副車架有限元仿真分析

1、某轎車副車架有限元仿真分析摘要：副車架的碰撞性能以及疲勞壽命是副車架安全性能的主要影響因素。本文 運用三維軟件 Pro/E 建立某款轎車副車架的幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入有限 元分析軟件 Ansys 中進行仿真分析。通過對該副車架的正面、側(cè)面碰撞性能的分 析，檢測該副車架的碰撞性能。由于交變載荷的影響，疲勞損壞成為導(dǎo)致副車架 損壞的主要原因。本文同時對副車架進行疲勞壽命有限元分析，并根據(jù)分析判斷 副車架是否滿足其使用要求。關(guān)鍵詞 ： 副車架；有限元；碰撞分析；疲勞壽命汽車主動安全性和被動安全性是組成汽車安全性能的兩大部分。 汽車主動安 全性是指在交通事故發(fā)生之前汽車能夠判斷出隱藏的危險， 并

2、且能夠自行進行減 速，或者在突發(fā)情況出現(xiàn)時候， 在駕駛員的操縱下汽車能夠果斷的采取安全措施， 最大限度上的防止發(fā)生交通事故的發(fā)生。 而汽車被動安全性是指發(fā)生交通事故之 后，最大程度的減少司機和乘員在交通事故當中所受到的傷害。 通過以預(yù)防交通 事故發(fā)生為主的汽車主動安全性能只能減少 5%的交通事故的發(fā)生，因此，汽車 被動安全性的提升就顯得十分的有必要。本文對副車架碰撞與疲勞的分析是基于 ANSY軟件的有限元分析。通過有限 元分析，得出副車架在正面以及側(cè)面碰撞過程中的變形以及應(yīng)力分布。 通過分析 結(jié)論，檢測副車架結(jié)構(gòu)是否合理以及其碰撞性能是否滿足要求。 而對副車架疲勞 壽命分析， 得出副車架的疲勞

3、壽命。 對疲勞損傷點加強， 從而整體的提高副車架 的疲勞壽命。1 副車架有限元模型建立1.1 建立三維模型利用三維建模軟件 Pro/E 建立副車架幾何模型。副車架前橫梁由前橫梁上板（圖 1.1 ）和前橫梁下板（圖 1.2 ）組成圖1.1前橫梁上板幾何模型圖1.2前橫梁下板幾何模型副車架后橫梁由后橫梁上板（圖1.3）和后橫梁下板（圖1.4）組成1.圖1.3后橫梁上板幾何模型-_L 二一、圖1.4后橫梁下板幾何模型由于時間關(guān)系，簡化了副車架左右縱梁，將其左右縱梁模型簡化成相同的模 型。副車架左（右）縱梁由左（右）縱梁上板（圖1.5）和左（右）縱梁下板（圖 1.6）組成。圖1.5左（右）縱梁上板幾何

4、模型圖1.6左（右）縱梁下板幾何模型將副車架以上各部件通過焊接工藝形成副車架總成（圖 1.7）圖1.7副車架焊接總成幾何模型1.2幾何模型清理1.2.1幾何模型修復(fù)當副車架總成幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件 ANSYS勺過程中，由于幾何模型 的自身的缺陷或在轉(zhuǎn)換的過程中數(shù)據(jù)的失真等因素出現(xiàn)部分線面的丟失，導(dǎo)致幾何模型出現(xiàn)間歇、重疊、缺失等情況。這種情況會影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。因此， 需要對導(dǎo)入的幾何模型的間歇和缺損曲面進行修補以及對重復(fù)線和重疊面等進 行刪除。1.2.2幾何模型簡化作為一個復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，副車架若要全部反映到有限元模型中是比較困難 的。因此，我們需要對其模型進行簡化。模型簡化主要就是

5、去除模型中對分析影 響不大的細節(jié)從而使得模型幾何形狀更加簡化便于分析。對于本文來說，在幾何模型建立過程中已經(jīng)對模型進行了簡化，但模型中還存在一些過小的倒角。這種結(jié)構(gòu)對于分析影響不大，而且降低網(wǎng)格質(zhì)量，不利于 劃分網(wǎng)格。利用ANSYS軟件中的工具對過小的倒角進行刪除，將過渡圓角轉(zhuǎn)化 為直角。1.3單元類型的定義以及材料屬性的賦予由于副車架總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是由薄壁梁結(jié)構(gòu)組成中空的板殼結(jié)構(gòu)， 根據(jù)其結(jié) 構(gòu)特點，考慮分析內(nèi)容，選用ANSYSS節(jié)點板殼單元（Structural Shell : Elastic 4node 63），應(yīng)用自由網(wǎng)格的四邊形單元。副車架是由鋼板焊接而成，其材料屬性如表1.1所示。

6、表1.1副車架材料性能表抗拉強度屈服強度彈性模量密度（RHO）泊松比（MPa）(MPa)（MPa）(t/mm3)60042052.1X 10-97.8 X 100.31.4副車架系統(tǒng)有限元模型由于副車架總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是由薄壁梁結(jié)構(gòu)組成中空的板殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，考慮分析內(nèi)容，選用ANSYS3節(jié)點板殼單元（Structural Shell : Elastic 4node 63），應(yīng)用自由網(wǎng)格的四邊形單元，然后再對承載搖臂橡膠支撐中心和導(dǎo) 向搖臂橡膠支撐中心等關(guān)鍵部位進行網(wǎng)格細分，這樣該零件劃分為11250個節(jié)點，23513個單元，網(wǎng)格化后的副車架總成如圖1.8所示。圖1.8副車架有限元模型2

7、副車架碰撞分析2.1副車架正面碰撞分析將有限元模型導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中。定義單元類型，通過菜單Preprocessor中的Element Type命令選擇Shell 63 單元類型。定義材料屬性，圖2.4副車架正面碰撞變形通過菜單Preprocessor中的Material Models命令，彈出對話框，在EX和PRXY 文本中輸入2.1E5和0.3。定義實常數(shù)，通過Preprocessor中的Real Constants 命令，彈出對話框，在 TK文本框中輸入實常數(shù)2。完成定義后，對有限模型進 行劃分網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分。之后對副車架與下控制臂的連接點進行全約束（約束6個自由度）。

8、由于分析的簡化，施加載荷只需對副車架與車身相連的部位施 加靜力載荷。完成之后的有限元模型如圖2.3所示。圖2.3正面碰撞約束載荷元成以上步驟之后，選擇菜單 Solutions中的Current LS進行求解，直至程序求解運算完成。通過菜單 Ge neral Postproc中的Nodal Solu命令調(diào)出副車架正面碰撞變形結(jié)果圖。其副車架正面碰撞變形圖如圖2.4和圖25所示。1HQDAL- SCLOTIONSTEPlSVSi EHX W-220E-D67N IMAY 9 2D1Z I5&B653B7,97117 3DF3-987331E102.642131.9SB圖2.5副車架正面碰撞變形 2

9、由以上結(jié)果分析可知，副車架在正面碰撞中變形主要集中在副車架前橫梁的 轉(zhuǎn)角處，該處也是應(yīng)力集中地主要地方。 因此，在副車架設(shè)計過程可對該處適當 加厚處理或者增加一個加強肋板，以加強副車架在正面碰撞性能以及強度。 2.2副車架側(cè)面碰撞導(dǎo)入有限元模型后，對有限元模型進行定義，其定義方式和數(shù)值與副車架正 面碰撞分析相同。定義完成之后，進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成之后，對模型進 行約束，其約束方式與正面碰撞分析一樣。由于側(cè)面碰撞與正面碰撞的撞擊方向 不同，因此，在側(cè)面碰撞中，載荷施加的方向有所不同。完成以上步驟的有限元模型如圖2.6所示圖2.6副車架側(cè)面碰撞約束載荷完成約束和載荷的施加之后，便可進行有限元

10、分析。分析完成后，通過菜單調(diào)出副車架側(cè)面碰撞的變形圖，如圖 2.7和圖2.8所示ANSYS1D7.S0111.701215.601盹S51134 1188.ESI242.f cj fxJLNOEAL SOLUTION3T1EP-L SUB -1 TIME=LDMX5HX -Z42,552圖2.7 副車架側(cè)面碰撞變形圖2.8副車架側(cè)面碰撞變形 2通過有限元分析我們可知，在側(cè)面碰撞過程中，副車架的變形主要集中在受 到撞擊一側(cè)的縱梁的后端，由此可見，在副車架的設(shè)計中可對縱梁的后端增加加 強板或者增加鋼板厚度，能夠提高副車架的側(cè)面碰撞性能與強度。3副車架疲勞壽命分析本文采用的材料對應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)與應(yīng)

11、力強度可見表3.1,如下:表3.1材料對應(yīng)疲勞循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力強度循環(huán)次數(shù)交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)交變應(yīng)力100250100001952000009020024015000190250000805002303000017030000060100022060000150350000501500210100000130400000302000200150000100450000253.1有限兀疲勞壽命分析將有限元模型導(dǎo)入ANSYS中，選用 ANSYS四節(jié)點板殼單元（StructuralShell: Elastic 4node 63,設(shè)置實常數(shù)為2,之后對有限元模型進行劃分網(wǎng)格。網(wǎng) 格劃分完成

12、之后對副車架進行約束。約束副車架與車身相連的部位，其約束類型 為全約束。由于時間關(guān)系對其進行靜力加載，對副車架與搖臂相連的四個節(jié)點以 及與發(fā)動機相連的三個節(jié)點加上靜力載荷。約束及加載完成后的有限元模型如圖 3.1所示。圖3.1約束加載完有限元模型約束加載完成之后，在 ANSYS界面中選擇菜單路徑Solve中的Current LS命令，進行求解，ANSYS程序會自動進行運運算，直至運算完成。查看副車架 應(yīng)力圖，本文分析的副車架受載荷應(yīng)力圖如圖3.2所示。圖3.2副車架應(yīng)力圖副車架分析完成之后，定義材料的疲勞性質(zhì)，選擇Ge neral Postproc菜單中 的S-N Table命令，在其中N1、

13、N2欄中輸入表5.1中的循環(huán)次數(shù)，在S1、S2 欄中輸入表5.1中循環(huán)次數(shù)所對應(yīng)的應(yīng)力值。完成以上步驟之后便可進行疲勞 求解。求解完成后，輸出福車架損傷云圖，如圖3.5所示。19 2012NODAL 3OLUTIOHSTEP-1 SUB !圖3.5副車架損傷云圖由副車架的損傷云圖可知， 副車架的危險截面在副車架與發(fā)動機相連接的地 方，其容易出現(xiàn)疲勞損傷， 從而導(dǎo)致疲勞損壞。 因此可對該區(qū)域在結(jié)構(gòu)細節(jié)上做 修改或者在工藝上做一些特別處理，使副車架整體疲勞壽命得到提高。5 結(jié)論本文在有限元分析方法的基礎(chǔ)上， 通過三維軟件 Pro/E 建立了副車架有限元 模型，分析該副車架正面碰撞和側(cè)面碰撞的性能和

14、強度以及副車架的疲勞損傷。 本文主要工作以及取得出結(jié)論如下：運用 Pro/E 軟件建立了副車架幾何模型。 在保證分析結(jié)果精度的前提下， 對 副車架進行了簡化設(shè)計。從而提高了分析效率以及計算經(jīng)濟性。運用ANSY歎件對副車架進行了正面以及側(cè)面碰撞分析。由分析結(jié)果可知： 在正面碰撞中，副車架前橫梁轉(zhuǎn)角處受力變形最大， ；在側(cè)面碰撞中，其縱梁后 部變形較大。在以上兩個變形比較大的區(qū)域可增加加強板或者增加鋼板厚度分析了副車架的疲勞壽命。 由分析得出的損傷云圖可知， 副車架在交變載荷 的影響下， 其與發(fā)動機相連的部位損傷較大， 是危險截面， 可對構(gòu)細節(jié)上做修改 或者在工藝上做一些特別處理，從而提高副車架的

15、整體壽命。參考文獻顧力強，林忠欽. 國內(nèi)外汽車碰撞計算機模擬研究的現(xiàn)狀及趨勢 J. 汽車工程， 1999， 01： 1-9 .宛銀生 . 副車架及其對車輛性能的影響 J. 中國城市經(jīng)濟， 2010， 08： 183-184 .蔣瑋 . 副車架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 J. 北京汽車， 2010， 02： 13-15 .李書福，楊建，趙福全等 .汽車上的前副車架 P. 中國， 200720192778，2008-12-14 .陳宇暉，翁德國 . 汽車后副車架總成結(jié)構(gòu) P. 中國， 200720108069，2008-03-12 . 田晶.周曼宇.捷達轎車副車架總成有限元計算分析 A. Eddy Ma

16、k. MSC中國用戶論文 集C.美國：美國 MSC公司，1999.203-210.唐曉峰， 顧彥， 廖芳等 . 前副車架結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模方法研究 J. 上海汽車， 2008， 11： 17-18.陳猛. 轎車副車架設(shè)計與優(yōu)化 D. 合肥；合肥工業(yè)大學(xué)， 2010.呂品. 汽車車架拓撲優(yōu)化設(shè)計 D. 沈陽；沈陽理工大學(xué)， 2008.張海燕 . 某轎車前副車架結(jié)構(gòu)有限元分析 D. 吉林；吉林大學(xué)， 2011.張毅. 客車整體骨架碰撞計算機仿真與耐撞性分析 D. 武漢；武漢理工大學(xué)， 2006 年 5月Richard L . Boitnott ， James H. Starner Jr ， Eric R Johnson . Nolinear Response and Failure of Pressuerd Composite Curved Panaels J. Journal of Aerospace Engineering ， July 1995