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1、摘 要汽车经过130多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要内容。在汽车结构中，车架作为整车的基体和主要承载部件，具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车内、外各种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。本文以某运油车车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为汽车安全与节能设计提供了理论支持。同时对车架也进行了模态分析，得出车架的固有频率与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。
2、关键字：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析AbstractThe automobile which has developed for 130 years, security and energy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic part and the main bearing part. It has the funct
3、ion of connecting all parts of the vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the vehicle. The performance of frame structure affects whether the automobile property is good or not.In this paper, the frame of a fuel tanker is studied. We simplify and establish the model of
4、 frame by CATIA. The parameter of the frame is defined. The model of frame is meshed by ANSYS. Add the force and freedom of the model of frame by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation of bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the figure of displacement a
5、nd stress, it provide theoretical support for the automobile design of security and energy saving. At the same time, the modal analysis of the frame is also studied. Based on the frame of natural frequency and vibration mode, it provide theoretical basis for avoiding resonance and improving ride com
6、fort and improve the level of vehicle design.Keywords: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis目 录1 绪论11.1 概述11.2 研究背景11.3 有限元法的应用与发展21.4 选题的目的与意义21.5 本文的主要研究内容32 基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模42.1 有限元法简介42.2 CATIA软件简介62.3 车架几何模型建立72.3.1车架几何模型简化72.3.2 车架几何模型建立72.4 车架有限元模型建立102.4.1 网格划分前处
7、理102.4.2 车架有限元网格的划分103 车架有限元静态分析133.1 汽车车架刚度理论133.1.1 汽车车架弯曲刚度133.1.2 汽车车架扭转刚度133.2 车架载荷分类与处理133.2.1 静载荷133.2.2 动载荷143.3 车架工况的有限元分析143.3.1 满载弯曲工况143.3.2 满载扭转工况163.3.3 紧急制动工况183.3.4 紧急转弯工况194 车架有限元模态分析214.1 模态分析简介214.2 模态分析基本理论214.3 车架的模态分析224.4 车架模态分析结果评价27结 论29致 谢31参考文献3231 绪论1.1 概述最初汽车的发展，通常运用经验判断
8、和试验仿真进行结构分析。这种方法不仅浪费财力人力，而且生产周期长，研发效率低，不能适应现代产品高效开发的要求，且只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助相关人员了解问题的实质1。随着计算机信息技术与相关学科和方法的迅速发展极大地促进了相关行业和科学研究地进步，出现了新兴的综合延伸高效的学科。CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术1，逐渐应用到更为广阔的科学研究领域中。在某种意义上数值模拟比传统方法对问题的认识更加深刻，更为严谨，不仅可以分析问题的结果，而且还可以动态地、随时连续地观察事物的发展，细致地了解整体与局部的发展过程1。其中，近年发展起来的各种数值模拟仿真方法如有限元
9、、多体动力学、计算流体力学等技术在产品结构分析设计中得到大量应用，可以解决以往手工计算无法解决的许多问题，提高了行业竞争力，为企业带来了巨大的经济效益和社会效益2。作为汽车总成的一部分，车架承受着汽车内外各种复杂激励的作用，而且汽车上许多重要零部件都以车架为基体3，因此，设计出包括安全节能在内的各方面性能良好的车架是重要的工作。1.2 研究背景有限元法已成为汽车设计研制中的一个重要环节，在汽车研究的过程中，包括如车架、车桥、车身、悬架、发动机箱体、曲轴、离合器等总成以及NVH分析都要通过有限元进行校核和优化，大大的提高了汽车设计的水平和研发能力。目前，车架进行设计时，设计研究人员通常会简化车架
10、。但是，简化车架容易导致两个问题：车架简化过多导致求解精度不够，容易使车架产生安全问题，同时为避免安全问题而使汽车设计过于安全，使资源耗费较多，增加了成本，不利于实现汽车轻量化和节能减排的设计理念；车架的设计与计算不同步，造成设计人员与制造人员沟通不顺畅，很难达到技术目标的质量和设计的要求，不利于提高车架设计人员的设计水平和生产效率。现代车架设计已发展到包括动态仿真分析、优化设计等在内的计算机分析、优化和仿真阶段4。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架重要的研究方法。本文用ANSYS软件对某型运油车的车架进行静态与动态分析，对进一步研究设计提供了有效的理论依据。1.3 有限元法的应
11、用与发展有限元法（Finite Element Method ,FEM）是现代科学分析的一种重要方法。它是20世纪60年代左右兴起的计算机技术及相关学科相互交叉，综合发展的新兴科学。有限元法最初应用在工程研究中，用于分析并且解决热力学，电磁学等物理问题5。（1） 有限元法在国内汽车分析中的应用与发展1965年我国著名数学家冯康教授发表的基于变分原理的差分格式的论文标志着中国独立的创立了有限元法6。我国CAE技术的前进道路十分艰难。20世纪70年代中期，大连理工大学研制出DDJ,JIGFEX有限元分析软件和DDDU结构优化软件；80年代中期，中国科学院梁国平团队独创了有限元程序自动生成系统（FE
12、PG），标志着我国相关的有限元研究已跻进国际先列。19世纪五十年代末左右，我国依靠传统的方法和经验对车架进行设计及强度校核，即依靠经典力学的经验公式，对车架结构作大量的简化设计7，计算过程繁琐且各方面性能很难达到要求。大约是在七十年代末我国才把有限元法应用到车架的结构强度设计分析中7。而就国内目前情况来看，在有限元动态分析方面，主要集中在模态分析，但在汽车内外各种复杂激励作用下的车架动态响应的情况方面研究不足，如果要进一步的对车架进行动态分析，则要分析研究车架在承受汽车内外各种激励的状况。（2） 有限元法在国外汽车分析中的应用与发展1960年R.W. Clough在平面弹性论文中首次用“有限元
13、法”这个名称7。自从提出有限元法概念以来，有限元理论及其应用得到了飞速的发展5。有限元法在国外汽车结构分析中已具有相对成熟的分析实施技术8。欧洲从20世纪60年代末开始形成有限元静态分析3。目前，国外大概在2年至3年之内就能设计开发出新车型，这主要取决于车身CAD和建模仿真相关技术的迅速发展。现代车架结构设计在传统经验方法的基础之上，转化为动态仿真分析的虚拟试验。而随着应用领域不断扩展、求解速度大幅提升以及求解精度不断提高的同时，有限元分析也从强度，刚度等分析向节能轻量化方向发展5，如奥泰尔公司以福特公司的某一车架为研究对象，在不降低车架重要性能的前提下实现车架的轻量化设计，改进后的车架与原模
14、型相比，重量降低23%，并且刚度也有所提高。1.4 选题的目的与意义（1） 论文选题的目的 运用有限元法对运油车的车架结构进行有限元分析，规范分析步骤，为有限元在车架设计中提供基础，为技术人员提供参考，缩短生产周期，提高研发效率。 对车架进行静态分析和动态分析，为车架设计提供理论参考，提高整车的设计水平与设计人员的设计水平，实现汽车各方面的性能要求。（2） 论文选题的意义 运用有限元对车架进行结构分析，为车架设计及生产制造的过程中提供理论基础，提高技术人员的设计水平和生产水平，缩短生产周期，提高研发效率，减少资源耗费，提高行业竞争力。 对车架进行静态分析，了解应力与位移量的分布情况，为车架的设
15、计提供理论基础，对薄弱位置进行优化，同时也可提高整车设计水平，提高包括安全与轻量化在内的各性能参数。 对车架进行模态分析，通过分析车架的固有频率与振型，为车架与整车设计提供理论基础，为NVH研究提供分析基础，对避免共振与提高乘坐舒适性与安全性有较好的参考价值。1.5 本文的主要研究内容本文以某运油车的车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS对车架进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束。对车架进行包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，对位移图与应力图进行分析，为提高车架与整车的设计水平提供了理论基础，对提高安全性与节能提供了理论价值。同时也对车架进行了模态分析，得出固有频率与振型图，提高整车的设计水平，对提高乘坐舒适性与避免共振提供了理论支持。2 基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模2.1 有限元法简介有限元分析分为三个阶段，即前处理是对几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型；处理是施加作用力，进行自由度约束，建立边界条件进行求解的过程；后处理是使用户查看求解分析结果，分析计算问题的实质，方便后期研究分析。（1） 有限元法的分析步骤有限元求解问题的基本步骤包括： 结构离散化。 选择位移模式。 分析
