某车架的有限元分析毕业论文.doc

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）某车架的有限元分析毕业论文 目录摘 要I1绪 论11.1课题背景11.2论文选题的意义11.3有限元法在车架结构设计中的应用现状21.3.1车架结构设计与分析的概述21.3.2车架结构有限元模型的形式21.3.3车架结构有限元分析类型31.3.4有限元法在车架结构分析中存在的问题41.4本文的主要研究内容42车架三维模型的建立52.1CATIA软件的简介52.1.1关于CATIA52.1.2关于CATIA V552.1.3CATIA的主要功能模块62.2车架草图的绘制72.3车架零件图的绘制83车架有限元模型的建立103.1ANSYS软件的介绍103.1.1ANSYS的发展概述103.1.2ANSYS的主要特点103.1.3ANSYS的主要功能113.1.4ANSYS的结构分析文件113.1.5ANSYS单元库构成体系113.1.6ANSYS中的耦合与约束方程123.1.7ANSYS求解器简介123.2车架有限元计算模型的建立133.3悬架模型的建立164.1车架设计中应用的有限元法194.1.1车架设计分析概述194.1.2有限元法在汽车车架设计分析中的应用204.2汽车车架的静力分析204.2.1汽车车架静力分析的典型工况204.2.2载荷加载的处理214.2.3车架静力分析过程224.2.4车架结构静力分析结果264.2.5车架结构静力分析结果评价274.3车架结构模态分析过程27总 结32参考文献33致 谢34 351绪 论计算机的出现给社会带来了巨大的改变，同时也为工程结构的设计、制造提供了强有力的工具。要想设计生产出性能优越的汽车，不应用计算机进行辅助设计分析是难以实现的。因此，汽车的各个生产设计部门都非常重视在设计过程中采用计算机技术。其中，用于车架结构设计的有限元法是近几十年发展起来的新的计算方法和技术，可以解决以往许多手工计算无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。1.1课题背景在汽车行业中，有限元法广泛应用于汽车总成，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。目前，在进行汽车车架结构设计时，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会导致车架简化计算精度不够精确，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，同时也造成材料的浪费。为了提高车架的设计水平，必须将车架有限元分析技术应用到设计中去。本文以某中型载货汽车车架为研究对象，对车架结构有限元模型的建立，静、模态特性分析以及优化等内容进行初步研究与探讨。1.2论文选题的意义随着现代汽车设计的要求的日益提高，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：（1）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开发、设计、分析和制造的效率和车架的性能。（2）车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、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和变形情况，有限元法正好能够帮助解决这一问题。（3）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。（4）通过对车架结构的优化设计，可以减小车架的体积和重量，在保证车架性能的前提下节省材料，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，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。1.3有限元法在车架结构设计中的应用现状1.3.1车架结构设计与分析的概述早期的车架设计采用设计和试验同时进行的方法。需要经过样品制造试验修改再设计的往复，这种方式导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和财力资源的严重浪费。随着设计经验的累积，人们将计算机技术应用于车架结构性能的分析及设计中。初期的车架结构性能计算是通过将车架简化成单根纵梁，进行弯曲强度校核。这种计算方法至今还在沿用，显然满足不了现代汽车车架结构整体性能的设计要求。后来提出的车架结构扭转强度计算方法，只能计算纯扭转工况，不能考虑车架的实际工况，并且计算比较复杂，工作量大，在实际运用中有很大的困难。再后来，人们将类比设计的思想应用于车架设计中。这种设计方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计，目前依然是车架结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能造成车架各处强度不均匀，某些局部强度较大，产生材料浪费等现象。20世纪60年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得了广泛应用。有限元法不需要对所分析的结构进行简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度较高。1.3.2车架结构有限元模型的形式有限元分析是用一组离散化的单元集合来代替连续体结构进行分析的，这种单元集合体称为有限元模型。如果已知各个单元的刚度特性，就可以根据节点的变形连续条件和平衡条件推出结构的特性并研究其性能。由于有限元法是一种近似的数值方法，其计算结果是近似解，精度主要取决于离散化误差。因此，有限元模型的建立是进行有限元分析的关键性一步。根据采用的单元形式，车架有限元模型可以分为实体单元模型和板壳单元模型等。实体单元模型，前处理相对简单，计算机内存处理快，计算精度相对较低；板壳单元模型能够准确描述车架的形状，但前处理复杂，工作量大，需要计算机内存大，运算速度慢，一般应用于对精度要求高的场合。1.3.3车架结构有限元分析类型1.静力分析随着有限元法在汽车结构性能分析中的应用与发展，汽车车架结构静力有限元分析已经成为汽车车架结构性能分析必不可少的内容。为了使计算符合实际使用工况，一般将悬架结构与车架一起考虑进行静力有限元分析。这样，就可以把路面的影响直接作为工况进行处理。在进行静力有限元分析时，一般将车架结构上的各个总成处理成各总成在车架上相应位置的集中载荷，货物则处理成分布载荷，车架重力一般忽略不计。根据汽车实际行驶工况，一般分以下几种工况：即车架结构的弯曲分析工况、扭转分析工况等，根据实际需要可以选择不同的工况进行相应的约束。在进行汽车车架结构静力有限元分析后，一般根据汽车车架结构强度和刚度分析的需要，采用后处理软件对计算机进行处理，计算出应力最大的危险点以及变形最大的点，以此评价汽车车架结构的静力性能。2.模态分析汽车车架结构作为汽车的承载体，在外部作用下产生的弯曲、扭转、振动不但造成车架结构的疲劳损伤，而且还影响车辆的舒适性和行驶平顺性。通过模态分析，可以得出车架结构的固有频率和固有振型，对于防止汽车发生共振等情况具有指导作用，而且模态性能也是车架结构动力响应分析的基础。3.优化分析在车架的设计中，人们总是希望在满足强度、刚度要求的条件下，尽量使车架的质量最小。因此，设计出质量小而各方面性能又能达到要求的车架是一项重要的工作，这就对车架的结构优化提出了新的要求。传统的车架设计方法精度低，除个别构件应力水平较高，大多数构件应力水平比较低，而且强度有富余。因此，必须将车架设计从类比的方法转移到结构优化上来。1.3.4有限元法在车架结构分析中存在的问题（1）采用适当的有限元模型，对车架结构进行静力分析和模态分析正在成为一种常用的分析手段，但对汽车车架结构进行有限元分析某些元件时该采用哪些单元还要继续研究。（2）轻量化要求已经成为现代汽车设计追求的目标之一。设计出既满足性能要求，质量又小的车架为车架的优化设计的首选目标，如何搞好车架结构的优化设计成为车架设计需要解决的一个难题。（3）近些年来，大多数国内汽车厂家已购买了各种与有限元分析相关的软件，这些软件功能完备，精度高，以及通用性和可靠性好，但是学习和掌握这些软件也是一个需要时间的过程。1.4本文的主要研究内容本文将采用CATIA建立车架三维模型，用ANSYS进行静力和模态分析，以及后期的优化。首先，对CATIA和ANSYS进行了简要的介绍，为车架进行有限元分析做好准备工作；其次，以某中型载货汽车车架结构为研究对象，利用CATIA建立了车架结构三维模型；再次，对车架结构的静、模态特性进行研究，对车架性能分析评价。 2车架三维模型的建立对于一个复杂的工程结构，有些工作是要分开进行的。本文车架三维模型的建立是在CATIA中完成的，结构分析是在ANSYS中完成的。本章讲述了几何模型建立过程，并对软件进行了简要的介绍。2.1CATIA软件的简介2.1.1关于CATIACATIA（Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application）是法国Dassault公司于1975年起开始发展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。CATIA不但能够保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA大量用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与3C产业、等各方面。由于其功能强大而完美，CATIA已经几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域，CATIA一直居于领先地位。在国内，几乎所有的航空工厂、半数以上的汽车厂商都在使用CATIA，哈尔滨飞机制造公司用CATIA来设计EC120直升机、从造型到数控程编，实现超精加工。2.1.2关于CATIA V5IBM/Dassault一贯对开发很重视，CATIA的新产品的开发非常的迅速。目前的CATIA覆盖了产品开发的整个周期，并且一直保持着其技术领先的优势。开始之初，受计算机硬件的限制，CATIA V4版本是工作站版本。运行在UNIX系统下，而随着计算机硬件的飞速发展，CATIA推出了运行在个人计算机(PC)上的版本CATIA V5。CATIA V5不但具有V4版本的强大功能、还增加了许多新的特性。CATIA V5包含的模块有(以P3版本为例)：基础结构模块、机械设计模块、曲面造型模块、分析模块，AEC工厂模块，NC加工模块，数字模型模块，设备和系统模块，数字程序和加工模块，人机工程设计和分析模块等，各个模块都具有强大的功能。在机械设计模块中，有专门的航空零件设计模块，强大的曲面造型能力是CATIA尤为值得称道的地方，模块中有专门针对汽车设计的模块。而且功能十分实用。2.1.3CATIA的主要功能模块（1）创成式工程绘图GDR CATIA可以利用3D机械零件模型和装配体生成相关联的工程图。图纸生成辅助器可大大简化绘制多视图的工作，并且可以自动生成尺寸标注。设计师可以建立与零件材料规格说明相关联的剖面线，可以进行基于标准的附加信息和注释等后处理。图纸与3D主模型的几何关联性可使用户并行地进行设计和工程绘图工作。同时还可输出DXF格式的数据文件。（2）交互式工程绘图ID1高效、直观的交互式绘图系统，进行产品的2D设计。可以在一个以CATIA为主干系统的扩展型企业中，供所有2D CAD用户使用。ID1产品集成化的2D交互功能与高效的补充作图和注释功能从两方面进一步丰富了CATIA创成式工程绘图功能，它为用户提供了更加容易和流畅的从2D设计过渡到3D设计的转变过程。（3）线框和曲面造型WSF 在零件设计的初始阶段，生成线框类结构元素，作为CATIA零件设计产品的补充。线框特征元素和基本的曲面特征元素的使用大大丰富了现有的3D机械零件设计方法。它的基于特征的方法提供了高效、直观的设计环境，可用于捕捉和重复使用设计的方法和规则。（4）创成式外形设计GSD CATIA外形设计模块基于线框与多个曲面特征组合，可以设计复杂的外形。GSD提供了CATIA线框与命令。它提供了一套广泛的工具集，以建立并修改用于复杂外形和混合造型设计中的曲面。CATIA创成式外形设计产品的基于特征的设汁方法，提供了高效、直观的设计环境，以对曲面方法和技术规范进行捕捉和重用。（5）空间分析SPA CATIA可以进行电子样机的干涉检查、断面分析和3D几何尺寸比较等验证。可以进行碰撞、间隙及接触等计算，并得到更为复杂和详尽的分析结果。剖面观察器可以帮助用户对曲线进行分析和标注。它处能够比较3D几何体，并将结果进行可视化显示。通过与CATIA的目标管理器COM的集成，能够进行质量、惯性测量和计算。（6）知识工程顾问KWA CATIA可以将隐式的设计转化为嵌入整个设计过程的显示知识。用户通过定义特征、公式、规则和检查(例如制造周期中的特征包括成本、表面抛光或进给率)，可以在早期的设计阶段就考虑到各种因素的影响。（7）目标管理器COM CATIA提供了所有产品人机对话和显示管理等所必需的公共功能和整个基础构架，使所有产品共用统一的界面环境。（8）CATIA-IGES接口(IGl) CATIA支持中性数据格式IGES V5.3版本，具有IGES元素名字和CATIA几何元素标识之间的名字匹配管理功能。CATIA可以读/写IGES格式文件。该产品能够处理3D线框元素、曲面和剪裁曲面元素、等距偏置曲线、表皮和表皮边界、二次曲线和颜色等等。（9）CATIA V4集成器V41 CATIA提供了CATIA V4和CATIA V5之间的转换接口。2.2车架草图的绘制草图设计平台是CATIA设计的主要工作平台之一，在零件设计平台或曲面设计平台上，选择一个平面（可以是坐标平面、参考平面或者零件的表面等），单击Sketcher（草图）工具栏上的按钮，进入草图设计平台，如图2.1所示。图2.1草图设计平台图草图的工具栏：【轮廓】工具栏，提供了多种绘制草图几何元素的工具，通过【轮廓】工具栏提供的工具可以绘制各种形状的图形，是草图设计平台最基础的一个工具栏。【约束】工具栏，提供了多种约束工具，对绘制的几何元素精确定位并设定尺寸。可以通过设定几何元素的约束条件来准确地确定几何图形的位置和尺寸。【草图工具】工具栏，提供了几种绘制草图经常使用到的工具，包括网格显示切换工具，捕捉网格切换工具，构造元素和标准切换工具以及自动约束切换工具。通过这些工具的使用，可以使绘制草图的过程更智能。【操作】工具栏，提供对绘制的几何元素进行编辑的多种工具，通过使用该工具栏提供的工具，可以很方便地对绘制的几何元素进行编辑，达到理想的效果。【工作台】工具栏，可以进入或者退出草图。应用上面的工具，绘画CA1901汽车车架的草图，如图2.2所示。图2-2车架的草图2.3车架零件图的绘制零件设计平台是使用CATIA进行三维设计的主要工作平台，在草图中单击【工作台】工作栏中的退出工作台，进入零件设计平台，进行CA1901汽车车架的绘制，如图2.3所示。零件图的工具栏：【Sketch-based Features基于草图的实体特征】工具栏提供了10种生成零件的方法，这10种方法可以分成6类，是构建三维零件实体模型的基本工具。【Dress-up Features修饰特征】工具栏，提供了几种修饰零件的功能，对零件进行细化操作。【Transformation Feature转换特征】工具栏提供了几种实体转换工具，可以利用它们方便地生成零件特征或修改零件，避免了许多重复的工作。 图2.3零件设计工作台运用以上各功能创建的汽车车架三维模型，如图2.4。图2.4汽车车架的简化三维模型3车架有限元模型的建立在建立了车架的几何模型以后，通过PRO/E做接口，导入到ANSYS中。应用有限元软件ANSYS建立车架的有限元模型，即进入分析过程的前置处理(Preprocessing)阶段，它是根据分析目标，将实际结构简化为用网格划分的离散体，并最终形成计算数据文件。本章主要讲述有限元模型的建立过程，并简单的介绍了ANSYS软件。3.1ANSYS软件的介绍3.1.1ANSYS的发展概述ANSYS软件是由美国ANSYS公司研制的大型通用有限元软件。1970年，John Swanson 博士洞悉到计算机模拟工程应该商品化的发展趋势，在宾州匹兹堡创立了ANSYS公司。ANSYS公司开发的ANSYS第一个版本只提供线性结构分析及热分析功能，是一个批处理程序，而且只能在大型机上运行。其后，ANSYS公司在ANSYS中不断地加入越来越多的单元类型，考虑了非线性、子结构等新技术。20世纪70年代末，ANSYS引入了交互式概念，大大提高了用户对程序的使用效能；其前处理器和后处理器的概念，使得用户在建模与结构处理上非常方便。通过不断地融入新技术以及不断地满足用户要求，ANSYS公司使ANSYS不断向前发展并取得了巨大的成功。在跟踪有限元学科及其应用发展的同时，ANSYS也适应计算机技术的发展，能够在多种工作平台和多个操作系统上完全兼容，其并行处理技术大大提高了分析效率。3.1.2ANSYS的主要特点ANSYS在有限元分析软件领域中具有领先地位，主要是因为它具有下列特点：（1）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。（2）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。（3）唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。（4）有强大的非线性分析功能。（5）多种求解器分别适用于不同问题及不同的硬件配置。（6）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。（7）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。（8）多种自动网格划分技术。（9）可与大多数软件集成并有接口。（10）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。3.1.3ANSYS的主要功能利用ANSYS可以完成的功能包括：建立计算模型或者输入结构、产品、组件或系统的CAD模型；应用载荷或者其它设计条件；研究模型的物理响应，比如应力水平、温度分布或者电磁场等；对产品进行优化设计，以降低产品费用；做数值模拟试验等。ANSYS强大的单元库提供了各种物理场量的分析功能，可以应用的学科十分广泛，主要包括结构分析、热分析、高度非线性瞬态动力学分析、流体静力学和动力学分析、电磁场分析、声学分析、压电分析、多场耦合分析和设计灵敏度及优化分析。3.1.4ANSYS的结构分析文件在建立一个分析任务时，ANSYS自动创建大量文件，这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。3.1.5ANSYS单元库构成体系ANSYS具有覆盖各种物理特性的丰富单元。在进行有限元分析时首要的一步就是进行单元的选择，因此在数量众多的单元中，选择什么单元来模拟实际结构尤为重要。ANSYS有将近200多种单元，可以从几个不同的角度进行分类。按照构成的学科领域分类，可以分为：（1）结构单元；（2）流体单元；（3）热单元；（4）电路、电场和磁场单元；（5）耦合场单元。按单元维数与拓扑形式分类，可以分为：（1）二维或三维；（2）点单元（如质量单元）；（3）线单元（如弹簧、杆、梁等单元）；（4）面单元（如壳单元）；（5）体单元。其中，大多数体单元能退化成四面体，大多数二维四边形单元能退化成三角形。3.1.6ANSYS中的耦合与约束方程在通常情况下，直接使用ANSYS提供的单元，各个单元的节点自由度之间相互独立。但是在一些特殊情况下，这些自由度之间可能存在某些特殊关系，使其并不独立。如刚体中，节点与节点之间不存在相对运动，从而这些节点之间的位移自由度相同，即节点相互耦合。在ANSYS中，为了描述自由度之间的这种关系，需要用到耦合与约束。耦合是指两个或多个自由度之间具有相同的值，典型的耦合情况有以下三种：（1）模型中包含对称；（2）模型中有一部分看成是刚体；（3）在两个重合节点之间形成销钉、铰链连接或者滑动连接。约束方程是比耦合更有效的联系节点自由度值的方法，耦合只是让节点自由度值相等，约束方程则用一个线性方程来描述节点自由度之间的关系。约束方程的典型应用包括：（1）节点中有各种连接，如销钉连接、铰链连接；（2）周期情况；（3）刚性区域；（4）不相似的已划分网格的区域需要连接。3.1.7ANSYS求解器简介ANSYS的求解过程由于求解类型不同而不同，但是其基本求解过程是相同的，主要有如下几步：（1）运用单元工具获得积分点，建立求解所需的矩阵；（2）用不同的求解方法（即求解器）对已建立好的方程求解，获得基本解；（3）通过单元的形函数以及其它一些工具获得单元的导出解。3.2车架有限元计算模型的建立有限元模型的建立是进行有限元分析的第一步，也是关键的一步，它包括:将在CATIA中建立的车架模型导入到ANSYS中（本文用PRO/E做接口），并对模型进行检查，划分网格，建立车架的有限元模型，添加单元及材料属性。1.导入CATIA模型，生成数据库文件。由PRO/E的链接直接进入ANSYS用户操作界面。也可以选择Utility MenuFileImportPRO/E菜单，弹出对话框，然后输入出现在CATIA中创建的车架模型文件。如图3.1所示。图3.1导入CATIA几何模型在ANSYS中，对导入的车架模型进行检查，模型显示正常，基本上没有数据丢失，车架结构模型如图3.2。图3.2导入的车架模型2.生成有限元模型。导入模型后，我们必须指明单元类型，给予实常数，还必须先定义材料属性，然后方可划分网格，建立有限元模型。（1）定义单元类型。选用实体单元，具体为Solid Brick 8node 45单元，如图3.3所示。图3.3定义单元类型（2）设置材料属性。文中的车架材料如表3.1所示数据。将材料的属性输入，如图3.4所示。表3.1车架及悬架的材料属性车架材料弹性模量（）泊松比密度（）车架16Mm钢2.11e110.297900悬架60Si2Mn2.06e110.37800图3.4设置材料属性（3）划分网格。对结构进行有限元网格划分，从理论上来讲是任意的，但在实际工作中必须考虑到现实性及经济型，因而在划分时，必须遵循下列原则：1）所选用的单元不应使受力失真；2）结构的简化应确保所需的计算精度；3）尽可能利用对称性、重复性，从而压缩所需的计算机内存量，减少计算时间；4）要选择恰当的数字模型，保证计算精度，减少计算时间，降低计算费用。进行有限元划分时，首先必须作结构分析，确定单元类型。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。网格划分的疏密程度也随分析问题的不同而不同。采用ANSYS对车架模型进行自由网格划分，使网格划分更加合理些。具体的操作步骤【Preprocessor】-【Meshing】-【Mesh】-【volumes】-【Free】。图3.5所示为车架网格划分示意图。图3.5车架网格划分示意图3.3悬架模型的建立（1）选择菜单 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出对话框如图3.6左图所示；图3.6添加COMBIN1和MPC184单元对话框（2）点击Add按钮，弹出对话框如图3.8右图所示，选择左栏Combination，选择右栏Spring-damper14，点击Apply按钮；（3）选择左栏Constraint，选择右栏Nonlinear MPC 184，点击OK按钮；（4）选择菜单 Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete，弹出对话框如图3.7所示；图3.7弹簧单元实常数的定义（5）点击Add按钮，弹出对话框如图3.9所示，选中COMBIN14单元类型，点击OK按钮，弹出对话框如图3.9右图所示；（6）设置好单元的实常数序号1及刚度值74000（N/m），点击Apply，完成一个实常数的定义；（7）与（6）类似，创建实常数序号为2，对应的刚度值为258000（N/m）。（8）选择菜单 Main MenuPreprocessorModelingCreateNodesInActive CS，输入图3.7所示的120节点坐标，创建节点，注意，如果已有有限元模型中已经存在120中的节点，则不用生成这些节点；（9）选择菜单 Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes，弹出对话框如图3.8所示；（10）设置好要创建的单元类型序号、材料模型序号和实常数序号以及单元坐标系，点击OK按钮；（11）选择菜单 Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsAuto NumberedThru Nodes；图3.8定义单元属性对话框（12）在图形区选择单元的节点。在完成上述步骤后，一个完整的汽车车架结构有限元模型已经在ANSYS中建立起来了，如图3.9所示。该有限元模型包括实体元20380个，螺旋弹簧单元8个，模拟悬架的MPC184刚性梁单元8个。图3.9车架结构有限元模型4车架模型有限元分析本章将利用前面建立的车架有限元模型，应用ANSYS软件对它扭转和弯曲工况进行静力强度分析和模态分析，通过有限元仿真计算，研究所分析车架的结构性能。4.1车架设计中应用的有限元法4.1.1车架设计分析概述进行车架设计时，首先要选定车架结构形式，车架结构形式大致有：周边式车架、X型车架、脊梁式车架和综合式车架等，本文所研究的车架形式为梯形式车架。过去我国主要采用对车架样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度及刚度，有时还采用在车架上贴应变片的电测方法，让汽车在选定的典型路段上满载行驶，以测定车架的应力。以上这些方法都只有在有车架样品的情况下才能采用。车架的受力状况简化成二种典型的计算工况：（1）确定汽车以满载在不平度值很小的平坦路面上以需考虑动载荷的足够高的车速行驶车架的应力。（2）汽车满载低速行驶于坏路面且轴荷分配小的车桥上的一个车轮滚上一个20cm的凸包时车架元件的应力。在这二种典型工况下，只要车架的强度得到保证，就认为该车架在汽车的各种行驶条件下是可靠的。以上是传统的车架强度的计算方法，只能近似算出车架某一断面的应力平均值，不能完全反映车架上应力及其分布的真实情况。因此，这种方法仅用于对车架强度的验算，或用于与其它车型的车架强度进行比较，而不能用于计算车架上某点(如应力集中点)的真实应力值。有限元法是一种现代化的计算复杂结构极为有效的数值计算方法，它可以很好地模拟零部件的实际形状、结构、受力和约束，从而准确且精确地计算出各种机械零部件的几乎所有几何部位的应力和应变。使用有限元法对汽车车架进行强度分析，只要计算模型简化合理，受力与约束条件处理恰当，就可以得出较理想的计算结果。且可以得到比较详细的应力和变形的分布情况，以及应力集中区域和应力变化趋势，这些都是上述传统方法难以做到的。4.1.2有限元法在汽车车架设计分析中的应用汽车车架是汽车中重要的承载部件，承受着车轮传来的一切作用力，因此，在设计过程中必须对车架的应力、变形、危险部位的应力等进行计算和校核，通过对汽车车架进行有限元计算，可以解决这些问题。4.2汽车车架的静力分析4.2.1汽车车架静力分析的典型工况进行有限元计算时，模型的约束方式必须满足的条件是：保证结构不产生刚体位移，使整体刚度方程有唯一解。在汽车的行驶过程中，典型的工况主要包括弯曲、扭转、紧急制动和转弯四种工况，其中弯曲和扭转是对车架结构影响较大的两种工况。本章将以弯曲和扭转两种工况做为分析工况，为保证有限元模型不产生刚性位移，对这两种工况要进行约束处理。1.弯曲工况弯曲工况是模拟在满载状态下、四轮着地时汽车在良好路面匀速直线行驶的状态。通过有限元计算模拟弯曲工况时，车架承受的质量和载荷要乘以一定的动荷系数来进行车架结构的强度和刚度校核。研究表明在对车架弯曲工况进行模拟时，最大动荷系数以不超过2.5为宜。在分析计算时，弯曲工况下车架的约束如表4-1所示。2.扭转工况扭转工况是模拟一个车轮悬空而另外一个车轮被抬高时汽车的受力状态。在进行计算时，前悬架与车轮连接处施加20的Y方向位移，但要求左右位移反号，汽车遭受最剧烈的扭转工况一般是在低速通过崎岖不平路面时发生。这时由于车速很低，所以惯性载荷很小，最大动载荷系数以不超过2.3为宜。在分析计算时，扭转工况下车架的约束如表4-1所示。表4.1整车弯曲工况与扭转工况的约束情况弯曲工况节点编号UxUyUzROTxROTyROTz1、2、3、4YYYYY5、8 耦合YYYY Y9、11耦合YYYYY13、15耦合YYYY Y17、19耦合YYY YY扭转工况2、3YYYYY1YY0.02YY4YY-0.02YY5、8耦合YYYYY9、11耦合YYYYY13、15耦合YYYYY17、19耦合YYYY备注：表中所示的节点为理论节点，实际作用节点以有限元模型中真正的节点号为准。其中Ux、Uy、Uz为节点的平动自由度，ROTx、ROTy、ROTz为绕轴转动的自由度，Y表示对该自由度进行约束。4.2.2载荷加载的处理根据公式，计算出相关节点的平均受力，直接施加到相关节点上，如图4.1，图4.2。载荷具体加载位置和数值见表4.2。图4.1选择受力节点图4.2输入载荷方向和数值表4.2各总成的简化集中载荷在有限元模型中作用的节点信息总成作用节点坐标（车架坐标系）载荷大小载荷方向X(m)Y(m)Z(m)(N)驾驶室总成4.1050.13501225-FY5.0050.12501225-FY5.0050.125-0.8641225-FY4.1050.135-0.8641225-FY水箱含水6.3950.090196-FY6.3950.09-0.864196-FY转向器及支架6.240.120-0.864392-FY发动机总成6.1590.0802900-FY5.1920.06-0.4321450-FY6.1590.08-0.8642900-FY油箱含油3.150.10735-FY3.650.10735-FY蓄电池及贮气筒4.5550.1-0.864392-FY4.2250.1-0.864392-FY车厢及货物3.9000.154 013230-FY3.9000.154-0.86413230-FY00.154-0.86413230-FY00.154013230-FY4.2.3车架静力分析过程采用上一章建立的车架结构有限元模型，应用ANSYS软件进行静力分析。1.加载数据模型文件启动ANSYS，点击工具栏的按钮，选择前面已经建立好的文件，如图4.3。图4.3调入车架模型2.定义工况约束根据整车弯曲工况的约束方案对车架结构进行约束，其中耦合自由度操作为：1）按图4.4所示菜径选取 Main Menu PreprocessorCoupling/CeqnCouple 命令；图4.4自由度耦合操作2）在弹出 Define Coupled DOFs 对话框后，根据表4.1在图形区选取要耦合的节点，点击Apply按钮；3）在弹出的对话框中选择要耦合的自由度，并填好耦合序号，点击Apply按钮，完成所选节点的耦合；4）选择另一组要耦合的节点，重复2)、3)；5）在所有节点耦合完成后，点击OK按钮。自由度约束添加操作为：1)按图4.5所示菜单路径选取Main Menu SolutionDefine LoadsApplyDisplacementOn Nodes 命令；图4.5自由度约束操作2）在弹出 Apply U，ROT on Nodes 对话框后，在图形区选取要进行自由度约束的节点，点击OK按钮；3）在弹出的对话框中选择要约束的自由度及自由度数值；4）点击OK按钮，完成约束处理。3.设置分析类型ANSYS包含七种分析类型，这里不一一列出，只选择静态分析（Static）。在进行分析求解之前，必须定义好求解类型，具体步骤为：1）按图4.6所示菜单路径选取 Main Menu SolutionAnalysis TypeNewAnalysis 命令；2）选取Static，点击OK按钮。4.设置分析类型选项这一步主要是针对不同的分析类型设置它们各自的分析选项，包括通用几何非线性、求解器等一系列设置选项以及静动力学分析类型的其它专用选项。进行结构的静力和模态分析时，采用程序的默认选项就可以很好地完成问题的求解，因此，采用默认设置。图4.6求解类型的定义5.求解在完成上述所有步骤之后，就可以对有限元模型进行求解。求解步骤为：1）选取 Main Menu SolutionSolveCurrent LS；2）点击OK按钮，计算机开始求解，直到求解完成。6.结果后处理在完成结构的有限元计算后，采用 ANSYS 提供的通用后处理模块就可以方便、直观地观察有限元分析的结果。显示应力和变形图的操作步骤为：1）按图4.7左侧所示菜单路径选取Main Menu GenneralPostprocPlot ResultsNodal Solu命令，弹出右侧对话框；2）选择应力stress选项，在右侧栏选择中von MisesSEQV选项，其余采用默认设置；3）点击OK按钮，在图形区将出现分析结构的应力及变形图。图4.7后处理显示应力及变形操作菜单4.2.4车架结构静力分析结果带有悬架系统的车架模型，在刚性梁单元MPC184 连接下模型的变形及应力分布如图4.8和4.9所示。图图4.8弯曲工况下的应力（左）、变形（右）分布图4.9扭转工况下的应力（左）、变形（右）分布4.2.5车架结构静力分析结果评价结构静力分析的目的是根据有限元分析的结果数据对车架的强度进行评价。车架弯曲受力如图4.8所示，最大应力出现在最后一根横梁处，应力值在许用范围之内。车架扭转的受力图如4.9，其中最大的应力出现在倒数第二根横梁处，并且应力值没有超出许用范围。4.3车架结构模态分析过程本节以上一章建立的车架有限元模型为例，阐述利用ANSYS软件对车架结构进行模态分析的基本过程，步骤1至4具体操作参考4.2.3节内容：1.启动ANSYS，点击工具栏的按钮，选择前面已经建立好的文件并打开；2.定义自由度耦合与约束，操作与静力弯曲工况完全相同；3.设置分析类型。（1）按图4.6所示菜单路径选取Main Menu SolutionAnalysis TypeNewAnalysis 命令；（2）选取Modal，点击OK按钮确定。4.设置模态分析类型选项模态分析选项设置主要包括：模态提取方法、模态提取数目是否进行扩展模态计算以及扩展模态的数目等内容。ANSYS提供七种模态提取方法，其中Block Lanczos 方法因其精度高与计算速度快等特点在大型结构分析中被广泛采用，本文采用该方法提取车架结构的前八阶模态。在模态分析中，求解的是频率和振型，这些内容被写到输出文件Jobname.OUT 及振型文件 Jobname.MODE 中。但由于振型文件没有写到数据库或结果文件中，因此不能对结果进行后处理。为了能够对结果进行后处理，必须进行模态扩展，也就是必须将振型写到结果文件中。图4-10模态分析类型选项设置对话框模态分析类型选项设置的具体操作步骤为：（1）选取菜单 Main Menu SolutionAnalysis Type Analysis Option 命令；（2）在弹出图4-10左侧所示对话框后，将模态提取方法设为 BlockLanczos，模态提取数目30，扩展数目30，是否使用集中质量选项设为yes，点击OK按钮确定；（3）在弹出图4-10右侧所示的对话框后，选择默认选项，点击OK按钮确定。5.求解在完成上述所有步骤之后，就可以对有限元模型进行求解，求解命令的菜单路径为：Main Menu SolutionSolveCurrent LS。6.结果后处理（1）选取菜单 Main MenuGeneral Postproc 进入后处理器；（2）选取菜单 Main MenuGeneral PostprocResult Summary 列出固有频率。（3）选取菜单 Main MenuGeneral PostprocRead Results-First Set 读入第一阶模态结果；通过后处理，得到车架的前二十阶固有频率如表4.3所示，车架的前二十阶固有振型如图4.11、图4.12、图4.13所示。表4.3车架结构前20阶模态（Hz）阶数频率阶数频率10.871192.6620.9112114.4932.1813150.1542.9114169.1358.6115171.77610.5416242.22712.7217251.61841.8318273.21952.0719285.89第1阶振型 第2阶振型图4.11车架的1、2阶固有振型第3阶振型 第4阶振型第5阶振型 第6阶振型图4.12车架的3、4、5、6、阶固有振型第7阶振型 第8阶振型第9阶振型 图4.13车架的7、8、9阶固有振型当车辆以较高车速在平坦道路上行驶时,常受到对称垂直载荷作用,这类载荷最易激发车架结构的弯曲模态，通过上述弯曲模态分析，可以看到车架在不同阶次下的频率，当知道汽车其他的配件的频率后，可以防止汽车在使用时产生共振。 总 结本文主要应用CATIA和有限元分析软件ANSYS对某汽车车架进行结构建模、有限元分析，得出了一些有益的结论。认识了CAITA软件建模的特点和ANSYS分析解决工程问题的特点、范围及深度，对ANSYS的参数化建模有了很好的认识，对车架进行了简单的优化设计。主要研究工作和结论如下:1.较全面介绍了CATIA的主要功能和模块及其建模的优点。总结了应用CAITA建立几何模型的技巧和模型简化的方法，以