2 ) 有限元模型要有足够的准确性：所形成的计算模型要能基本上准确反映结构的 实际情况。既要考虑形状与构成的一致性，又要考虑到支承情况及边界条件的一致性， 还要考虑到载荷与实际情况相一致。必须合理地分配各个构件的单元数目。对一些形状 比较规则的构件可用较少的单元，而对一些形状比较复杂而又重要的构件可用较多的单 元来模拟。 图3 1 所示为本课题所研究车架f e 模型建立流程图。 图3 1 车架f e 模型建立流程图 3 2 1 模型中焊点与螺栓连接处理 以往连接部位的处理，是直接把整个车架连成一整体，没考虑联接问题。现代车架 的纵横梁大多是焊接、铆接或螺栓联接等，只有按相应的联结方式处理，才会正确体现 出联结部位应力变化。螺栓和铆接连接有两种模拟方式：装配点处单点连接或局部细化 1 5 3 车架有限元计算模型的建立硕士论文 多点连接；焊缝的处理：可以默认和原钢材性能一致直接将单元连接边界协调起来， 也可用刚性单元连接，这样模型要偏刚一些【“】。 本文采取的方案：由于该车架纵梁主要是钢板构件，大部分是铆接和螺栓连接而 成，部分的接触采用焊接。 连续焊包括t 型焊，l 型焊和l 悍，其物理模型和f e m 模型如图3 2 3 4 所示。 t 型焊： l 型焊 ( a ) 物理模型 m 冒3 模型2 t 型焊模型目 删模型 图型焊模型目 ( a ) 物理模型 俐兹芒型焊模蛐 “模型 ( a ) 物理模型( o ) j l 何模型 忙) f e m 模型 图3 4 | | 犁焊模型 刚性单元主要用于