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1、汽车车架的有限元分析院 系 机械工程系专 业机械设计制造及其自动化班 级 学 号 姓 名 指导教师 负责教师 沈阳航空航天大学2013年6月摘 要车架是汽车上重要的承载部件，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计。传统的设计方法已经无法满足现代汽车设计的要求，通过有限元法对车架结构进行性能分析，并对车架结构进行优化，对提高整车的各种性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。本文的重点是：以有限元静态分析、动态分析为基础，完成了从车架三维建模到有限元分析的整个过程，得出了车架在典型工况下的应力分布和变形结果及它在自由约束状态下的前20阶固有频率和振型。关键词：车架；ANSYS
2、；静力分析；模态分析； AbstractThe frame is an important part which bears the weigh of whole car, the quality of the structural performance of the frame is relate to the car which is designed. The traditional design method has not been the request of designing in modern car Through the finite element method, w
3、e carry on the analysis of performance to the frame structure and optimize the frame structure, It is important to improve various performance of the completed car, decrease the design of cost, strengthen the competitiveness of market .The main idea of the article :Based on static analysis of finite
4、 element, modal analysis, we have finished the whole course that is analyzed from three-dimensional modeling of the frame to finite element .Then we have obtained the stress of the frame under the typical operating mode and is distributed in the first 20 steps of natural frequency and shaking type t
5、hat restrain from under the state freely with result and it out of shape . Key words：Frame； ANSYS； Static Analysis； Modal Analysis； 目录摘 要I1绪 论11.1课题背景11.2论文选题的意义11.3有限元法在车架结构设计中的应用现状21.3.1车架结构设计与分析的概述21.3.2车架结构有限元模型的形式21.3.3车架结构有限元分析类型31.3.4有限元法在车架结构分析中存在的问题41.4本文的主要研究内容42车架三维模型的建立52.1CATIA软件的简介52.1
6、.1关于CATIA52.1.2关于CATIA V552.1.3CATIA的主要功能模块62.2车架草图的绘制72.3车架零件图的绘制83车架有限元模型的建立103.1ANSYS软件的介绍103.1.1ANSYS的发展概述103.1.2ANSYS的主要特点103.1.3ANSYS的主要功能113.1.4ANSYS的结构分析文件113.1.5ANSYS单元库构成体系113.1.6ANSYS中的耦合与约束方程123.1.7ANSYS求解器简介123.2车架有限元计算模型的建立133.3悬架模型的建立164.1车架设计中应用的有限元法194.1.1车架设计分析概述194.1.2有限元法在汽车车架设计分
7、析中的应用204.2汽车车架的静力分析204.2.1汽车车架静力分析的典型工况20214.2.3车架静力分析过程224.2.4车架结构静力分析结果264.2.5车架结构静力分析结果评价274.3车架结构模态分析过程27总 结32参考文献33致 谢34 1绪 论计算机的出现给社会带来了巨大的改变，同时也为工程结构的设计、制造提供了强有力的工具。要想设计生产出性能优越的汽车，不应用计算机进行辅助设计分析是难以实现的。因此，汽车的各个生产设计部门都非常重视在设计过程中采用计算机技术。其中，用于车架结构设计的有限元法是近几十年发展起来的新的计算方法和技术，可以解决以往许多手工计算无法解决的问题，为企业
8、带来巨大的经济效益和社会效益。在汽车行业中，有限元法广泛应用于汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件以及驾驶室噪声的分析，大大提高了汽车的设计水平。目前，在进行汽车车架结构设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法，对车架进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式会导致车架简化计算精度不够精确，为保证强度及刚度要求而使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本，同时也造成材料的浪费。为了提高车架的设计水平，必须将车架有限元分析技术应用到设计中去。本文以某中型载货汽车车架为研究对象，对车架结构有限元模型的建立，静、模态特性分析以及优化
9、等内容进行初步研究与探讨。随着现代汽车设计的要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必然的趋势，主要体现在：（1）运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设计、分析和制造的效率和车架的性能。（2）车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力和变形情况，有限元法正好能够帮助解决这一问题。（3）利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避免车架出现共振的现象。（4）通过对车架结构的优化设计，可以减小车架的体积和重量，在保证车架性能的前提下节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。综上所述，有
10、限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，对于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争能力具有重要意义。早期的车架设计采用设计和试验同时进行的方法。需要经过样品制造试验修改再设计的往复，这种方式导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和财力资源的严重浪费。随着设计经验的累积，人们将计算机技术应用于车架结构性能的分析及设计中。初期的车架结构性能计算是通过将车架简化成单根纵梁，进行弯曲强度校核。这种计算方法至今还在沿用，显然满足不了现代汽车车架结构整体性能的设计要求。后来提出的车架结构扭转强度计算方法，只能计算纯扭转工况，不能考虑车架的实际工况，并且计算比较复杂，工
11、作量大，在实际运用中有很大的困难。再后来，人们将类比设计的思想应用于车架设计中。这种设计方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计，目前依然是车架结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能造成车架各处强度不均匀，某些局部强度较大，产生材料浪费等现象。20世纪60年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得了广泛应用。有限元法不需要对所分析的结构进行简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度较高。有限元分析是用一组离散化的单元集合来代替连续体结构进行分析的，这种单元集合体称为有限元模型。如果已知各个单元的刚度特性，就可以根据节点的变形连续条件和平衡条件
12、推出结构的特性并研究其性能。由于有限元法是一种近似的数值方法，其计算结果是近似解，精度主要取决于离散化误差。因此，有限元模型的建立是进行有限元分析的关键性一步。根据采用的单元形式，车架有限元模型可以分为实体单元模型和板壳单元模型等。实体单元模型，前处理相对简单，计算机内存处理快，计算精度相对较低；板壳单元模型能够准确描述车架的形状，但前处理复杂，工作量大，需要计算机内存大，运算速度慢，一般应用于对精度要求高的场合。随着有限元法在汽车结构性能分析中的应用与发展，汽车车架结构静力有限元分析已经成为汽车车架结构性能分析必不可少的内容。为了使计算符合实际使用工况，一般将悬架结构与车架一起考虑进行静力有
13、限元分析。这样，就可以把路面的影响直接作为工况进行处理。在进行静力有限元分析时，一般将车架结构上的各个总成处理成各总成在车架上相应位置的集中载荷，货物则处理成分布载荷，车架重力一般忽略不计。根据汽车实际行驶工况，一般分以下几种工况：即车架结构的弯曲分析工况、扭转分析工况等，根据实际需要可以选择不同的工况进行相应的约束。在进行汽车车架结构静力有限元分析后，一般根据汽车车架结构强度和刚度分析的需要，采用后处理软件对计算机进行处理，计算出应力最大的危险点以及变形最大的点，以此评价汽车车架结构的静力性能。汽车车架结构作为汽车的承载体，在外部作用下产生的弯曲、扭转、振动不但造成车架结构的疲劳损伤，而且还
14、影响车辆的舒适性和行驶平顺性。通过模态分析，可以得出车架结构的固有频率和固有振型，对于防止汽车发生共振等情况具有指导作用，而且模态性能也是车架结构动力响应分析的基础。在车架的设计中，人们总是希望在满足强度、刚度要求的条件下，尽量使车架的质量最小。因此，设计出质量小而各方面性能又能达到要求的车架是一项重要的工作，这就对车架的结构优化提出了新的要求。传统的车架设计方法精度低，除个别构件应力水平较高，大多数构件应力水平比较低，而且强度有富余。因此，必须将车架设计从类比的方法转移到结构优化上来。（1）采用适当的有限元模型，对车架结构进行静力分析和模态分析正在成为一种常用的分析手段，但对汽车车架结构进行
15、有限元分析某些元件时该采用哪些单元还要继续研究。（2）轻量化要求已经成为现代汽车设计追求的目标之一。设计出既满足性能要求，质量又小的车架为车架的优化设计的首选目标，如何搞好车架结构的优化设计成为车架设计需要解决的一个难题。（3）近些年来，大多数国内汽车厂家已购买了各种与有限元分析相关的软件，这些软件功能完备，精度高，以及通用性和可靠性好，但是学习和掌握这些软件也是一个需要时间的过程。本文将采用CATIA建立车架三维模型，用ANSYS进行静力和模态分析，以及后期的优化。首先，对CATIA和ANSYS进行了简要的介绍，为车架进行有限元分析做好准备工作；其次，以某中型载货汽车车架结构为研究对象，利用CATIA建立了车架结构三维模型；再次，对车架结构的静、模态特性进行研究，对车架性能分析评价。 2车架三维模型的建立对于一个
