基于ANSYS的本田节能赛车车架静态受力分析.pdf

第5 1 卷第2 期 V 0 1 5 lN o 2 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 3 年2 月 F e b r u a r y2 0 1 3 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 0 2 0 0 4 基于A N S Y S 的本田节能赛车车架静态受力分析 谭哲颖 蔡劲辉 51 0 6 4 2 广东省广州市华南农业大学工程学院 摘要 汽车车架是整个汽车的安装载体 不仅要支撑固定车上各个部件 还要承受着来自道路的各种复杂载荷 的作用 是整车可靠性和使用寿命的重要保证 因而 车架的强度和剐度在汽车总体设计中显得非常重要 其 中 三轮车车架是一个多自由度弹性振动系统 稳定性一般比四轮车差 对车架的强度和刚度要求更高 本文以 我校参加本田节能竞技大赛的三轮赛车车架为研究对象 按照一定的模型简化原则 以有限元分析方法为基 础 利用A N S Y S 软件建立节能赛车车架有限元模型 为了在简化计算的同时获得可靠的计算结果 单元类型采 用梁单元B E A M l8 9 j 同时 文章中对赛车实车静止状态进行了受力分析 关键词 三轮节能赛车 车架 有限元法 静力分析 A N S Y S 软件 中图分类号 U 4 6 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 2 0 0 1 4 0 4 T h eS t r u ct u r a l A n a ly s iso nt h eF r a m eo fH o n d aE n e r g y s a v in gV e h icleB a s e do nA N S Y S T a nZ h e y in g C a iJ in h u i C o lle g eo fE n g in e e r in g S o u t hC h in aA g r icu lt u r a lU n iv e r s it y G u a n g z h o uC it y G u a n g d o n gP r o v in ce5 1 0 6 4 2 C h in a A b s t r a ct A st h eb a s eo fav e h icle t h ef r a m e o nw h ichm o s to ft h ep a r t sa n dco m p o n e n t sa lea s s e m b le d s u p p o r t sa ll k in d s o fco m p lica t e dlo a d sco m in gf r o mt h er o a d S ot h ein t e n s it ya n dt h er ig id it yo ft h ef r a m ea r eo fg r e a ts ig n if ica n ceint h ev e h icle s d e s ig n B e ca u s et h ef r a m eo ft h r e e w h e e l v e h icle sisa ne la s t icv ib r a t io ns y s t e mw it hs e v e r a l d e g r e e so ff r e e d o m it ss t a b ilit yis w o r s et h a nf o u r w h e e lv e h icle s T h e r e f o r e itr e q u e s t st h ein t e n s it ya n dt h er ig id it ym u chh ig h e r I nt h isp a p e r t h er e s e a r ch o b j e ctist h ef r a m eo fH o n d ae n e r g y s a v in gv e h icle A cco r d in gt ot h er u le st os im p lif yam o d e l a n dt h ef in it ee le m e n tm e t h o d s o f t w a r eA N S Y Sisa p p lie dt ob u ildt h eF E Mm o d e lo ft h ef r a m e I no r d e rt os im p lif yt h eca lcu la t io na n de n s u r et h er e lia b ilit yo f ca lcu la t io nr e s u lt s B E A M l8 9iss e le ct e da sb a s e de le m e n t A n ds t a t icf o r cew illb ea n a ly z e dint h isp a p e r K e yw o r d s e n e r g y s a v in gv e h iclew it ht h r e e w h e e l f r a m e F E M s t a t ica n a ly s is A N S Y S 0 引言 随着经济发展 汽车消费和保有量不断增加 人均一台轿车的现象越来越普遍 能源与汽车消 费之间的矛盾将日益激化 同时城市交通负荷也 日益增加 因此 现代轿车在发展新型环保能源的 同时 汽车必将向轻型化 小形化发展 两前轮单 后轮的三轮式轿车不仅具有上述特点 而且能省 去后桥差速器 结构更简单 降低能耗的损失 是 新型轿车一个很好的研究方向 车架作为承载件承担着发动机 车身 底盘 货物和乘客的重量 其可靠性关系到整车能否正 常运行 而三轮车车架是一个多自由度弹性振动 系统 稳定性一般比四轮车差 对车架的强度和刚 度要求更高 1 I 运用计算机仿真技术对本田节能 赛车的三轮式车架在不同工况下的静强度进行分 收稿日期 2 0 1 2 1 1 1 5修回1 3 期 2 0 1 2 1 2 0 3 析计算 利用有限元法准确地分析车架在静态载 荷下的应力分布状况和变形状况 方便找出薄弱 环节 为车架设计及优化提供理论依据 研究三 轮式的本田节能赛车 为后续进行三轮式轿车车 架的研究设计奠定基础 1 车架有限元建模 2 3 1 1 车架C A D 模型的建立 在进行有限元分析时 为了保证计算的准确 性以及减小计算规模 在尽可能如实地反映车身 结构主要力学特性的前提下 应该尽量简化车身 骨架结构的几何模型 在简化的过程中 对承载件 应尽量保留其原结构形状 位置 才能比较真实反 映汽车的应力分布 辅助承载件一般可以保留原 力学性质即单元刚度矩阵的主要特征 为减少计 算工作量 突出主要矛盾 可以适当进行简化 合 并等效 而工艺装饰件的作用不是着眼于增加结 第5 1 卷第2 期谭哲颖等 基于A N S Y S 的本田节能赛车车架静态受力分析1 5 构强度 计算时可以简化略去 建立的C A D 模型如图1 所示 图1C A D 模型 F ig 1C A Dm o d e l 1 2 车架结构有限元确定 节能赛车采用空腹矩形截面型钢 由材料力学 可知 这些杆件不但要发生弯曲变形 而且还要发 生扭转变形 薄壁杆件的抗扭能力较差 当赛车在 高速转弯时 由于受到离心力的作用 必须考虑到 杆件的扭转变形 在车架有限元分析中 根据不同 的计算目的 可选用不同的计算模型 常用的计算 模型一般有梁单元模型 板单元模型和组合单元模 型等 本文在车架分析过程中采用精度较高的梁单 元模型作为基本离散单元建立有限元分析模型 梁单元有好几种类型的单元 在建立梁单元刚 度矩阵时 由于要考虑组成车架的各个钢管的扭转 情况 必须运用B E A M l8 8 或B E A M l8 9 单元才能 满足要求 矧 为了在减少计算时间的同时保证结 果的精度 所以运用3 节点的B E A M l8 9 单元 2 车架有限元分析 2 1 车架静态载荷工况的确定 本田节能赛车车架是主要的承载部件 在工 作中不仅要支承本田节能赛车上各部件如车壳 发动机和驾驶员的重量等载荷 还要承受地面传 来的支反力 驱动力等的作用 一般情况下 四轮 支撑的车架常选扭曲工况为危险工况 即让三只 车轮着地 一只车轮悬空的情况下 计算车架的应 力及变形状况 6 而三轮车不存在这种危险工况 节能赛车各参数见表l 表1 节能车参数 T a b 1E n e r g y s a v in gv e h iclep a r a m e t e r s 车壳质量驾驶员质量发动机车架质量满载整车质量轮胎半径 m l k gr r h k g m 3 k g k gM k g r m 3 54 5 1 01 01 0 0 0 2 5 4 发动机性能参数见表2 臻然岁裟 黧蓊蔫 刑县相应转速凡 其相麟速n 蒜统传动传动 型了 k W L m in N L m in 比ig比如 s 咖聊M s 9 70 0 09 6 8 40 0 0 警s 3 s 2 7 2 2 实车静止工况下车架的结构分析 2 2 1 车架的受力分析 在该工况下 整车静止在水平路面上 车架只 受到各部件竖直向下的重力和车轮对车架竖直向 上的支撑力的作用 节能赛车车壳用玻璃钢制作而成 通过螺栓 与车架伸出的4 根横梁固定 现对车壳进行受力 分析 见图2 A我 B 凡R 围2 车秃受力分析 F ig 2 F o r cea n a ly s iso ns h e ll 车壳重心与支撑梁A 梁水平距离Z t 0 11 0 m 垂直距离I ll 0 1 7 5m 因为车壳左右对称 因此 A B 梁的支撑力满足方程组 1 只 晕 毒 10 F P B 孚 乃 Z 1 Z 2 一G 1 1 2 0 B Z I Z 2 C lZ l o 代人数据解得 P A 1 4 7 9 2N P B 2 3 5 8N 由于驾驶员几乎横躺在车架上 所以可以把 驾驶员看作由以臀部为界 下身与上身两部分质 量m 砌块组成 经测量得m 2 O 5 嘞 驾驶员与 车架之间的作用力可看作集中力形式传递 7 其 受力见图3 叶 酉i 么 蒜 O 笠l 1 2 1 0 g p 嘲 C D 豫 E k nr lg B 图3 车架受力分析 F ig 3F o r cea n a ly s is0 1 3f r a m e 1 6 农业装备与车辆工程 2 0 1 3 年 由于驾驶员下身重心位于D 点与C 点的水 平距离中心 上身重心离D 点水平距离 为0 4 4 m 所以其受力满足方程组 2 F c F o l 谬 F 萨F E m n g F o F o l 如 路争 2 蹄争 蹄争 代人数据解得P c 3 6 7 5N P D 1 1 0 2 5N B 7 3 5 0N 发动机通过8 根螺栓固定在发动机支架上 发动机的重力均匀分布在8 个连接点上 各点受 力为 肛学 1 2 2 5N 3 2 2 2 车架的载荷与约束处理 进行有限元分析时 为了使数值解存在并唯 一 必须消除车架结构的刚体位移以保证车架结 构总刚度矩阵非奇异 正确适当地选择一些节点 自由度给以边界约束 是有限元分析的一项重要 技能 对车架这个空间梁结构 由于其在正常工作 时车轮所受的激励直接传递到车架上 同时为简 化模型 把后轮铝合金架看作刚体 所以后轮所受 的激励直接通过铝合金架传到钢管焊接的车架 上 故边界约束点确定前轮与车架连接处和后轮 铝合金架与钢管车架连接处 将前轮与车架连接 处y 方向的平移自由度设定为刚性约束 同时将 后轮铝合金支架与车架连接点的x 方向和y 方 向的平移自由度也设定为刚性约束 就可以限制 整体车架在水平面上的刚性位移 根据静止工况 下车架的受力分析 对各节点施加力的作用 并对 车架施加y 方向上的重力加速度 定义车架材料 参数 该节能车车架由2 0 2 号不锈钢焊接而成 其 弹性模量为2 1 0 x 1 0 1 1P a 材料密度78 5 0k g m 3 泊松比0 2 7 车架载荷与约束见图4 2 2 3 计算结果及分析 在完成了网格划分 约束处理 工况确定和受 力分析后 就可以进行车架的有限元静力分析了 实车静止工况下车架的应力分布见图5 图7 图4 车架载荷与约束 F ig 4L o a da n dco n s t r a in to ff r a m e I 一 岩 l L 曼茎翌茎兰三 图5 实车静止工况下等效应力分布图 F ig 5E q u iv a le n ts t r e s sd is t r ib u t io na t s t a t ics t a t e 图6 实车静止工况下最大等效应力位置 F ig 6M a x e q u iv a le n ts t r e s sp o s it io na ts t a t ic s t a t e 翼S 譬藿羹 三 图7 实车静止7 况下等效应力集中位置 F ig 7E q u iv a le n ts t r e s sco n ce n t r a t io np o s it io na ts t a t ic s t a t e 从车架应力分布情况来看 车架应力总体分 布比较均匀 最大应力出现在车架中部支撑车壳 的横梁和车架两边纵梁连接位置附近 应力集中 第5 1 卷第2 期 谭哲颖等 基于A N S Y S 的本田节能赛车车架静态受力分析 1 7 比较明显 最大应力值为6 0 3M P a 车架尾部和车 架A 柱应力值较小 平均应力在1 3M P a 以下 这 些部位的材料没有充分应用 在车架前部的第一 根纵梁和第二根横梁连接处 也出现应力集中的 情况 同样属于危险区域 图8 为车架的变形分布 最大位移发生在车 架前部第一根横梁顶端 位移值为4 4 2m m 主要 原因在于 第一根纵梁较长 所以在驾驶员腿部的 重力下 在第一根纵梁与第二根横梁的连接点上 产生较大的力矩 所以第一根纵梁发生向下扭曲 各位移相对较大的点发生在车架中部 车壳支撑 梁上 主要原因是 在满载下 车架中部承受的车 厢重量及车壳重量远大于后端承受的发动机与车 壳等的重量 因而在车架中部主要发生向下弯曲 图8 实车静止工况下的变形分布 F ig 8D is t r ib u t io no fd e f o r m a t io na ts t a t ic s t a t e 3车架强度校核 7 根据车架静力学分析得到各个典型工况下的 最大应力 可以对车架强度进行校核 由材料力学 可知 材料安全系数为 n 旦L 其中 cr s 为材料 的屈服极限 盯一为不同工况下计算出的最大等 效应力 当安全系数n l 说明在静载作用下车架 强度是符合要求的 否则 车架强度不符合要求 会因强度不足发生强度破坏 4总结 本文以本田节能竞技大赛赛车的车架作为研 究对象 用仿真的研究方法对其静态特性进行了 研究 所完成的主要工作及取得的主要结论如下 1 在分析节能三轮车车架结构特点的基础 上 进行了合理简化 在A N S Y S 软件中建立车架 C A D 模型 2 用梁单元B E A M l8 9 对车架进行网格划 分 定义了实车加速牵引和实车匀速曲线牵引两 种工况下的边界约束条件 并计算了两者的载荷 完成了车架有限元建模 总结了单元划分的原则 及提高有限元建模精度的措施 3 完成车架的实车静载工况下静态应力分 析 对分析结果进行了评价 找出车架薄弱环节 结果表明 车架应力总体分布比较均匀 在研究的 工况下车架的应力是有较大的富余的 本文所阐述的节能三轮车车架的结构性能仿 真分析方法适用于其他类型车辆车架或相似结构 的性能仿真分析 参考文献 李波 王立成 郭泰 农用三轮运输车稳定性的理论分析 农 业机械学报 J 1 9 9 3 2 4 3 1 2 1 3 L i B o W a n gL ich e n g G u oT a i A s r icu lt u r a lt h r e e w h e e le d t r a n s p o r tv e h icles t a b ilit ya n a ly s is J T r a n s a ct io n so ft h eC h i n e s eS o cie t yf o rA g r icu lt u r a lM a ch in e r y 1 9 9 3 2 4 3 1 2 1 3 张洪信 赵清海 等 A N S Y S 有限元分析完全自学手册 M 北京 机械 r 4 k 出版社 2 0 0 8 Z h a n gH o n g x in Z h a nQ in g h a i e ta 1 A N S Y S f in it ee le m e n ta n a l y s iss t u d yH a n d b o o k M B e ij in g C h in aM a ch in eP r e s s 2 0 0 8 张朝晖 A N S Y S 结构分析工程应用实例解析 M 2 版 北京 机械工业出版社 2 0 0 8 Z h a n gZ h a o h u i A n a ly s iso fA N S Y Sa p p lica t io ne x a m p lea n a l y s is M 2 n de d B e ij in g C h in aM a ch in eP r e s s 2 0 0 8 黄贵东 沈光烈 黄昶春 等 汽车车架有限元分析模型的改 进 J 机械设计 2 0 0 7 2 4 1 2 5 4 5 6 H u a n gG u id o n g S h e nG u a n g lie H u a n gC h a n g ch u n e ta 1 I m p r o v e m e n to fv e h iclef r a ln eF E Am o d e l J M a ch in eD e s ig n 2 0 0 7 2 4 1 2 5 4 5 6