轿车前副车架建模及有限元.docx
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轿车前副车架建模及有限元
河北工业大学
毕业设计说明书
作者：
禹韦学号：
100316
学院：
机械工程学院
系（专业）：
车辆工程
题目：
轿车前副车架建模及有限元分析
指导者：
刘璇讲师
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2014年06月04日
毕业设计（论文）中文摘要
轿车前副车架建模及有限元分析
摘要：
副车架是前后车桥骨架的重要构成成分。
副车架不是完整的车架，而是支撑前后车桥、悬架的支架，车桥、悬挂通过副车架与车身骨架（又名“正车架”）相连接。
副车架产生后，前后悬挂在副车架上先组装，进而组成一个车桥总成，再将这个总成装配到车身上。
悬挂部件和副车架直接连接，同等的振动经由副车架缓冲，传递到车身的时候，振动已经被大幅减少，进而整车的舒适性得到大大改善。
除此，又因为副车架的刚度大于车身刚度，经由副车架连接，悬挂连接刚度得到大大增强，不但提升了舒适性，同时又在底盘强度和操纵性方面上，占据着特殊的一方优势。
本文以某轿车前副车架的实际结构为基准，运用三维建模软件UG对该前副车架进行了建模，再通过有限元分析软件ANSYS对三维模型进行强度分析，找出前副车架存在的隐患问题，进一步了解提高前副车架性能的方法。
关键词：
前副车架UG建模ANSYS有限元分析
毕业设计（论文）外文摘要
TitleModelingandFiniteElementAnalysisofCarFrontSubframe
Abstract
Thecarfrontsubframeisanimportantpartoftheskeletonoffront&backbridge.Subframeisnotcomplete,butasupportingbracketbetweenthefront&backbridgeandsuspension.Throughthesubframe,suspensionfrontandrearsupportingareconnectedwiththebodyframe（commonlyknownasthe"frame"）.Afterthebirthofcarfrontsubframe,frontandrearsuspensioncanbefirstassembledinthesubframetoformanaxleassembly,andthentheassemblycanbefurtherputintothebody.Suspensioncomponentsandsubframearedirectlyconnected,thesamevibrationthroughthesubframe,andthentransferredtothevehiclebody,thevibrationwillbegreatlyreduced,soastoenhancethecomfortofthevehicle.Besides,thesubframestiffnessislargerthanthecarbody’sandthestiffnessofsuspensionconnectionisgreatlyenhancedbyconnectingasubframe.Itnotonlyenhancesthecomfort,butalsohasauniqueadvantageinthechassisintensityandcontrol.
Inthispaper,accordingtotheactualstructureoffrontsubframeofacar,wewillusean3DmodelingsoftwareUGtoestablishthefrontsubframemodelandthenmakeanstrengthanalysisonthe3DmodelbyfiniteelementanalysissoftwareANSYS.Further,wecouldfindouttheproblemsoffrontsubframetounderstandthemethodstoimprovetheperformanceofthefrontsubframe.
Keywords：
ThefrontsubframeUGmodelingANSYSThefiniteelementanalysis
1绪论………………………………………………………………………………………………1
1.1本课题的研究背景…………………………………………………………………………1
1.2本课题研究的目的及意义…………………………………………………………………4
1.3本课题的主要工作……………………………………………………………………………5
2前副车架的建模……………………………………………………………………6
2.1三维建模工具UG的应用…………………………………………………………6
2.1.1软件的前期准备………………………………………………………………6
2.1.2UG6.0操作界面简介…………………………………………………………7
2.2前副车架零部件建模……………………………………………………………10
2.3前副车架的整体布置装置………………………………………………………16
3有限元分析方法和前副车架有限元模型的建立…………………………………18
3.1有限元分析方法…………………………………………………………………18
3.2软件ANSYSWorkbench简介………………………………………………………18
3.3建立前副车架有限元模型………………………………………………………19
3.3.1将三维模型导入Workbench………………………………………………20
3.3.2选择模型材料属性…………………………………………………………20
3.3.3划分模型网格………………………………………………………………21
3.3.4对模型施加约束……………………………………………………………22
4有限元强度分析结果………………………………………………………………23
4.1不同方向变形图及对应分析……………………………………………………23
4.2改进意见…………………………………………………………………………27
结论……………………………………………………………………………………28
参考文献………………………………………………………………………………29
致谢……………………………………………………………………………………30
1绪论
汽车的前副车架担当着连接底盘、车身、发动机的角色。
主要的功效是减少传入驾驶室内的路面和发动机产生的噪声和震动。
由于副车架强度很大，因而通过应用副车架，悬架的刚度会得到大幅提高，底盘会越加结实紧凑，同时还会改善底盘强度，提高汽车整体的舒适性和其他各方面性能。
1.1本课题的研究背景
一般而言，副车架是前后车桥骨架的重要构成成分。
副车架不是完整的车架，而是支撑前后车桥、悬架的支架，车桥、悬挂通过副车架与车身骨架（又名“正车架”）相连接，习惯上被我们称作“副车架”。
早前生产的汽车绝大部分是没有副车架的承载式车身，它们的悬挂直接和车身钢板连接，因此前后车桥的悬挂摇臂机构都是散件，并不是总成件。
在这种情形下，车轮与地面之间产生的振动，会通过悬挂部件直接传送给车身骨架，进而影响乘坐者的舒适度。
现代汽车很大一部分都有车架作为整车骨架，车架因此成为整个汽车的基体。
汽车的大部分部件和总成（如悬架、发动机、传动系统、驾驶室、转向、货舱以及有关操纵机构）都是用车架来固定位置的。
车架不仅能支撑连接汽车各零部件，还能承受来自车内外的各种载荷。
由于现在很多的轿车和大客车都没有车架，它们车架的功能由轿车本身的车身或大客车车身骨架来承担，因此称他们为承载式车身。
车架的结构形式必须先应满足汽车总布置要求。
汽车在使用过程中会遭遇千奇百怪复杂多变的状况，但在车架上固定的各总成和部件之间不应该发生干涉。
当汽车行驶在坑坑洼洼的路面上时，由于载荷作用下车架会产生扭转变形，在纵向平面内还会发生弯曲变形。
更严重的是，当某一边车轮碰到障碍时，车架甚至可能会扭曲成菱形形状。
这些个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，进而影响它们正常工作。
所以，对车架的强度、刚度还必须严格要求，强度、刚度都应足够高。
为使整车轻量化，车架质量应尽可能小。
除此之外，为提高汽车的行驶稳定性，也应降低车架高度从而降低汽车质心位置。
这些对轿车和客车来讲都尤其重要。
最近这些年，车架和承载式车身的结构形式，尤其是轿车的车架结构形式发生了多样化、复杂化。
现在，介于车架纵梁以及横梁不同的结构特点，汽车车架的结构形式大体分为三种：
1边梁式车架、2中梁式车架（又名脊梁式车架）、3综合式车架。
又或者，仅依据于纵梁的结构和形状特点，车架的结构形式又分为周边式车架、梯形车架和X型车架这三种。
边梁式车架在各类载货载客汽车以及少量轿车上得到广泛应用，中梁式主要用在越野汽车以及些许轿车上。
轿车的车架形式各式各样，主要还是以承载式车身和综合式车架为主，现代大型客车越来越多是桁架式车架结构和整体承载式车身骨架。
（1）边梁式车架
边梁式车架是由位于两边的纵梁以及些许横梁构成，通过铆接法或者焊接法把纵梁和横梁连接成为坚固的刚性架构。
纵梁一般由低合金钢板冲压形成，一般为槽型断面状，但也有一些做成箱型或Z字型断面的。
由于汽车结构布置和汽车形式不同会产生其他的要求，纵梁能在纵向平面内或者水平面内做成弯曲状，或者等断面式又或非断面式。
横梁不但能够确保车架的扭转刚度以及承受纵向载荷的能力，还能支撑汽车上形形色色的主要部件。
一般而言，载货汽车有5-6根横梁，有时可能更多。
边梁式车架具有诸多有利结构特点：
便于安装车厢、驾驶室以及一些特殊装备和布置一些其他总成，有助于创新车型和发展多品种汽车。
所以，边梁式车架被广泛运用在载货汽车和大多数的特种汽车上。
近代许多轿车为了追求良好的整车性能，尽可能降低质心高度和有利于前后悬架的排布，把结构需要摆在第一位，再考虑到车架加工工艺，所以现在车架形状设计得都比较复杂而实用。
图1.1为丰田皇冠Crown轿车的车架以及车身，图中的车架2用阴影线标出。
为了确保高速行驶轿车的行驶稳定性，汽车的质心高度应尽可能低；为了提高乘坐的舒适性，车身的地板高度也应尽量低。
但是底板的高度降低不应该影响转向轮的偏转以及悬架变形时车桥的振动。
所以这个轿车车架通常前部做的比较窄，前后桥处向上弯曲，中间对应的车身地板比较平低。
1-车身；2-车架（阴影线部分）
图1.1丰田皇冠（Crown）轿车车架和车身
（2）中梁式车架
中梁式车架只有一根贯穿中央前后的纵梁，所以又称它为脊梁式车架。
如下图1.2所示。
中梁的断面能做成管型或者箱型。
这种结构的车架扭转刚度较大，使得车轮有较大的运动空间，所以被应用在一些轿车和货车上。
图1.2中梁式（脊梁式）车架结构
选用这种中梁式车架的优势是：
使车轮具有较大的运动工作范围，有利于使用独立悬架，进而增强汽车的越野性。
对于同吨位货车而言，中梁式车架相对较轻，从而整车质量较小。
又由于质心位置较低，所以行驶稳定性可靠好。
车架的刚度和强度较大。
脊梁还能发挥封闭传动轴的防尘套作用。
（3）综合式车架
如下图1.3所示，该车架前部分属于边梁式，后部分属于中梁式，这种车架就是所谓的综合式车架（又名复合式车架）。
综合式车架既拥有中梁式车架的特点，又具备边梁式车架的特点。
发动机可以安装在这种车架的边梁，车身可以通过悬伸出来的车架来固定。
图1.3综合式车架
近些年来随着国家发展力的提高以及政府有力的扶持，汽车工业发展蒸蒸日上，车架的结构也跟着越来越多样、复杂化。
例如新诞生的桁架式车架，采用立体结构主要出现在赛车和特种结构车上。
它由钢管组合焊接而成，这种车架既有车架又有车身作用。
现在出现了一种叫IRS的车架，主要用在一些高端轿车上。
后半部分车架与前半部分车架由动铰链连接而成，后驱动总成（差速器、主传动器）安装在后车架上，驱动轮与半轴之间用万向节链接。
后独立悬架连在后车架上。
这样安排不但能因为独立悬架能提高汽车的行驶平顺性，还能够因为活动铰链点处的橡胶衬套而使得整车得到一定的缓冲，进而又一次改善了汽车行驶平顺性。
有些轿车为了减少车架质量，尽量做到轻量化，采用半车架。
1.2本课题研究的目的及意义
对于副车架而言，在性能上主要是能够减小路面震动的传入，提高悬挂系统的连接刚度，因而装有副车架的车驾驶起来会感觉底盘非常扎实，非常紧凑。
但是副车架悬置软硬度的调控又是一个二者不可兼得、但又不可避免的矛盾。
副车架悬置如果设定为一个较软值，那么由于汽车行驶而产生的震动能够得到一定程度的减缓。
但是如果副车架悬置设定太软，汽车在高速转弯时它会发生很大的形变，会导致轮胎定位不精准，又进一步地影响了汽车的操纵稳定性能。
副车架悬置设计过硬，能够提高连接刚度，但是却不能或者只能很有限的隔绝震动以及噪声。
所以工程师们会根据不同车型的定位和用途来选择恰当刚度的橡胶衬垫去设计和匹对合适的副车架。
副车架具备很多优点，比如：
副车架能够提供很好的悬挂连接刚度；能够隔断路面震动减小噪声进而带来良好的舒适性；把独立的悬挂变成结实、紧凑的总成部件，提高了悬挂的通用性，减少了研发成本；总成部件安装方便快捷，减小了装配成本。
安装副车架并不是完美的方法，并不能解决所有问题，它在提供了很多优点的同时也带来了很多的缺点。
首先，巨大的副车架会大大增加车重，违背了轻量化，同时又间接降低了车辆的燃油经济性，虽然用铝合金材料来组建副车架的话能减轻一定的重量，但同时车辆的成本又会相应的增加。
除此之外，副车架虽然会使得底盘变得更扎实，但同时会影响行车稳定性，还有操纵感总是不够到位。
当然，称职敬业的汽车工程师们不会停止对汽车技术的更新改革创新，我们坚信在不远的将来必定还会有更好更出色的设计问世，不断的改善汽车各方面性能。
随着汽车行业竞争力的不断加剧，CAE技术在零部件开发中越来越得到大力使用。
目前国内外汽车结构件的设计大部分都采用运动学分析来获得硬点、包络面及载荷等设计输入，利用有限元分析来判断设计的合理性，并通过试验验证分析设计的可靠性，将设计、有限元分析、计算机仿真和试验验证有效地结合起来，使得结构件的开发周期得到大大缩短。
以轿车副车架作为研究对象，对设计模型进行CAE分析，并根据分析结果进行设计优化，使所设计的副车架满足设计要求。
同时通过台架模拟试验验证了CAE分析及设计的可靠性。
采用CAE-有限元分析软件能准确地对汽车车架进行强度分析。
在车辆设计方面，有限元分析法还可以从车身结构优化设计、发动机零部件优化设计、车架结构优化设计等方面起更大的作用。
随着汽车产业化不断扩大和技术的不断进步，未来汽车制造对汽车悬架系统要求会更高。
因此，在副车架这个超级模块系统上挖掘更前沿的技术是必要的、可行的，包括考虑到节能、环保等方面的要求，未来副车架的材料将向使用铝合金等轻金属材料道路前进。
1.3本次毕设的主要工作
本次毕设的主要内容是对汽车前副车架进行三维建模以及对之后的有限元模型进行有限元分析。
用UG软件建立某轿车的前副车架三维几何模型，将其进行简化约束并导入ANSYS软件中,建立了有限元模型。
运用ANSYS软件对前副车架进行不同工况下的强度分析,得出相应的应力与变形分布图。
将这些静力分析的结果作为新产品开发和结构优化设计的重要参考依据。
发现其中的问题，并且针对存在的问题提出相应的解决方案。
具体流程图如下图1.4所示：
图1.4流程图
2前副车架的建模
2.1三维建模工具UG应用
2.1.1软件的前期准备
本次毕业设计题目是某型乘用车副车架建模及有限元分析，因此必须要建立一个简单但是反应较为精确的前副车架三维模型，本文所使用的建模软件是广为机械同行采用的德国西门子自动化与驱动集团研发的UG软件，它有多个版本，由于本人计算机的限制，采用了它的6.0的版本。
它具有精确、简洁、较为人性化的各样功能，但是由于学习接触的深度不够，而建立前副车架这个复杂的结构显得有些力不从心。
不过一段时间的坚持学习和练习，相信通过此次毕业设计的练习，本人将会很熟练的掌握UG的各种功能。
为以后的工作打好基础。
在此次学习与使用的过程中遇到了不少问题，从老师那里得来了UG的教学课件和一些建模实例进行学习，是自己的建模水平有了很大的提高。
在对UG软件的学习过程中，首先要学习它的技术特点，主要应用模块，以及它的操作界面，还要学习它的参数设置方法，建模步骤。
这一个过程相对来说较为简单。
接下来，主要进行对前副车架的建模工作，在建模的过程中慢慢摸索学习软件所能提供的各项功能，同时不断完善所要建立的模型。
对于建模和装配这个课题，软件使用的熟练程度和知识面的掌握对整个课题的进度以及建模的合理性、直观性起着重要的作用。
查阅各种资料、请身边同学老师、上网查看教学视频等等一切可以采取的措施，很快掌握了UG建模的基本技能，尤其在与控件的使用，熟练的使用控件会使得作图简单、快捷。
基准平面的选择在这次的建模过程中应用的此数很多，它为下一步的绘制草图并建模成功有着非常紧密的联系，根据图纸说要求的数据，建立相应的位置平面，在平面上绘制草图并通过拉伸等功能建立模型。
对于装配需要了解装配的原理，如何添加约束等，装配是复杂的过程经过较多练习，才能更好的完成装配任务。
2.1.2UG6.0操作界面简介
UGNX6.0的主要界面与UG先前版本并无较大区别，在先前版本已有功能的基础上增加了一些新的功能，总体来说，它的界面在显示上简单易懂，用户只要了解各部分的位置和用途，就可以很容易的了解和应用各个操作功能，使自己的设计工作更便捷。
在Win7平台上选择“开始-所有程序”命令即进入欢迎界面，如图2.1所示，此时还不能进行实际操作。
图2.1UGNX6.0基本环境模块
之后，点击“新建”按钮，可以进行多种模块的选择，包括模型、装配、外观造型设计等。
如图2.2所示。
图2.2UGNX6.0新建界面
点击“模型-确定”进入建模模块，如图2.3所示。
图2.3零件建模应用模块
该工作界面主要包括：
标题栏、菜单栏、工具栏、坐标系、工作区等。
下面介绍它们的主要功能。
标题栏：
标题栏显示软件名称及其版本号，当前正在操作的部件文件名称。
如果对部件已经做了修改，但还没有进行保存，其后面还会显示修改提示信息。
菜单栏：
菜单栏包含了该软件的主要功能，系统所有的命令和设置选项都归属到不同的菜单栏下，他们分别是：
文件、编辑、视图、插入、格式、工具、装配、信息、分析、首选、窗口以及帮助菜单。
当单击任何一个选项时候，系统都会展开一个下拉式菜单，菜单中包含所有与该功能有关的命令响应。
工具条：
工具条中的按钮都对应着不同的命令，而且工具条中的命令都可以以图标的方式形象表示命令的功能，这样可以免去用户在菜单中的查找命令的繁琐工作，方便用户使用。
提示栏：
提示栏固定在工作面的左上方，主要用来提示用户如何操作。
状态栏：
状态栏固定在提示栏的右方，，主要用来显示系统或图元状态。
坐标系：
坐标系表示建模的方位。
工作区：
工作区就是工作的主要区域，又称为图形窗口。
资源区：
资源条为用户提供一种快捷的操作导航工具，它包含了装配导航器、部件导航器、重用库、历史记录、系统资料、加工向导等导航器，用户通过导航条可以方便的进行操作。
2.2前副车架零部件建模
前副车架的结构图如下图2.4所示：
1、前梁2、后梁3、右梁4、左梁5、发动机前支架6、发动机后支架
7、控制臂前支架8、控制臂后支架9、前套筒10、后套筒11、稳定杆安装孔
12、转向机安装孔13、前加强片
图2.4副车架结构
利用UG前副车架三维模型图如下图2.5所示：
图2.5副车架三维模型图
其余零部件模型图依次如下所示：
图2.6转向机安装孔
图2.7连接件支架
图2.8套筒
图2.9发动机支架
图2.10前梁
2.3前副车架的整体装配布置
利用UG软件里的装配模块进行零部件的装配。
应注意的是对于任何零部件的修改都会显示在装配图中。
利用UG软件对副车架的各个零部件进行组装的过程大体如下：
1．点击菜单栏中的“开始”选项，发现“开始”中的“装配”选项，点击该选项，直至“装配”前出现对号为止。
进入装配模块后，在整个工作窗口的下面出现装配工具条，该工具条是可以上下移动的。
如图2.11
图2.11打开UG装配模块
2．点击装配工具条中的“添加组件”选项，就可以在保存的零部件的路径下打开该零部件。
并且要选择该零部件的放置方式。
重复以上操作，可以添加各个部件，但应注意的时各个零部件之间的装配约束，要注意装配约束的添加不要造成装配误差。
如图2.12
图2.12添加组件
3．重复以上步骤可以添加各个零部件，直到装配完成。
在装配过程中要谨慎各零部件之间的关系，施加约束不能过多但也不能过少，过多的约束会带来修改的麻烦，过少的约束会使各个部件之间的关系不能明确。
以下为总的装配图图2.13。
图2.13总装配图
至此，就完成了前副车架的建模，建模是有限元分析的基础。
建模质量的高低直接关系着接下来分析速度的快慢和分析结果质量的高低，拥有一个好的建模对分析运算非常有利，得到的结果并且也非常准确。
而一个质量不高的建模就会为接下来的分析造成很大的阻碍。
首先，如果建模不好，那么导入分析软件就不能准确全面的反映实际情况，然后再接下来的网格划分过程中会造成软件无法识别的情况，使时间耽误在不必要的地方。
所以，建模是首当其冲的重要任务。
只有把建模完成好了才能顺利无误的完成接下来的任务，不会因为模型的一些失误而导致分析不准确，不用再花时间回头去研究模型。
虽然要的是分析的结果，但这个结果不能没有一个好的建模的基础。
要重视建模，在以后的工作学习中要把这个基础打好。
在完成建模以后进入下一个工作，轿车前副车架有限元模型的建立。
3有限元分析方法和前副车架有限元模型的建立
3.1有限元分析方法
有限元分析（FEA）作为一种现代计算分析方法近年来发展尤其迅猛，尤其对于结构力学分析而言，它的原理主要是用简单的物体代替复杂的物体来解决问题，再复杂的物体都是由一个个简单的物体拼凑而成。
对于FEA来讲，问题的求解域是由一个个叫做有限元的微小互连子域组成的。
单独分析一个个子单元，得出对应的解，由多个子单元的解推导出总单元的解，进而得出总问题的解。
依据有限元分析而开发出的软件，就是大家现在熟知的有限元分析软件。
目前广泛应用的有限元软件有ANSYS、ABAQUS、Femap、NX、Naatran、Multiphysics、MSC等等。
本文接下来就会采用软件ANSYS
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