轻型汽车车架有限元分析毕业设计.docx

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轻型汽车车架有限元分析毕业设计

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轻型汽车车架有限元分析

毕业论文中文摘要

轻型汽车车架有限元分析

摘要：

车架作为非承载式车身结构的主要承载部件，要承担汽车的大部分载荷，其性直接关系到整车性能的好坏。

车架的性能主要取决于车架在静态载荷和动态载荷下的响应情况，因此对车架进行静、动态响应分析不仅可以评价车架自身的性能，而且还可以作为整车的行驶平顺性等性能的评价指标。

其结果还可以为车架的优化设计和结构改进提供理论依据。

本文运用UG软件建立农用三轮车车架零部件及总成三维模型，并运用UG或相关软件对车架进行有限元的强度分析。

车架的静态特性和动态特性方面作了如下研究：

对车架及其载荷进行了适当简化，在绘图软件UG中建立了车架的三维模型，利用UG的高级仿真模块将三维模型导入，进行了有限元网格的划分。

对应车架在扭转和弯曲两种工况，施加相应的边界条件和载荷条件，进行了静态响应分析，找出了车架结构中的薄弱部位。

在计算得到的车架模态的基础上，研究了车架在路面上动态响应情况，选取了车架上的驾驶室安装点、发动机支架点和货箱支撑点等关键点作为响应输出，得出了个关键点的动态应力分布和动态位移情况。

本文的研究结果为研究整车振动、疲劳和噪声等问题奠定了基础，并可对厂家的生产实践具有指导意义。

关键词：

有限元；模态分析；静态特性；动态特性；UG5.0

毕业论文外文摘要

FiniteElementAnalysisoftheFrameofLightVehicle

Abstract:

FrameisthemostimportantpartofaBody-chassisframeconstruction.Theperformanceofaframedirectlydeterminedtheperformanceofanautomotive.Furthermore,theperformanceofaframeisdeterminedbythestaticanddynamiccharacteristicsofitsstructure.Soresearchesonthestaticanddynamiccharacteristicscannotonlyestimatetheframecharacteristics,butalsoestimatethecharacteristicsofanautomotive.PapersusethesoftwareofUGtoestablishagriculturaltricycleframethree-dimensionalmodelofpartsandassembly,andtheuseofrelatedsoftwareontheframetocarryoutfiniteelementanalysisofstrength.Frameofthestaticcharacteristicsanddynamiccharacteristicsstudywereasfollows:

Withreasonableandsuitablesimplifications,afineFEMmodeloftheframewasestablishedbyusingUG.ThemodalanalysesoftheframewereprocessedinNXNASTRAN.Finiteelementmeshdivision.Aseriesofstaticanalysis,includebendingandtorsion,wereimplementedontotheframeforsimulation.Theresultsofstressanddeformpresentedtheevidenceoftheweaknessoftheframe.Basedontheformermodalresults,researchofthedynamicresponseontheroadwasfollowedbychoosingthecab’sinstallationplace,theengine’srodandthecarriage’ssupportpointsastheoutputpoints.Theframe’sdynamicstressdistributionanddisplacementwerecalculated.

Thisresearchnotonlymeaningfulofitstheoreticalfoundationofthe

optimization,butalsoitscontributionforthefutureNVHstudies.

Keywords：

Finiteelement;Modalanalysis;Staticanalysis;Dynamic

analysis;UG5.0

（空2行）

目次（4号黑体，居中）

1绪论…………1

2××××××（正文第2章）……………………………………………………Y

2.1××××××（正文第2章第1条）…………………………………………Y

2.2××××××（正文第2章第2条）…………………………………………Y

2.X××××××（正文第2章第X条）…………………………………………Y

3×××××（正文第3章）………………………………………………Y

………………………………………（略）

X×××××（正文第X章）………………………………………………………Y

结论…………………………………………………………………………………Y

参考文献………………………………………………………………………………Y

致谢………………………………………………………………………………Y

附录A××××（必要时）…………………………………………………………Y

附录B××××（必要时）…………………………………………………………Y

图1×××××（必要时）…………………………………………………………Y

图2×××××（必要时）…………………………………………………………Y

表1×××××（必要时）…………………………………………………………Y

表2×××××（必要时）…………………………………………………………Y

1绪论

1．1概述

目前国内外汽车市场的竞争日益激烈，使得汽车产品的开发周期由原来的几年缩短到十几个月，这对于设计阶段准确的进行汽车各种性能预测提出了很大挑战。

利用现代CAD/CAE技术进行汽车新产品的开发，是现代汽车企业开发新的汽车产品的重要手段之一，它可以在新产品的开发设计阶段预测、评估汽车的各种性能，为产品的开发成功提供了一定的保障。

利用有限元方法可以在汽车的三维设计阶段对车架的强度、刚度、疲劳寿命和动态特性进行准确的分析和预测，并进行优化，指导设计工程师对产品进行优化设计。

汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路及装载的各种复杂载荷作用，而且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体，因而，车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得非常重要。

基于此，本论文建立了车架的有限元模型，对车架的强度、刚度、疲劳寿命等进行了分析，由于车架实际结构复杂，通常建立有限元模型时需要对实际车架结构进行各种简化，然而如果假设不当，就会造成分析结果不能满足工程实际的需要，因此对车架结构分析的要求特别高。

本论文建立了可信赖的车架的有限元模型，然后利用车架的有限元模型对车架进行了模态分析、静态强度分析，刚度分析，疲劳强度分析和碰撞分析，最后进行拓扑优化，使车架的设计满足使用要求。

1．2有限元法在国内、外汽车分析方面的应用和发展概况

有限单元法是一种很有效的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规则，载荷和支承情况复杂的各种结构进行变形计算、应力分析和动态特性分析。

有限单元法的基本思想是:

把一个连续的弹性体化分成有限多个彼此只在有限个节点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究。

也就是用一个离散结构来代替原来的结构，作为真实结构的近似力学模型。

以后所有的分析计算就在这个离散的结构上进行。

有限元法之所以能够求解结构任意复杂的问题，并且计算结果可靠、精度高，其中原因之一在于它有丰富的单元集，能够适应各种结构的简化。

对于结构分析而言，常见的结构类型包括梁单元、板单元、曲壳单元、管单元、弹簧单元等，从而使我们能够非常方便的用有限元模型来描述分析模型。

2“有限元法”这一名称是1960年美国的CloughRW在一篇名为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。

40年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。

由于计算机的飞速发展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。

特别是从80年代开始，随着我国计算机技术的快速发展，国外先进的计算软件也开始引进我国，我国的有限元分析已经进入实用阶段，有限元法的应用己经从弹性力学平面问题扩展到了空间问题、板壳问题；从静力平衡问题扩展到了塑性、粘性、粘塑性和复合材料问题等;从固体力学扩展到了流体力学、传热学、电磁学、声学、振动学等连续介质领域。

实际上，有限元法发展到了今天，已发展的较为完善，它已经被认为是工程分析中最强有力而又最通用的计算方法，其应用范围很广，并且由于实践性强而具有强大的生命力。

利用有限元法进行结构分析，实质上也是一种“计算机的数值实验”，它不仅使过去无法进行运算的课题获得数值解，而且逐渐代替某些成本高、时间长的常规试验。

有限元分析法在汽车中的应用非常广泛，概括起来主要有以下几个方面：

汽车结构的强度、刚度计算；结构的模态分析；汽车整车性能分析；传热分析；汽车动力学分析；汽车结构噪声分析；汽车被动安全分析等。

因此有限元分析方法在汽车中有着广泛的应用范围，它不仅可以用来分析已经成型的汽车产品的性能，也可以应用于产品开发过程中汽车的性能分析，为汽车设计提供依据和指导。

车架是汽车的承载体，不仅承担发动机、底盘和牵引货物的质量，而且还要承受汽车行驶过程中所产生的各种力和力矩。

因此，其强度不仅关系到整车能否正常行驶，而且还关系到整车安全性。

对车架设计的要求是:

在保证足够的强度、刚度和稳定性下，尽可能达到质量轻、形状合理，并最大限度地减缓过渡区的应力集中。

近年来，国内外学者对车架的有限元分析进行了大量的研究，取得了大量的研究成果。

Ao,Kazuo等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍。

郑兆昌等人应用大型结构软件SAP.SP对车车架进行了动态分析。

提出了利用车架模态分析结果直接对结构动态特性进行评价的方法。

早期的车架有限元模型多把车架简化为简支梁，但对于一些低合金钢板冲压成型或槽钢，工字钢等制作的车架，这种模拟方法存在许多不足之处，无法反映车架纵梁和横梁的连接情况，难以准确计算车架构建结合部的应力，计算结果只是各节点的应力情况，且计算精度较低。

板壳单元模型用板壳单元将车架的纵、横梁及连接板进行离散化，这种结构单元准确的描述了形状复杂的车架结构，大大提高了有限元分析的精度，能够处理连接部位的应力问题，但是这种模型单元与节点数目众多，前处理工作量大，计算速度慢。

板壳单元模型适用于对车架分析精度要求较高的场合，采用板壳单元建立的车架有限元模型板壳之间的焊接及螺栓连接的模拟形式对于汽车车架结构的分析结果有较大的影响，如何处理焊点模拟与螺栓连接是很关键的问题。

汽车车架结构参数优化设计是汽车工业近些年的重要研究领域。

汽车车架是汽车结构件中结构与载荷都很复杂的重要部件，也是人们首先开展结构分析和结构优化设计研究的对象。

吉林工业大学的黄金陵曾在对影响车架结构强度和刚度的因素进行了理论分析基础上，运用惩罚函数法寻得了汽车车架各梁截面参数的最佳值，但是由于影响汽车车架结构强度和刚度的因素很多，如纵梁及横梁的布置;各梁所采用的截面形状和尺寸；纵、横梁联接接头的型式等等。

再者，车架结构和载荷都比较复杂，难以形成较好的数学模型，因此该文作者并未对车架进行全面分析，这势必影响结果的可靠性。

河北工学院的冯国胜曾经在有限元分析的基础上，采用复合形法和惩罚函数法对汽车车架结构参数进行了实例优化计算,优化的设计变量也只涉及到了截面的参数，并未考虑到同样比较重要的布置参数。

1．3本文研究的主要内容

车架作为汽车的承载基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、货厢等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。

为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小;车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性和寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。

车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘座舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。

但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使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。

考虑到客车在国内的具体使用情况在可能的情况下，车架的设计还应考虑易于吸收撞击的结构[22]。

车架作为汽车的基础部件，受力状态、结构较复杂，无法用简单的数学方法对其各部分的应力状态进行分析计算，而采用有限元分析即可对车架的静强度、振动模态进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。

本课题就是有限元分析方法在汽车车架改进设计方面的具体应用，主要目的就是掌握UG绘图软件的使用，并对该车车架进行抗弯静载强度测试，以根据实验结果修正有限元计算模型。

利用有限元分析软件对车架的强度进行计算分析，为车架的计算机设计及结构修改提供依据。

UG软件建立车架的几何模型，并且针对于该车车架，通过NX.NASTRAN大型结构分析通用有限元软件对该车车架进行静态、模态分析。

主要通过以下步骤完成：

1）通过UG等软件建立轻型汽车车架总成的三维几何数学模型

2）划分有限元单元

3）设定约束条件和承载情况

4）对不同工况下车架的强度和刚度进行计算

5）根据计算结果进行分析，提出改进意见

在以上步骤中，第2，3，4步是核心步骤，第1步是最重要的准备工作。

2有限元的基本理论

有限元方法是结构分析的一种数值计算方法，它在50年代初期随着计算机的发展应运而生，并得到广泛应用。

这一方法的理论基础牢靠，物理概念清晰，解题效率高，适用性强，目前已成为机械产品动、静、热特性分析的重要手段，它的程序包是机械产品计算机辅助设计常用方法库中不可缺少的内容之一在当前科学技术及生产技术发展日新月异的情况下，市场的需求是瞬息多变的，机械产品以多品种、小批量生产为主，这就要求新产品设计、制造周期短，质量高，成本低，具有较强的竞争能力。

传统的设计方法已越来越适应不了发展的需要。

因此，近20年来，由于计算机的应用，正在设计领域中进行着一场深刻的革新，如用理论设计代替经验设计，用精确设计代替近似设计；用优化设计代替一般设计，用动态分析代替静态分析等等，而有限元方法为在设计阶段掌握产品性能提供了强有力的工具。

可以认为有限元计算是利用计算机对机械产品动、静、热特性进行了模拟试验。

随着计算机及计算技术的发展，机械产品设计必然进入到一个新的阶段。

国外机械产品设计已进入计算机辅助设计及自动设计时代，目前它正以有限元—优化设计为中心不断地向前发展。

有限元方法是数值计算中的—种离散化方法，用数学术语来说，就是从变分原理出发，通过分区插值把二次泛函（能量积分）的极值问题化为一组多元线性代数方程来求解。

人们知道，直接从一个微分方程推导出它的泛函，常常是很复杂的，有时甚至是不可能的，所以在求泛函时常借助于所研究问题的物理特性。

诸如金属切削机床这类机械产品的刚性问题，属于小变形弹性问题，因而弹性力学中的最小位能原理提供了极大的方便。

从物理或几何概念来说，有限元方法是结构分析的一种计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用，其基本思路是将弹性连续体划分成有限数量的小单元体，它们在有限多个节点上相互连结。

在一定精度要求下，对每个单元用有限多个参数来描述它的力学特性，而整个连续弹性体的力学特性，可认为是这些小单元体力学特性的总和，从而建立起连续体的力的平衡关系。

2．1有限元法分析过程

有限元分析（FEA,FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。

有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。

20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为:

“有限元法=Rayleigh-Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh-Ritz法的一种局部化情况。

不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh-Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。

有限元求解问题的基本步骤通常为:

第一步:

问题及求解域定义

根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

第二步:

求解域离散化

将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。

显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

第三步:

确定状态变量及控制方法

一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

第四步:

单元推导

对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。

为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。

对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。

例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。

第五步:

总装求解

将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。

总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。

第六步:

联立方程组求解和结果解释

有限元法最终导致联立方程组。

联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。

求解结果是单元结点处状态变量的近似值。

对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。

简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。

前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分;后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果

2．2有限元法的程序实现

从使用有限元程序的角度来讲，有限元分析可分为前处理、计算和后处理三大步。

前处理是对计算对象网格划分、形成计算模型的过程。

包括单元类型的选择，结构的材料特征参数的确定，实体建模，节点和单元网格的确定，边界条件或约束条件及载荷的移置等。

许多商用有限元软件不仅提供了与主流CAD系统的接口，自己本身也又很好的实体建模性能，有限元软件都提供了一种以上的网格划分方法，以供使用者根据计算要求进行选择。

计算是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到节点位移的过程。

由于商用软件已经针对多种模型进行过验证运算，因此只需要按照提示输入各种条件，包括收敛的方法（在软件中，这常被称为求解器）等，计算机就可以进行计算，得到计算结果。

后处理是对计算结果（应力、应变或振型等）的整理，形成等应力线、变形图、振型图等，以及结果的输出。

3建模和有限元软件的选择

在本文的研究中，使用的是目前国际上最为通用的商用绘图软件UnigraphicsSolutions（简称UGS）绘图软件和UGS的内部高级仿真模块NX.Nastran.

3．1UG的CAD功能简介

本课题应用的是UnigraphicsSolutions（简称UGS）绘图软件和TheMSC.SoftwareCorporation（简称MSC）有限元分析软件。

美国UnigraphicsSolutions公司（简称UGS）的产品主要有为机械制造企业提供包括设计、分析到制造应用的Unigraphics（简称UG）软件，基于Windows的设计与制图产品solidedge，集团级产品数据管理系统iMAN、产品可视化技术ProductVision以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心parasolid在内的产品。

UG软件在航空航天，汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。

多年来，UGS公司一直在支持美国通用汽午公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时UG也是日木著名汽车零部件制造商DFNSO公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了应用，如Navistar,底特律柴油机厂、Winnebago和RorbertBoschAG等。

UGS公司的产品同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费品等行业，如3M,Will-Pemco,Biomes.Zirnmer、飞利浦公司、吉列公司、Timex,Eureka和ArcticCat}等。

UGS公司进入中国已经有16个年头了，在中国的业务有了很大的发展，中国己成为远东业务增长最快的国家。

2000年来UGS公司在中国的用户已超过800家，装机量达到3500多台。

随着我国计算机二维绘图技术的逐步普及，以三维实体建模为基础的计算机辅助零件设计、装配设计、运动分析、有限元分析、数控加工仿真与编程等方面的需求正在快速增长，很多工程设计人员已开始从使用二维CAD系统转向使用三维CAD系统。

可以相信，三维CAD系统必将逐步取代二维CAD系统而成为计算机辅助设计与分析的工具，掌握这一主流工具将迅速成为对工程设计人员的基本要求之一。

UG为最好的工业设计软件包括一个灵活的复合建模模块以及功能强大的逼真照相的渲染，动画和快速的原型工具，复合建模让用用户可在建模方法中选择;创建实体（Solid），曲面（surface）、线框（Wireframe）及其于特征的参数化建模。

在本次建模中，主要用到的是实体建模部分，