中型载货汽车车架有限元静力学分析本科学生 学位论文Word下载.docx

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本设计是基于Pro/E软件建立了车架结构的实体模型，利用ANSYS有限元分析软件对该车架在弯曲工况、扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况下进行了静力学分析。

分析结果表明，该车架受到的最大应力值小于材料的强度极限，满足设计的要求。

同时说明有限元法和ANSYS软件为车架结构的计算分析软件，可以更加全面的得出车架的应力分布状况，为车架的下一步设计过程提供了依据和理论支持，而且降低了制造成本，提高了市场竞争力。

关键词：

载货汽车；

车架；

Pro/E；

有限元；

静力分析

ABSTRACT

Frameisanimportantassemblybearingloadsofanautomobile.Allkindsofloadswillpasstoit.Sotheperformanceofframestructureaffectswhethertheautomobiledesignissuccessfulornot.Asapartofthetruck,theframesupportsallkindsofcomplicatedloadscomingfromtheroadandfreight.Andmanyassemblyofthetruckarebuiltintheframe.Sotheintensityandthestrongoftheframeplayaveryimportantroleinthedesignoftrucks.

AmodeloftheframeisestablishedbyusingPro/Einthispaper.Thestaticintensityoftheframeisanalyzedinthesituationofbending,torsion,brakingandswervebyANSYS.Theresultindicatesthatthestressoftheframeislessthantheutmostintension.Andtheframeissatisfiedwiththedesign.TheresultofthispaperindicatesthattheresearchofFEAandANSYSsoftwareofferedasetofbasictheoryandmethodfortheframestructureandsimulationofdynamiccharacteristic.Atlast,thematerialoftheframeissaved,anditisstrongerinthemarket.

Keywords:

Truck;

Frame;

Pro/E;

Finiteelement;

Staticanalysis

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1选题目的与意义1

1.2车架的设计理论发展过程和发展状况2

1.3本设计研究的内容4

第2章有限元法及ANSYS软件的介绍6

2.1有限元法简介6

2.1.1有限元法的基本思想6

2.1.2有限元法的特点7

2.1.3有限元法分析的一般步骤8

2.2车架有限元模型建立的原则8

2.3ANSYS软件的介绍8

2.3.1ANSYS的发展9

2.3.2ANSYS软件的特点9

2.3.3ANSYS软件的功能9

2.3.4ANSYS软件的程序结构11

2.3.5ANSYS软件分析的基本过程12

2.4本章小结13

第3章有限元模型建立14

3.1车架几何模型建立14

3.1.1车架尺寸的确定14

3.1.2确定建立模型参考平面14

3.1.3利用Pro/E软件建立几何模型15

3.2车架有限元模型的建立17

3.2.1车架几何模型导入到ANSYS软件17

3.2.2shell单元的定义18

3.2.3设置材料参数和属性22

3.2.4进行网格划分22

3.3本章小结23

第4章车架的静力学分析24

4.1静力学分析基本概念和过程24

4.2车架的载荷及处理24

4.2.1车架受到的载荷24

4.2.2载荷的处理25

4.3车架的刚度理论基础26

4.3.1车架的弯曲刚度26

4.3.2车架的扭转刚度26

4.4车架的工况分析及约束的处理27

4.4.1车架的满载弯曲工况27

4.4.2车架的满载扭转工况33

4.4.3车架的紧急刹车工况36

4.4.4车架的紧急转弯工况37

4.5本章小结39

结论40

参考文献41

致谢43

附录44

附录A外文文献中英文翻译44

附录B静力学分析命令流54

第1章绪论

在人们的日常生活中，汽车作为主要的交通运输工具之一，发挥着非常重要的作用。

因此，要求汽车制造厂提供更多更好的结构轻、性能好、质量高、用途广、安全性可靠的汽车。

汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路及各种复杂载荷的作用，而且汽车上许多重要的总成部件都是以车架为载体的。

因而，车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得非常重要。

计算机的出现给社会发展带来了深刻的变革，同时也为工程结构的设计、制造提供了强有力的工具。

汽车工业属于高技术产业,要设计生产出性能优越、安全可靠的汽车，不应用计算机进行辅助设计分析是根本无法实现的。

因此，目前各生产设计部门都非常重视在设计制造过程中采用先进的计算机技术。

在汽车结构设计中采用的有限元强度分析，是近几十年来发展起来的新的计算方法和技术,它可以解决许多以往手工计算根本无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益[1]。

1.1选题目的与意义

汽车工业属于高技术产业，要设计出性能优越，安全可靠的汽车，不利用计算机辅助设计分析是根本无法实现的。

我国汽车工业采用CAD技术，从无到有，已经有近30年的历史了。

尽管大多数的厂家采用一定的CAD技术应用于车架设计，如常见的AUTOCAD等辅助设计软件，但是这些软件一般并不具有结构分析的功能。

所以，利用有限元法进行汽车车架的静、动态特性分析已成为一种趋势。

早期由于有限元法所要求解的问题计算规模比较大，而计算机的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性。

但随着有限元技术的成熟和调整计算机的出现，各种通用程序、专用程序的求解功能都很齐全，前后处理也很方便，汽车结构中绝大部分部件甚至整车的有限元静、动态分析和固有特性分析等都可应用这些通用程序或专用程序来分析计算。

利用有限元法进行分析，可以更好地知道应力分布情况，进而设计出符合要求的车架结构，提高市场竞争力。

随着科学技术的发展，汽车的设计和开发日益向环保化、安全化、智能化、轻污染、低排放及结构设计轻量化的方向发展。

产品的类型和结构也越来越复杂，对汽车的产品开发的要求也越来越高。

同时，对产品可靠性，安全性的要求也越来越高。

汽车作为目前我们国家的主要城乡交通工具，对其刚度、强度，安全性能的研究具有重要意义。

1.2车架的设计理论发展过程和发展状况

车架作为汽车的承载体，被货车、客车和轿车所应用，支撑着发动机、驾驶室、底盘总成和货箱等机件，承受传给它的各种力和力矩。

因此，车架应该有足够的弯曲刚度，以使得安装在其上的相关部件之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并且使得车身的变形量降低到最小；

同时汽车车架应该有足够的刚度，保证汽车车架有足够的寿命和良好的可靠性，纵梁等主要部件在使用过程中不应该有严重的变形和开裂。

车架的刚度不足会引起振动和噪声，也会使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性和某些的可靠性下降，货车车架的最大弯曲挠度应该小于10mm。

但车架扭转刚度又不宜过大，否则将使得车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。

通常在使用中其轴间扭角约为1°

/m。

在保证强度、刚度的前提下车架的自身质量应该尽可能小些，以减小整车质量。

货车车架的质量一般约为整车整备质量的1/10。

从被动安全性考虑，乘用车车架应该具有吸收撞击能量的特点。

此外，车架设计时还应该考虑车型系列化及改装车等方面的要求[2]。

早在上世纪五十年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元方法，并能较好地模拟、分析车架动态特性。

随着有限元模拟方法的不断完善和发展，欧、美、日、韩等国家的汽车生产周期不断缩短，一种新车型从概念到批量生产由6年，5年，4年发展到目前的2年甚至更短的时间，而且产品性能越来越高。

随着计算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限元系统，如ANSYS、NASTRAN、I-DESA等，使得车架静态分析、动态分析等成了可能。

国外已经能够用有限元对结构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了重大成果。

经过三十多年的积累和发展，国外许多大公司建立了高性能的车架计算机辅助工程系统，形成了完整和设计、分析方法和实验程序。

目前，国外车型开发周期已经缩短到24至36个月，这与采用现代车架结构分析设计方法是分不开的。

现代车架结构设计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。

国内起步较晚，在80年代才开始有限元方面的研究，但经过众多学者的研究和探索，已经积累了大量的经验。

长春汽车研究所的谷安淘和常国振首先采用杆系有限元法求解了车架结构分析问题。

他们将汽车车架结构简化为一组离散单元的集合体，这些单元通过各自的端点连接起来，用以代替真实的车架。

随后，吉林大学的黄金陵进一步研究和完善了汽车车架杆系有限元法在车架静力学方面的计算理论。

后来，应用有限元法对车架结构分析的研究越来越多，运用有限元法对车架结构分析的计算不再局限于静力学分析，还开始考虑动态特性分析。

同时，随着大量有限元软件的引进，车架的有限元法不仅由杆系理论上升到连续体的理论，而且计算模型的建立也越来越复杂，相应的计算精度也越来越高。

目前，采用有限元法对汽车的车架结构进行分析正在成为车架设计的主流手段。

今后，可以预计运用有限元法对汽车的车架结构进行仿真计算将成为设计的主流。

目前国内对重型车架的分析一般仅限于强度和刚度的静态分析，在动态分析上起步较晚。

这一方面是由于受到所具备的计算软、硬件的制约，另一方面车架建模过程涉及因素多而且结构复杂，还有待于进一步的研究和探索。

上世纪五六十年代，我国对于车架的设计都是依据传统的经验和方法进行的，即依靠材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对车架的结构进行大量的简化设计，设计的结果由试验来验证，该方法有一定的可靠性和科学性。

传统设计方法，具有简单易行的优点，目前在我国车辆设计计算中仍然直到一定的作用。

但是