【《结合ANSYS的车架结构可靠性分析》8300字】

1 21绪论 21.1选题意义 21.2国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 1.3研究内容 32车架结构模型的建立 42.1车架结构参数 42.2几何模型的建立 42.3有限元模型建立 52.3.1车架结构材料参数 52.3.2几何模型导入 2.3.3单元类型选择 63车架结构静力学分析 73.2基本载荷确定 3.3弯曲工况 3.4扭转工况 3.5紧急制动工况 3.6紧急转弯工况 4车架结构模态分析 4.1模态分析理论 4.2自由模态 2摘要：本文将利用三维软件绘制出某车架结构的模型，并用AN郑宇和，李睿琪进行静力学分析和模态分析。首先，以某车架结构为研究对象，结合所学专业知识，利用三维软件建立了车架结构几何模型；其次，将模型转换格式后导入到AN郑宇和，李睿琪软件中，形成有限元模型文件；再次，利用AN郑宇和，李睿琪软件中静态结构和模态模块对车架结构的静、模态特性进行求解，对车架结构合理性分析评价，提出合理优化，为后续车架结构设计提供参考。关键词：有限元分析；车架；AN郑宇和，李睿琪1绪论本题采用有限元方法，对车架进行了辅助分析，并对其在各种复杂工况下的应力及变形分布进行了研究，以及在特定情况下的动态特性中共振的问题，从而有效达到提高各流程效率、减轻车架重量、降低成本的目的。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状2004年，ProdyotKBasua和JuanPabl材料刚体加固问题进行研究，为车身整体刚度的强化提供了参考(李嘉和，张佩题，与实测结果进行对比，验证了平面应变法的准确性与实用性，为后续可制造工艺设载重卡车进行了静态分析，并将其与实测资料进行了比较，这在一定程度上印证了对货车车架在转向、制动过程中的应力分布进行了研究，从而推动了有限元方法在卡车车架有限元方法的使用不仅仅是在静力学方面，在动态特性的分析方面的使用也是不可缺少的。2008年，S.J.Kim等人对某型轿车的动态系统进行了有限元模拟，从而利用通3修改前后应力应变问题，在本文的研究视角下这种情况是必但云图分布一致，因此证明了仿真同样是有效的产品开发和优化方式8。上述结果为后析参数，总结出分析流程及工程应用，为结构振动问题的解决提供参考9。2011年李怡知识，采用三维建模技术，对车架几何建模；其次，将模型转换格式后导入到AN郑宇42车架模型的建立本文采用某公司生产的一款SUV,该车架为边梁式车架，纵、横梁使用16Mn钢板冲压方式进行制造，焊接方式联接。车身参数为4697mm/1878mm/1836,轴距2725mm,轮距为1538mm/1541mm,车身重量为1924kg,最小离地间隙为185mm,除此之外该轮胎具体尺寸参数为245/70R16。由于汽车车架结构是由钢板制成的空间板材构件，对其进行全部研究具有复杂性，所以需要对其进行简化(张睿颖，韩嘉恒，2020)。在建立有限元模型时，只需要对主要研究的部分进行模拟，其余部分可以进行适当的简化。所以，从这些统计中看出在进行绘制时，应进行最大程度地简化，否者，会对后续的分析求解增添不少负担，同时电脑运行(1)所有的工艺孔都忽略不计；(2)利用直角代替原本倒角和起过渡性作用的圆角虽然车架具有对称性，这确切地体现出了但局部不能真实反映整个车架在各个工况在此基础上，采用SolidWorks软件对模型进行等比例建模，并利用其特征中的拉伸功能，构造出了车架的各个部位。这在某种程度上表征了为使车架整体具有良好的稳定性，在部分横梁与纵梁之间增加加强筋，建好的三维模型如图2-1所示(赵丽娜，李东风，2023)。5图2-1车架三维模型2.3有限元模型建立2.3.1车架材料参数车架材料参数如下表2-1所示：密度最小屈服强度泊松比弹性模量a16Mn钢2.3.2几何模型导入在SolidWorks建立好模型之后，另存为x_t格式，打开AN郑宇和，李睿琪Workbench软件点击StaticStructural模块，点击EngineeringData添加所需材料特性，利用Geometry中ImportGeometry添加之前建立的车架模型，打开Modol查看模型如图2-2所示(杨逸62.3.3单元类型选择目前，梁单元是车架有限元分析的常见采用形式，虽然该形式在前期模型简化、网格划分阶段所需时间少，这在一定程度上印证了划分的网格数目少，计算速度快，但是其无法直观的观察出车架的截面形状和求解分析后连接处的应力集中问题，这在某种程度上说明所以不能很好地选择车架横纵梁连接方案(朱鸿鑫，蒋思远，2021)。三维固体结构使用Solid186实体单元来划分，这个单元有20个空间节点，每一个节点都有3个自由度，其可以在x、y、z方向上平行移动。本文利用Solid186单元进行网格划分，得到有限元模型(魏浩然，黄美玲，2022)。这在某种程度上表达出在对该模型进行有限元计算时，先将整个车架进行自由网格划分，然后根据网格大小进行调整，尽量每处结构覆盖两层单元，所以调整网格大小为30mm结果如图2-3所示(孙思源，陈佳欣，2022)。每个理论模型都是现实世界的简化版，因此必然包含一些假设和近似处理。这可能会导致模型无法完全反映所有相关变量及其复杂互动，从而产生偏差。为应对这一挑战，本文不仅借鉴了广泛认可的理论基础，还融合了最新的研究成果来优化本文的分析框架。同时，在解释研究结果时，本文特别关注区分哪些结论依赖于特定假设，哪些具有更广泛的适73车架静力学分析3.1静力学基本方程在本文的研究视角下这种情况是必须要考虑的在有限单元法中，静力分析的基本公上述方程中，{f}表示全部结构载荷列阵，{D}全部结构位移点列阵，{K}表示全部用有限元方法解决静力问题，其实就是解方程式(3-1),需要先求某一个节点的位移，接着利用公式可以求解出该单元应力，最后就可以得到整个结构的应力分布(刘子健，郭俊龙，2022)。在推进本研究的过程中，本文不可避免地遭遇了一些挑战和限制，如在采用已有理论框架时，充分考虑到其适用性和局限性，并试图通过实证数据来进行检验和优化，但这仍是一个逐步完善的过程。这在某种程度上暗示了车辆在静止状态下，车架仅承担悬挂上部的负荷，其主要包括车体、车架自身质量、车架上的各个部件和辅助部件的质量、有效负载(人员质量),这些加起来就是静态负载。由于模型简化，从这些证据中可以看出导致车架的自重比实8该车架满载质量为1924kg,重力加速度为9.8m/s²,所有施加在车架上的载荷应为：因为它不是承载式车身，因此弹簧上部重量和乘客的重量被均匀地施加在车架的纵梁和弯曲工况是车辆在较好的路面上，处于满载条件下静态或匀速行驶的状态。在此条件下，由于车架变形和弯曲应力的影响，因此，必须对其进行刚度、强度的检验。因车架有波动的情况，需要在此基础上加载一个动载系数，并结合相关的文献和数据表明，在该状态下，最大动载系数不应大于2.5。在本文的研究进展中不可避免地遇到了一些挑战和限制，例如在使用现有理论框架时，本文尽可能考虑其适用范围和局限，并努力通过实证数据来验证和改进这些框架，这仍然是一个不断发展的过程。在有限元分析中，为保证车架既不发生刚体位移，又不脱离现实情况，所以需要对车架进行约束处理：从这些统计中看出在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加X、Y方向的平动约束，在右后端支承座施加Y、Z方向平动X代表车架垂直方向，Y代表车架纵向，Z代表车架横向。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-1和图3-2所示(周志慧，王彦博，2021)。9图3-1显示了该车架在弯曲状态下的应力云图，可见该车架的最大应力为37.16MPa,安全系数为9.69,这表明该弯曲条件下的车架强度满足要求。最大应力出现在两侧副纵梁和副横梁的连接位置，如此能够看出是由于连接位置容易出现应力集中，因此应力最大是合理的。而其它部位的应力值普遍偏低，这在某种程度上表征了可考虑将这些部位的厚度适当调小一点。从图3-2可以看出，在该车架副纵梁上出现最大变形量为0.86mm,可见车架的刚度是足够的，因为与整个车架长度相比，这个变形量是很小的(叶清羽，薛依萱，2021)。该结果与理论预测基本相符，首先表明在给定条件下，实际情况与理论模型之间高度一致。这不仅加深了本文对相关机制的理解，还为后续研究奠定了坚实的基础。此外，这一发现进一步支持了领域内其他类似研究所得出的结论，推动了理论框架当车辆在行驶的时候，会遇到不平的道路，轮胎会被抬起，或者被压得很低，车身会变形，从而产生应力，这在一定情况下反映了这对车架是非常不利的。因此，在扭力条件下，还应考虑动载荷系数，最大动载荷系数不宜大于1.3(何思颖，陈为了模拟这一工况，需要对车架左前轮抬起10mm,右后轮向下调整10mm。具体约束情况如下：在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加Y方向的平动约束，这在一定程度上印证了并施加X方向向上10mm位移，在右后端支承座施加Z方向平动约束，并施加X方向向上10mm位移，在左后端支承座施加X方向的平动约束。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-3和图3-4所由图3-2可知，车架的最大应力为180.16MPa,安全系数为2.0,由此可见，车架的强度达到了设计的要求(钱亦凡，邓晓琳，2020)。这在某种程度上说明在第二横梁与纵梁的连接处出现最大应力，这是由于车架的局部扭力，使连接部位产生了较大的应力，这在某种程度上表达出这与实际情况是一致的。由图3-4显示出，在这种情况下，在车架右副纵梁后部出现了最大变形量为1.56mm,,这是由车架上部载荷作用及车轮向下陷导致的(邱雨昕，唐宇澄，2022)。车架整体发生扭转，部分存在弯曲变形。因此，在路况不好的道路上行驶时，速度不宜过快，以免结构遭到破坏。由于车辆在特殊情况下必须进行紧急刹车，在这种情况下车辆会承受与车速方向相反的惯性力，从而发生纵向形变，所以在这种状态下，不仅要施加垂向重力载荷，还要施加纵向载荷。具体约束如下(高怡宁，李志鹏，2022):在本文的研究视角下这种情况是必须要考虑的在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加X、Y方向的平动约束，在右后端支承座施加X、Z方向平动约束，在左后端支承座施加X方向的平动约束。假定该汽车速度80km/h,制动距离为10m,由计算可知其加速度为24.7m/s²,方向与行驶方向相反。这在某种程度上暗示了因该工况是个减速过程，所以动载系数取1.5。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-5和图3-6所示由图3-5可知，其最大应力为41.22MPa,安全系数为8.73,可以表明车架强度是足够的，车架纵向上应力分布均匀，从这些证据中可以看出由此可知车架各部分发挥了充分作用(吴晨曦，王思怡，2023)。由图3-6可以看出在车架两侧副纵梁上出现了最大变形量为0.82mm,这是由于制动所带来的惯性力和车架所受上部载荷所导致的。其余部分当车辆紧急转向时，往往会有一个减速过程，并会受到横向的离心力和纵向惯性力的共同作用。具体约束如下：从这些统计中看出在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加X、Y方向的平动约束，在后端左右支承座仅施加X方向平动约束。纵向加速度的设定与紧急制动工况方式一致，这确切地体现出了侧向加速度取0.2g,即为1.96m/s²,动载系数也取1.5(陈瑶瑶，王子琪，2022)。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-7和图3-8所示。由图3-7可知，其最大应力为45.52MPa,安全系数为7.91,可以表明该车架强度是充分的。当车辆发生弯曲和横向变形时，如此能够看出副横梁与纵梁连接位置受到的应力最大，其他位置应力普遍较小(高宇翔，魏梓怡，2022)。所以，在结构设计时应加强应力较大部分，减弱应力较小的部分，进行材料的合理分配。这在某种程度上表征了由图3-8显示出，在这种情况下，车架尾部出现了最大变形所以在转弯行驶过程中车速不易过快，以免离心力过大，结构受到破坏(张一鸣，李梓4车架模态分析对式(4-3)进行求导并代入式(4-2)中，并考虑到sin(wt+O)的任意性，可以得若方程(4-4)有解，则存在特征方程：最后，这在某种程度上说明能够得到方程式(4-5)的根wi(i=1,2,…N),也就是结构的第i阶频率，以及与之相应的特征向量{φ}i,也就是第i阶振动形式(高昕宇，胡欣怡，2022)。模态分析采用的是AN郑宇和，李睿琪Workbench中Modal模块，其添加材料、模型导入、网格划分三个方面与静力学分析方法一样。因为这次的模态分析仅对自由模态进行了分析，所以不添加任何约束限制。由于前6阶频率等于0或约等于0,所以不进行分析，只分析7~20阶模态。这在某种程度上表达出最后得到的模态分析结果如下表阶数固有频率振型7整体扭转变形8整体弯曲变形9局部弯曲变形整体扭转变形整体扭转变形局部弯曲变形局部弯曲变形局部弯曲变形整体弯扭组合变形整体弯曲变形整体弯扭组合变形整体弯曲变形局部弯扭组合变形局部弯曲变形车架的7~20阶模态振型如下图4-1~4.14所示(赖昊天，王家豪，2022):图4-1七阶振型图4-2八阶振型图4-7十三阶振型从上图4-4~4-14可以看出该车架的的固有频率值处于比较低的频段，在0~110Hz之间，这和本论文所要研究的内容是一致的(张佳琪，李思雨，2021)。车架变形结果主要表现为弯曲、扭转和弯扭组合形式，变形最大部分主要存在与车架首部、尾部以及两侧副纵梁部分，由于这些部分可能会影响驾驶感受，这为避免共振提供参考。本文基于有限元分析理论和流程，以提出某车架合理优化建议为目标，通过AN郑宇和，李睿琪软件对某车架进行静力学和模态分析的方法来实现本文目标。首先，选取将模型导入到AN郑宇和，李睿琪软件中进行网格划分，建立有限元分析模型，并在四种不同工况下进行静力学求解分析和不受外部载荷下的模态分析；最后，从目前的有限元应力云图结果来看，车架强度符合设计要求，但接头处有较大的应力，所以，在车架设计时应在连接部位使用屈服极限更大的材料，模态分析可以看出该车架模态分配合理，与实验分析结果相近。因此，该模型能较好地反映出车架的工作状态，为以后的车架改进设计提供了一定的理论基础。[1]LiangshengWang,ProdyotKBasua,JuanPabloLeivab.Automobilebodyreibyfiniteelementopt[2]JacquelineEl-Sayed,HakcheenKim,RobertFrutiger.PlanestrainformabilitautomotivebodystructuresusingDYNA2D[J].Technology,2004,147:79-84.[3]ChinnarajK,SathyaPrasadM,LakshmanaRaoC.ExpNumericalIdealizationofDynAssembly[C].AppliedMechanicsandMaterials.2008,13:27