底盘车架的有限元静态分析.docx

底盘车架的有限元静态分析.docx

《底盘车架的有限元静态分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《底盘车架的有限元静态分析.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

底盘车架的有限元静态分析

1.摘要

汽车经历了130年的发展，现作为最普遍的交通工具，在货运和客运方面都发挥着不可或缺的作用。

随着汽车的普及，汽车在各个方面的安全问题也日益受到关注，汽车的安全性关系到人们的生命和财产安全，因此人们对汽车的安全性这类重要指标的要求也越来越高。

在汽车众多复杂的结构中，车架作为整车的基体，汽车大部分的总成都是通过车架来固定其位置的。

车架的主要作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。

针对车架的设计较为复杂的问题，本文以某一电动客车中最重要的承载基体底盘车架为研究对象，基于有限元理论基础，通过CATIAV5R21建立车架三维实体模型，随后将车架的三维实体模型导入至ANSYSworkbench15.0内并选择合适的网格划分方法对车架进行有限元网格划分，在确定载荷的简化和施加方法后，根据该车的设计使用情况对底盘有限元模型采用了四种计算工况匀速直线行驶的水平弯曲工况、一轮悬空的极限扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况。

通过对这四种工况强度和刚度的分析，得到底盘的应力分布和刚度状况，分析评价该车架的优劣性能，并且与试验结果进行了比较，验证了该车架有限元模型的可行性。

同时，为掌握该车的动态性能，使用了模态分析技术对车身车架结构进行了分析，计算得到车身车架的固有频率，并对低阶固有模态振型进行了分析，了解了车架在受到路面位移激励状况下的瞬态响应，以及评价了在瞬态响应状况下的疲劳寿命。

计算结果表明，文中建立的有限元模型是合理的，分析是正确的，所得结果可用于指导客车设计的改进和性能评价。

关键词：

客车，底盘车架，有限元，静态分析

Abstract

Theautomobilewhichhasdevelopedfor130years,nowasthemostcommonmeanoftransporthasplayedanintegralroleinthefreighttransportandpassengertraffic.Withthepopularityofautomobiles,moreattentionsareputtothesafetyissuesofautomobilesinallaspects.Thesafetyofcarsisrelatedtopeople'slivesandpropertysafeties,sopeople’srequirementsonindexessuchasthesafetiesaregettinghigherandhigher.

Amongthemanycomplexstructuresinautomobiles,theframeofthevehicleisthebasicpartbywhichmostotherassembliesfixtheirpositions.Themainfunctionoftheframeistosupportandconnectallpartsofthevehicletogether,andtosubjecttovariousloadsfrominsideandoutsidethevehicle.

Aimingatthecomplicateddesignoftheframe,thispapertakesthemostimportantcarrierchassisofaelectricbusastheresearchobject,basedonthefiniteelementtheory,firstweestablishthethree-dimensionalstructurediagramoftheframebysoftwareCATIAV5R21,thenweintroducethe3DsolidmodeloftheframeintoANSYSWorkbench15.0andselecttheappropriatemeshingmethodtocarryonthefiniteelementmeshingtotheframe,afterthesimplifiedloadandloadwayexertingontheframewereensured,FEMmodeloftheframewasintroducedindetailandthestaticanalysiswasmadeunderfourtypicalconditionsaccordingtothepracticesuchasrunningwiththeuniformvelocity,leftsidetorsion,emergentbraking,rightturningandoverturning.Thedistributingofstressanddisplacementofthestructurehadbeengottenontakinguseoffiniteelementmethodandtheweakpointsandthestrongpointsofthestructurehadbeenfound.Analysisandevaluationofthemeritsanddemeritsoftheframe.Furthermore,thedynamiccharacteristicofthebodystructurehadbeenanalyzedinthemodalanalysistechniqueinordertogettheinformationoftheframe.Thetenordersnaturalfrequencieshadbeencalculatedandlow-ordervibrationshapeofthebusframewasstudied.

Thecalculatingresultsprovethatthefiniteelementmodelestablishedinthetextisrational,theanalysisiscorrect,andtheresultscouldhelptoevaluateandimprovethedesignofthepassengercar.

Keywords:

coach,chassisframe,finiteelement,staticanalysis

第1章绪论

1.1引言

自21世纪以来，我国客车经历了四十多年的发展，经过了“以货车改造客车”和“以货车底盘改装客车”的初级阶段后，现在已经成为汽车产业中的一个独立的工业及产品体系。

伴随着汽车工业的不断发展，汽车设计技术正在不断地更新，从最初的经验设计发展到以科学实验和技术分析为基础的设计阶段。

伴随着计算机技术的不断进步，慢慢形成了新的计算机辅助设计与工程分析技术（CAD/CAE），它们与有限元法相结合应用在汽车设计方面，已成为今后汽车工业发展的必然趋势。

有限元法起源于上世纪四十年代初期，因当时的条件有限，没有引起重视。

随着计算机技术的发展，有限元这门特别依赖数值技术的学科也得到了快速发展，目前已经广泛应用于包括汽车工业在内的各个工程领域。

美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件——ANSYS，由于其功能强大而被广泛采用，在以往用于车架、车体以至整车结构分析的实例屡见不鲜。

客车底盘车架将各总成零部件结合为一体，是汽车各个系统的承载基体，承受着车内外的各种载荷。

底盘车架静态和动态性能的好坏不但影响到乘员的舒适性、整车的振动特性，还直接影响到汽车的行驶安全性（车架的损坏往往会引起重大事故）。

车架所承受的载荷可以分为静载荷和动载荷两类。

静载荷是车辆在静止时所承受的载荷，主要是静弯曲应力，它是由安装在车架上的发动机、变速器、离合器等总成和部件的重量、乘客或是所载货物的重量、车架自身重量等引起的。

动载荷是车辆在行驶过程中车架承受的载荷，主要包括：

①动弯曲应力，一般此应力是静弯曲压力的3～4倍；②扭转力，当车辆在崎岖路面上行驶时，如果左右车轮不在同一平面内（如一侧车轮在凸台上或是陷入凹坑），车架就会受扭转力。

本文的研究对象是某电动客车底盘车架，根据给定的客车相关参数，利用CATIA软件建立底盘车架的三维实体模型，然后应用有限元分析软件ANSYS对底盘车架进行静态分析。

利用计算机在计算速度方面的优势，可以快速的模拟底盘车架在不同工况下的响应。

最后，通过分析工作的总结，客观地了解底盘车架结构，得出相应的结论，在客车车身结构中有着重要的指导意义，具有一定的参考价值。

1.2论文选题背景

汽车工业伴随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速发展。

在车辆制造行业中，车架、车身、悬架、转向系统、车轮、覆盖件等各零件总成和驾驶室结构，振动分析被广泛应用于有限元法，有限元法大大提高了车辆的设计水平，有限元法也成为了设计和强大的分析工具之一。

目前，汽车车架设计，设计者主要用传统方法来简化计算，有限元分析。

存在的两个突出问题是主要框架的设计这种模式：

首先，为了简化计算精度无法保证强度和刚度要求，引线框架的设计是不是很安全，安全要求的前提下保证会导致过多的框架结构设计，增加了设计成本；二是传统方法容易导致车身设计和计算的不同步，很难达到提高员工的技术目标的质量和设计。

为了提高设计水平架构，以确保在市场竞争中，车辆必须是有限元技术在战略上的高度。

1970年，引进NASTRAN结构分析程序到美国宇航局汽车行业，标志着基于对汽车设计的革命验证了分析的开始。

这是一个面向用户的结构分析软件，使其适合于非专业的工程师来设计通用。

目前由于有限元分析的精度高，故已被广泛使用，特别是在结构刚度，强度分析和结构优化分析的线性范围内的机械材料应力－应变结构分析。

ANSYS、NASTRAN等大型软件在求解类似机械应力和热应力耦合提供了一个非常简单的方法来分析问题。

车架作为整个汽车的核心总成，主要承载着发动机、变速器、蓄电池、乘员、货物等的重量，整车能否正常运行以及驾乘人员的安危主要取决于车架设计的可靠性，因此其设计不仅要有足够的弯曲刚度以抵抗汽车行驶中车架的变形，还要有一定的强度来防止车架在使用过程中发生疲劳损坏。

同时出于节约材料及提高汽车动力性方面的考虑，在满足刚度和强度要求下还应尽可能减小车架质量，这也有利于增加客车的经济效益。

显然，单凭设计人员经验，很难满足车架设计的诸多要求，而有限单元法在节点配置、网格划分、边界条件施加等方面灵活自如，能够模拟任意复杂的几何结构形状，处理不同的连接关系，更有一些国外开发的通用有限元程序可供使用。

因此，为适应现代客车底盘车架设计要求，运用有限元技术作为指导就显得尤为必要。

本论文正是基于这样的背景，对某小企业初步设计的某客车的底盘车架运用有限元法展开研究，探讨其力学特性。

1.3课题的研究目的和意义

现代汽车绝大多数都拥有作为整车骨架的车架，其功用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。

底盘车架是整个汽车的基础，汽车绝大多数部件和总成都是由车架来固定其位置的。

底盘车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求。

当汽车在复杂的行驶过程中，固定在车架上各总成和部件之间不应该发生干涉；当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷作用下有可能产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形，当一边车轮遇到障碍时，还可能使整个车架变形。

因此，车架还应具有足够的强度和适当的刚度，同时还要求其质量尽可能的小，车架应布置地离地面近些等。

因而，如何判断车架结构的合理性及静动态特性的优劣，是一项十分重要的工作。

客车底盘车架的结构复杂，用经典力学方法不可能得到精确解。

特别是在设计的初期，因为无法实测数据，只能依靠经验和类比设计，因此缺乏建立在力学分析基础上的科学依据。

客车底盘车架的设计与制造是开发新车型最重要的组成部分。

由于受各种条件的限制，目前我国基本上还在沿用传统的手工设计方法和连接式的设计与制造过程。

在汽车结构的设计中，设计员的重要任务之一是确定零部件的强度和刚度。

保证零部件能够达到一定的使用时间。

因为客车是复杂的空间结构，底盘车架又是客车中结构和受力情况都比较复杂的部件，且不少厂家仅凭经验或进行类比设计，往往导致结构强度过剩或强度不足。

强度过剩，带来结构的粗笨和材料的浪费：

强度不足又会发生早期失效，甚至酿成事故。

一个合理的设计应该是使其在不正常的恶劣运行条件下偶尔出现故障，在正常条件下不发生严重失效。

国内外关于底盘车架的研究实现了全方位综合发展。

底盘车架的设计是一项严谨而细致的工作,这不仅需要设计人员不断探索车架在整车工作过程中的具体状况，寻求更加符合实际工作状况的设计方法，还需要工程技术部门不断积累已有的技术能力和设计经验，形成自己小而准确的设计程序。

车架的设计工作经常围绕几个方面开展车架的静态、动态设计计算车架性能的实验来验证车架及整车的成本预算车架对整车性能的预测与实验仿真。

随着计算机技术的发展，有限元分析在车架结构设计中得到了广泛应用，采用有限元法对底盘车架进行静态强度分析，设计出满足强度和刚度的车架。

因此，本课题的目的主要有：

进行客车底盘车架结构有限元分析，规范分析步骤，使分析简单易行，为有限元技术在底盘车架上的应用做好基础工作；通过运用有限元方法对客车车身进行解析计算，为有关技术人员提供参考；对客车车身进行结构静力、动力学特性分析，为车身的设计分析提供一定的理论支持。

意义主要有：

使用有限元法对将要设计的客车车身进行设计分析将提升车架的研发、设计、分析和制造的效率和车架的性能；有限元法能有效地解决以往的车身设计办法很难全面考虑设计分析的车架复杂工况下的各种难题；在电能储存遇到瓶颈的今天，降低车架重量，减少电能和燃油的消耗，为客车提高经济效益；为客车进一步的设计提供更灵活的思路；验证客车底盘车架的结构可靠性与客车行驶时的安全系数；用有限元法进行分析设计，可以缩短开发周期，提高精度。

1.4国内外车架有限元的发展现状

有限元法是随着计算机的出现而发展起来的一种新的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规则、载荷支撑情况复杂的各种结构及零部件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论形状，还是载荷都十分复杂，所以有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具。

就有限元法来说，多年来，它的应用范围已经从杆、梁类结构分析扩大到了对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题的分析，由分析静态问题扩展到分析动态问题、波动问题和稳定问题，分析对象也从弹性材料发展到粘弹性、塑性等复合材料。

由此可见，有限元法己经获得了前所未有的巨大发展，由于有限元法有着无可比拟的优越性，有限元法在飞机、船舶、汽车和拖拉机等机械设计中都得到了广泛的应用。

有限元法给车架设计提供了先进的设计手段。

通过有限元法的计算，找到设计中存在的问题，为今后的车架设计提供了重要的理论依据。

车架结构和载荷的复杂性，优化设计与有限元分析程序相结合，将会获得更好的效果，这也是我们今后进行车架设计的方向。

随着计算机技术的出现和飞速发展，底盘车架作为一个大型复杂结构，对其有限元分析计算已广为应用。

早期的底盘车架强度计算是将车架简化为梁，只作车架弯曲状态下的强度校核。

伴随有限元的发展和推广，国内汽车行业将有限元法应用于汽车车架的动、静态计算，但采用梁单元模拟车架，建立车架强度分析的有限元模型，对一些低合金钢板冲压成型或工字钢等型材制作的车架，这种模拟方法存在很多不足之处。

例如，一个单元内，截面尺寸不变，因而梁单元模拟变节面形状的构件时，精度较低。

仅仅采用梁单元，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件结合部的应力，计算结果只是各节点的应力情况，得不到构件截面应力分布，因此不能为截面形状设计提供数据。

近些年来，国际上的汽车结构设计趋向于采用等强度、等刚度以及等寿命的设计原则，并且能准确预测车身零部件的寿命，精确而有效的预测零部件的动态应力历程。

汽车结构在实际工况下承载复杂的随机激励载荷，车架局部开裂情况时有发生。

早在40年代，有限单元的基本思想——离散化概念就已提出来了，但由于当时的条件，计算机刚刚问世，性能达不到要求，离散化并没有得到重视。

直到50年代，英国航空教授阿吉里斯（Argyris）和他的同事运用网格思想顺利地进行了结构分析。

同时，美国教授克劳夫（R.W.Clough）运用三角形对飞机结构进行了计算，并且于1960年首次提出了“有限单元法”这名称；60年代中后期，国外一些数学家开始介入对有限元的研究，促使有限元有了坚实的数学基础。

1965年，津基维茨（O.C.Zienkienkiewics）Y.K.Ceun通过研究宣布，有限元适用于所有能按变分形式进行计算的场问题，使有限元获得了一个更为广泛的解释，有限元法的运用也推广到更广阔的范围；美国学者M.M.凯墨本、J.A沃尔夫也曾从理论和实验上对汽车车架进行了强度和刚度的分析，但并没有进行优化设计；1995年，德国保时捷（Porsche）公司的美国分公司完成了ULSAB（钢车身轻量化设计）项目，使轿车车身的总质量由271kg降至205kg；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的基础上，运用惩罚函数法找到了汽车车架各梁截面参数的最佳值，但由于影响汽车车架结构强度和刚度的因素很多，诸如纵梁及横梁的布置各梁所采用的截面形状和尺寸纵、横梁联接接头的形式等等。

此外，车架结构和载荷都比较复杂，难以形成较好的数学模型，所以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。

作为基础的有限元分析采用梁单元不仅增加了工作量，同时结果误差也随之增加，优化的设计变量也只涉及到了截面参数，并没考虑到同样比较重要的布置参数；1998年清华大学的陆秋海等人已通过证明动应力过大是造成车架开裂的主要原因，因此应力随车速提高而增大。

虽然通过实验或路试能获得较为精确的动态应力历程，但前提是以制造出样车。

如果在设计阶段就能在各种不同的人－车－路面系统仿真下，获得车架的动态应力历程，则不仅可以较为精确的预测车架的安全性和寿命，而且可以通过重分析优化其结构，降低整车质量。

关于动态应力计算方法的研究，目前在国内外已成为热点；2001年，南京理工大学的张铁山、胡建立等应用大型软件Ideals对N.J1030轻型车车架进行有限元建模，并对车架进行了动态分析，同时进行了车架的疲劳试验，并对实验结果和计算结果进行了比较，得到了车架应力、变形规律和动力特性；2005年，上海理工大学的褚超美、邱述刚、陈传颖通过对常见开口截面车架在典型工况时扭转应力的分析，推导出扭转应力计算公式，进而得出了开口截面车架的一些应力分布规律，提出改善车架扭转应力分布的具体措施，对汽车车架设计方案的拟定和车架应力分析具有指导意义；2006年，哈尔滨工业大学的张进国、陈晓辉等利用ANSYS软件对汽车车架结构进行了有限元分析，对车架载荷作用下的应力和应变进行了计算；2006年，沈阳理工大学应用技术学院的李湘宁、余传文等采用ANSYS建立了汽车车架的参数化有限元，给出了生成分析文件、定义优化变量以及设置和优化的具体步骤，通过仿真技术，对纵梁截面尺寸进行了优化设计，使车架总体积降低了9％；2007年，南京农业大学的王晖云、吕宝占等利用Pro/E软件进行边梁式车架零件的CAD建模。

应用ANSYS有限元分析软件对车架进行模态分析，计算出了车架自由状态下的固有频率及振型特性对整车性能的影响。

在ANSYS中用耦合来模拟车架纵、横梁以及连接板之间的铆接；2007年，河南科技大学的何耀民等以汽车车架为对象，利用振动理论，建立出了汽车车架的有限元模型，计算车架的固有频率和振型，进行了动态特性分析，找到了影响车架动力特性的主导模态；2007年，广州本田汽车有限公司的杜海珍、荣见华采用有限元分析和结构拓扑优化设计相结合的方法，建立数学模型，并在此基础上，基于弯曲板的应力灵敏度分析和性能指标，建立了应力约束下车架的拓扑优化准则。

目前，国内外对汽车结构的研究主要集中在对客车和轿车车身的强度和刚度方面。

一般以重量最轻为主要目标、通过计算弯曲和扭转两种典型进行静强度和静刚度的优化，考虑动态特性一般是通过模态分析，获得固有频率及相应振型，作为优化的目标或约束。

对动态应力的考虑也是将动应力扩大k（动载荷系数）倍作为最大动应力来对结构进行修改，自行设计的车架常因整车刚度分配不合理而简单采用局部加强筋的修补方法，通常导致开裂部位的转移，问题没有得到根本上的解决。

1.４课题的研究内容

本论文研究对象是某一大型客车底盘车架，表1.1给出了该客车的主要参数。

运用CATIA软件建立底盘车架模型，用有限元软件ANSYS对车架的各种工况进行整体分析，得到它的应力分布，根据各部分的受力状态进行分析研究，指出车架结构的合理性与不足之处，为设计生产提供依据。

表1.1某客车主要参数

车长（mm）

11990

车宽（mm）

2550

车高（mm）

3830

轴距（mm）

6150

前悬（mm）

2450

后悬（mm）

3390

整备质量（kg）

13400

主要从以下方面入手：

1.以GB13094－2007为主，熟悉相关的国家法规条例；

2.查阅相关资料，熟悉客车底盘车架中的各种结构布置，熟悉各种底盘车架布置的运用条件和场合，熟悉底盘车架的加工工艺；

3.查阅国内外客车发展和研究的相关资料，归纳总结国内外车架有限元技术的研究现状；

4.研究有限元法基本理论，以及静态力学分析、模态分析的理论基础；

5.利用CATIA软件建立底盘车架三维实体模型，用ANSYS软件建立有限元模型；

6.对底盘车架结构进行有限元分析；

7.几种工况下对车架进行静态分析，根据实际车架受力情况对底盘车架进行加载；

8.根据以上分析，得出相应的结果，并对客车底盘车架结构提出改进意见，以利于今后产品的进一步开发和完善。

1.5本章小结

本章从本课题的选题背景、研究目的和意义及国内外研究现状等方面说明了研究领域的工程实践意义和发展前景。

并且简要介绍了本文的研究内容。

随着有限元理论和有限元方法发展，加之不断完善的有限元软件，现代CAE技术在现代客车设计中的日新月异，正发挥着不可替代的作用。

第2章客车底盘车架的设计理论基础

2.1客车底盘车架的类型和主要形式

汽车发展至今，大多数都以底盘车架作为整车基础，底盘车架是支撑大多数汽车的主要部件。

汽车都是通过车架来固定其大部分部件和总成（如引擎、传动、气泵、水箱、车桥、驾驶舱、转向、车箱和相关控制机构）的位置的。

车身的主要功能是支承在机器结构的各部分的连接，车身同时也要承受于各种物体的内部和外部的力。

首先应以汽车总布置的要求来设计客车车架的结构行驶。

客车在相对平坦的道路上行驶时，要保证车身上各总成和零件之间位置相对不变且不发生干涉。

而当汽车在条件较差的路面上行驶时，车架在各种内外载荷作用下容易产生扭转形变以及车架平面内的弯曲变形。

当某个车轮遇到障碍被抬起时，会使整个车架扭转变形。

在这些工况下装置在车身上的各部件之