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基于ANSYS的车架有限元分析
基于ANSYS的车架有限元分析
摘要
汽车经过130多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要内容。
在汽车结构中，车架作为整车的基体和主要承载部件，具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车内、外各种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。
本文以某运油车车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为汽车安全与节能设计提供了理论支持。
同时对车架也进行了模态分析，得出车架的固有频率与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。
关键字：
车架,有限元，ANSYS,静态分析，模态分析
Abstract
Theautomobilewhichhasdevelopedfor130years,securityandenergysavinghasbecometheleadingcontentforautomobiledeign.Amongthemanycomplexstructuresinautomobile,theframeofthevehicleisthebasicpartandthemainbearingpart.Ithasthefunctionofconnectingallpartsofthevehicletogetherandsubjectingvariousloadsfrominsideandoutsidethevehicle.Theperformanceofframestructureaffectswhethertheautomobilepropertyisgoodornot.
Inthispaper,theframeofafueltankerisstudied.WesimplifyandestablishthemodelofframebyCATIA.Theparameteroftheframeisdefined.ThemodelofframeismeshedbyANSYS.AddtheforceandfreedomofthemodelofframebyANSYS.Thestaticanalysisoftheframeincludesthesituationofbending,torsion,barkingandswervebyANSYS.Accordingtothefigureofdisplacementandstress,itprovidetheoreticalsupportfortheautomobiledesignofsecurityandenergysaving.Atthesametime,themodalanalysisoftheframeisalsostudied.Basedontheframeofnaturalfrequencyandvibrationmode,itprovidetheoreticalbasisforavoidingresonanceandimprovingridecomfortandimprovethelevelofvehicledesign.
Keywords:
Frame,Finiteelement,ANSYS,Staticanalysis,Modalanalysis
1绪论
1.1概述
最初汽车的发展，通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。
这种方法不仅浪费财力人力，而且生产周期长，研发效率低，不能适应现代产品高效开发的要求，且只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助相关人员了解问题的实质[1]。
随着计算机信息技术与相关学科和方法的迅速发展极大地促进了相关行业和科学研究地进步，出现了新兴的综合延伸高效的学科。
CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术[1]，逐渐应用到更为广阔的科学研究领域中。
在某种意义上数值模拟比传统方法对问题的认识更加深刻，更为严谨，不仅可以分析问题的结果，而且还可以动态地、随时连续地观察事物的发展，细致地了解整体与局部的发展过程[1]。
其中，近年发展起来的各种数值模拟仿真方法如有限元、多体动力学、计算流体力学等技术在产品结构分析设计中得到大量应用，可以解决以往手工计算无法解决的许多问题，提高了行业竞争力，为企业带来了巨大的经济效益和社会效益[2]。
作为汽车总成的一部分，车架承受着汽车内外各种复杂激励的作用，而且汽车上许多重要零部件都以车架为基体[3]，因此，设计出包括安全节能在内的各方面性能良好的车架是重要的工作。
1.2研究背景
有限元法已成为汽车设计研制中的一个重要环节，在汽车研究的过程中，包括如车架、车桥、车身、悬架、发动机箱体、曲轴、离合器等总成以及NVH分析都要通过有限元进行校核和优化，大大的提高了汽车设计的水平和研发能力。
目前，车架进行设计时，设计研究人员通常会简化车架。
但是，简化车架容易导致两个问题：
车架简化过多导致求解精度不够，容易使车架产生安全问题，同时为避免安全问题而使汽车设计过于安全，使资源耗费较多，增加了成本，不利于实现汽车轻量化和节能减排的设计理念；车架的设计与计算不同步，造成设计人员与制造人员沟通不顺畅，很难达到技术目标的质量和设计的要求，不利于提高车架设计人员的设计水平和生产效率。
现代车架设计已发展到包括动态仿真分析、优化设计等在内的计算机分析、优化和仿真阶段[4]。
计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架重要的研究方法。
本文用ANSYS软件对某型运油车的车架进行静态与动态分析，对进一步研究设计提供了有效的理论依据。
1.3有限元法的应用与发展
有限元法（FiniteElementMethod,FEM）是现代科学分析的一种重要方法。
它是20世纪60年代左右兴起的计算机技术及相关学科相互交叉，综合发展的新兴科学。
有限元法最初应用在工程研究中，用于分析并且解决热力学，电磁学等物理问题[5]。
（1）有限元法在国内汽车分析中的应用与发展
1965年我国著名数学家冯康教授发表的基于变分原理的差分格式的论文标志着中国独立的创立了有限元法[6]。
我国CAE技术的前进道路十分艰难。
20世纪70年代中期，大连理工大学研制出DDJ,JIGFEX有限元分析软件和DDDU结构优化软件；80年代中期，中国科学院梁国平团队独创了有限元程序自动生成系统（FEPG），标志着我国相关的有限元研究已跻进国际先列。
19世纪五十年代末左右，我国依靠传统的方法和经验对车架进行设计及强度校核，即依靠经典力学的经验公式，对车架结构作大量的简化设计[7]，计算过程繁琐且各方面性能很难达到要求。
大约是在七十年代末我国才把有限元法应用到车架的结构强度设计分析中[7]。
而就国内目前情况来看，在有限元动态分析方面，主要集中在模态分析，但在汽车内外各种复杂激励作用下的车架动态响应的情况方面研究不足，如果要进一步的对车架进行动态分析，则要分析研究车架在承受汽车内外各种激励的状况。
（2）有限元法在国外汽车分析中的应用与发展
1960年R.W.Clough在平面弹性论文中首次用“有限元法”这个名称[7]。
自从提出有限元法概念以来，有限元理论及其应用得到了飞速的发展[5]。
有限元法在国外汽车结构分析中已具有相对成熟的分析实施技术[8]。
欧洲从20世纪60年代末开始形成有限元静态分析[3]。
目前，国外大概在2年至3年之内就能设计开发出新车型，这主要取决于车身CAD和建模仿真相关技术的迅速发展。
现代车架结构设计在传统经验方法的基础之上，转化为动态仿真分析的虚拟试验。
而随着应用领域不断扩展、求解速度大幅提升以及求解精度不断提高的同时，有限元分析也从强度，刚度等分析向节能轻量化方向发展[5]，如奥泰尔公司以福特公司的某一车架为研究对象，在不降低车架重要性能的前提下实现车架的轻量化设计，改进后的车架与原模型相比，重量降低23%，并且刚度也有所提高。
1.4选题的目的与意义
（1）论文选题的目的
①运用有限元法对运油车的车架结构进行有限元分析，规范分析步骤，为有限元在车架设计中提供基础，为技术人员提供参考，缩短生产周期，提高研发效率。
②对车架进行静态分析和动态分析，为车架设计提供理论参考，提高整车的设计水平与设计人员的设计水平，实现汽车各方面的性能要求。
（2）论文选题的意义
①运用有限元对车架进行结构分析，为车架设计及生产制造的过程中提供理论基础，提高技术人员的设计水平和生产水平，缩短生产周期，提高研发效率，减少资源耗费，提高行业竞争力。
②对车架进行静态分析，了解应力与位移量的分布情况，为车架的设计提供理论基础，对薄弱位置进行优化，同时也可提高整车设计水平，提高包括安全与轻量化在内的各性能参数。
③对车架进行模态分析，通过分析车架的固有频率与振型，为车架与整车设计提供理论基础，为NVH研究提供分析基础，对避免共振与提高乘坐舒适性与安全性有较好的参考价值。
1.5本文的主要研究内容
本文以某运油车的车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS对车架进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束。
对车架进行包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，对位移图与应力图进行分析，为提高车架与整车的设计水平提供了理论基础，对提高安全性与节能提供了理论价值。
同时也对车架进行了模态分析，得出固有频率与振型图，提高整车的设计水平，对提高乘坐舒适性与避免共振提供了理论支持。
2基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模
2.1有限元法简介
有限元分析分为三个阶段，即前处理是对几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型；处理是施加作用力，进行自由度约束，建立边界条件进行求解的过程；后处理是使用户查看求解分析结果，分析计算问题的实质，方便后期研究分析。
（1）有限元法的分析步骤
有限元求解问题的基本步骤包括：
①结构离散化。
②选择位移模式。
③分析单元的力学特性。
④把所有离散单元的平衡方程整合成一个整体平衡方程。
⑤由平衡方程求解节点位移。
⑥计算单元应变和应力。
（2）有限元法的特点
①对复杂几何构形的适应性
单元具有良好的空间性，并且具有不同的形状与连接方式，在实际的应用领域中许多繁琐复杂不规则的结构都可以进行网格划分建立有限元模型。
②对各种物理问题的适用性
由于场函数形式并未受到限制，因此适用于各种力学，电磁学等有关问题，而且还可以用于相互耦合的各种物理有关的问题[7]。
③建立于严格理论基础上的可靠性
用于求解的有限元模型正确，同时求解平衡方程的算法稳定有效，并且单元能够求解进行计算，则求解出的数学值会趋近于有限元模型的正确数值。
④适合计算机实现高效
由于有限元分析的规范性，尤其适合计算机的编程和执行，有限元分析已成为广泛领域中对复杂问题求解的有效快捷的分析方法。
（3）ANSYS单元库体系
ANSYS单元库体系中有对各种问题分析时所需的单元类型，每种单元类型都有一个特定的标识，例如，SOLID45，SHELL28，BEAM24等单元类型，其数字表示编号，数字前面的是表示单元类型的前缀[9]，SOLID表示实体单元，SHELL表示壳单元，BEAM表示板单元。
主要类型见表2.1。
表2.1ANSYS单元库体系
Tab.2.1CelllibrarysystemofANSYS
单元类别
单元维数
单元名称
结构点单元
---
MASS21
结构线单元
2D
LINK1
3D
LINK31、LINK160、LINK167
结构梁单元
2D
BEAM3、BEAM23
3D
BEAM4、BEAM161、BEAM188
结构实体单元
2D
PLANE55、PLANE121、PLANE230
3D
SOLID70、SOLID97、SOLID123、SOLID168、SOLID231
结构壳单元
2D
SHELL61、SSHELL209
3D
SHELL163、SHELL281
结构管单元
3D
PIPE288、PIPE289
结构界面
---
INTER202、INTER204
结构多点约束单元
---
MPC184
联接单元
---
COMBIN165、COMBIN214
（4）ANSYS求解器简介
表2.2求解器应用准则
Tab.2.2Solverapplicationcode
解法
典型应用场合
自由度
内存使用
硬盘使用
正向直接解法
非线性分析或内存受限制时
低于5万
低
高
稀疏矩阵直接解法
要求可靠性和求解速度，多用于板壳和梁
1万-50万
中
高
雅可比共轭梯度法
在单场问题中要求求解速度时
5万-100万以上
中
低
预条件共轭梯度法
注重大型实体单元线性分析求解速度时
5万-100万以上
高
低
分布式求解器
在多种系统中可升级到数打处理
5万-100万以上
高
低
2.2CATIA软件简介
CATIA（ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication）是世界上主流的设计、分析、制造于一体的软件。
20世纪80年代，CATIA相继发布了3个版本，即1，2，3版本，随后又发布了功能更为齐全的4版本，现在的CATIA软件有V4版和V5版[10]。
CATIAV5的产品按以下3个层次进行组织：
（1）CATIAV5P1是比较低的产品生命周期管理的解决方案的平台，并具有动态扩充到企业所需功能的能力。
（2）CATIAV5P2平台通过相关技术与工具，可自动实现设计到制造的一体化，并可优化产品生命周期管理流程。
（3）CATIAV5P3平台通过特定的方案对复杂的流程进行高效率的管理、处理以及高效的执行。
CATIA的基本功能包括：
（1）CATIA交互式工程绘图产品
交互式工程绘图产品是CATIA新一代的产品，可以满足二维设计和工程绘图的需求。
（2）CATIA零件设计产品（PD1）
PD1是P1产品，提供用于交叉混合设计的零件造型方法。
（3）CATIA装配设计产品（AS1）
AS1提供了在产品环境下人机交互的设计能力，通过自顶向下和自底向上的方法定义产品设计流程，可实现零件与产品的综合设计管理与同步性[10]。
（4）实时渲染产品（RT1）
RT1可以通过CATIA提供的材料库逼真的对模型进行施加材料来渲染实时显示。
（5）CATIA线架和曲面产品（WS1）
WS1可以在设计的初步阶段创建用户所需的产品元素。
（6）CATIA创成式零件结构分析产品（GP1）
GP1允许设计者对零件进行快速、准确的应力分析和变形分析。
（7）CATIA自由风格曲面造型产品（FS1）
FS1是一个P1产品，通过CATIA提供的曲面工具，创建符合大众审美观念与潮流的产品形状。
2.3车架几何模型建立
2.3.1车架几何模型简化
使用CATIA建立几何模型，简化结构的思路是：
（1）尽可能使建模简化
如果不对复杂结构进行简化，则划分的节点与单元数量庞大，分析时耗费的资源就越多，严重时导致分析计算崩溃。
所以建立几何模型时，由于纵梁与横梁的连结为焊接和铆接，所以将纵梁与横梁简化为整个刚体，另外忽略车架结构中得一些配件安装的辅助结构，例如吊耳等，既有利于简化几何建模，也有利于对几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型。
（2）忽略细节特征
在建立几何模型时，忽略对整体结构分析产生较小影响的局部特征，将一些过渡结构简化为原来的结构形状，同时将小孔以及倒角等特征简化为原实体，避免分析时出现错误。
2.3.2车架几何模型建立
（1）选择新建模型的类型，使用Part类型（如图2.1所示），再输入新建模型名称为车架。
图2.1新建零件类型
Fig.2.1Buildthetypeofparts
图2.2绘制纵梁平面草图
Fig.2.2Drawtheplansketchofthecarling
（2）绘制纵梁截面的平面草图，选择XY平面为工作平面，绘制纵梁截面轮廓（如图2.2所示）。
（3）生成纵梁，单击“肋”按钮，弹出定义肋对话框（如图2.3所示），在YZ平面上绘制长度为6496mm的中心曲线，退出工作台，单击对话框中的确定命令，生成一根纵梁（如图2.4所示）。
图2.3定义肋对话框
Fig.2.3Definethedialogboxofrib
图2.4生成纵梁
Fig.2.4Generategirder
（4）生成横梁，首先对纵梁进行X方向432.5mm的平移，选择纵梁凹槽内平面为工作平面，绘制横梁截面的平面草图（如图2.5所示）。
对截面进行拉伸，限制面为YZ平面，第一根横梁生成。
图2.5绘制横梁平面草图
Fig.2.5Drawtheplansketchofthebeam
（5）采用相同步骤分别绘制其余横梁，截面尺寸分别为（220×100×5），（220×80×5），（220×100×5），（220×133.56×5），（220×66.78×5），（220×66.78×5）,第二根距第一根936mm，第三根距第二根1246mm，第四根距第三根1276mm，第五根距第四根1165.5mm,第七根距XY平面68mm，第六根距XY平面549mm，生成所有横梁。
使用镜像命令，以YZ平面为镜像元素，当前实体为镜像对象（如图2.6所示），根据先主要特征，后次要特征的建模思路，绘制最终车架（如图2.7所示）。
图2.6镜像实体
Fig.2.6Mirrorentity
图2.7车架总成
Fig.2.7Theframeassembly
2.4车架有限元模型建立
2.4.1网格划分前处理
ANSYS软件能够直接读取在CATIA软件中生成的文件有三种:
igs、Model、CATPart，而在CATIA软件中保存为igs文件时，在导入ANSYS软件中时，容易缺少数据，后期工作量会增多；保存为CATPart时，在导入ANSYS时，时间较长；而保存为Model时，不会缺少数据并且导入时时间比较短。
所以在车架的建模工作完成以后，将模型保存为ANSYS软件可以识别的Model格式文件。
这个步骤可以通过CATIA软件的“文件—另存为”命令。
网格划分前需要对车架进行参数定义，因为车架材料为Q235，经查阅，材料的密度为7.85g/cm³，弹性模量为205Gpa，泊松比为0.3。
CATIA软件中对车架模型已经进行简化建立，忽略对车架整体刚度影响较小的圆角、倒角、小孔等局部特征，同时为了建立能够求解的有限元模型，对车架几何模型也进行简化。
2.4.2车架有限元网格的划分
（1）清除数据和导入文件，依次单击File→Clear＆StartNew…→OK→Yes命令；单击文件菜单中导入命令选择CATIA选项，选择在2.3.1小节中建立的车架几何模型，导入文件（如图2.8所示）。
图2.8导入车架几何模型
Fig.2.8Importthegeometricmodeloftheframe
（2）选择分析类型与单元类型，因为对车架进行静态与动态分析，所以选择结构分析，同时选择Solid中的20node186，即SOLID186单元类型（如图2.9所示）。
图2.9选择单元类型
Fig.2.9Chooseelementtypes
（3）确定材料参数，输入弹性模量（EX）为2.05e5，泊松比（PRXY）为0.3，密度（Density）为7.85e-6。
（4）作用面分割，由于施加面力的区域不一样，所以需要对车架表面进行分割，首先建立关键点，依次建立点350（432.5,-110,-2190）,351（357.5,-110,-2190），352（-432.5,-110,-2190），353（357.5,-110,-2190）（如图2.10所示）。
图2.10创建关键点
Fig.2.10Createkeypoints
（5）生成分割面，由点生成线，选择步骤（4）建立的关键点,生成两条线，再由线分割面，首先，选择要分割的面，再选择分割面的两条线，建立分割面（如图2.11所示）。
图2.11分割平面
Fig.2.11Divideplane
图2.12车架网格划分
Fig.2.12Meshingtheframe
（6）采用智能分网，在对话框中，选择Global，选择SmartSize并调为5，选择Volumes，其他选用默认选项，单击Mesh，选择所有实体结构，划分网格自动开始，待网格划分完成，得到车架的有限元模型，共划分网格单元336784个，节点690967个（如图2.12所示）。
3车架有限元静态分析
3.1汽车车架刚度理论
3.1.1汽车车架弯曲刚度
使汽车车架产生单位挠度所需的载荷，或载荷与所引起的车架最大挠度之比称为车架的弯曲刚度。
对于车架纵梁，采用两点支撑，其中部所受的集中载荷F，则车架纵梁的挠度最大值为
（3.1）
式中：
-纵梁的抗弯刚度系数；
-弹性模量；
-汽车轴距；
-纵梁中点受到的集中载荷；
-梁的最大挠度。
3.1.2汽车车架扭转刚度
汽车车架的扭转刚度是指使汽车轴距长度内扭转单位角度所需的转矩或者转矩与轴距长度内的转角之比。
通常以前后轴的相对扭转角计算车架的扭转刚度。
当汽车在不平路面上行驶时，某一车轮悬空，则车架的扭转刚度为
（3.2）
式中:
-车架的扭转刚度；
-以轴间扭角表示道路不平度；
-悬架系统（包括车轮）的角刚度。
3.2车架载荷分类与处理
3.2.1静载荷
汽车静止时，车架只承受簧以上的负荷，它是由车骨架结构自身产生的重量、车架上各零部件总成的重量及有效负荷组成，这些负荷的总和叫做静载荷。
对负荷进行处理，发动机、变速箱、油箱、水箱等总成零部件，其作用力作用在车架的节点上，把他们作为集中力来处理。
而对于货物和驾驶室来说，由于他们在车架上的分布较为均匀，所以把货物和驾驶室的作用力，处理为他们作用面的平均力。
车架的自身重量用重力加速度来表示，人的重量按每人65Kg进行计算，按乘坐3人考虑。
考虑到与实际情况的差异以及分析计算时的难度等，主要考虑以下作用力，发动机4510N，变速器1460N，轮胎225.4N，油箱1626.8N，货物46354N，驾驶室6321N。
3.2.2动载荷
汽车在平整良好的路面上以较高车速行驶时，在纵梁两侧会引起比较均匀的动载荷，动载荷不但取决于总成零部件及车架等有效载荷所产生的静载荷及其分布，还会受到有效载荷在车架作用处的作用形式，在动载荷交变
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