6027車架有限元分析【proe三維】

6027車架有限元分析【proe三維】,proe三維,6027,車架,有限元分析,proe,三維 金 陵 科 技 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題、審題表 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 出題 教師 姓 名 智淑亞 專 業(yè) 車輛工程 職 稱 副教授 申報(bào)題目名稱 汽車車架有限元分析 題目類型 √畢業(yè)設(shè)計(jì) □畢業(yè)論文 題目性質(zhì) H 題目來源 A B C D √ 題目簡介 汽車工業(yè)隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸體系的全面建立得到了飛速發(fā)展。汽車車架是整個(gè)汽車的基體,在它上面安裝著汽車的各個(gè)主要總成,如發(fā)動機(jī)、離合器、傳動系、變速器、汽車車身、轉(zhuǎn)向器和車箱等,并把這些總成聯(lián)合成為一輛完整的汽車。另外,車架還承受作用于汽車上的所有靜載荷(懸掛以上的汽車各總成的重量和有效載荷)和汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的動載荷 (各種力和力矩)。因而車架的強(qiáng)度在汽車總體設(shè)計(jì)中起了非常重要的作用。利用有限元法對車架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，具有重要的理論研究價(jià)值。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)要求（包括應(yīng)具備的條件） 1. 利用有限元方法對車架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析 2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)1萬字左右。 題目預(yù)計(jì) 工作量大小 大 適中 小 題目預(yù)計(jì)難易程度 難 一般 易 √ √ 所在專業(yè)審定意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 注：1．該表作為本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目申報(bào)時(shí)專用，由選題教師填寫，經(jīng)所在專業(yè)有關(guān)人員討論，負(fù)責(zé)人簽名后生效； 2．有關(guān)內(nèi)容的填寫見背面的填表說明，并在表中相應(yīng)欄內(nèi)打“√”； 3．選題、審題表由院部自行存檔。 填 表 說 明 1．該表的填寫只針對1名學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)選擇使用，如同一課題由2名及2名以上同學(xué)選擇，應(yīng)在申報(bào)題目的名稱上加以區(qū)別（加副標(biāo)題），并且在“設(shè)計(jì)（論文）要求”一欄中加以體現(xiàn)。 2．“題目性質(zhì)”一欄： A．工程設(shè)計(jì) B．理論研究類 C．軟件工程（如CAI課題等） D．實(shí)驗(yàn)研究類 E．文獻(xiàn)型綜述 F．藝術(shù)設(shè)計(jì)類 G．案例研究類 H．應(yīng)用研究類 I．其它 3．“題目來源”一欄： A．結(jié)合社會生產(chǎn)實(shí)際 B．教師課題 C．學(xué)生自擬 D．其他 4．“題目簡介”一欄： 主要指研究設(shè)計(jì)該題目的背景介紹及目的、意義。 5．“設(shè)計(jì)（論文）要求（包括應(yīng)具備的條件）”一欄： 主要指本課題技術(shù)方面的要求，而“條件”指從事該課題必須應(yīng)具備的基本條件(如儀器設(shè)備、場地、文獻(xiàn)資料等)。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 目錄 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）大 綱 設(shè)計(jì)(論文)題目： 汽車車架有限元分析 學(xué)生姓名： 于敏 學(xué)　　號： 1004102048 ?！　I(yè)： 車輛工程 所在學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 智淑亞 職　　稱： 副教授 2014年01 月10 日 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第1章 緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 汽車車架介紹 2 1.3 有限元基本思想及軟件介紹 4 1.4 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5 1.5 課題研究意義及內(nèi)容 6 第2章 車架有限元模型的建立 7 2.1 車架結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)和簡化 8 2.2 車架結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)和簡化 11 第3章 車架有限元分析 12 3.1 靜力分析基礎(chǔ) 13 3.2 車架靜力學(xué)分析模型的建立 14 3.3 車架的材料性能參數(shù) 16 3.4 載荷的處理 17 3.5 車架的工況分析及約束處理 29 第4章 總結(jié)與展望 30 參考文獻(xiàn) 31 致謝 32 Ⅰ 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 緒論 汽車車架有限元分析 摘 要 現(xiàn)代汽車的車架絕大多數(shù)都是整車骨架，它是整個(gè)汽車的基體。汽車大部分部件與總成（發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向、駕駛室、貨箱及有關(guān)操縱機(jī)構(gòu)）都是通過車架來固定其位置的。車架的作用是支撐和連接汽車的各零部件，所以它會承受汽車車內(nèi)外各種載荷。因此，車架的靜、動態(tài)特性是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)和優(yōu)化的依據(jù)，是確保整車性能優(yōu)良的關(guān)鍵因素之一。 本文以6470型SUV車架作為研究對象，分析論證了CAD/CAE技術(shù)在汽車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要內(nèi)容如下： 1、選取一個(gè)SUV車型，通過查找和測量得到其主要的車型參數(shù)。 2、運(yùn)用CAD軟件PRO/E建立車架的三維模型。 3、通過PRO/E軟件和ANSYS件的無縫連接將汽車車架的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。 4、運(yùn)用ANSYS有限元軟件對該車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加適當(dāng)?shù)募s束和載荷，對車架進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，從而校核了該車架的強(qiáng)度和剛度。通過分析結(jié)果，校核該車架的強(qiáng)度和剛度能否滿足要求。 在建模和有限元分析過程中，就CAD三維實(shí)體的建模方法、有限元理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、有限元軟件ANSYS、CAD軟件與有限元接口技術(shù)、有限元分析方法的前期后期處理等方面做了研究工作，為后續(xù)工作做了較好的技術(shù)準(zhǔn)備。 關(guān)鍵詞：車架；CAD/CAE；ANSYS；有限元分析；靜力分析 Ⅱ Finite Element Analysis of 6470 SUV frame Abstract Most modern cars are used as vehicle skeleton frame, which is through the matrix. Most parts and assemblies of a vehicle（such as engine, transmission, suspension, steering, cab, containers and related control mechanism and so on）are all over the frame to a fixed location. The function of a vehicle frame is to support the connection parts, and to take from inside and outside the vehicle loads. So, the static and dynamic analysis characteristics of frame is not only the base of its structure design, improvement and optimization, but also one of the key factors to ensure that vehicle performance. Finite element analysis has become an essential technology in the design of vehicle structure. As for compute-intensive and the analysis step，intuitive linear analysis of frame is very difficult. And ANSYS Finite element analysis software program can discrete elements into countless units to facilitate analysis, calculation and optimized results. On this article, 6470 SUV frame is the objects to be researched to analyze and demonstrate CAD/CAE technique and its application in the design of automobile frame. Mainly as follows: (1) Select a SUV models，F(xiàn)ind and measure its main parameters; (2)Establish the three dimensional model of the frame by Pro/E; (3) Import the three dimensional frame model in Pro/E into ANSYS through the seamless connection??between Pro/E and ANSYS; (4) Use the powerful finite element analysis for the frame element mesh, impose the appropriate constraints and loads and make the finite element static analysis of frame to check the strength and rigidity of the frame， During the modeling and finite element analysis，a lot of research work about the three-dimension solid modeling method, mathematical basis of finite element theory, interface technology of finite element, late and early processing of finite element analysis method is done, preparing for the follow-up work to be done better. Keywords: Frame, CAD/CAE; ANSYS; Finite Element Analysis; Static Analysis Ⅲ 1 第1章 緒 論 1.1 課題研究背景和意義 安全與節(jié)能已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要主題。汽車的任何設(shè)計(jì)都是以保證安全為前提條件的，所以，現(xiàn)代汽車的首要原則就是保證結(jié)構(gòu)性能的安全性。而車架作為汽車的承載體，不但承擔(dān)著發(fā)動機(jī)、底盤和貨物的重量，還要承受行駛過程中各部位傳來的各種力和力矩。故而，車架的強(qiáng)度分析尤為重要，這不僅關(guān)系到車輛的正常行駛，還關(guān)系到整車的安全性能。所以汽車車架的結(jié)構(gòu)性能分析對汽車安全性起到非常重要的作用。 1.2汽車車架的介紹 汽車車架是發(fā)動機(jī)、底盤和車身各總成的安裝基礎(chǔ)，是汽車的關(guān)鍵承載部件。車架支撐著發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、貨箱等，承受著傳給它的各種力和力矩。所以，車架應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，使安裝在車架上的相關(guān)機(jī)構(gòu)的相對位置在汽車行駛時(shí)能夠保持不變，并使車身的變形最小。車架也應(yīng)該有足夠的剛度以保證其有足夠的可靠性和使用壽命，縱梁等主要零件在試用期內(nèi)不應(yīng)該有嚴(yán)重的變形與開裂。如果車架的剛度不足， 將會引起震動和噪聲，汽車的舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些部件的可靠性也會下降。 但車架的扭轉(zhuǎn)剛度也不宜過大，否則將會導(dǎo)致車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大，使汽車的輪胎接地性變差，從而降低通過性。所以，車架必須滿足以下的要求[1]： （1）應(yīng)該滿足汽車的總布置要求。，固定在車架上各部件之間不應(yīng) 發(fā)生干涉。 （2）要有足夠的強(qiáng)度和剛度。在凹凸不平的道路上時(shí)，受到載荷的影響，車架下可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形。它們會使安裝在車架上的各部件之間的相對位置發(fā)生變化，從而影響其正常工作。因此，車架還應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠取? （3）車架的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，使得安裝于車架上的機(jī)件要容易拆裝，以便于汽車的維修。 （4）車架的形狀應(yīng)盡可能的配合車身和各總成，以降低汽車的質(zhì)心，及獲得較大的前輪轉(zhuǎn)向角，能夠提高汽車的操縱穩(wěn)定性和機(jī)動性。 目前，按車架縱梁、橫梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，汽車車架的結(jié)構(gòu)布局形式主要有三種：邊梁式車架、中梁式車架和綜合式車架。其中，邊梁式車架在汽車車架中應(yīng)用最廣。 接法或者焊接法將縱梁是槽鋼，有的也做成Z字形或箱型斷面。依據(jù)汽車組成形式的不同和結(jié)構(gòu)布置的要求，縱梁的或是非等斷面的。橫梁不僅可以支撐汽車上的主要部件。通常，載貨汽車有5-6根橫梁， 33 和布置其他總成，貨汽車及大多數(shù)的特種汽車上。 1.3 有限元的基本思想及軟件介紹 過去，國內(nèi)汽車設(shè)計(jì)的主要手段是用傳統(tǒng)的樣車和舊車型作參考的模式。在對車架進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會對車架進(jìn)行大幅度的簡化。因?yàn)橛媒?jīng)典力學(xué)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，為了能夠計(jì)算，必須把模型構(gòu)造的非常簡單。這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大多依靠經(jīng)驗(yàn)，缺乏用經(jīng)典力學(xué)的方法 不可能得到精確的解答，尤其在設(shè)計(jì)初期因?yàn)椴粫袑?shí)測數(shù)據(jù)。所以，以前的設(shè)計(jì)基本上是依賴于經(jīng)驗(yàn)和類比，缺乏建立在力學(xué)特性、剛度、強(qiáng)度等分析基礎(chǔ)上的科學(xué)依據(jù)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，汽車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。如模態(tài)試驗(yàn)方法、有限元方法等。其中，有限元方法已經(jīng)成為建立有限元模型、模擬車架的主要分析途徑，并慢慢走向成熟。 有限元法是根據(jù)變分原理對數(shù)學(xué)及物理問題進(jìn)行求解的數(shù)值計(jì)算方法，是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種新興的數(shù)值計(jì)算方法，是工程方法和數(shù)學(xué)方法的混合產(chǎn)物，可以用來求解許多過去無法解決的問題。 ANSYS公司是1970年由美國匹茲堡大學(xué)的John Swanson博士創(chuàng)建的，其總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡，是目前世界上CAE行業(yè)最大的公司。最初版本的ANSYS只能提供熱分析和線性分析的功能，是一個(gè)批處理程序，而且僅能在大型計(jì)算機(jī)上使用。20世紀(jì)70年代，隨著非線性、子結(jié)構(gòu)和更多的單元類型的加入，ANSYS軟件發(fā)生了巨大的變化，新技術(shù)的融入進(jìn)一步滿足了用戶的需求；70年代末，交互方式加入ANSYS，使軟件發(fā)生了顯著的變化，使模型生成和結(jié)果評價(jià)大為簡化。40年來，ANSYS公司一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方法，和計(jì)算技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的發(fā)展 。 ANSYS軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。前處理模塊擁有結(jié)構(gòu)分析（）、熱分析、流體動力學(xué)分析、可以模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有可以將計(jì)算機(jī)結(jié)果用彩色等值線顯示、等方式顯示，也可以將計(jì)算結(jié)果用圖表、曲線的形式顯示或輸出。ANSYS軟件為用戶提供了100多種的單元類型，以模擬實(shí)際工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 （1）前處理模塊 單擊實(shí)用菜單中的“Preprocessor”,進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個(gè)模塊主要有三部分內(nèi)容：參數(shù)定義、建立有限元模型和網(wǎng)格劃分。 ①參數(shù)定義 ANSYS軟件在建立有限元模型的過程中，首先需要進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)定義，主要包括定義單位制、定義單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料模型和材料特性參數(shù)、定義幾何參數(shù)等。 在定義單位制的時(shí)候，除了磁場分析以外，ANSYS軟件可以使用任一種單位制，但是一定要保證單位制的統(tǒng)一。 建立有限元模型或是對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，必須先定義相應(yīng)的單元類型，而單元實(shí)常數(shù)的確定也依賴于單元類型的特性。 材料模型和材料特性參數(shù)能夠表征實(shí)際工程問題所涉及材料的具體特性，所以，材料模型的正確選擇和材料參數(shù)的精確輸入是實(shí)際工程問題得到正確解答的關(guān)鍵。 ②建立有限元分析模型 ANSYS有限元軟件提供了4種方法來建立有限元模型：直接建模，實(shí)體建模，導(dǎo)入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAD中創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型。 ③網(wǎng)格劃分 ANSYS程序?yàn)橛脩籼峁┝耸褂帽憬荨⒏哔|(zhì)量的對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種劃分方法：。 （2）求解模塊 的模塊，用戶可以定義分析類型及分析選項(xiàng)，施加載荷及載荷步選項(xiàng)。 ① 定義分析類型和分析分析選項(xiàng) 根據(jù)所施加的載荷條件和所要計(jì)算的響應(yīng)選擇分析類型。有限元軟件提供的分析類型有靜態(tài)分析、模態(tài)分析等。 ② 載荷 在ANSYS軟件中，載荷分為位移載荷、力或矩陣、面載荷、體積載荷、慣性載荷及耦合場載荷。 ③ 指定載荷步 載荷步選項(xiàng)是用來更改載荷步的，例如子步數(shù)、載荷步的結(jié)束時(shí)間以及輸出控制等。 ④ 求解子模塊 ANSYS軟件的求解模塊包含結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學(xué)分析、聲場分析及壓電分析。 （3）后處理模塊 當(dāng)ANSYS完成計(jì)算后，可以通過后處理器來觀察結(jié)果。ANSYS軟件的后處理包括兩個(gè)部分：通用后處理模塊和時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊。通過友好的用戶界面，很容易就可以獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果，并對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可以是位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示或者數(shù)據(jù)列表。 與其他的數(shù)值分析軟件相比較，ANSYS具有以下技術(shù)特點(diǎn)： 1．能夠?qū)崿F(xiàn)多場和多場耦合功能； 2. 集前后處理、分析求解與多場分析于一體； 3. 具有強(qiáng)大的優(yōu)化功能，是唯一具有流場優(yōu)化功能的CFD軟件； 4. 具有獨(dú)一無二的非線性分析功能； 5. 具備快速求解器； 6.是最早采用并行計(jì)算技術(shù)的FEA軟件； 7. 全部的數(shù)據(jù)文件都兼容； 8.支持從PC、WS到巨星級的所有硬件平臺； 9.從微機(jī)、工作站、大型機(jī)到巨型機(jī)的所有硬件平臺，具有統(tǒng)一的用戶界面； 10、能與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口； 11、可以進(jìn)行智能劃分網(wǎng)格； 12、具有多層次、多框架的產(chǎn)品系列； 13.具備良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 1.4 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國外，有限元法很早就被運(yùn)用在汽車的結(jié)構(gòu)分析方面。60年代中后期，國外就開始了對車架的有限元靜態(tài)分析。國外十分重視有限元法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，并且取得了大量的研究成果。1970年，美國宇航員利用NASTRAN有限元分析程序，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，從而減輕了車架的自重。這是最早的車輛輕量化分析。后來Ao.Kazuo.Niiyama等人詳細(xì)地介紹了利用有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果來指導(dǎo)車架的設(shè)計(jì)過程[2]。從70年代起，開始對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性分析，并取得了大量的研究成果。Krawczuk,Marek等人利用全板殼單元車架有限元模型對一輛貨車車架進(jìn)行比較全面的動態(tài)研究[3]。Kim.H.S.Hum.H分析討論了車架在較大靜態(tài)載荷的作用下所變現(xiàn)出來的失效形式，Colomina等人利用有限元法建立了一個(gè)載貨汽車車架的有限元模型，并對其進(jìn)行了動態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)果對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[4]。當(dāng)前，國外各大汽車公司利用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其工作重心已經(jīng)轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析的領(lǐng)域。而隨機(jī)激勵響應(yīng)分析可以用來對車輛的強(qiáng)度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析。 我國的有限元理論的研究開始于上個(gè)世紀(jì)50年代末，我國著名的數(shù)學(xué)家馮康教授創(chuàng)立了一套現(xiàn)代化、系統(tǒng)化求解微分方程的近似方法，名為基于變分原理它的差分格式。它的內(nèi)容就是當(dāng)時(shí)被國際人士成為的有限元法。 我國大約是在20世紀(jì)70年代末才把有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析中。1977年，長春汽車研究所的谷安濤和常國振發(fā)表的“汽車車架設(shè)計(jì)計(jì)算的有限元法”，是計(jì)算機(jī)輔助工程在我國汽車行業(yè)中的首次應(yīng)用，為有限元分析在我國的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ)[5]。當(dāng)時(shí)研究的內(nèi)容主要是車架強(qiáng)度分析和如何用梁單元模擬客車骨架等方面。到了九十年代，逐步將有限元分析應(yīng)用到實(shí)際的汽車設(shè)計(jì)中。如長春第一汽車廠，他們對所有的重要零部件都進(jìn)行有限元分析校核，上海大眾與同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合建立了桑塔納車身有限元模型，對車身進(jìn)行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)計(jì)算等等[6]。而各大高校也都用有限元分析法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化。如吉林大學(xué)的黃金陵曾經(jīng)用理論分析了影響車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用懲罰函數(shù)法找到了汽車車架各梁截面參數(shù)的最佳值[7]。武漢理工大學(xué)的鄧亞東教授對輕型載貨汽車車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出優(yōu)化結(jié)果[8]；清華大學(xué)的扶原放老師對微型電動車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮了多種行駛狀況下的沖擊載荷對車架的作用，在這些沖擊破壞下對該車架進(jìn)行優(yōu)化，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)可靠性和有限元法對新設(shè)計(jì)車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)等等[9]。 1.5 課題研究意義及內(nèi)容 安全與節(jié)能已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要主題。汽車的任何設(shè)計(jì)都是以保證安全為前提條件的，所以，現(xiàn)代汽車的首要原則就是保證結(jié)構(gòu)性能的安全性。而車架作為汽車的承載體，不但承擔(dān)著發(fā)動機(jī)、底盤和貨物的重量，還要承受行駛過程中各部位傳來的各種力和力矩。故而，車架的強(qiáng)度分析尤為重要，這不僅關(guān)系到車輛的正常行駛，還關(guān)系到整車的安全性能。所以汽車車架的結(jié)構(gòu)性能分析對汽車安全性起到非常重要的作用。 代設(shè)計(jì)方法（有限元分析計(jì)算法）。，需對車架結(jié)構(gòu)做大量的簡化以便進(jìn)行分析，所以它帶有一定的盲目性，也不能對車架結(jié)構(gòu)。 隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元法已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)十分重要的工程計(jì)算方法，應(yīng)用范圍也越來越廣。在汽車的設(shè)計(jì)和研究上，應(yīng)用有限元法可以對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、模態(tài)、振動、碰撞等多方面的分析和優(yōu)化，為汽車的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、優(yōu)化提供了參考和指導(dǎo)。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，即有限元分析法，使用有限元分析軟件CAE軟件和CAD軟件，兩者并用，使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。不僅減少了設(shè)計(jì)成本，縮短了設(shè)計(jì)和分析時(shí)間，產(chǎn)品和工程的可靠性也得到了提高，還能在制造產(chǎn)品前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛伏的問題，進(jìn)行各種模擬試驗(yàn)，減少了試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，此外，還能進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。 從上可以看出，有限元法在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中的優(yōu)勢越來越明顯，越來越多的汽車公司將有限元分析方法引入到各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，以提升汽車的整車性能，從而占據(jù)市場份額。 本文以6470型SUV車架作為研究對象，用UG軟件建立三維實(shí)體模型，通過UG軟件與ANSYS軟件之間的無縫連接，將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件，建立有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件強(qiáng)大的分析功能對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)而校核該車架的強(qiáng)度和剛度。通過實(shí)例體驗(yàn)CAD/CAE技術(shù)在汽車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 通過本課題的研究，可達(dá)到如下目的： （1）學(xué)習(xí)UG，ANSYS軟件，建立車架結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型和有限元模型，為有限元技術(shù)在車架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 （2） 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 車架有限元模型的建立 第2章 車架有限元模型的建立 2.1車架結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)和簡化 汽車車架是一個(gè)復(fù)雜的空間的薄壁結(jié)構(gòu)，若要全部如實(shí)的考慮它的結(jié)構(gòu)是很困難的，因此，必須對其進(jìn)行簡化[10]。有限元計(jì)算模型的建立，即模型化，是有限元法的一個(gè)重要的步驟。模型化就是要確定節(jié)點(diǎn)，并選擇單元類型，也就是將結(jié)構(gòu)離散化或者單元的劃分過程。簡化結(jié)果時(shí)要以主要的力學(xué)特征為前提，也就是要力求每個(gè)單元與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的幾何類型一致，還要與單元傳遞的動力學(xué)特性相一致。結(jié)構(gòu)簡化要遵循一定的原則：在保證能夠充分反映實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下做些必要的簡化。有限元分析的目的是分析整體車架的強(qiáng)度和薄弱環(huán)節(jié)等的力學(xué)特性，太過細(xì)致地描述細(xì)小的結(jié)構(gòu)不僅會增加建模時(shí)的難度，還會增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，而且會使有限元模型的單元尺寸變化過于突然，影響計(jì)算的精度。在能充分反映結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性的前提下，應(yīng)盡量使用較少的單元，選取簡單的單元類型，以便達(dá)到既合理又經(jīng)濟(jì)的目的。 為了提高軟件分析的效率，減少分析計(jì)算中不必要的時(shí)間，在UG中建立車架的三維實(shí)體模型時(shí)，對一些工藝結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，所依據(jù)的簡化規(guī)則為： （1）對分析結(jié)果影響較小的孔忽略不計(jì)：直徑小于15mm。車架縱梁上有許多裝配用孔，雖然這些小幾何體對整個(gè)車架的強(qiáng)度和剛度的影響不大，但對接下來的車架分析計(jì)算很是不利。這些細(xì)節(jié)在劃分網(wǎng)格是會產(chǎn)生許多網(wǎng)格，網(wǎng)格的質(zhì)量將會降低，從而導(dǎo)致計(jì)算量大，計(jì)算精度降低。 （2）結(jié)構(gòu)中不受力的結(jié)構(gòu)忽略不計(jì)。有的部件是為了滿足使用上的要求而設(shè)計(jì)的，并不是依據(jù)強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)的，因而可以忽略； （3）將結(jié)構(gòu)中較小的圓角變?yōu)橹苯?。?gòu)件上還有些過渡圓角，和小孔一樣，對計(jì)算分析產(chǎn)生的影響較小，故將其忽略。 本文研究的是6470型SUV車架，該車架有兩根縱梁，五根橫梁，一根扭桿梁，一根變速箱梁和前后副杠組成，以焊接方式構(gòu)成剛性結(jié)構(gòu)。 汽車車架的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表2.1 表2.1 車架各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)表 名稱 長度 名稱 長度 縱梁總長 4280mm 車架前寬 840mm 左右縱梁中心距 990mm 車架后寬 1160mm 扭桿中心距 990mm 前車距 1557mm 軸距 2730mm 后車距 1593mm 2.2實(shí)體車架模型的建立和網(wǎng)格劃分 通過對該車架的數(shù)據(jù)分析，在三維制圖軟件UG中建立了車架的三維實(shí)體模型，步驟如下： 1、通過構(gòu)建基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，草圖拉伸，建立車架左側(cè)縱梁，并以YZ面為鏡像平面，做出右側(cè)縱梁。然后以以XY面為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，拉伸制作前后副杠，如圖2-1所示。 圖2-1 車架縱梁及橫杠 2、以右邊縱梁前端內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，將正方形草圖拉伸與縱梁等寬，并以YZ面為鏡像面，生成對稱體。將草圖中兩同心圓拉伸并求差，得到第一根橫梁。如圖2-2所示。 圖2-2 草圖拉伸形成第一根橫梁 3、創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，在該面內(nèi)制作草圖，拉伸草圖形成第二根橫梁，如圖2-3所示。 圖2-3 草圖拉伸形成第二根橫梁 4、以XY面為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，拉伸草圖形成變速箱梁，如圖2-4所示。 圖2-4 草圖拉伸成變速箱梁 5、分別以右邊縱梁中間部分、后端及其連接部分的內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)面，創(chuàng)建草圖，沿X方向拉伸形成扭桿梁、第三根和第四根橫梁，如圖2-5所示。其中，第三根及第四根梁為空心結(jié)構(gòu)。 圖2-5 拉伸形成扭桿梁、第三根及第四根梁 6、創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，在該平面內(nèi)制作草圖，沿Y方向拉伸成第五根橫梁，如圖2-6所示。 圖2-6 草圖拉伸形成第五根梁 7、建立鋼板彈簧吊耳模型。左右縱梁各有四個(gè)鋼板彈簧吊耳，關(guān)于YZ平面對稱，所以，在左邊縱梁外側(cè)建立吊耳模型，通過鏡像體得到右側(cè)吊耳。建立左側(cè)吊耳時(shí)，在其與車架連接的相應(yīng)位置創(chuàng)建所需基準(zhǔn)平面，繪制草圖，進(jìn)行拉伸。其中，前輪處的兩個(gè)鋼板彈簧吊耳關(guān)于前車橋的中心平面對稱，可以由鏡像體得到。而后輪的鋼板彈簧為非對稱放置，故后輪處吊耳不對稱，只能一一建模，但螺栓孔中心在同一水平面上。鋼板彈簧吊耳模型如圖2-7所示。 圖2-7 鋼板彈簧吊耳模型 8、對車架各部分求和，使之成為一個(gè)整體，得到車架的三維實(shí)體模型，如圖3-8所示。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 軟件的介紹 圖2-8 車架三維實(shí)體模型 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 車架的建模 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 車架有限元分析 第3章 車架有限元分析 汽車是運(yùn)輸機(jī)械，在工作的過程中總會受到來自各個(gè)方面的載荷作用。所以車架必須要有足夠大的強(qiáng)度和剛度來承受這些載荷，因此有必要對車架進(jìn)行必要的CAE分析。本文利用有限元軟件ANSYS14.5著重對車架進(jìn)行了三維有限元分析，計(jì)算分析了其在四種不同最大載荷工況下應(yīng)力和變形，以便校核其強(qiáng)度和剛度。 3.1 靜力分析基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計(jì)算不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用在結(jié)構(gòu)或者部件上時(shí)引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假設(shè)，也就是假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨著時(shí)間的變化非常緩慢。靜力分析所加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)定的慣性力和位移載荷等。 通過車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的有限元靜力分析，能夠找到車架在各種工況下各個(gè)部件變形和應(yīng)力的分布情況及最大值。以此為依據(jù)，改變結(jié)構(gòu)的形狀尺寸或者改變材料的特性以調(diào)整質(zhì)量和剛度的分布，能夠使車架各部位的變形和受力情況盡可能的均衡。同時(shí)還可以在保證結(jié)構(gòu)滿足使用強(qiáng)度和剛度的前提下，最大限度地降低材料用量，既能減輕車架的自重，也可以節(jié)省材料，降低油耗，提高整車性能。 在有限元分析的過程中，靜力分析的控制方程為： {K}{U} = {F} (3-1) 其中，{K}——結(jié)構(gòu)剛度矩陣 {U}——位移向量 {F}——載荷向量 在用有限元法進(jìn)行機(jī)體結(jié)構(gòu)的靜力分析時(shí)，其基本原理是一樣的：用矩陣形式表示整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程，得 {K}{δ}={R} （3-2） 其中，{K}——整個(gè)剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元剛度陣組成 {δ}——整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移陣列，由單元節(jié)點(diǎn)位移陣列組成 {R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力陣列組成 用式（4-2）求出節(jié)點(diǎn)位移{δ}，利用式（4-3）結(jié)合求得的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算出各個(gè)單元的力，并加以整理得出所要的結(jié)果。 [σ]=[D][B][σ] （3-3） 其中，[σ]——材料的許用應(yīng)力陣列 [D]——與單元材料有關(guān)的彈性陣列 [B]——單元應(yīng)變陣列 [δ]e ——單元的節(jié)點(diǎn)位移陣列 通過式（4-3）可以計(jì)算得到車架的應(yīng)力和變形結(jié)果，變形可以由后處理中的模塊將模型的變形直觀的變現(xiàn)出來，應(yīng)力的分布則以應(yīng)力云圖或者應(yīng)力圖的等高線表示。節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力是與之相連的單元應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)位置的算數(shù)平均值。通過車架的強(qiáng)度要求和材料的特性，選擇最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或者綜合應(yīng)力作為強(qiáng)度校核的基準(zhǔn)，材料的失效是以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志的，所以車架的靜態(tài)強(qiáng)度校核可以根據(jù)第四強(qiáng)度理論，用Vonmiss等效應(yīng)力來校核車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。 Vonmiss等效應(yīng)力可以表示為： （3-4） 強(qiáng)度條件為： （3-5） 3.2車架靜力學(xué)分析模型的建立 應(yīng)用Pro/E軟件對車架進(jìn)行三維建模，通過Pro/E軟件和ANSYS軟件的無縫連接將模型導(dǎo)入ANSYS中去，用ANSYS自帶的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對有限元模型添加載荷及約束，進(jìn)入求解器求解，在后處理模塊中檢查結(jié)果。這也是ANSYS中靜力分析的主要步驟，本文將按照這個(gè)步驟進(jìn)行靜力分析。 （1）車架材料特性 目前，車架的材料應(yīng)用最多的是16Mn鋼。16Mn鋼的合金含量較少，綜合性能好，低溫性能好，焊接性能和可切削性能良好，廣泛的應(yīng)用在橋梁、鍋爐、起重運(yùn)輸機(jī)械和其他較高載荷的焊接結(jié)構(gòu)件中。它的物理性能如下： 彈性模量E=2.0×1011 Pa 材料密度ρ=7850kg/m3 泊松比μ=0.3 最小屈服極限360MPa 最小抗拉強(qiáng)度510MPa 最大抗拉強(qiáng)度 610MPa （2）車架模型導(dǎo)入ANSYS 通過Pro/E軟件與ANSYS軟件之間的無縫連接將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS，形成ANSYS模型，具體操作為：File→Import→UG，選擇三維實(shí)體模型，即可將模型導(dǎo)入ANSYS軟件。將模型顯示為實(shí)體：PlotCtrls→Style→Solid Model Facets,在彈出的對話框中選擇性Normal Faceting，選擇Plot→Rplot，得到車架的實(shí)體模型，如圖3-1所示。 圖3-1 導(dǎo)入ANSYS后的實(shí)體模型 保存所的模型，F(xiàn)ile→Save as，保存名為chejia.db。 （3）定義單元類型 實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，為了方便模擬，ANSYS為用戶提供了幾十種單元用于結(jié)構(gòu)分析，而選取恰當(dāng)?shù)膯卧愋褪琼樌M(jìn)行有限元分析的重要一步。單元類型的選取，既要充分反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，也要盡可能的選取簡單的單元，使模型計(jì)算時(shí)簡單又節(jié)約計(jì)算費(fèi)用。ANSYS軟件中，常用的單元類型有Solid實(shí)體單元、Shell板殼單元等。本文選用Solid95單元。相對于3-D，8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元來說，Solid95單元更為高級，Solid95單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，為節(jié)點(diǎn)在x，y，z方向的平移自由度。它能夠吸收不規(guī)則形狀的單元而沒有精度損失，還有可并立的位移形狀，對于曲線邊界的模型能很好的適應(yīng)。Solid95單元有塑性、蠕變、應(yīng)力剛度、大變形及大應(yīng)變能力。Solid95單元的示意圖如圖3-2所示。 圖3-2 Solid95單元 定義單元類型的具體操作為：Main Menu→Preferences→Element Type→Add/Edit/Delete，在彈出的對話框中點(diǎn)擊Add，彈出Library of Element Types對話框，選擇Solid→20node 95。如圖3-3所示。 圖3-3 選擇單元類型對話框 （4）定義材料屬性 具體操作：Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models, 在彈出的對話框中選擇Structural→Linear→Elastic→Isotropic，設(shè)置材料的彈性模量EX為200MPa，泊松比PRXY為0.3。 定義材料密度：Structural→Linear→Elastic→Density，設(shè)置材料的密度DENS為7.85e-6噸/毫米3 ，具體如圖3-4,3-5所示。 圖3-4 彈性模量及泊松比對話框 圖3-5 密度對話框 材料屬性定義完畢，點(diǎn)擊Material→Exit，退出材料屬性定義。 （5）網(wǎng)格劃分 在前兩步的基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格：Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，在MeshTool對話框中勾選Smart Size，選擇8級精度，點(diǎn)擊Mesh按鈕，出現(xiàn)Mesh Volumes對話框，點(diǎn)擊Pick All，點(diǎn)擊OK。如圖3-6所示。劃分網(wǎng)格完成后后的模型如圖3-7所示。 圖3-6 劃分網(wǎng)格對話框 圖3-7 車架網(wǎng)格劃分 2.3 車架材料的性能參數(shù) 目前，車架的材料應(yīng)用最多的是16Mn鋼。16Mn鋼的合金含量較少，綜合性能好，低溫性能好，焊接性能和可切削性能良好，廣泛的應(yīng)用在橋梁、鍋爐、起重運(yùn)輸機(jī)械和其他較高載荷的焊接結(jié)構(gòu)件中。它的物理性能如下： 彈性模量E=2.0×1011 Pa 材料密度ρ=7850kg/m3 泊松比μ=0.3 最小屈服極限360MPa 最小抗拉強(qiáng)度510MPa 最大抗拉強(qiáng)度 610MPa 3.4 載荷的處理 運(yùn)用有限元法對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，載荷通常是給定的。根據(jù)不同的計(jì)算工況來確定載荷，是保證有限元分析結(jié)果反映實(shí)際情況的前提。根據(jù)載荷在結(jié)構(gòu)上的分布情況，可以分為集中載荷、分布載荷兩種，當(dāng)外載荷作用在結(jié)構(gòu)上的區(qū)域很小時(shí)，可以認(rèn)為該載荷為集中載荷。如果作用在結(jié)構(gòu)上的載荷位置是連續(xù)變化的，即載荷作用在一定面積或者長度上，則稱為分布載荷。根據(jù)載荷作用隨時(shí)間變化的情況，可以分為靜載荷、動載荷兩種。 汽車在靜止時(shí)只承受懸架以上部分的載荷，包括車身和自身質(zhì)量，車架上各總成與附屬件質(zhì)量，參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 車架各總成質(zhì)量 名稱 質(zhì)量/kg 車身 810 發(fā)動機(jī) 167 變速器與離合器 12.5 轉(zhuǎn)向器及機(jī)構(gòu) 16 蓄電池 17 油箱及油 49.2 備胎及其托架 513 散熱器及水 13.2 排氣管及消聲器 16.9 其余 20 其中，車身質(zhì)量按均布載荷處理，平均分配到車架縱梁上；發(fā)動機(jī)按集中載荷處理，作用在其支撐位置；變速箱、離合器、蓄電池、油箱等以靜力等效的原則加在其相應(yīng)的位置，不同工況時(shí)還需乘動載系數(shù)；車架自重通過定義重力加速 度施加；該車可以乘坐五位乘客，前面兩位，后面三位，每位乘客的質(zhì)量按標(biāo)準(zhǔn)75kg計(jì)算，按均布載荷處理；該車載重量400kg，按均布載荷作用在車架后端。 3.5車架的工況分析及約束處理 汽車在行駛時(shí)，考慮到不同的路面上，汽車車架受力狀況不一樣，故靜力分析工況一般選擇彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況這兩種。在此基礎(chǔ)上，本文還研究了制動和轉(zhuǎn)彎工況下車架的應(yīng)力和應(yīng)變變化。四種工況下，車架所承受的載荷都是由上述載荷組成的，因此加載方式都是相同的。車架載荷分布方式如圖3-8所示。 圖 3-8 車架的載荷分布 3.5.1 滿載彎曲工況分析 （1）滿載彎曲工況下的邊界條件 滿載彎曲工況是模擬汽車在滿載狀態(tài)下，四輪著地在良好路面上勻速行駛時(shí)，車架對其所承受的重量的響應(yīng)。實(shí)際汽車行駛時(shí)，由于承載系統(tǒng)在六個(gè)自由度方向運(yùn)動，而且系統(tǒng)并非剛體，所以各點(diǎn)的位移不同，加速度是不相等的。因而在計(jì)算施加載荷時(shí)，車架承受的質(zhì)量和載荷都要乘以一定的動載系數(shù)，再對車架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。動載系數(shù)主要取決于三個(gè)因素：道路條件，汽車行駛狀況（如車速）和汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如懸架彈性元件的剛度、輪胎剛度、汽車的質(zhì)量分布等）。由于這些因素很復(fù)雜，使動載系數(shù)難以用數(shù)學(xué)分析法確定。所以，分析時(shí)常分別對某些簡單的路面情況進(jìn)行研究，動載系數(shù)則取一些理論研究與實(shí)驗(yàn)修正相結(jié)合的半經(jīng)驗(yàn)值。本文滿載彎曲工況下，取動載系數(shù)為2。 為了能得出解并且唯一，必須對車架進(jìn)行約束，其約束條件取決于工況。彎曲工況約束施加的節(jié)點(diǎn)參考圖4-10。各個(gè)節(jié)點(diǎn)具體約束方式如表3.2所示。 表3.2 彎曲工況的車架約束 節(jié)點(diǎn)編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 1、2、3、4 / / / / / / 6、8、、14、16 / / / 10、12、18、20 / / / / / 注：表中的節(jié)點(diǎn)與圖4-10相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點(diǎn)繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度，“/”表示對其自由度進(jìn)行約束。 加載的具體操作為：Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Displament→On Keypoints，彈出一對話框，輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號，點(diǎn)擊OK，如圖3-9所示。繼而彈出Apply U,ROT on KPs對話框，如圖3-10所示，選擇與關(guān)鍵點(diǎn)相應(yīng)的約束即可。其中，關(guān)鍵點(diǎn)編號可通過以下操作查看：PlotCtrls→Numbering，彈出Plot Numbering Controls窗口，將Keypoint numbers設(shè)為On即可。還可以通過該窗口顯示模型節(jié)點(diǎn)編號，只需將Node numbers設(shè)為On即可。如圖3-11所示。 圖3-9 選取關(guān)鍵點(diǎn) 圖3-10 約束對話框 圖3-11 查看關(guān)鍵點(diǎn) （2） 滿載彎曲工況加載 顯示模型所有節(jié)點(diǎn)編號，記下車架受力點(diǎn)，在這些點(diǎn)處施加載荷。具體操作如下： Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Force/Moment→On Nodes，彈出選取節(jié)點(diǎn)的對話框，輸入受力的節(jié)點(diǎn)編號，點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)Apply F/M on Nodes對話框。載荷方向均選FZ，載荷大小為負(fù)值，表示車架受到的力是-Z方向的。如圖3-12所示。 圖3-12 在節(jié)點(diǎn)上加載對話框 加載時(shí)，集中力載荷加載對應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，力的大小由各部件質(zhì)量決定，計(jì)算公式為: F=kmg （3-6） 其中，F(xiàn)——集中力 k——動載系數(shù) m——作集中載荷處理部件的質(zhì)量 g——重力加速度，取9.8m/s2 如發(fā)動機(jī)質(zhì)量為167kg，那么，彎曲工況下，在發(fā)動機(jī)支撐位置的節(jié)點(diǎn)處施加力的大小為：-2×167×9.8=-3273.2N，方向?yàn)镕Z。 對于均布載荷，則將該力施加在受力面的中間直線上的所有節(jié)點(diǎn)上，力的大小為： F=kmg/n （3-7） 其中， F——每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力大小 k——動載系數(shù) m——作均布載荷處理的部件質(zhì)量 g——重力加速度，取9.8m/s2 n——受均布載荷面的中間直線上的節(jié)點(diǎn)數(shù) 車架自重是通過定義重力加速度施加的，加速度方向與車架重力方向相反，即加速度方向?yàn)閆軸正方向。具體操作為：Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Inertia→Gravity→Global，彈出Apply (Gravitational) Acceleration 對話框，在Global Cartesian Z-comp 一欄中填入9.8，點(diǎn)擊OK即可。如圖3-13所示。 圖3-13 定義加速度對話框 施加載荷后的模型如圖3-14所示。 圖3-14 加載后有限元模型 （3）滿載彎曲工況求解及結(jié)果分析 彎曲工況加載完畢后，就要對模型進(jìn)行求解，具體操作如下：Main Menu→Solution→Solve→Current LS。出現(xiàn)信息窗口和一個(gè)對話框，檢查信息窗口，確認(rèn)無誤，點(diǎn)擊OK，系統(tǒng)開始計(jì)算，約五分鐘后出現(xiàn)＂Solution is done＂，點(diǎn)擊OK。 求解完畢，查看計(jì)算結(jié)果：Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu，出現(xiàn)對話框，在“Items to be Contoured” 一欄中選擇“Stress”在右邊的欄中選擇“Von Mises SEQV”,點(diǎn)擊OK,顯示有效應(yīng)力云圖,如圖3-15所示。在“Items to be Contoured” 一欄中選擇“DOF Solution”一欄下的Displacement vector sum,則顯示應(yīng)變云圖，如圖3-16所示。 圖3-15 彎曲工況下的等效應(yīng)力分布 圖3-16 彎曲工況下的應(yīng)變分布 從圖3-15可以看出，車架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力位于第五根橫梁與車架的連接處，這是因?yàn)榈谖甯鶛M梁與車架接觸面較其他連接面較小，因而出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為107MP，小于材料的最小屈服極限360MPa，而且可以算出車架縱梁的安全系數(shù)為3.36。說明車架不僅能夠滿足車架強(qiáng)度和剛度要求，還有很大的優(yōu)化空間，從減輕整車質(zhì)量和降低制造成本的角度出發(fā)，可以適當(dāng)?shù)膶④嚰艿目v梁的厚度減小0.5～1mm。 從這兩張圖可以看出，彎曲工況下最大位移發(fā)生在車架后托架出，大約0.0228mm，這是因?yàn)楹笸屑芎穸葍H為24mm，且是彎曲結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度看，較車架上其它結(jié)構(gòu)單 薄。在滿載下，車架中后部承受的載重量遠(yuǎn)大于前端承受的重量，因而在彎曲工況下車架尾部發(fā)生翹曲。 圖3-17 彎曲工況下的變形形狀 3.5.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況分析 （1）滿載扭轉(zhuǎn)工況的邊界條件 扭轉(zhuǎn)工況下車也是滿載的，只是假設(shè)行駛路面崎嶇不平，使三個(gè)車輪處于同一平面，而另一個(gè)車輪路過有坑的地面而被懸空。假設(shè)右后輪懸空。此時(shí)的約束條件如表3.3所示。 表3.3 扭轉(zhuǎn)工況約束 節(jié)點(diǎn)編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 2、4 / / / / / / 1 / / 20mm / / / 3 / / -20mm / / / 6、8、14、16 / / / / / 10、12 / / / 注：表中的節(jié)點(diǎn)與圖3-8相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點(diǎn)繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度，“/”表示對其自由度進(jìn)行約束。 （2）滿載扭轉(zhuǎn)工況加載 汽車在遭受最劇烈的扭轉(zhuǎn)工況的情況下，通常是在較低車速下通過崎嶇不平路面時(shí)發(fā)生的，此時(shí)由于車速較低，所以慣性載荷很小，最大動載系數(shù)不超過2，本文取1.5的動載系數(shù)。加載方式與彎曲工況相同。 （3）滿載扭轉(zhuǎn)工況求解及結(jié)果分析 查看計(jì)算結(jié)果步驟如前，得到扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖及變形比較圖，如圖3-18～3-20所示。 圖3-18 扭轉(zhuǎn)工況下的等效應(yīng)力 由圖3-18可以看出，最大有效應(yīng)力值仍發(fā)生在第五根橫梁與車架縱梁的連接處，最大應(yīng)力約126MPa,比彎曲工況時(shí)的有效應(yīng)力稍微大了些，但仍比最小屈服極限小。此時(shí)的安全系數(shù)為2.86，其他點(diǎn)的應(yīng)力都較小，故車架剛度和強(qiáng)度還是能夠滿足要求的,可以保證汽車在崎嶇不平的路面上正常行駛。 圖3-19 扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)變分布 從圖3-19和圖3-20可以看出，扭轉(zhuǎn)工況下最大位移發(fā)生右縱梁與后杠連接處，大約0.073mm，車架變形量較大。這是因?yàn)樵谀M扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，由于右后輪懸空，使右縱梁后端的變形量較大，并向前逐漸減小。這種情況比較危險(xiǎn)，可以通過加大車架的材料厚度或者改變車架的斷面形狀來增強(qiáng)車架的抗扭能力。 圖3-20 扭轉(zhuǎn)工況下車架變形 3.5.3 滿載制動工況分析 （1）滿載制動工況的邊界條件 汽車在行駛的過程中，由于行駛工況的變化，車輛經(jīng)常會經(jīng)歷加速或減速的情況，所以有必要分析車架或車身結(jié)構(gòu)在制動載荷條件下的強(qiáng)度指標(biāo)。加速或減速會產(chǎn)生慣性力，由于慣性力的作用，車架將受到與行駛方向相反的縱向載荷，縱向載荷的大小取決于制動減速度的和汽車的載質(zhì)量，慣性力的大小取決于制動減速度。本文主要是檢驗(yàn)汽車在最大制動減速度下，制動力對車架產(chǎn)生的影響。此時(shí)的約束條件如表3.4所示。 表3.4 制動工況約束 節(jié)點(diǎn)編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 1、2、3、4 / / / / / / 6、8、14、16 / / / 10、12、18、20 / / 注：表中的節(jié)點(diǎn)與圖3-8相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點(diǎn)繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度，“/”表示對其自由度進(jìn)行約束。 （2）滿載制動工況加載 本文以制動時(shí)前后車輪同時(shí)抱死的情況進(jìn)行計(jì)算，在車架上施加一個(gè)縱向加速度來模擬制動工況。此工況下，載荷的施加方式與彎曲工況時(shí)一樣，在此基礎(chǔ)上，需要添加制動方向上的慣性力。由于制動減速度與地面附著系數(shù)成正比，因此取最大附著系數(shù)0.7，即在Y方向施加-0.7g的慣性力。汽車在制動的工況下，車速是一個(gè)逐漸減小的過程，故在計(jì)算時(shí)，取動載系數(shù)為1.5。 （3）滿載制動工況求解及結(jié)果分析 加載完畢，對模型求解分析，得到滿載制動工況下車架的應(yīng)力及應(yīng)變云圖。如圖3-21和圖3-22所示。 由圖3-21可以看出，制動工況下，最大應(yīng)力值仍發(fā)生在第五根橫梁與車架縱梁的連接處，最大應(yīng)力約110MPa,比材料的最小屈服極限小，安全系數(shù)約為3.27，車架上其他個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力均小于材料的屈服極限，故車架剛度和強(qiáng)度還是能夠滿足要求的。 圖3-21 制動工況下的等效應(yīng)力分布 圖3-22 制動工況下應(yīng)變分布 由以上兩幅圖可以看出，制動工況下最大位移發(fā)生后托架處，大約0.038mm。這是因?yàn)楹笸屑鼙绕渌考?，且在模擬制動工況時(shí)，有施加沿Y方向的制動加速度，導(dǎo)致后托架變形較大。整體看來，車架后端有上翹的變形形狀，這也是由制動加速度引起的。 圖3-23 制動工況下車架變形形狀 3.5.4滿載轉(zhuǎn)彎工況分析 （1）滿載轉(zhuǎn)彎工況的邊界條件 本文模擬汽車在左轉(zhuǎn)時(shí)，車架的受力情況。汽車滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)，約束條件如表3.5所示。 表3.5 轉(zhuǎn)彎工況約束 節(jié)點(diǎn)編號 Ux Uy Uz ROTx ROTy ROTz 1、2、3、4 / / / / / / 6、8、 / / / 14、16 / / 10、12、18、20 / 注：表中的節(jié)點(diǎn)與圖3-8相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點(diǎn)繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度，“/”表示對其自由度進(jìn)行約束。