车架有限元分析

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1、车架有限元建模及模态分析栾富钰（济南大学 机械工程 学院 ，山东 济南 250022 ）摘 要：有 限元方法和软件 技术在汽车结构分 析中了 极其重要 的位置 。本文主要结合越 野车车架， 轻 型 货 车 车 架 和 电 动 汽 车 车 架 实 例 ， 利 用 Hyperworks 建 立 以 壳 单 元 为 基 本 单 元 的 车 架 有 限 元 分 析 模 型 ，论 述 了 有 限 元 建 模 流 程 和 建 模 过 程 中 应 该 注 意 的 事 项 。应 用 Optistuct 求 解 器 对 车 架 进 行 模 态 分 析，分析该车架自由状态下的前十阶固有频率及振型特性，为车架响应分

2、析提供了重要的模态参数， 同时为该车的结构改进提供了理论依据。关键词： 车 架；有限元； 模态分析V.、几1 前 言模态的设计与分析方法是现代设计方 法之一，它克服了静态方法的局限性，强 调从结构的整体考虑问题，在性能校核中 考虑了振动的因素。车架是支承连接汽车 的各零部件，并承受来自车内外载荷的主 要结构。车架是整个汽车的基体，汽车的 绝大多数部件和总成都是通过车架来固定 其位置。因此，车架工作时要承受扭转弯 曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力，同时 受到来自路面和车桥的激振而产生振动， 设计中除了要有足够的强度足够的抗弯刚 度和合适的扭转刚度保证汽车对路面不平 度的适应性外，合理的振动特性也是

3、十分 重要的，以避免汽车在使用过程中各部件 之间产生共振，导致某些部件的早期损坏， 降低汽车的使用寿命。因此，车架结构模 态分析在现代汽车结构设计中具有十分重 要的意义。2 车 架 的 基 本结构车架是一个大型复杂的装配体，很难 把所有的结构建立有限元模型，因而在尽 可能反映车身结构主要力学特性，保证结 构同样准确的前提下，对构件进行相应的 简化。省略车架构件中对车架的整体振型 影响不大的小尺寸结构，比如弹簧吊耳， 拉支架，焊接线夹等。忽略车架的焊缝及 所有工艺孔，将所有倒角和过渡圆角简化 为 直 角 等 ，简 化 后 的车 架 装 配 图 如图 1 所 示。有 限 元 分图析1 车的架三流维

4、程装 配图有限元分析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。有限元的概念早在 几个世纪前就已产生并得到了应用，例如 用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求 得圆的周长，但作为一种方法而被

5、提出， 则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵 近似方法，应用于航空器的结构强度计算， 并由于其方便性、实用性和有效性而引起 从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过 短短数十年的努力，随着计算机技术的快 速发展和普及，有限元方法迅速从结构工 程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技 术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并 且实用高效的数值分析方法。在解偏微分方程的过程中，主要的难 点是如何构造一个方程来逼近原本研究的 方程，并且该过程还需要保持数值稳定 性。目前有许多处理的方法，他们各有利 弊。当区域改变时（就像一个边界可变的 固体），当需要的精确度在整个区域上变 化，或者当解缺少光滑性时，有限元方 法

6、是在复杂区域（像汽车和输油管道）上 解偏微分方程的一个很好的选择。例如， 在正面碰撞仿真时，有可能在”重要”区 域（例如汽车的前部）增加预先设定的精 确度并在车辆的末尾减少精度（如此可以 减少仿真所需消耗）；另一个例子是模拟 地球的气候模式，预先设定陆地部分的精 确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重 要的。其一般步骤见图2。图 2 有 限 元 分析 一 般 流程 图（1）研究结构的特点。 对提出的问题进行 合理简化。 包括形状的简化支撑的简化 材料的简化和载荷的简化等。 提炼出与力 学模型对应的几何模型。 制订分析方案。（2）前处理， 即建立有限元模型。 利用 HyperWorks 等有限元软

7、件,根据结构特点 划分网格并检查网格质量.根据问题的性 质添加材料物理性质数据边界条件和载荷 数据等， 最终形成计算文件.（3）求解计算。 设置相关模板的分析选项后，调用求解程序进行计算求解。（4）后处理，整理并分析输出的求解计算 结果，判断计算是否合理，写出有限元分 析报告，制订设计方案。3车架有限元模型的建立3.1三维模型的导入分析的车架模型是由UG建立的三维 实体模型，因此可以直接利用Hypermesh 提供的接口导入模型。车架模型导入时， 绝大部分零件几何质量较好，但也有零件 曲面零件几何变形或信息丢失的情况，针 对曲面零件几何变形或信息丢失的情形， 我们将该零件在UG中保存为IGES

8、的格 式，然后利用Hypermesh 提供的IGES接 口读入，即可得到满意的效果因此在使用 软件时不能盲目地相信与CAD软件的直接 接口不会出现模型几何变形或信息丢失的 问题，在几何模型导入出现问题时，通用 的IGES格式往往可以获得较好的效果&如 还有变形或信息丢失，则要在Hypermesh 中对模型进行修复。在尊重实际和不影响计算精度的前提 下，对几何模型进行必要的简化，以减小 计算工作量和时间，保证单元的质量对车 架作如下简化：（1）忽略所有工艺孔；（2） 将所有倒角和过渡圆角都简化成直角。3 2 网 格 划分应 用 Hypermesh 的 Midsurface（ 中 面 抽取） 功能

9、对车架的各零部件进行抽取中 面处理,由于中面的抽取， 车架的纵梁和横 梁连接处出现间隙， 可采用刚梁单元 rigids 通过 mode to mode 的方式连接结构 上的节点,刚性连接的功能是强制某些节 点（ 从属节点） 的自由度从属于某节点 （ 主节点） ， 主从节点没有距离效应， 所 有自由度都连接在一起， 可以理解为刚臂。 因此， 本研究采用几何清理补面的方法连 接纵梁和横梁， 使纵梁和横梁的主从节点 重合， 实现无缝连接。 几何清理时， 将小 面合成大面， 并且相邻面共用一条轮廓线， 以保证各个面上画出 的网格在边界处公用 节点， 避免边界出现节点错开现象。 使用 几何清理前后的有限

10、元结构局部放大效果 如图 3和图 4所示。图3没有补面的有限元模型（11城痒栓图5焊接、铆接、螺栓联接处理方式图 4 补 面 后 的 有 限 元 模 型该车架主要是薄壁金属件，故选用壳 单 元 SHELL63 对 车 架进 行 有 限 元 离散 处 理 。 考虑到单元质量对有限元计算结果有较大 影响，在有限元网格划分时，检查并控制 单元的质量参数显得尤为重要。网格检查 内容一般为是否有重复的节点，重复的或 缺少的单元，以及高度畸变或翘曲的单元。 单元尺寸应得到控制，如单元长宽比 10 ; 单元内角 30 ;单元翘曲角 20 ；单元尺寸应尽量均匀， 要避免特别小的单元。由 于三角形单元比四边形单

11、元的刚度大， 会 影响计算精度， 故要严格控制三角形单元 的 个 数 ， （一 般情 况 下， 整 个 模 型 最 好 小于 10%， 最多不超过 15%。定义单元尺寸为 20mm ， 有 限 元 网 格 后 的 车 架 共 有 单 元 总 数 22475 个， 节 点 总数 443030 个， 其 中 四边 形单元总数为 22396 ， 三角形单元数为 79， 三角 形单元占单元总数的 0.44% ， 无单元 翘曲 。3 3 车 架 模态 分 析 有限元模型要涉及到不同部件之间的连接 问题， 仿真分析应该对各种联接加以准确 描述。实际的物理联接方式一般为焊接、 铆接 、螺栓联接等。对于车架来

12、说， 基本 都是 焊接和螺栓的连接方式， 焊接又 分为 点 焊 和 缝 焊 。 在 Hypermesh软 件 中 不 同 的连接的处理方法， 如图 5 所示。3 4 车 架 模态 分 析 模态分析根据边界条件可以分为自由 模 态 和 工 作 模态 ， 工作 模 态 也 叫 约束 模 态 。 工作模态分析考虑了结构在实际工作状态 时的边界条件， 分析所得的模态参数包含 了边界条件对其的影响。自由模态分析对 结构在没有约束条件下即自由状态下的动 态特性进行分析。二者的主要区别与联系 是:1） 自 由 和 约 束 模 态 分 析 只 是 边 界 条 件不 同的两种模态分析而已 ; 结构的模 态 是与

13、 结构本身的特性和约束有关的， 至于 需要 求解自由模态还是约 束模态， 完全 取 决于工作的需要。模态分析时的约束方式 应与实际工作条件下一致， 当然， 如果工 作时结构没有约束， 如飞机、火箭等， 则 需要进行自由模态的分析。2 ）在做自由模态分析时， 可能会得出 前 几 阶 固 有 频率 为 0，这 些为 0 的 固有 频 率 表现为刚体模态 ; 而约束模态分析则不同。3 ）约 束模 态 和 自由 模 态 是 两 种条 件 下 的 模 态 ， 不存 在 哪 一个 包 含 哪 一 个的 问 题 。 也不 存在自由条件下添加约束后， 模 态数 变少 的问题， 模态数多少与系统的自 由度 有关

14、 ， 与约束无关。在实际工程问题 中， 自由模态和约束模态两种边界条件均广泛 存在， 如飞机、火箭、导弹等为自由边界 条件 ， 而机床架、高层建筑等为约束 边界 条件。4 ） 自由模态和工 作模态的作 用完全 一样 ， 都用于结构的模态分析， 自由 模态 分析的对象主要是无约束的结构， 如火箭、 飞机等。5 ） 对工程实际结 构的分析模 型一定 是要 尽量地符合实际， 理论上不同的 结构 系统 （ 包括 材料、结构、边界甚至变形程 度等） 相应的振动固有特性是不一样的， 没有 比 较的必要， 更不会存在自由模 态特 性表示固定模态的特征。3 5 分 析 方法 及 结 果 这里研究的是车架的自由

15、模态,即结 构模态。车架的自由模态是由车架本身的 结构 特性和材料 属性所决 定的， 与外载条件等无关，不需要添加任何载荷和约束。利 用 Nastran 求 解 器 ， 采 用 Block Lanczos 算法对车架进行模态求解，得到车 架前 12 阶固有频率和振型。通过计算发现， 车架的前 6 阶振型的频率值均小于 0.0032HZ 。 判断 其 属于 刚 体 模 态 ，故 去 除 前 6 阶 刚 体 模 态， 以计 算 得 到 的 第 7 阶 模 态为实际的第 1阶模态，共提取6阶（见表 1）。济南大学学报(自然科学版)Contour PlotDisplacmrntfMag) Analys

16、is systemr 5.925E+00 I 5.267E+00 1 4.609E+00 一 3.950E+00 r 3.292E+00 | 2.634E+00I 1.976E+00 I 1.317E+00 L 6.593E-01 1 1.O51E-O3 No result Max=5.925E+(K) Node 2 373 184 Min=1.051E-03 Node 2 430 553表 1 车 架 前 6 阶 固 有 频 率 和 振 型阶数固有频率/Hz振型描述16. 3971阶扭转21& 0101阶垂直弯曲326.0901阶侧向弯曲I26.340弯扭组合543.5102阶侧向弯曲fi49.9502阶垂直弯曲第 1