某越野車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計.doc

目錄摘要1Abstract21 緒論31.1 課題背景31.2 課題的目的和意義31.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀41.4 車架的功用和要求42 基于UG的車架實體建模52.1 UG軟件簡介52.2典型的車架分類與特點72.2.1 框式車架72.2.2 脊梁式車架92.2.3 綜合式車架92.3 總體結(jié)構(gòu)方案的確定102.4 車架縱梁的形式102.5 車架橫梁的形式122.6 縱、橫梁的連接142.7車架實體UG模型及其材料的確定163 車架的強度分析173.1 車架的受載分析173.2 中間縱梁的有限元分析183.2.1有限元分析軟件ANSYS183.2.2 中間縱梁的模型創(chuàng)建213.2.3 定義材料屬性223.2.4 中間縱梁的網(wǎng)格劃分223.2.5 車架中間縱梁的約束施加和載荷施加233.2.6 車架中間縱梁的受力變形分析243.2.7 車架中間縱梁的應(yīng)力分析254 結(jié)束語265 謝辭276 參考文獻27某越野車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要：車架是汽車上重要的承載部件，車輛所受到得各種載荷最終都傳遞給車架，因此，車架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整車設(shè)計的成敗。特別是對經(jīng)常需要行駛在惡劣路面的越野車，對車架要求更高，在進行車架設(shè)計時考慮車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對提高整車的各種性能，降低設(shè)計與制造成本，增強市場競爭力等都具有十分重要的意義。本文介紹了一種越野車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。文章闡述了車架的功用和分類等基本知識，并介紹了完成本設(shè)計所需要的UG、ANSYS等軟件。本設(shè)計采用邊梁式車架設(shè)計方案，文章描述了車架縱梁、橫梁的設(shè)計形式；橫梁的形式及布置方案；縱梁與橫梁的固定及聯(lián)接；對車架進行受載分析；并對車架中間縱梁進行了有限元分析。關(guān)鍵詞：車架 結(jié)構(gòu)設(shè)計 有限元Abstract: The frame is an important loadbearing part of the automotive, different types of load which are forced on the automotive /(that the automotive subject ) are finally transmitted to the frame. Thus, the property of the structure of the frame is the key to the design of entire car. Especially the full-wheel-driven car which usually works in bad condition has a high desire of the frame. We should take the optimization of the structure of the frame into consideration when we perform the design of the frame for it has an great influence on improving the property of the entire car, reducing the cost of the design and manufacturing and enhancing the competition of the market. This paper introduces a new design of the structure of full-wheel-driven frame. It discusses some basic knowledge, such as the function and classification. It also introduces the softwares which are needed in this design, for example ,UG and ANSYS. This design adopts ladder type frame, and describes the form of the design of the transverse and longitudinal beam of the frame; the form and layout of the transverse beam; the fixation and connection of the transverse and longitudinal beam; the analysis of the load of the frame; the analysis of middle longitudinal beam with the ANSYS.Keywords: Automotive frame; Design of structure; Finite Element Analysis1 緒論1.1 課題背景中國汽車工業(yè)規(guī)模在迅速增長，目前我國的汽車年產(chǎn)量已躍居世界第三位，僅次于美國、日本。近幾年來，我國越野車行業(yè)飛速發(fā)展，市場規(guī)模急劇擴大。在低端市場，涌現(xiàn)了如長城和雙環(huán)等一批知名民營汽車企業(yè)；在中端市場，主流越野車企業(yè)通過引進國外技術(shù)，形成了北京吉普切諾基、長豐獵豹、鄭州日產(chǎn)帕拉丁、華泰汽車特拉卡等知名企業(yè)和品牌。通過消化吸收引進技術(shù)，我國越野車廠家已掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)，初步建立了穩(wěn)定、成熟的越野車零部件配套體系。汽車作為交通運輸工具之一，在人們的日常生活中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車工業(yè)也得到了飛速發(fā)展，在現(xiàn)代化發(fā)展的今天，生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)輕、性能好、質(zhì)量高、用途廣、安全可靠的汽車，成為了廠家和客戶共同關(guān)注的焦點。汽車作為工程領(lǐng)域的一個分支，面臨很多問題和困難，包括復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的載荷作用以及復(fù)雜的支承約束等。在實際汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，安全性是首要的，在保證安全的前提下，又要使車架的結(jié)構(gòu)合理，便于加工和裝配，同時也要減少材料的量。這需要對車架的強度進行分析，通過強度分析，有針對地對一些主要構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。1.2 課題的目的和意義作為汽車總成的一部分，車架承受著來自道路及各種復(fù)雜載荷的作用，特別是對越野車，經(jīng)常行駛在較差的路面或者無路的野外，要求具有足夠的強度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。而且汽車上許多重要總成件都是以車架為載體，因此，設(shè)計出重量輕而各方面性能達到要求的車架結(jié)構(gòu)是一項重要的工作。傳統(tǒng)的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用類比的思想進行經(jīng)驗設(shè)計，設(shè)計出的車架結(jié)構(gòu)除了個別部位的應(yīng)力水平較高外，大部分部位的應(yīng)力水平低，強度富余大。因此，有必要采用合理的設(shè)計方法以降低車架的重量，減小汽車的制造成本，提高市場競爭力。1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀早期汽車所使用的車架，大多都是由籠狀的鋼骨梁柱所構(gòu)成的，也就是在兩支平行的主梁上，以類似階梯的方式加上許多左右相連的副梁制造而成。車體在車架之上，至于車門、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等板件，則是另外再包覆于車體之外，因此車體與車架其實是兩個獨立的構(gòu)造。這種設(shè)計的最大好處，在于輕量化與剛性得以同時兼顧，因此受到了不少跑車制造商的青睞，早期的法拉利與蘭博基尼都是采用的這種設(shè)計。由于鋼骨設(shè)計的車架必須通過許多接點來連結(jié)主梁和副梁，加之籠狀構(gòu)造也無法騰出較大的空間，因此除了制造上比較復(fù)雜、不利于大量生產(chǎn)之外，也不適合用在強調(diào)空間的四門房車上。隨后，單體結(jié)構(gòu)的車架在車壇上成為主流，籠狀的鋼骨車架也逐漸改由這種將車體與車架合二為一的單體車架所取代。目前國內(nèi)外車架的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：邊梁式車架、中梁式車架（或稱為脊梁式車架）和綜合式車架。1.4 車架的功用和要求在有車架汽車（例如各種貨車、大部分越野車、一些客車等）中，車架被用作汽車各總成（包括發(fā)動機、底盤、車身中的各總成）的安裝基體，承受這些總成的重量及傳給車架的各種力和力矩。對車架的主要要求包括以下幾點。具有足夠的強度，以保證在汽車大修里程內(nèi)，車架的主要零部件不因受力而破壞。具有足夠的抗彎強度，以保證車架的變形在允許范圍之內(nèi)，利于車架上各總成的正常工作。貨車車架的最大彎曲撓度應(yīng)該小于10mm。具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度。一般希望車架兩端的扭轉(zhuǎn)剛度大些，而中段小些。車架要輕。車架自身質(zhì)量一般應(yīng)該在整車整備質(zhì)量的10%以內(nèi)。車架按其總成結(jié)構(gòu)形式可分為框式（包括邊梁式和周邊式）、脊梁式、綜合式。2 基于UG的車架實體建模2.1 UG軟件簡介圖2.1 UG初始界面UG NX（原名：Unigraphics）是一個由西門子UGS PLM軟件開發(fā)，集CAD/CAE/CAM于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件。UGS NX支持產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，從概念（CAID），到設(shè)計（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。 UG從CAM發(fā)展而來。20世紀70年代，美國麥道飛機公司成立了解決自動編程系統(tǒng)的數(shù)控小組，后來發(fā)展成為CAD/CAM一體化的UG1軟件。90年代被EDS公司收并，為通用汽車公司服務(wù)。2007年5月正式被西門子收購；因此，UG有著美國航空和汽車兩大產(chǎn)業(yè)的背景。 自UG 19版以后，此產(chǎn)品更名為NX。目前最新版本是NX7.5。NX 是 UGS 新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過過程變更來驅(qū)動產(chǎn)品革新。NX 獨特之處是其知識管理基礎(chǔ)，它使得工程專業(yè)人員能夠推動革新以創(chuàng)造出更大的利潤。 NX 可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識，根據(jù)已知準則來確認每一設(shè)計決策。NX 建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，這些解決方案可以全面地改善設(shè)計過程的效率，削減成本，并縮短進入市場的時間。NX 使企業(yè)能夠通過新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)向產(chǎn)品全生命周期管理轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。NX 提供了完整的集成的流程自動化工具套件，使公司可以收集和重用產(chǎn)品及流程知識，從而促進使用企業(yè)最佳實踐。 設(shè)計效率 NX 利用獨特的三維精確描述技術(shù)和功能強大的新設(shè)計工具重新定義了CAD 生產(chǎn)效率，可提高工作效率、加快設(shè)計流程、降低成本并改善決策過程，同時還可增強 PLM 精確描述框架的三維外觀。 CAE 效率 通過集成主流幾何體工具及最新的用于建模、仿真、自動化和測試相關(guān)性的強大分析技術(shù)，NX 重新定義了 CAE 效率。將仿真與設(shè)計同步，執(zhí)行更快的設(shè)計分析迭代，作出更好的工程決策，從而更快更好地提供產(chǎn)品。 制造效率 通過利用下面兩個新應(yīng)用程序?qū)⒛糜谔囟ň幊倘蝿?wù)環(huán)境中，NX 重新定義了零件制造效率：NX 葉輪切削，用于復(fù)雜的葉輪編程；NX CMM 數(shù)控檢測編程，可根據(jù) PMI 模型數(shù)據(jù)自動運行。UG軟件基于約束的特征建模技術(shù)和傳統(tǒng)的幾何建模技術(shù)相結(jié)合，具有極為強大的及按摩功能。實體建模在UG中可以進行二維模型和三維模型的草圖設(shè)計、各種曲線的生成和編輯、掃描實體和旋轉(zhuǎn)實體建模，以及參數(shù)化設(shè)計等實體建模工作。2. 曲面建模UG同時具有強大的曲面建模能力，可以實現(xiàn)直紋面、掃描面、自由曲面的建模，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)廣義掃描、動態(tài)調(diào)整曲面以及曲面編輯等功能3. 特征建模UG特征建模模塊提供了各種標(biāo)準特征的設(shè)計，如孔、鍵槽、腔體、方形、圓形、凸臺、圓柱、球體、管道、圓角和倒角等的設(shè)計，另外，特征擴展包括特征拉伸、特征旋轉(zhuǎn)、特征掃描等。4. 裝配建模UG裝配建模模塊主要提供了以下幾種功能l 裝配導(dǎo)航；l 參數(shù)化裝配模塊；l 坐標(biāo)系定位；l 定義不同零件和組件間的參數(shù)關(guān)系；l 標(biāo)準件庫調(diào)用；l 直接訪問零件或子裝配件；l 統(tǒng)計零件裝機數(shù)量；l 生成支持漢字的裝配明細表；l 裝配干涉檢查功能；l 管理、共享和檢查用于確定復(fù)雜產(chǎn)品布局的數(shù)字模型。5. 工程制圖UG工程制圖模塊可以使工程設(shè)計者方便地從三維模塊中獲得二維圖形。UG提供了自動視圖布置、剖視圖、各向視圖、局部放大圖、局部剖視圖、自動或者手工尺寸標(biāo)注、視圖手工編輯、裝配圖剖視、爆炸圖、形位公差、粗糙度標(biāo)注和明細表自動生成等工程制圖工具。6. 工業(yè)設(shè)計UG工業(yè)設(shè)計模塊提供了材料和紋理設(shè)置、光源設(shè)置和動畫制作等功能，能夠產(chǎn)生視覺效果并渲染產(chǎn)品圖片。2.2典型的車架分類與特點2.2.1 框式車架框式車架又可以分成兩種，即邊梁式和周邊式。邊梁式車架邊梁式車架由左右分開的兩根縱梁和若干根橫梁組成，如圖2.2所示。當(dāng)承受扭轉(zhuǎn)載荷時，這種車架的各部分同時產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。在這種車架上便于安裝車身和布置其他各種總成、零部件，易于滿足改裝和變型的需要。這類車架廣泛應(yīng)用于貨車、越野車、特種車和用貨車底盤改裝的大客車上。圖2.2 一種周邊式車架周邊式車架周邊式車架的特點是前、后兩段縱梁變窄，中部縱梁加寬，如圖2.3所示。其中，前、后狹窄端是通過所謂緩沖臂或抗扭盒與中部縱梁焊接相連。其中，緩沖臂或抗扭盒具有一定的彈性，受力后可以產(chǎn)生一定的彈性變形。這樣就可以是前端或后端的縱梁相對于中部的縱梁有一定的相對轉(zhuǎn)角。所以，這種車架可以緩和路面不平的沖擊、降低車內(nèi)噪聲。此外，車架中部寬度接近地板寬度，從而提高了整車的橫向穩(wěn)定性，還能減少車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長度。前后端較窄可以保證前輪有足夠的轉(zhuǎn)動空間和后輪輪距不致過大。但是這種車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，故僅用于中、高級轎車上。圖2.3 一種周邊式車架另外，在某些轎車的框式車架中，其中段用X形梁代替橫梁，與左右縱梁相連，可視為框式車架的一種變形。其優(yōu)點是扭轉(zhuǎn)剛度大，對限制車架扭轉(zhuǎn)變形作用較好，并能阻止左、右縱梁在水平面內(nèi)錯開。2.2.2 脊梁式車架脊梁式車架主要是由一根通過車架中央的具有封閉斷面的管型脊梁和若干根懸伸托架構(gòu)成的（見圖2.4），扭轉(zhuǎn)剛度較大。采用這種車架的車輛其前、后輪常采用獨立懸架，容許車輪有較大的跳動空間，使汽車具有較好的通過性。但是，這種車架的制造工藝復(fù)雜，維修不便，目前僅用于某些高越野性汽車上。圖2.4 一種脊梁式車架的汽車底盤2.2.3 綜合式車架綜合式車架是綜合了框式和脊梁式車架的一些設(shè)計特征而成的。如圖2.5示出一個綜合式車架，其中車架的前、后部均近似于邊梁式結(jié)構(gòu)，而中部采用脊梁式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使中部抗扭剛度大、地板高度低，但地板中部往往形成大鼓包，影響后座的乘坐舒適性，加之工藝復(fù)雜，所以應(yīng)用不廣。圖2.5 一種綜合式車架2.3 總體結(jié)構(gòu)方案的確定越野車一般具有爬坡度高、涉水度深、適應(yīng)惡劣道路環(huán)境及野外行駛的能力，既能高速行駛于鋪裝路面，又能行駛于急造路、鄉(xiāng)村土路，還能順暢地通過無路地區(qū)，因此，要求越野車車架具有足夠的抗彎和抗扭強度?？紤]到上文邊梁式車架的特點，本課題采用邊梁式車架設(shè)計方案。該邊梁式車架由6根縱梁和10根橫梁以及其他支撐、連接部件組成。6根縱梁：車架前左、右縱梁；中間左、右縱梁；車架后左、右縱梁。10根橫梁：前橫梁、前橋連接橫梁、前橋上橫梁、后橫梁、后橋連接橫梁、后橋上橫梁、2根中間橫梁、Z形橫梁、轉(zhuǎn)向油缸下橫梁。2.4 車架縱梁的形式縱梁是車架的主要承載零件，在汽車行駛中承受較大的彎曲應(yīng)力，其長度大致接近整車長度，一般為軸距的1.41.7倍。其形狀應(yīng)該力求簡單，斷面沿長度不變或者少變化，以簡化工藝，縱梁的斷面形狀有槽形、疊槽形、箱形、Z形、管形和工字形等。由于槽形斷面的抗彎強度大，工藝性好，零件安裝、緊固方便，邊梁式汽車車架縱梁多采用抗彎強度較大的槽形截面梁，由車架專用熱軋的鋼板沖壓而成。越野汽車車架縱梁一般為等截面的，但也有根據(jù)整車布置要求做成變截面的。由于越野汽車前部載荷較小，因此變截面的車架縱梁主要要是前小后大。改變截面的方式有兩種:一種為槽形截面梁的翼面變窄，一種為槽形截面梁的腹板高度變低。不管哪一種方式，都必須均勻過渡，以避免應(yīng)力集中。前一種是為了方便布置發(fā)動機，后一種可在保證車架強度的前提下降低駕駛室的重心高度?？紤]到布置發(fā)動機和工藝簡單，制造成本低，本設(shè)計采用等截面的中間縱梁和變截面的前、后縱梁。圖2.6 中間縱梁及其橫截面圖2.7 車架前左縱梁圖2.8 車架后左縱梁2.5 車架橫梁的形式橫梁的主要作用是聯(lián)接左右兩根縱梁，構(gòu)成一完整的框架，保證車架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。從車架前端到駕駛室圍這一段裝有前懸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如因道路不平等原因使車架產(chǎn)生較大的撓曲變形而影響轉(zhuǎn)向，將使車輛發(fā)漂甚至完全失去控制，因此，這一段剛度過小對于操縱穩(wěn)定性來說是極為不利的。大多數(shù)汽車的車架在這一段都布置了二至三根橫梁。包括后懸架在內(nèi)的車架后部也必須做成大剛性的。這是因為后懸架對于汽車舒適性和操縱穩(wěn)定性的影響較大，必須采用后部牢固而剛性的車架結(jié)構(gòu)才有助于諸如轉(zhuǎn)向、側(cè)傾的穩(wěn)定性等問題的解決。因此，設(shè)計的車架在此段布置了三根橫梁。車架的前、后兩段的剛性都較大，而大部分車架變形(彎曲和扭轉(zhuǎn))都集中在車架中部，所以該段必須具有一定的撓性，以起到緩沖作用，同時也可避免應(yīng)力集中，消除局部損壞現(xiàn)象。因此，設(shè)計的車架在這一段內(nèi)布置了二根管形橫梁。橫梁以設(shè)計成直線形的效果最好，一般做成簡單的直槽形。但有時為了提高橫梁的剛度，橫梁的斷面可采用圓柱或箱形斷面。為了避讓傳動軸等部件橫梁不能設(shè)計成直梁時，一般做成拱形，但彎曲處要盡量平緩過渡，以避免應(yīng)力集中。設(shè)計的橫梁方案: 前橫梁、前橋連接橫梁、后橫梁、后橋連接橫梁、后橋上橫梁、轉(zhuǎn)向油缸下橫梁為箱形截面；前橋上橫梁設(shè)計成拱形，方便發(fā)動機、變速器等總成的布置； 2根中間橫梁采用管形橫梁。圖2.9 車架前橫梁圖2.10 車架后橫梁圖2.11 車架中間橫梁2.6 縱、橫梁的連接在車架設(shè)計中，縱、橫梁連接處的結(jié)構(gòu)形式（也稱為節(jié)點結(jié)構(gòu)）的選擇也是至關(guān)重要的。橫梁與縱梁的固定一般采用鉚接法、焊接法和螺栓聯(lián)接法。鉚釘聯(lián)聯(lián)接成本低，適于大量生產(chǎn)，目車架的變形小，日前國內(nèi)重型汽車車架主要要采用該種方法;焊接能夠保證很高的彎曲剛度目聯(lián)接牢固，但因焊接容易產(chǎn)生車架變形并引起內(nèi)應(yīng)力，所以主要用于小批量生產(chǎn)或修理;螺栓聯(lián)接主要用在某些需要互換或拆卸的部件上，缺點在于長期使用容易松動，在關(guān)鍵部位可采用涂螺栓緊固膠以及采用自鎖螺母的方法解決螺栓松動的問題。本設(shè)計對于連接縱橫梁主要采用焊接和鉚接法，車架焊接處采用氣體保護焊進行焊接，除規(guī)定特殊地方外，焊腳應(yīng)等于焊接部件的最小板厚，但不小于3。各處焊接應(yīng)符合JB/T 5943-1991 工程機械焊接通用技術(shù)條件的要求。圖2.12 前橋上橫梁與前縱梁的連接圖2.13 中間橫梁與中間縱梁的連接圖2.14 車架前縱梁與中間縱梁的連接2.7車架實體UG模型及其材料的確定基于UG的車架模型：圖2.15 基于UG的車架模型車架材料應(yīng)具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應(yīng)力集中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳低合金鋼能滿足這些要求。越野車沖壓縱梁的鋼板厚度約5. 0 7. 0 mm，本設(shè)計取6.0mm。本設(shè)計采用16 Mn鋼板制造車架，其疲勞強度-1= 220 260 M Pa。3 車架的強度分析3.1 車架的受載分析汽車運行的時候，車架會承受各種載荷，承受來自駕駛室、發(fā)動機、工具箱、主減速器、變速器、傳動軸、油箱、蓄電池等載荷，在行駛中還要承受由于路面不平度干擾所產(chǎn)生的載荷、司機駕駛操作所造成的動載荷、碰撞時引起的沖擊載荷，以及由于自然環(huán)境的變化所產(chǎn)生的偶然載荷等。作用在結(jié)構(gòu)件上的內(nèi)里有冷、熱加工時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、裝配時由于零件之間的互相干涉所產(chǎn)生的初始應(yīng)力等。這些載荷往往不是單獨作用的，而是同時作用的。此外，這些載荷還會因產(chǎn)生的方式、車輛的用途以及使用狀況的不同而有很大變化。車架上的載荷分為下面幾類:靜載荷，是指汽車靜止時，懸架彈簧以上部分的載荷;對稱的垂直動載荷，當(dāng)汽車在平坦的道路上以較高車速行駛時產(chǎn)生的。其大小與垂直振動加速度有關(guān)，與作用在車架上的靜載荷及其分布有關(guān)，路面的作用力使車架承受對稱的垂直動載荷。這種動載使車架產(chǎn)生彎曲變形;斜對稱的動載荷，這種載荷是當(dāng)汽車在崎嶇不平的道路上行駛時產(chǎn)生的。此時汽車的前后幾個車輪可能不在同一平面上，從而使車架連同車身一同歪斜，其大小與道路不平的程度以及車身、車架和懸架的剛度有關(guān)。這種動載荷會使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。其它載荷如轉(zhuǎn)向離心力載荷、制動時慣性力載荷，由于載荷作用線不通過縱梁截面的彎曲中心(如油箱、備胎和b.架等)而使縱梁產(chǎn)生附加的局部扭矩。本文中的越野車架與車身的連接采用的是懸置點連接，左右共計10個懸置點，在重力作用下的靜載荷依次為：第一懸置：1135N；第二懸置：1798N；第三懸置：1967N；第四懸置：2152N；第五懸置：2972N；另外動力總成及發(fā)動機，變速箱，離合器，分動器重量為2450N。加載方式分別為：十個懸置點集中加載，發(fā)動機動力總成按照三點懸置集中加載。動態(tài)狀況時，汽車在該工況下受路面不平整和發(fā)動機振動等影響，產(chǎn)生一定的動載荷，由經(jīng)驗數(shù)值取動載系數(shù)為2035。將動載系數(shù)與所受的靜載荷相乘，施加到車架上分析，約束情況與靜強度分析時一樣。3.2 中間縱梁的有限元分析3.2.1有限元分析軟件ANSYS3.2.1.1 ANSYS軟件簡介是一種應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件。該軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。有限元結(jié)構(gòu)分析的主要任務(wù)是：分析機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外載荷作用時所作出的變化，例如應(yīng)力、位移、溫度等。根據(jù)該變化可以知道機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外載荷作用后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設(shè)計要求。一般機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受到的載荷也相當(dāng)多，理論分析往往無法進行。想要得到解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法進行分析。 ANSYS軟件融合結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等于一體，是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可廣泛應(yīng)用于機械、 航空航天、能源、汽車工業(yè)、土木建筑、水利、生物醫(yī)學(xué)、電子產(chǎn)品、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。ANSYS提供結(jié)構(gòu)靜力學(xué)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、壓電分析等分析類型，并且還具有良好的用戶界面、前后處理和圖形功能，因而受到國際工程界和學(xué)術(shù)界的普遍歡迎和重視。3.2.1.2 ANSYS軟件組成ANSYS分析是對物理現(xiàn)象的模擬，對真實情況的數(shù)值近似。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。典型的分析流程為：前處理（建模、模型網(wǎng)格）分析計算（定義載荷、求解）后處理（通用后處理、分析結(jié)果）。流程舉例如圖3.1、圖3.2：圖. ANSYS有限元分析流程圖(二)1) ANSYS的前處理模塊ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。a 實體建模：ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球 、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊 、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實體模型。ANS YS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作 能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和 刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點，然后依次是相關(guān)的線、面、體。b 網(wǎng)格劃分：ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后 選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶 指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差 低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。2) 分析計算模塊 包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；3) 后處理模塊 可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。3.2.3.3 ANSYS中的載荷問題 在ANSYS中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在不同的分析領(lǐng)域中有不同的表征，但基本上可以分為6大類：自由度約束、力（集中載荷）、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。1、自由度約束（DOF Cinstraints）:將給定的自由度用已知量表示。例如在結(jié)構(gòu)分析中約束是指位移和對稱邊界條件，而在熱力學(xué)分析中則指的是溫度和熱通量平行的邊界條件。2、力（集中載荷）（Force）：是指施加于模型節(jié)點上的集中載荷或者施加于實體模型邊界上的載荷。例如結(jié)構(gòu)分析中的力和力矩，熱力分析中的熱流速度，磁場分析中的電流段。3、面載荷（Surface Load）:是指施加于某個面上的分布載荷。例如結(jié)構(gòu)分析中的壓力，熱力學(xué)分析中的對流和熱通量。4、體載荷（Body Load）:是指體積或場載荷。例如需要考慮的重力，熱力分析中的熱生成速度。5、慣性載荷（Inertia Loads）:是指由物體的慣性而引起的載荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的慣性力。6、耦合場載荷（Coupled-field Loads）:是一種特殊的載荷，是考慮到一種分析的結(jié)果，并將該結(jié)果作為另外一個分析的載荷。例如將磁場分析中計算得到的磁力作為結(jié)構(gòu)分析中的力載荷。3.2.2 中間縱梁的模型創(chuàng)建利用軟件建立的中間縱梁三維模型如圖.所示。圖3.3 車架中間縱梁三維模型3.2.3 定義材料屬性車架所選材料16Mn鋼材的彈性模量為206GPa，泊松比為0.29，按照ansys操作輸入，如圖3.4所示。圖3.4 ansys定義材料屬性3.2.4 中間縱梁的網(wǎng)格劃分定義網(wǎng)格劃分單元參數(shù)為0.9，按照ansys操作輸入，如圖3.5.圖3.5 ansys定義單元格大小對該車架中間縱梁進行自由網(wǎng)格劃分如圖3.6所示。圖3.6 車架中間縱梁的網(wǎng)格劃分3.2.5 車架中間縱梁的約束施加和載荷施加對車架進行簡化，看作簡支梁進行約束，即一端約束所有自由度，另一端約束一個方向的自由度Ux。載荷以集中載荷的形式施加，分三點進行加載，其大小分別為F1=1798N，F(xiàn)2=1967N，F(xiàn)3=2152N。約束及載荷施加如圖3.7所示。圖3.7 車架中間縱梁的約束施加和載荷施加3.2.6 車架中間縱梁的受力變形分析運用ANSYS進行有限元運算后，結(jié)果如圖3.8所示。從圖中可以看出：車架兩端和中間加載處變形較大，原因是加載的載荷過大，單一縱梁中間沒有加強件。圖3.8 車架中間縱梁受力變形圖3.2.7 車架中間縱梁的應(yīng)力分析經(jīng)運用ansys進行分析后，如圖3.9所示，從有限元模型應(yīng)力云圖上可直觀的看出：集中載荷加載位置應(yīng)力較大，并且在孔及腹板橫截面變化的位置有應(yīng)力集中。分析結(jié)果顯示，最大應(yīng)力為336.753MPa，小于材料屈服點343MPa。圖3.9 車架中間縱梁的應(yīng)力云圖對車架中間縱梁的分析，是在ansys操作運算中，模擬的是實際材料的屬性，而且所加載荷也是經(jīng)簡化的，與實際載荷相差較大，加之車架縱梁上沒有安裝加強版等其他加固部件，所以分析的結(jié)果與假設(shè)的理想模