车架有限元分析.doc

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摘要

现代汽车绝大多数都有作为整车骨架的车架，车架是整个汽车的基体。

汽车绝大多数部件和总成（如发动机、传动系统、悬架、转向、驾驶室、货箱及有关操纵机构）都是通过车架来固定其位置的。

车架的功用是支撑连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。

因此，车架的静、动态特性是其结构设计、改进和优化的依据，是确保整车性能优良的关键因素之一。

本文以6470型SUV车架作为研究对象，分析论证了CAD/CAE技术在汽车车架设计中的应用，主要内容如下：

（1）选取一个SUV车型，通过查找和测量得到其主要的车型参数。

（2）运用CAD软件Unigraphics（简称UG）建立车架的三维模型。

（3）通过UG软件和ANSYS件的无缝连接将车架的三维模型导入ANSYS软件中。

（4）运用ANSYS软件的强大的有限元分析功能对该车架进行网格划分，施加适当的约束和载荷，对车架进行有限元静态分析，从而校核了该车架的强度和刚度，分析结果，校核该车架的强度和刚度能否满足要求。

在建模和有限元分析过程中，就CAD三维实体的建模方法、有限元理论的数学基础、有限元软件ANSYS、CAD软件与有限元接口技术、有限元分析方法的前期后期处理等方面做了研究工作，为后续工作做了较好的技术准备。

关键词：

车架；CAD/CAE；ANSYS；有限元分析；静力分析

Abstract

Mostmoderncarsareusedasvehicleskeletonframe,whichisthroughthematrix.Mostpartsandassembliesofavehicle（suchasengine,transmission,suspension,steering,cab,containersandrelatedcontrolmechanismandsoon）areallovertheframetoafixedlocation.Thefunctionofavehicleframeistosupporttheconnectionparts,andtotakefrominsideandoutsidethevehicleloads.So,thestaticanddynamicanalysischaracteristicsofframeisnotonlythebaseofitsstructuredesign,improvementandoptimization,butalsooneofthekeyfactorstoensurethatvehicleperformance.

Finiteelementanalysishasbecomeanessentialtechnologyinthedesignofvehiclestructure.Asforcompute-intensiveandtheanalysisstep，intuitivelinearanalysisofframeisverydifficult.AndANSYSFiniteelementanalysissoftwareprogramcandiscreteelementsintocountlessunitstofacilitateanalysis,calculationandoptimizedresults.

Onthisarticle,6,470SUVframeistheobjectstoberesearchedtoanalyzeanddemonstrateCAD/CAEtechniqueanditsapplicationinthedesignofautomobileframe.Mainlyasfollows:

（1）SelectaSUVmodels，Findandmeasureitsmainparameters;

（2）EstablishthethreedimensionalmodeloftheframebyUG;

（3）ImportthethreedimensionalframemodelinUGintoANSYSthroughtheseamlessconnection  betweenUGandANSYS;

（4）Usethepowerfulfiniteelementanalysisfortheframeelementmesh,imposetheappropriateconstraintsandloadsandmakethefiniteelementstaticanalysisofframetocheckthestrengthandrigidityoftheframe，

Duringthemodelingandfiniteelementanalysis，alotofresearchworkaboutthethree-dimensionsolidmodelingmethod,mathematicalbasisoffiniteelementtheory,interfacetechnologyoffiniteelement,lateandearlyprocessingoffiniteelementanalysismethodisdone,preparingforthefollow-upworktobedonebetter.

Keywords:

Frame,CAD/CAE;ANSYS;FiniteElementAnalysis;StaticAnalysis

目录

摘要 I

Abstract II

第1章前言 1

1.1汽车车架介绍 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究意义及目的 3

第2章软件介绍 5

2.1UG简介 5

2.1.1UG发展综述 5

2.1.2UG软件的优势 5

2.2ANSYS简介 6

2.2.1有限元软件ANSYS发展综述 6

2.2.2ANSYS的技术特点 6

2.2.3ANSYS的功能 7

第3章车架的建模 9

3.1车架结构的简化 9

3.2实体车架模型的建立 9

第4章车架的有限元分析 13

4.1静力分析基础 13

4.2车架静力学分析模型的建立 14

4.3悬架的模拟 18

4.4载荷的处理 19

4.5车架静力分析工况及约束处理 20

4.5.1满载弯曲工况分析 21

4.5.2 满载扭转工况分析 26

4.5.3满载制动工况分析 29

4．5.4满载转弯工况分析 30

第5章传统车架计算方法与有限元法比较 33

第6章论文总结 37

致谢 38

参考文献 39

37

第1章前言

1.1汽车车架介绍

汽车车架是发动机、底盘和车身各总成的安装基础，是汽车的关键承载部件。

车架支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、货箱等，承受着传给它的各种力和力矩。

所以，车架应有足够的强度，使安装在车架上的相关机构的相对位置在汽车行驶时能够保持不变，并使车身的变形最小。

车架也应该有足够的刚度以保证其有足够的可靠性和使用寿命，纵梁等主要零件在试用期内不应该有严重的变形和开裂。

如果车架的刚度不足，将会引起震动和噪声，使汽车的舒适性、操纵稳定性及某些部件的可靠性下降。

但车架的扭转刚度也不宜过大，否则将会导致车架和悬架系统的载荷增加，使汽车的轮胎接地性变差，从而降低通过性。

所以，车架必须满足以下的要求[1]：

（1）车架的结构形式首先应该满足汽车的总布置要求。

在复杂多变的行驶过程中，固定在车架上各总成和部件之间不应该发生干涉。

（2）要有足够的强度和刚度。

在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷的作用下可能产生扭转变形和在纵向平面的弯曲变形。

这些变形会使安装在车架上的各部件之间的相对位置发生变化，从而影响其正常工作。

因此，车架还应该具有足够的强度和适当的刚度。

（3）车架的结构应尽量简单，使得安装于车架上的机件要容易拆装，以便于汽车的维修。

（4）车架的形状应尽可能的配合车身和各总成，以降低汽车的质心，及获得较大的前轮转向角，能够提高汽车的操纵稳定性和机动性。

目前，按车架纵梁、横梁结构特点，汽车车架的结构形式基本上有3种：

边梁式车架、中梁式车架（或称脊梁式车架）和综合式车架。

在汽车车架中，应用最为广泛的还是边梁式车架。

边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或者焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。

纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般是槽钢，有的也做成Z字形或箱型断面。

根据汽车形式不同和结构布置的要求，纵梁可以在水平面内或纵向平面内做成弯曲的，以及等断面的或是非等断面的。

横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还可以支撑汽车上的主要部件。

通常，载货汽车有5-6根横梁，有时会更多。

边梁式车架的结构特点是便于安装驾驶室、车厢和一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车。

因此，它被广泛的使用在载货汽车及大多数的特种汽车上。

1.2国内外研究现状

过去，国内汽车设计的主要手段是用传统的样车和旧车型作参考的模式。

在对车架进行分析设计时经常会对车架进行大幅度的简化。

因为用经典力学对其进行结构分析时，为了能够计算，必须把模型构造的非常简单。

这种方法不但费时费力，大多依靠经验，缺乏科学性，而且也不可能针对多种方案进行评价。

此外，车身车架是一个十分复杂的结构，用经典力学的方法不可能得到精确的解答，特别是在设计的初期不会有实测数据。

所以，以前的设计基本上是依赖于经验和类比，缺乏建立在力学特性、刚度、强度等分析基础上的科学依据。

随着计算机技术的高速发展，汽车车架的结构设计逐渐由传统的经验设计方法转向了现代设计方法。

如模态试验方法、有限元方法等。

其中，有限元方法已经成为建立有限元模型、模拟车架的主要分析途径，并慢慢走向成熟。

有限元法是根据变分原理对数学及物理问题进行求解的数值计算方法，是随着计算机的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方法，是工程方法和数学方法的混合产物，可以用来求解许多过去无法解决的问题。

在国外，有限元法很早就被运用在汽车的结构分析方面。

60年代中后期，国外就开始了对车架的有限元静态分析。

国外十分重视有限元法对车架结构进行辅助设计，并且取得了大量的研究成果。

1970年，美国宇航员利用NASTRAN有限元分析程序，对车架结构进行了静强度分析，从而减轻了车架的自重。

这是最早的车辆轻量化分析。

后来Ao.Kazuo.Niiyama等人详细地介绍了利用有限元静态强度分析结果来指导车架的设计过程[2]。

从70年代起，开始对汽车结构进行动态特性分析，并取得了大量的研究成果。

Krawczuk,Marek等人利用全板壳单元车架有限元模型对一辆货车车架进行比较全面的动态研究[3]。

Kim.H.S.Hum.H分析讨论了车架在较大静态载荷的作用下所变现出来的失效形式，Colomina等人利用有限元法建立了一个载货汽车车架的有限元模型，并对其进行了动态的结构分析，根据分析结果对车架结构进行了优化[4]