車架有限元分析(共43頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都有作為整車骨架的車架，車架是整個(gè)汽車的基體。汽車絕大多數(shù)部件和總成（如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)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(guò)車架來(lái)固定其位置的。車架的功用是支撐連接汽車的各零部件，并承受來(lái)自車內(nèi)外的各種載荷。因此，車架的靜、動(dòng)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(duì)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(guò)查找和測(cè)量得到其主要的車型參數(shù)。（2） 運(yùn)用CAD軟件Unigraphics（簡(jiǎn)稱UG）建立車架的三維

2、模型。（3） 通過(guò)UG軟件和ANSYS件的無(wú)縫連接將車架的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。（4） 運(yùn)用ANSYS軟件的強(qiáng)大的有限元分析功能對(duì)該車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加適當(dāng)?shù)募s束和載荷，對(duì)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，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(guò)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AbstractMost modern cars a

3、re 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

4、 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 ana

5、lysis 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, calc

6、ulation and optimized results.On this article, 6,470 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 dim

7、ensional model of the frame by UG;(3) Import the three dimensional frame model in UG into ANSYS through the seamless   between UG 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 stat

8、ic 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

9、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目 錄專心-專注-專業(yè)第1章 前言1.1汽車車架介紹汽車車架是發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)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(dòng)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(duì)位置在汽車行

10、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)重的變形和開(kāi)裂。如果車架的剛度不足，將會(huì)引起震動(dòng)和噪聲，使汽車的舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些部件的可靠性下降。但車架的扭轉(zhuǎn)剛度也不宜過(guò)大，否則將會(huì)導(dǎo)致車架和懸架系統(tǒng)的載荷增加，使汽車的輪胎接地性變差，從而降低通過(guò)性。所以，車架必須滿足以下的要求1：（1）車架的結(jié)構(gòu)形式首先應(yīng)該滿足汽車的總布置要求。在復(fù)雜多變的行駛過(guò)程中，固定在車架上各總成和部件之間不應(yīng)該發(fā)生干涉。（2）要有足夠的強(qiáng)度和剛度。在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)，車架在載荷的作用下可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和在縱向平面的彎曲變形

11、。這些變形會(huì)使安裝在車架上的各部件之間的相對(duì)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＃?）車架的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)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(dòng)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)形式基本上有3種：邊梁式車架、中梁式車架（或稱脊梁式車架）和綜合式車架。在汽車車架中，應(yīng)用最為廣泛的還是邊梁式車架。邊梁式車架由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接法或者焊接法將縱梁與橫梁連接成堅(jiān)固的剛性構(gòu)架?？v梁通常用低合金

12、鋼板沖壓而成，斷面形狀一般是槽鋼，有的也做成Z字形或箱型斷面。根據(jù)汽車形式不同和結(jié)構(gòu)布置的要求，縱梁可以在水平面內(nèi)或縱向平面內(nèi)做成彎曲的，以及等斷面的或是非等斷面的。橫梁不僅用來(lái)保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，而且還可以支撐汽車上的主要部件。通常，載貨汽車有5-6根橫梁，有時(shí)會(huì)更多。邊梁式車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是便于安裝駕駛室、車廂和一些特種裝備和布置其他總成，有利于改裝變型車和發(fā)展多品種汽車。因此，它被廣泛的使用在載貨汽車及大多數(shù)的特種汽車上。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀過(guò)去，國(guó)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(duì)車架進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)對(duì)車架進(jìn)行大幅度的簡(jiǎn)化。因?yàn)橛媒?jīng)典力學(xué)對(duì)其進(jìn)

13、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(jiǎn)單。這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大多依靠經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)性，而且也不可能針對(duì)多種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，車身車架是一個(gè)十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，用經(jīng)典力學(xué)的方法不可能得到精確的解答，特別是在設(shè)計(jì)的初期不會(huì)有實(shí)測(cè)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(duì)數(shù)學(xué)及物理問(wèn)題進(jìn)行求解的數(shù)值計(jì)算方法，

14、是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)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(lái)求解許多過(guò)去無(wú)法解決的問(wèn)題。在國(guó)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(guó)外就開(kāi)始了對(duì)車架的有限元靜態(tài)分析。國(guó)外十分重視有限元法對(duì)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(guó)宇航員利用NASTRAN有限元分析程序，對(duì)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(lái)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(lái)指導(dǎo)車架的設(shè)計(jì)過(guò)程2。從70年代起，開(kāi)始對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，并取得了大量的研究成果。K

15、rawczuk,Marek等人利用全板殼單元車架有限元模型對(duì)一輛貨車車架進(jìn)行比較全面的動(dòng)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(lái)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(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化4。當(dāng)前，國(guó)外各大汽車公司利用有限元軟件對(duì)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(lì)響應(yīng)分析可以用來(lái)對(duì)車輛的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析。我國(guó)的有限元理論的研究開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)50年代末，我國(guó)著名的數(shù)學(xué)家

16、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(guó)際人士成為的有限元法。我國(guó)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(zhǎng)春汽車研究所的谷安濤和常國(guó)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(guó)汽車行業(yè)中的首次應(yīng)用，為有限元分析在我國(guó)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?jiǎn)卧M客車骨架等方面。到了九十年代，有限元分析法迅速的被應(yīng)用到實(shí)際汽車零部件結(jié)構(gòu)的分析中，國(guó)內(nèi)各大汽車公司也正在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(zhǎng)春第一汽車廠，他們對(duì)所有的重要零部

17、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(duì)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(duì)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?wèn)|教授對(duì)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(duì)微型電動(dòng)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(duì)車架的作用，在這些沖擊破壞下對(duì)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(duì)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。1.3

18、研究意義及目的安全與節(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(dòng)機(jī)、底盤(pán)和貨物的重量，還要承受行駛過(guò)程中各部位傳來(lái)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(duì)汽車安全性起到非常重要的作用。目前，車架設(shè)計(jì)一般分為兩種：一種是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法），另一種是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法（有限元分析計(jì)算法）。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法所依靠的是經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)公式，需對(duì)車架結(jié)構(gòu)做大量的簡(jiǎn)化以便進(jìn)行分析，所以它帶有一定的盲目性

19、，也不能對(duì)車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及剛度分布進(jìn)行定量分析。因而達(dá)不到車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。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(lái)越廣。在汽車的設(shè)計(jì)和研究上，應(yīng)用有限元法可以對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、模態(tài)、振動(dòng)、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(wèn)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

20、析，查找事故原因。從上可以看出，有限元法在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，越來(lái)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(chǎng)份額。本文以6470型SUV車架作為研究對(duì)象，用UG軟件建立三維實(shí)體模型，通過(guò)UG軟件與ANSYS軟件之間的無(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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)

21、中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。（2）對(duì)所研究的車架進(jìn)行靜態(tài)特性分析，為車架的輕量化設(shè)計(jì)提供理論支持。第2章 軟件介紹2.1 UG簡(jiǎn)介 UG(Unigraphics)是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAM/CAE與一身的三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)，也是如今世界廣泛使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析及制造軟件之一，被廣泛的應(yīng)用在汽車、飛機(jī)、機(jī)械、消費(fèi)產(chǎn)品、醫(yī)療器械、船只制造等行業(yè)，為制造行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程提供了解決方法11。UG的功能包含概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、性能分析及制造。2.1.1 UG發(fā)展綜述UG最早應(yīng)用在美國(guó)麥道飛機(jī)公司。該公司是從二維制圖、數(shù)控加工編程、曲面造型等方面發(fā)展起來(lái)的。20世

22、紀(jì)90年代初，美國(guó)的通用汽車公司選擇UG作為全公司的CAD/CAM/CAE的主導(dǎo)系統(tǒng)，推動(dòng)了UG的發(fā)展。1997年10月，Unigraphics Solutions公司同Intergraph公司簽約，合并了Intergraph公司的機(jī)械CAD產(chǎn)品，將微機(jī)版的Solidedge軟件統(tǒng)一到Parasolid平臺(tái)上。從而形成了一個(gè)從低端到高端，既有Unix工作站版，也有Windows NT微機(jī)版的比較完善的企業(yè)級(jí)CAD/CAE/CAM/PDM集成系統(tǒng)。1991年，UG并入美國(guó)的EDS公司，2001年9月，與SDRC公司一同并入EDS公司，并在2005年推車了UG的最新版本UG4.0。它集成了美國(guó)航空

23、航天、汽車工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，成為機(jī)械集成化CAD/CAE/CAM的主流軟件之一。知識(shí)驅(qū)動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先者實(shí)現(xiàn)了將設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)與基于產(chǎn)品和過(guò)程的知識(shí)工程相結(jié)合，在航空航天、汽車、通用機(jī)械、醫(yī)療器械、工業(yè)設(shè)備及其他高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)、模具加工自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大大改進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)率。它采用的是基于約束的特征建模和傳統(tǒng)的幾何建模為一體的復(fù)合建模技術(shù)。在曲面造型、數(shù)控加工方面是UG的強(qiáng)項(xiàng)，而分析方面相對(duì)較弱。但UG提供了分析軟件NASTRAN 、ANSYS 、PATRAN接口，注塑模分析軟件MOLDFLOW、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)軟件IDAMS接口等，以便于對(duì)模型進(jìn)行分析。2.1.2 UG軟件

24、的優(yōu)勢(shì)（1）能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和電器設(shè)計(jì)單位提供一套完整的設(shè)計(jì)、分析、制造方案；（2）它是一個(gè)完全的參數(shù)化軟件，能為零部件的系列化建模、裝配、分析提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)支持。（3）能夠管理CAD數(shù)據(jù)和整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期中所有的相關(guān)數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)逆向工程和并行工程等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。（4）可以完成包括自由曲面在內(nèi)的復(fù)雜模型的建模，同時(shí)還可以在圖形顯示方面運(yùn)用區(qū)域化管理，節(jié)約系統(tǒng)資源。（5）擁有強(qiáng)大的裝配功能，并且在裝配模塊中運(yùn)用了引用集的設(shè)計(jì)思想。有效地解決了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源的問(wèn)題，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。隨著UG版本的提高，軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大，復(fù)雜程度也隨之增加，。對(duì)于汽車設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，UG是使用最廣泛

25、的設(shè)計(jì)軟件之一。目前，國(guó)內(nèi)的許多院校、研發(fā)部門(mén)都在使用該軟件。2.2 ANSYS簡(jiǎn)介2.2.1有限元軟件ANSYS發(fā)展綜述ANSYS公司是1970年由美國(guó)匹茲堡大學(xué)的John Swanson博士創(chuàng)建的，其總部位于美國(guó)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(píng)價(jià)大為簡(jiǎn)化。40年來(lái)，A

26、NSYS公司一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開(kāi)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 12 。2.2.2 ANSYS的技術(shù)特點(diǎn)與其他的有限元分析軟件相比較，ANSYS具有以下技術(shù)特點(diǎn)：1能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)和多場(chǎng)耦合功能；2. 集前后處理、分析求解與多場(chǎng)分析于一體；3. 具有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)化功能，是唯一具有流場(chǎng)優(yōu)化功能的CFD軟件；4. 具有強(qiáng)大的非線性分析功能；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.從微機(jī)、工作站、大型機(jī)直至巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)上，全部的數(shù)據(jù)文件都兼容；8.支持從PC、WS到巨星級(jí)的所有硬件平臺(tái)；9.從微機(jī)、工作站、大型機(jī)到巨型機(jī)的所有硬件

27、平臺(tái)，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(kāi)發(fā)環(huán)境。2.2.3 ANSYS的功能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。前處理模塊擁有強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，方便用戶構(gòu)造有限元模型。求解模塊包含結(jié)構(gòu)分析（結(jié)構(gòu)線性分析、結(jié)構(gòu)非線性分析及結(jié)構(gòu)高度非線性分析）、熱分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析、壓電分析及多物理場(chǎng)的耦合分析，可以模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊可以將計(jì)算機(jī)結(jié)果用彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、

28、粒子流顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等方式顯示，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。參數(shù)定義ANSYS軟件在建立有限元模型的過(guò)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(chǎng)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

29、統(tǒng)一。建立有限元模型或是對(duì)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(wèn)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(wèn)題得到正確解答的關(guān)鍵。建立有限元模型ANSYS軟件提供了4種方法來(lái)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)建實(shí)體模型，導(dǎo)入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAD中創(chuàng)建的有限元模型。網(wǎng)格劃分ANSYS程序?yàn)橛脩籼峁┝耸褂帽憬?、高質(zhì)量的對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種劃分方法：自由網(wǎng)格劃分，映射網(wǎng)格劃分，延伸網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

30、（2）求解模塊求解模塊是ANSYS軟件對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析和有限元求解的模塊，在這個(gè)模塊中，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)。 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。ANSYS軟件提供的分析類型有靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）分析、瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波分析、譜分析、撓度和子結(jié)構(gòu)。定義完分析類型后，用戶可以根據(jù)分析類型來(lái)定義分析選項(xiàng)。 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(chǎng)載荷。 指定載荷步載荷步選項(xiàng)是用來(lái)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。 求解子模塊ANSYS軟件的求

31、解模塊包含結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)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(guò)后處理器來(lái)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(guò)友好的用戶界面，很容易就可以獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)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。第3章 車架的建模3.1車架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化15。有限元計(jì)算模型的建立，即模型化

32、，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(guò)程。簡(jiǎn)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(dòng)力學(xué)特性相一致。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)細(xì)致地描述細(xì)小的結(jié)構(gòu)不僅會(huì)增加建模時(shí)的難度，還會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，而且會(huì)使有限元模型的單元尺寸變化過(guò)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(jiǎn)單的單元類型，以便達(dá)到既合理又經(jīng)濟(jì)的

33、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(duì)一些工藝結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，所依據(jù)的簡(jiǎn)化規(guī)則為：（1）對(duì)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(duì)整個(gè)車架的強(qiáng)度和剛度的影響不大，但對(duì)接下來(lái)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(huì)產(chǎn)生許多網(wǎng)格，網(wǎng)格的質(zhì)量將會(huì)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(guò)渡圓角，和小孔一樣，對(duì)計(jì)算分析產(chǎn)生的

34、影響較小，故將其忽略。3.2實(shí)體車架模型的建立本文研究的是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)。通過(guò)對(duì)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(guò)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，如圖3-1，3-2所示。 圖3-1 車架左縱梁形成圖 圖3-2 鏡像得到右側(cè)縱梁2、以XY面為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，拉伸制作前后副杠，如圖3-3所示。圖3-3 拉伸形成縱梁前后杠3、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

35、YZ面為鏡像面，生成對(duì)稱體。將草圖中兩同心圓拉伸并求差，得到第一根橫梁。如圖3-4所示。 圖3-4 草圖拉伸形成第一根橫梁 圖3-5 草圖拉伸形成第二根橫梁4、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3-5所示。5、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3-6所示。6、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3-7所示。其中，第三根及第四根梁為空心結(jié)構(gòu)，如圖3-7所示。 圖3-6 草圖拉伸成變速箱梁 圖3-7 拉伸形成扭桿梁、第三根及第四根梁7、創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，在該平面內(nèi)制作草圖，沿Y

36、方向拉伸成第五根橫梁，如圖3-8所示。 圖3-8 草圖拉伸形成第五根梁 圖3-9 鋼板彈簧吊耳模型8、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(duì)稱，所以，在左邊縱梁外側(cè)建立吊耳模型，通過(guò)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(duì)稱，可以由鏡像體得到。而后輪的鋼板彈簧為非對(duì)稱放置，故后輪處吊耳不對(duì)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3-9所示。9、對(duì)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3-14所示。圖3-14

37、車架三維實(shí)體模型第4章 車架的有限元分析汽車是運(yùn)輸機(jī)械，在工作的過(guò)程中總會(huì)受到來(lái)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(lái)承受這些載荷，因此有必要對(duì)車架進(jìn)行必要的CAE分析。本文利用有限元軟件ANSYS12.0著重對(duì)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。4.1 靜力分析基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)靜力分析是用來(lái)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

38、。通過(guò)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(guò)程中，靜力分析的控制方程為： KU = F (4-1)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=R （4-2）其中，K整個(gè)剛度矩陣，

39、由整體剛度矩陣單元?jiǎng)偠汝嚱M成整個(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，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。 =DB （4-3）其中，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 e 單元的節(jié)點(diǎn)位移陣列通過(guò)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(lái)，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(guò)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

40、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(lái)校核車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。 Vonmiss等效應(yīng)力可以表示為： （4-4）強(qiáng)度條件為： （4-5）4.2車架靜力學(xué)分析模型的建立 應(yīng)用UG軟件對(duì)車架進(jìn)行三維建模，通過(guò)UG軟件和ANSYS軟件的無(wú)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(duì)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。16M

41、n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=7850kg/m3 泊松比=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(guò)UG軟件與ANSYS軟件之間的無(wú)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：FileImportUG，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：PlotCtrlsStyleSolid Model Face

42、ts,在彈出的對(duì)話框中選擇性Normal Faceting，選擇PlotRplot，得到車架的實(shí)體模型，如圖4-1所示。圖4-1 導(dǎo)入ANSYS后的實(shí)體模型保存所的模型，F(xiàn)ileSave 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(jiǎn)單的單元，使模型計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)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(duì)于3-

43、D，8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元來(lái)說(shuō)，Solid95單元更為高級(jí)，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(méi)有精度損失，還有可并立的位移形狀，對(duì)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4-2所示。圖4-2 Solid95單元定義單元類型的具體操作為：Main MenuPreferencesElement TypeAdd/Edit/Delete，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊Add，彈出Library of Element Types對(duì)話框，選擇

44、Solid20node 95。如圖4-3所示。圖4-3 選擇單元類型對(duì)話框（4）定義材料屬性具體操作：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models, 在彈出的對(duì)話框中選擇StructuralLinearElasticIsotropic，設(shè)置材料的彈性模量EX為2.0e5MPa，泊松比PRXY為0.3。定義材料密度：StructuralLinearElasticDensity，設(shè)置材料的密度DENS為7.85e-9噸/毫米3 ，具體如圖4-4,4-5所示。 圖4-4 彈性模量及泊松比對(duì)話框 圖4-5 密度對(duì)話框材料屬性定義完畢，點(diǎn)擊Mate

45、rialExit，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 MenuPreprocessorMeshingMeshTool，在MeshTool對(duì)話框中勾選Smart Size，選擇8級(jí)精度，點(diǎn)擊Mesh按鈕，出現(xiàn)Mesh Volumes對(duì)話框，點(diǎn)擊Pick All，點(diǎn)擊OK。如圖4-6所示。劃分網(wǎng)格完成后后的模型如圖4-7所示。 圖4-6 劃分網(wǎng)格對(duì)話框圖4-7 劃分網(wǎng)格結(jié)果4.3 懸架的模擬車身與車架是通過(guò)懸架系統(tǒng)、車橋和車輪支撐在地面上的。為了準(zhǔn)確地模擬實(shí)際使用工況，將懸架元件與車身及車架組合起來(lái)分析。因此，正確模擬懸架結(jié)構(gòu)是獲得車架準(zhǔn)確靜力特性的關(guān)鍵。本文所研究

46、的6470型SUV車架前后懸架均為普通的鋼板彈簧。鋼板彈簧具有緩沖與導(dǎo)向作用，因此，模擬時(shí)可以采用以下兩種組合方式16:(l)剛性梁?jiǎn)卧c柔性梁?jiǎn)卧慕M合(圖4-8)；(2)剛性梁?jiǎn)卧c彈簧單元組合(圖4-9)。圖4-8 剛性梁與柔性梁組合模擬懸架圖4-9 剛性梁與彈簧單元組合模擬懸架其中，剛性梁?jiǎn)卧饘?dǎo)向作用，柔性梁?jiǎn)卧蛘邚椥詥卧獎(jiǎng)t起緩沖作用。本文采取剛性單元與彈簧單元組合的方式來(lái)模擬前后懸架。整個(gè)車架前、后懸架系統(tǒng)的模型如圖4-10所示。圖4-10 前、后懸架的結(jié)構(gòu)模擬4.4 載荷的處理運(yùn)用有限元法對(duì)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(lái)確定載荷，是保證有限元分析結(jié)果

47、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(zhǎng)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(dòng)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4.1所示。表4.1 車架各總成質(zhì)量名稱質(zhì)量/kg車身810發(fā)動(dòng)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51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

48、荷處理，平均分配到車架縱梁上；發(fā)動(dòng)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(dòng)載系數(shù)；車架自重通過(guò)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。4.5車架靜力分析工況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(dòng)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

49、同的。車架載荷分布方式如圖4-11所示。圖 4-11 車架的載荷分布圖4.5.1 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(duì)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(dòng)，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(dòng)載系數(shù)，再對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。動(dòng)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(dòng)載系數(shù)難以用數(shù)學(xué)分析法

50、確定。所以，分析時(shí)常分別對(duì)某些簡(jiǎn)單的路面情況進(jìn)行研究，動(dòng)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(dòng)載系數(shù)為2。為了能得出解并且唯一，必須對(duì)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4.2所示。表4.2 彎曲工況的車架約束節(jié)點(diǎn)編號(hào)UxUyUzROTxROTyROTz1、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(dòng)自由度，“/”表示對(duì)其自由度進(jìn)

51、行約束。加載的具體操作為：Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralDisplamentOn Keypoints，彈出一對(duì)話框，輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，點(diǎn)擊OK，如圖4-12所示。繼而彈出Apply U,ROT on KPs對(duì)話框，如圖4-13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(hào)可通過(guò)以下操作查看：PlotCtrlsNumbering，彈出Plot Numbering Controls窗口，將Keypoint numbers設(shè)為On即可。還可以通過(guò)該窗口顯示模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)，只需將Node numbers設(shè)為On即可。如圖4-1

52、4所示。 圖4-12 選取關(guān)鍵點(diǎn) 圖4-13 約束對(duì)話框 圖4-14 查看關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)（2） 滿載彎曲工況加載顯示模型所有節(jié)點(diǎn)編號(hào)，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 MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes，彈出選取節(jié)點(diǎn)的對(duì)話框，輸入受力的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)Apply F/M on Nodes對(duì)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4-15所示。圖4-15 在節(jié)點(diǎn)上加載對(duì)話框加載時(shí)，集中力載荷加載對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，力的大小由各部件質(zhì)量決定，

53、計(jì)算公式為: F=kmg （4-6）其中，F(xiàn)集中力k動(dòng)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(dòng)機(jī)質(zhì)量為167kg，那么，彎曲工況下，在發(fā)動(dòng)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(duì)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 （4-7）其中，F(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力大小 k動(dòng)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(guò)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

54、操作為：Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal，彈出Apply (Gravitational) Acceleration 對(duì)話框，在Global Cartesian Z-comp 一欄中填入9.8，點(diǎn)擊OK即可。如圖4-16所示。圖4-16 定義加速度對(duì)話框施加載荷后的模型如圖4-17所示。圖4-17 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(duì)模型進(jìn)行求解，具體操作如下：Main MenuSolutionSolveCurrent LS。出現(xiàn)信息窗口和一個(gè)對(duì)話框，檢查信息窗口，確認(rèn)無(wú)誤，點(diǎn)擊OK，系統(tǒng)開(kāi)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 MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出現(xiàn)對(duì)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4-18所示。在“