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1、西南大学本科毕业论文（设计）目录摘要1Abstract.20文献综述30.1车架概述30.2有限元分析的国内外现状30.3有限元分析在车架上的应用50.4本文研究主要内容51引言71.1研究意义71.2国内外研究现状81.3本文研究主要内容112有限元法基本理论及软件介绍112.1有限元法发展概述112.2有限单元法的基本理论122.2.1线弹性体有限元分析132.2.2弹性问题基本力学方程152.2.3壳体单元基本理论192.3有限元软件分析212.3.1有限元分析流程212.3.2有限元分析软件简介223车架有限元模型的建立243.1几何模型的建立243.2有限元模型的建立253.2.1模
2、型导入253.2.2参数设置253.2.3单元简介253.3.4划分网络284车架静力分析284.1静力分析基础284.2刚度理论基础304.3车架静力工况分析314.3.1弯曲工况314.3.2扭转工况334.3.3制动工况354.3.4转弯工况375总结39参考文献40致谢42I摘要：汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路和货物的各种复杂载荷，并且汽车上许多重要总成都是以车架为载体。因此车架的强度和刚度在汽车总体设计中起到了非常重要的作用。本文基于Pro/E软件建立了车架结构的实体模型，导入ANSYS建立了车架的有限元模型，利用ANSYS有限元分析软件对该车架在弯曲工况、扭转工况、紧
3、急制动工况和紧急转弯工况下的静态强度进行了分析。分析结果表明，该车架受到的最大应力值小于材料的强度极限，满足设计的要求。关键词：车架；有限元；ANSYS；静力分析39Abstract: As a part of the truck, the frame supports all kinds of complicated loads coming from the road and freight, and many assembly of the truck are built in the frame. So the intensity and the strong of the frame
4、 play a very important role in the design of trucks. A model of the frame is established by using Pro/E in this paper, and a finite element model of the frame is established by importing ANSYS. The static intensity of the frame is analyzed in the situation of bending, torsion, braking and swerve by
5、ANSYS. The result indicates that the stress of the frame is less than the utmost intension, and the frame is satisfied with the design.Key Words: Frame; Finite element; ANSYS; Static analysis0文献综述0.1车架概述汽车作为交通运输工具之一，在人们的日常生活中发挥着非常重要的作用。随着国民经济的快速发展，汽车工业也得到了飞速发展，在现代化发展的今天，生产出结构轻、性能好、质量高、用途广、安全可靠的汽车，成为
6、了厂家和客户共同关注的焦点。汽车作为工程领域的一个分支，面临很多问题和困难，包括复杂的几何形状、复杂的载荷作用以及复杂的支承约束等。在实际汽车结构设计中，安全性是首要的，在保证安全的前提下，又要使车架的结构合理，便于加工和装配，同时也要减少材料的量。这需要对车架的强度进行分析，通过强度分析，有针对地对一些主要构件进行结构优化设计。早期汽车所使用的车架，大多都是由笼状的钢骨梁柱所构成的，也就是在两支平行的主梁上，以类似阶梯的方式加上许多左右相连的副梁制造而成。车体在车架之上，至于车门、沙板、引擎盖、行李厢盖等板件，则是另外再包覆于车体之外，因此车体与车架其实是两个独立的构造。这种设计的最大好处，
7、在于轻量化与刚性得以同时兼顾，因此受到了不少跑车制造商的青睐，早期的法拉利与兰博基尼都是采用的这种设计。由于钢骨设计的车架必须通过许多接点来连结主梁和副梁，加之笼状构造也无法腾出较大的空间，因此除了制造上比较复杂、不利于大量生产之外，也不适合用在强调空间的四门房车上。随后，单体结构的车架在车坛上成为主流，笼状的钢骨车架也逐渐改由这种将车体与车架合二为一的单体车架所取代。作为汽车总成的一部分，车架承受着来自道路及各种复杂载荷的作用，而且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体，因此，设计出重量轻而各方面性能达到要求的车架结构是一项重要的工作。传统的车架结构设计是采用类比的思想进行经验设计，设计出的车
8、架结构除了个别部位的应力水平较高外，大部分部位的应力水平低，强度富余大。因此，有必要采用有限元法对车架结构进行优化设计以降低车架的重量，减小汽车的制造成本，提高市场竞争力。0.2有限元分析的国内外现状有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是在当今工程分析中获得广泛应用的一种新兴的数值计算法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机的快速发展，现已成为计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的重要组成部分。有限元法可以求解许多过去用解析方法无法解决的问题。对于边界条件和结构形状都很不规则的复杂机械结构，是一种非常有效的现代分析方法。只要微分方程经分
9、割近似（分片插值），能得到满足要求的解，就可以用有限元法进行计算。除连续体弹性力学外，塑性力学、流体力学、传热学、结构分析动力学、变流力学等等都广泛使用有限单元法进行计算。早在20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算，正是在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。1941年Hrenikoff使用“框架变形功方法”(frame work method)求解了一个弹性问题，1943年，Courant发表了一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文，这些工作开创了有限元分析的先河。1956年波音
10、公司的Turner，Clough，Martin和Topp在分析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式，并求得了平面应力问题的正确解答，1960年Clough在处理平面弹性问题时，第一次提出并使用“有限元方法”(finite element method)的名称。随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析、流体问题、热传导等复杂问题。1967年Zienkiewicz和Cheung出版了第一本有关有限元分析的专著。1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题，Oden于1972年出版了第一本关于处理非线性连续体的专著。我国的胡海昌于1954年提出了广义变分原理
11、，钱伟长最先研究了拉格朗日乘子法与广义变分原理之间关系，1956年，冯康教授创立了一套现代化和求解微分方程的近似方法，取名为基于变分原理的差分格式，独立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程结构的分析，其内容实质就是当时国际上称之为的有限元法。不同之处是我国是从数学方面提出有限元方法的。有限元方法的基本思想和原理是“简单”而又“朴素”的，由于有限元方法在科学研究和工程分析中的作用和地位，关于有限元方法的研究已成为数值计算的主流。随着计算机软、硬件水平和有限元分析方法的不断发展，出现了大量的有限元分析软件。目前，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件有ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADI
12、NA、HyperMesh和SAP等。HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，可以用它建立有限元模型、观察计算结果和进行数据分析。ANSYS是一个多用途的有限元分析软件，并己从1971年的2.0版发展到今天的11.0版。就有限元法来说，近30多年来，它的应用范围己从杆、梁类结构分析扩展到了对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题分析，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，分析对象也从弹性介质材料扩展到粘弹性、塑性等复合材料。由此可见，有限元法己获得了前所未有的巨大发展。0.3有限元分析在车架上的应用在工程上有限元法能对几何形状不规则、载荷和支承情况复杂的各种结构及零部件
13、进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论是形状，还是载荷都相当复杂，所以有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具。国外在使用有限元法进行汽车的结构分析方面的技术相对己经比较成熟。对车架的有限元静态分析开始于二十世纪60年代中期。国外十分重视利用有限元方法对车架进行辅助设计，取得了大量的研究成果。Beermann,H.J提出了利用梁、板混合单元对货车车架横梁与纵梁连接处进行合理简化的方法,Kim，H.S等人对车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论，Ao.Kazuo，Niiyama等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍。车架的动力学分析是在70年开始的，
14、国外一般采NASTRAN,SAP等大型计算程序并研制专用程序，自由度数少则几百多则上万。对于整车结构动力学分析由于自由度过高、计算过程所需计算机资源过高，因此近年来发展了子结构的方法，分析各子结构而后进行模态综合。Krawczuk，Marek等人利用全板壳单元车架有限元模型对一货车车架进行了较全面的动态研究。Hadad，H，Ramcnani，A等人对如何利用有限元模态分析结果修正车架设计方案进行了研究。Altair公司的Katy Lewis、ChristianSpencer、Michael White、Arun Kumar、Jeff Hopkins等在20012003年应用Hyper Work
15、s软件对轻型车架的连接强度进行研究；I.JOHANSSON等人提出了一种基于有限元技术的整车分析方法。2005年Helmut Dannbauer等人对汽车结构中的缝焊和电焊连接进行了疲劳分析；从上面的文献中，可以看到国外的结构结构分析设计有以下几个特点：(1)先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量结构；(2)将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中；(3)利用硬件优势，大量考虑动态过程（如碰撞、振动过程）中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量结构，主要强调安全性。0.4本文研究主要内容本文以某货车车架为例，建立了基于板壳单元的车架结构有限元模型。通过对车架四种典型工况的静态分析，得出应力与应变集中的位置，并提出改进建议，具体实施步骤如下：(1)建立车架模型。用CAD软件建立车架整体模型，然后导入到ANSYS有限元软件进行网络划分；(2)假定汽车满载的情况下，对车架在弯曲、扭转、紧急刹车、急转弯四种工况下的受力和变形情况进行静态有限元分析。1引言 1.1研究意义二十一
