摘要 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 車車架作為汽車總成的一部分，承受著來自道路和裝載的各種復(fù)雜載荷作用，并 且汽車上許多重要總成件都是以車架為載體。因此車架的強(qiáng)度和剛度在汽車總體 設(shè)計中起到了非常重要的作用。 本文基于c a d 軟件建立了車架結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，利用a n s y s 有限元分析軟 件對該車架在彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動工況和緊急轉(zhuǎn)彎工況下的靜態(tài)強(qiáng)度 進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，該車架受到的最大應(yīng)力值小于材料的強(qiáng)度極限，滿 足設(shè)計的要求。然后，對車架進(jìn)行了模態(tài)分析，計算出車架的模態(tài)振型與相應(yīng)的 固有頻率，通過固有頻率與振型從整體上考慮車架的局部強(qiáng)度問題。最后，對車 架的縱梁進(jìn)行參數(shù)化建模，以車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計變量，以車架總體積為 設(shè)計目標(biāo)，運(yùn)用a n s y s 軟件優(yōu)化模塊，得到了最優(yōu)化的車架縱梁截面尺寸，降 低了車架的質(zhì)量，節(jié)約了原材料。 本文的研究結(jié)果表明有限元法和a n s y s 軟件為車架結(jié)構(gòu)及動力特性的仿真 以及優(yōu)化設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)理論及方法，為研究整車振動、疲勞和噪聲等問 題奠定了基礎(chǔ)，對廠家的生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：車架；有限元；模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化 a bs t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a l e c o n o m ya n dt r a f f i cs y s t e m ，a u t o m o t i v e i n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e da tv e r yf a s ts p e e d a sap a r to ft h et r u c k ，t h ef r a m e s u p p o r t sa l lk i n d so fc o m p l i c a t e dl o a d sc o m i n gf r o mt h er o a da n df r e i g h t a n dm a n y a s s e m b l yo ft h et r u c ka r eb u i l ti nt h ef r a m e s ot h ei n t e n s i t ya n dt h es t r o n go ft h ef r a m e p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g no ft r u c k s am o d e lo ft h ef r a m ei se s t a b l i s h e db yu s i n gc a di nt h i sp a p e r t h es t a t i c i n t e n s i t yo ft h ef r a m ei sa n a l y z e di nt h es i t u a t i o no fb e n d i n g ，t o r s i o n ，b r a k i n ga n d s w e r v eb ya n s y s t h er e s u l ti n d i c a t e sm a tt h es t r e s so ft h ef r a m ei sl e s st h a nt h e u t m o s ti n t e n s i o n a n dt h ef r a m ei ss a t i s f i e dw i t ht h ed e s i g n t h em o d e la n a l y s i so ft h e f r a m ei ss t u d i e d t h em o d ev i b r a t i o nm o d e la n dp r o p e rf r e q u e n c yo ft h ef r a m ea r e c a l c u l a t e db ym o d ea n a l y s i s t h el o c a li n t e n s i o ni sc o n s i d e r e db yt h ef r e q u e n c ya n d t h em o d e l f i n a l l y , ap a r a m e t r i cm o d e lo ft h ef r a m ei se s t a b l i s h e d t h es e c t i o ns i z eo f t h ef r a m ei so p t i m i z e db ya n s y s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ew e i g h to ft h ef r a m ei s d e c r e a s e da n dt h em a t e r i a lo ft h ef r a m ei ss a v e d h e r e i nt h er e s e a r c ho ff e aa n da n s y ss o f t w a r eo f f e r e das e to fb a s i ct h e o r ya n d m e t h o df o rt h ef r a m es t r u c t u r ea n ds i m u l a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i tn o to n l y l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ep r o b l e mo ft r u c kv i b r a t i o n ，f a t i g u ea n dn o i s e ，b u ta l s o p r o v i d e dt h eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o r t h ew o r k i n go fm a n u f a c t u r e r s k e y w o r d s ：f r a m e ；f m i t ee l e m e n t ；m o d a la n a l y s i s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究 工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體， 均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：烈，辜色腳銹 日期：口d g 年爭月弓日 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)重慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名：荊，辛色i 稂兔 指導(dǎo)教師簽名： 餓西 日期：工口p 侈年4 月f 弓日日期：刎孑年夠月仔日 第一章緒論 第一章緒論弟一早珀v 匕 1 1 概述 汽車作為交通運(yùn)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(jì)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(diǎn)。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(shí)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(qiáng)度進(jìn)行分析，通過強(qiáng)度分析，有 針對地對一些主要構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 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(shí)是兩個獨(dú)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(diǎn)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(qiáng)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。 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，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(dá) 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(jìn) 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(qiáng)度富余大。因此，有必要采用有限元法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 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 2 車架設(shè)計理論發(fā)展過程及目前的發(fā)展?fàn)顩r 車架作為汽車承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所 采用，支撐著發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所有彈 簧上與質(zhì)量有關(guān)的機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應(yīng)有足夠的 彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變 并使車身的變形最??；同時車架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性和 第一章緒論 2 壽命，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂。車架剛度不足會引起 振動和噪聲，也會使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。 貨車車架的最大彎曲撓度通常應(yīng)小于l o m m 。但車架扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過大，否則 將會使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大造成汽車輪胎的接地性變差，使通過性變壞。 通常在使用中，其軸間扭角約為1o m 。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車架自身質(zhì)量 應(yīng)盡可能小，以減小整車質(zhì)量。貨車車架質(zhì)量一般約為整車整備質(zhì)量的1 1 0 。從 被動安全性考慮，乘用車車架應(yīng)具有易于吸收撞擊能量的特點(diǎn)。此外，車架設(shè)計 時還應(yīng)考慮車型系列化及改裝車等方面的要求。 2 1 上世紀(jì)五六十年代，我國對于一般車架的設(shè)計及強(qiáng)度校核是依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗 和方法，即依靠經(jīng)典的材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)驗公式，對車架的結(jié) 構(gòu)作大量的簡化設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果通過試驗來驗證，該法具有一定的可靠性和科 學(xué)性3 1 。 傳統(tǒng)的經(jīng)驗分析設(shè)計方法，具有簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，目前在我國的車輛設(shè)計計 算中仍起到一定的作用。但是，該法也有明顯的不足，主要表現(xiàn)在以下兩個方面： 由于經(jīng)驗設(shè)計帶有相當(dāng)?shù)拿つ啃?，每次車架的設(shè)計改進(jìn)都不會有明顯的突 破。使得其整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度問題都不能得到合理的解決。而且設(shè)計周期長， 使得車架的更新?lián)Q代的速度比較慢，不能與現(xiàn)代化商品生產(chǎn)競爭相適應(yīng)。 傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計，不能對車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及剛度分布進(jìn)行定量分析。 因此，設(shè)計中不可避免的會出現(xiàn)車架各部分強(qiáng)度分配不合理的現(xiàn)象。導(dǎo)致整個車 架設(shè)計成本提高，而且某些部位的強(qiáng)度不夠，容易引起事故；某些部位的強(qiáng)度又 過于富裕，造成浪費(fèi)，從而使車架達(dá)不到優(yōu)化設(shè)計的目的。 由于經(jīng)驗分析設(shè)計方法有以上的不足之處，生產(chǎn)廠家迫切需要一種能與市場 競爭相適應(yīng)的新的設(shè)計方法。隨著電子計算機(jī)的出現(xiàn)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化 程序的投入使用，取代了高強(qiáng)度的手工勞動，結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計速度大大提高。有 限元方法就是其中的一種。 有限單元法是在六七十年代發(fā)展起來的強(qiáng)有力的數(shù)值分析方法，它使復(fù)雜的 工程分析問題迎刃而解，而且由于前、后處理技術(shù)的發(fā)展，計算效率大大提高， 實(shí)際應(yīng)用越來越廣泛【4 】【5 1 。 有限單元法是一種很有效的數(shù)值計算方法，它可以對工程實(shí)際中幾何形狀不 規(guī)則，載荷和支撐情況復(fù)雜的各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形計算、應(yīng)力分析和動態(tài)特性分析， 這是經(jīng)典的彈性力學(xué)方法所不及的。有限單元法的基本思想是：把一個連續(xù)的彈 性體分化成有限多個彼此只在有限個節(jié)點(diǎn)處相互連接的、有限大小的單元組合體 來研究。也就是用一個離散結(jié)構(gòu)來代替原來的結(jié)構(gòu)，作為真實(shí)結(jié)構(gòu)的近似力學(xué)模 型。以后所有的分析計算就在這個離散的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行。有限元法之所以能夠求解 第一章緒論3 結(jié)構(gòu)任意復(fù)雜的問題，而且計算結(jié)果精度高，其中原因之一在于它有豐富的單元 集，能夠適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)的簡化。對于結(jié)構(gòu)分析而言，常見的結(jié)構(gòu)類型包括梁單元、 板單元、曲殼單元、管單元、彈簧單元、質(zhì)量單元等，從而使我們能夠非常方便 的用有限元模型來描述分析模型【6 】。 2 0 世紀(jì)5 0 年代因航空工業(yè)的需要，美國波音公司的專家首次采用三節(jié)點(diǎn)三 角形單元，將矩陣位移法用到平面問題上。同時，原聯(lián)邦德國斯圖加特大學(xué)的 j h a r g y r i s 教授發(fā)表了一組能量原理與矩陣分析的論文，為這一方法的理論基礎(chǔ) 做出了杰出的貢獻(xiàn)。1 9 6 0 年美國的r w c l o u g h 教授在一篇題為平面應(yīng)力分析 的有限單元法的論文中首先使用“有限單元法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 一 詞此后這一名稱得到廣泛承認(rèn)。 2 0 世紀(jì)6 0 年代有限單元法發(fā)展迅速，除力學(xué)界外，許多數(shù)學(xué)家也參與了這 一工作，奠定了有限單元法的理論基礎(chǔ)，搞清了有限元法與變分法之間的關(guān)系， 發(fā)展了各種各樣的單元模式，擴(kuò)大了有限單元法的應(yīng)用范圍。 2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，有限單元法進(jìn)一步得到蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到 所有工程領(lǐng)域，成為連續(xù)介質(zhì)問題數(shù)值解法中最活躍的分支。由變分法有限元擴(kuò) 展到加權(quán)殘數(shù)法與能量平衡法有限元，由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板 殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問題、動力問題和波動問題，由線形問題 擴(kuò)展到非線性問題，分析的對象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合 材料等，由結(jié)構(gòu)分析擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)優(yōu)化乃至于設(shè)計自動化，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體 力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。它使許多復(fù)雜的工程分析問題迎刃而解?！? 2 1 隨著計算機(jī)功能日益增加和有限元法顯示出解決工程實(shí)際問題的巨大威力， 許多高等院校、研究機(jī)構(gòu)和軟件公司得到各工業(yè)部門( 如航空、航天、汽車、建 筑等) 的大量資助，陸續(xù)研制出各種通用的有限元程序，進(jìn)一步推動了有限元法 的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。到了8 0 年代初，數(shù)值模擬技術(shù)通過計算機(jī)程序在工程中 得到了廣泛的應(yīng)用。國際上較大的結(jié)構(gòu)分析通用有限元程序發(fā)展到幾百種，其中 著名的有：n a s t r a n ( 大型綜合有限元軟件) ，a s k a ( 大型通用有限元軟件) ， m a r c ( 大型綜合非線性有限元軟件) ，g t s t r u d l ( 大型綜合土木建筑結(jié)構(gòu)分 析的有限元軟件) ，s a p ( 線性有限元軟件) ，a d i n a ( 非線性結(jié)構(gòu)分析通用有限 元軟件) ，a n s y s ( 有限元分析系統(tǒng)) ，a l g o rf e a s ( 大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元 軟件) 等?！? 】 目前在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法( 亦稱有限元法) ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、邊界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) 和有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 等，但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛 性而言，主要還是有限單元法。作為一種離散化的數(shù)值解法，有限單元法首先應(yīng) 第一章緒論4 用在結(jié)構(gòu)分析中，然后又在其他領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 國外將有限元法引入到車架強(qiáng)度計算比較早，而我國大約是在七十年代末才 把有限元法應(yīng)用于車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計分析中。在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分 析中，早期多采用梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿意的，但由 于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不 能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)時截面 的翹曲變形，因此梁單元分析的結(jié)果是比較粗糙的。而板單元克服了梁單元在車 架建模和應(yīng)力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測手段【7 】。近十 年來，由于計算機(jī)軟件與硬件的飛速發(fā)展，板單元逐漸被應(yīng)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分 析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段。 有限元法為復(fù)雜車架結(jié)構(gòu)分析設(shè)計提供重要的基礎(chǔ)，同時也促進(jìn)車架結(jié)構(gòu)的 分析和設(shè)計的飛速發(fā)展【8 】。但隨著對車輛的運(yùn)動性能要求的不斷提高，車輛的工 作環(huán)境愈來愈復(fù)雜。就車架的設(shè)計而言， 乃至唯一判據(jù)，顯然不能符合實(shí)際情況。 仍把滿足靜強(qiáng)度的要求作為結(jié)構(gòu)的主要 對于某些車輛的車架，在重載、高速行 駛時其振動問題日益突出。車架的強(qiáng)烈振動一方面會影響人們乘車的舒適性，另 一方面會影響汽車零部件的安全使用。因此車架的動態(tài)分析就日益顯得重要了。 但就目前國內(nèi)的情況來看有限元動態(tài)分析主要集中在模態(tài)分析上，而且是單個部 件的模態(tài)分析，這主要是由于在對整車進(jìn)行模態(tài)分析時，各個部件如車架與駕駛 室、發(fā)動機(jī)、貨箱等結(jié)合處的剛度與阻尼都很難確定，從而影響了整車分析的精 度和可靠性【9 】。事實(shí)上汽車在行駛過程中主要產(chǎn)生的是隨機(jī)振動，對于隨機(jī)振動 的分析國內(nèi)主要的手段是采用實(shí)驗的方法，這種方法對實(shí)驗器材要求較高，并且 費(fèi)用也較高，車架隨機(jī)振動的有限元分析從目前來看還是比較少見的，因此為了 能夠在車架的設(shè)計初期就對車架的靜、動態(tài)性能有較全面的了解，提高車架的設(shè) 計效率，很有必要在這方面作一些工作【1 0 】【l1 1 。 1 3 本論文的主要研究內(nèi)容 本論文研究的是某貨車車架。運(yùn)用c a d 軟件設(shè)計車架模型，利用有限元軟 件對車架進(jìn)行各種工況的分析計算，得到它的應(yīng)力分布圖和變形圖，根據(jù)各部分 所受的應(yīng)力情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化縱梁的橫截面，使車架在滿足承載要求情況 下，整體質(zhì)量達(dá)到最低。具體實(shí)施步驟如下： 建立車架模型。用c a d 軟件建立車架整體模型，然后導(dǎo)入到a n s y s 有 限元軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。 假定汽車滿載的情況下，對車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急剎車、急轉(zhuǎn)彎四種工 況下的受力和變形情況進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。 第一章緒論 5 對車架進(jìn)行模態(tài)分析，獲得固有頻率和振型。通過對車架進(jìn)行模態(tài)分析， 計算出車架的模態(tài)振型與相應(yīng)的固有頻率，通過固有頻率與振型從整體上考慮車 架的局部強(qiáng)度問題。 建立車架結(jié)構(gòu)簡單的梁單元優(yōu)化模型，以車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計變 量，以車架總體積為設(shè)計目標(biāo)，運(yùn)用a n s y s 軟件優(yōu)化模塊對車架結(jié)構(gòu)做輕量化 設(shè)計，獲得縱梁的優(yōu)化截面。 第二章有限元法及a n s y s 軟件6 第二章有限元法及a n s y s 軟件 2 1 有限元法的基本理論 對于大多數(shù)的工程技術(shù)問題，由于物體的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜或者某些特征是非線 性的，很少有解析解。這類問題的求解方法通常有兩種，一是引入簡化假設(shè)，將 方程和邊界條件簡化為能夠處理的問題，從而得到它在簡化狀態(tài)下的解，但過多 的簡化可能導(dǎo)致不正確的甚至錯誤的解；二是人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理 論的基礎(chǔ)上，借助于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物一計算機(jī)及現(xiàn)代數(shù)值分析技術(shù)來獲得滿 足工程技術(shù)要求的數(shù)值解，數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動力 之一。 目前在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離 散單元法和有限差分法，但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限單元 法。 有限元法的基本思想是將物體( 即連續(xù)求解域) 離散成有限個且按一定方式 相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合，來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限 自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的數(shù)值分析法。物體被離散后，通 過對其中各個單元進(jìn)行單元分析，最終得到隊整個物體的分析。網(wǎng)絡(luò)劃分中每一 個小的塊體稱為單元。確定單元形狀、單元之間相互聯(lián)結(jié)的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。單元上 節(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)內(nèi)力為節(jié)點(diǎn)力，外力( 有集中力、分布力等) 為節(jié)點(diǎn)載荷【1 2 】。 有限元方法是2 0 世紀(jì)中葉電子計算機(jī)誕生之后，在計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)和計 算工程科學(xué)領(lǐng)域里最有效的計算方法。經(jīng)過5 0 年的發(fā)展不僅使各種不同的有限元 方法相當(dāng)豐富，而且理論基礎(chǔ)也相當(dāng)完善。汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用有限元法不 但能完成車身、車架等結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，而且還能進(jìn)行動力學(xué)分析，因此是汽車 設(shè)計計算的重要工具。近年來，由于電子計算機(jī)應(yīng)用的日益發(fā)展，數(shù)值分析在彈 性力學(xué)中的作用顯得更為突出，使得一些復(fù)雜的問題能夠得到數(shù)值解。 2 1 1 有限元法分析過程 有限元法分析計算的思路和做法可歸納如下： 物體離散化 將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計算模型，這一步稱作單元剖分。 離散后單元與單元之問利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、 數(shù)日等應(yīng)根據(jù)問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算進(jìn)度而定( 一般情況單元 劃分越細(xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計算量越大) 。所以有限 元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同新材料的由眾多單元以一定 方式連接成的離散物體。這樣，用有限元分析計算所獲得的結(jié)果只是近似的。如 第二章有限元法及a n s y s 軟件 7 果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。 單元特性分析 1 ) 選擇位移模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力 作為基本未知量時稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量 時稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計算自動化，所以，在有限單元法中位移法應(yīng)用 范圍最廣。 當(dāng)采用位移法時，物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后，就可把單元總的一些物理量如 位移，應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些 能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法我們就將位移表示為坐標(biāo)變 量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)，如y = 其中是待定系數(shù)，是 與坐標(biāo)有關(guān)的某種函數(shù)。 2 ) 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元 節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應(yīng)用彈性力 學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元剛度矩陣， 這是有限元法的基本步驟之一。 3 ) 計算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對 于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作 用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是 用等效的節(jié)點(diǎn)力來代替所有作用在單元上的力。 單元組集 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來， 形成整體的有限元方程： 醫(yī)) = 沙 ( 1 1 ) 式中：k 整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣； q 節(jié)點(diǎn)位移列陣； i 載荷列陣。 求解未知節(jié)點(diǎn)位移解有限元方程式( 1 1 ) 得出位移。這里，可以根據(jù)方程 組的具體特點(diǎn)來選擇合適的計算方法。 通過上述分析，可以看出，有限單元法的基本思想是“一分一合 ，分是為了 就進(jìn)行單元分析，合則為了對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。 第二章有限元法及a n s y s 軟件 8 2 1 2 有限元法的特點(diǎn) 對復(fù)雜幾何模型的適應(yīng)性 由于單元在空間可以是一維、二維或三維的。而且每一種單元可以有不同的 形狀，同時各種單元可以采用不同的連接方式，所以，工程實(shí)際中遇到的非常復(fù) 雜的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造都可以離散為由單元組合體表示的有限元模型。 對于各種物理問題的適用性 由于單元內(nèi)近似函數(shù)分片的表示全求解域的未知場函數(shù)，并未限制場函數(shù)所 滿足的方程形式，也未限制各個單元所對應(yīng)的方程必須有相同的形式，因此它適 用于各種物理問題，例如線彈性問題、彈塑性問題、粘彈性問題、動力問題、屈 曲問題、流體力學(xué)問題、熱傳導(dǎo)問題、聲學(xué)問題、電磁場問題等，而且還可以用 于各種物理現(xiàn)象相互耦合的問題。 建立于嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性 因為用于建立有限元方程的變分原理或加權(quán)余量法在數(shù)學(xué)上已證明是微分方 程和邊界條件的等效積分形式，所以只要原問題的數(shù)學(xué)模型是正確的，同時用來 求解有限元方程的數(shù)值算法是穩(wěn)定可靠的，則隨著單元數(shù)目的增加( 即單元尺寸 的縮小) 或者是隨著單元自由度數(shù)的增加( 即插值函數(shù)階次的提高) ，有限元解的 近似程度不斷被改進(jìn)。如果單元是滿足收斂準(zhǔn)則的，則近似解最后收斂于原數(shù)學(xué) 函數(shù)模型的精確解。 適合計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性 由于有限元分析的各個步驟可以表示成規(guī)范化的矩陣形式，所以最后求解方 程可以統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)的矩陣代數(shù)問題，特別適合計算機(jī)的編程和執(zhí)行。隨著計算機(jī) 硬件技術(shù)的高速發(fā)展以及新的數(shù)值算法的不斷出現(xiàn)，大型復(fù)雜問題的有限元分析 已成為工程技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)工作?！? 3 】 1 4 】【1 5 】 2 2 車架有限元模型建立的原則 在建立車架有限元分析模型時，本文主要考慮了以下幾個方面的問題： 車架有限元分析模型應(yīng)盡可能的從幾何特性及力學(xué)特性兩個方面同時逼 近車架真實(shí)結(jié)構(gòu)，尤其是從動力學(xué)特性上進(jìn)行逼近。 在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分時，保證任意一個板殼單元的頂點(diǎn)同時也是其相鄰單元的 頂點(diǎn)；盡可能的使單元形狀規(guī)則，避免單元的某個邊過長或者過短以及某個內(nèi)角 太大或者太??；某些部位允許其退化為三角形單元。 對于一些很小的或者不重要的螺栓孔、鉚接孔和過渡圓角，在建模的時候 進(jìn)行簡化處理。 為了提高計算的精度，建模時根據(jù)車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷分布特點(diǎn)，在可能 第二章有限元法及a n s y s 軟件9 產(chǎn)生應(yīng)力集中或者應(yīng)力急劇變化的部位網(wǎng)絡(luò)劃分比其它部分細(xì)密。 2 3 有限元軟件的選擇 a n s y s 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a n s y s 開發(fā)。它能 與多數(shù)c a d 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、 a l o g o r 、i d e a s 、a u t o c a d 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計巾的高級c a d i 具之一。 a n s y s 軟件在c a e 市場的地位： 世界范圍內(nèi)增長最快的c a e 的軟件。 美國機(jī)械工程師協(xié)會( a s m e ) ，美國核安全局( n q a ) 及近2 0 種專業(yè)技 術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。 第一個通過中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證并在1 7 個部委推廣使用 的分析軟件。 全世界7 0 以上的高校及研究單位采用的分析軟件。 因為a n s y s 軟件在c a e 市場的重要地位和a n s y s 軟件在高校中的廣泛普及， 所以在本文的研究中，使用的是目前國際上通用的商用有限元軟件a n s y s 。 2 3 1a n s y s 軟件簡介 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。 前處理模塊 該模塊用于定義求解所需的數(shù)據(jù)，可以選則坐標(biāo)系統(tǒng)、單元類型、定義實(shí)常 數(shù)和材料特性、建立實(shí)體模型并對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分、控制節(jié)點(diǎn)和單元，以及定義 耦合和約束方程等。 求解模塊 在前處理階段完成建模后，進(jìn)入求解階段，求解階段通過求解器獲得分析結(jié) 果。在該階段用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項等，然 后進(jìn)行有限元求解。 后處理模塊 該模塊的主要任務(wù)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。 后處理訪問數(shù)據(jù)集的方法有兩種，一種用以通用后處理器p o s t l 檢查整個模 型和模型的某一部分中任意一個特定數(shù)據(jù)集的結(jié)果；另一種是用時間歷程后處理 器p o s t 2 6 跨多個數(shù)據(jù)檢查選擇的部分模型數(shù)據(jù)，如特定節(jié)點(diǎn)的位移或單元應(yīng)力 等?！? 6 】 軟件提供了1 0 0 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(yùn)行在從個人機(jī)到大型機(jī)的多種計算機(jī)設(shè)備上，如p c ， 第二章有限元法及a n s y s 軟件1 0 s g i ，h p ，s u n ，d e c ，i b m ，c r a y 等?！緇 7 】 2 3 2a n s y s 軟件的特點(diǎn) a n s y s 程序是一個功能強(qiáng)大的設(shè)計分析及優(yōu)化軟件包。與其它有限元分析 軟件如s a p 或n a s t r a n 等相比，它有以下特尉1 8 】【1 9 】： 唯一能夠?qū)崿F(xiàn)多場及多場耦合分析功能的軟件，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體 流動、電磁等的單獨(dú)研究或者它們之間相互影響的研究。 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型有限元分析 軟件。 唯一具有多物理場優(yōu)化功能的有限元分析軟件。 有強(qiáng)大的非線性分析功能。 多種求解器分別適用于不同問題及不同的硬件配置。 支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)，以及所有平臺之間的并行計算。 支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù) 據(jù)文件全部兼容。 多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù)。 可與大多數(shù)c a d 軟件集成并有接口。 良好的用戶開發(fā)環(huán)境，綜合應(yīng)用菜單、對話框、工具條、命令行輸入，圖 形化輸出等多種方式，使應(yīng)用更加方便。 第三章車架有限元模型的建立 1 0 第三章車架有限元模型的建立 3 1 引言 汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元模型可以采用梁單元、板殼單元和實(shí)體單元建立。梁 單元模型將結(jié)構(gòu)簡化為一組兩結(jié)點(diǎn)梁單元組成的結(jié)構(gòu)，以梁單元的截面特性反映 車架的結(jié)構(gòu)特性，這種模型的優(yōu)點(diǎn)是單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，前處理工作量少，計算 量較小，計算速度快，但是無法分析車架應(yīng)力集中問題，計算精度較低。板殼單 元模型則與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本吻合，計算精度較高，但是由于單元與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量龐大， 前處理工作量大，計算量大。實(shí)體單元是三種單元中計算精度最高的，但是這種 模型的缺點(diǎn)是單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量極其龐大，前處理工作量很大，需要消耗較多的時 間和精力，同時對計算機(jī)的硬件要求比較高。本文將基于實(shí)體單元建立車架的有 限元模型，為減少前處理的工作量，縮短建立模型的時間，在劃分有限元模型時， 將受力比較復(fù)雜敏感的部分劃分的網(wǎng)絡(luò)比較細(xì)密，其余部分網(wǎng)絡(luò)劃分比較稀疏。 3 2 車架的幾何模型的建立 本文設(shè)計所選用的載貨汽車的載重量為5 t ，汽車車架的結(jié)構(gòu)是典型的載貨車 車架結(jié)構(gòu)，由兩根縱梁及五根橫梁鉚接而成，前后等寬，寬度為8 6 5 m m ?？v梁由 1 6 m n 鋼板沖壓而成。車架縱梁長6 7 0 0 m m ，最大剖面尺寸為：2 3 5 7 5x8 m m ( 高 寬厚) 。 創(chuàng)建a n s y s 模型的途徑有四種： 在a n s y s 環(huán)境中創(chuàng)建實(shí)體模型，然后劃分有限元網(wǎng)格。 在其他軟件( 比如c a d ) 中創(chuàng)建實(shí)體模型，然后讀入a n s y s 環(huán)境中， 經(jīng)過修正后劃分有限元網(wǎng)格。 在a n s y s 環(huán)境中直接創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)和單元 在其他軟件中創(chuàng)建有限元模型，然后將節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)讀入a n s y s 。 運(yùn)用c a d 軟件建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的幾何模型，使用十分廣泛。使用c a d 軟件建 ?？梢杂行У墓?jié)省工作時間，提高建模的工作效率。所以本文采用a u t o c a d 軟 件建立所研究的幾何模型，建模的主要步驟為： 利用a u t o c a d 軟件，按照車架上各零件的實(shí)際尺寸繪制所有零件的三維實(shí) 體的幾何模型；對車架各個零件進(jìn)行裝配，得到整個車架的三維兒何模型。車架 裝配模型如圖3 1 所示 第三章車架有限元模型的建立 圖3 1 車架c a d 幾何模型 f i 9 3 1g e o m e t r i cm o d e lo faf r a m e 3 3 車架有限元模型的建立 3 3 1 將車架幾何模型導(dǎo)入到a n s y s 軟件 由于a n s y s 軟件不能直接應(yīng)用a u t o c a d 軟件形成的宰d w g 文件，所以在車 架的裝配模型完成后，將該模型轉(zhuǎn)化為a n s y s 軟件可以識別的宰s a t 格式，在 a u t o c a d 軟件中可以通過文件輸出實(shí)現(xiàn)這個操作。 啟動a n s y s 軟件后，通過i m p o r t 選項導(dǎo)入車架的三維幾何模型木s a t 文件。 導(dǎo)入到a n s y s 軟件后的車架裝配圖如圖3 2 所示。 圖3 2 車架在a n s y s 中的幾何模型 f i 9 3 2g e o m e t r i cm o d e lo f af r a m ei na n s y s 第三章車架有限元模型的建立 1 2 3 3 2 設(shè)置材料參數(shù) 啟動a n s y s 軟件，設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)分析s t r u c t u r e ，然后設(shè)置有限元單 元類型為s h e l l 6 3 ，同時設(shè)置材料參數(shù)。車架的材料參數(shù)如表3 1 所示。 表3 1 材料特性 t a b l e 3 1m a t e d a lc h a r a c t e r i s t i e s 材料類型彈性模量 密度泊松比 e x ( n m m 2 )d e n s ( k g m m 3 ) 槽鋼 2 1 1 1 0 5 7 8 5 1 0 - 6o 3 3 3 3s h e l l 單元簡介 在車架有限元分析中根據(jù)不同的計算目的，可選用不同的計算模型，常用的 計算機(jī)模型一般有梁單元模型，板殼單元模型和組合單元模型等。梁單元的優(yōu)點(diǎn) 是建模工作量相對較少，縮短了計算時間，同時在動態(tài)分析時精度較好，但是應(yīng) 力分析能力是相對有限的。由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述 較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，且忽略了扭轉(zhuǎn)時接口的翹曲變形，因此采用梁單元的有限 元分析模型在汽車車架的有限元分析中是比較粗糙的，應(yīng)力計算結(jié)果精度要比板 殼單元差，連接的處理也需要大量的經(jīng)驗和實(shí)驗資料作為參考。板殼單元描述模 型比較詳細(xì)，因而精度相對較好一些，連接情況的處理也比較詳細(xì)，因而對于貨 車車架的薄壁結(jié)構(gòu)，如縱梁、橫梁等，相對于槽鋼的厚度而言，其長度很大，非 常適合使用板殼單元進(jìn)行建模。所以本文在車架分析過程中采用精度較高的板殼 單元模型。 如圖3 3 所示，薄板厚度h 的尺寸遠(yuǎn)小于長a 、寬b 的尺寸。平分板厚h 的平 面稱為板的中間平面，簡稱中面。板彎曲后，中間平面變形成中間曲面，稱為板 的彈性曲面。中間平面上任意一點(diǎn)在垂直方向的位移稱為撓度。與梁相似，通常 以板的中面代表板作受力和變形分析。 第三章車架有限元模型的建立1 3 圖3 3 薄板示意圖 f i g 3 3s k e t c ho fs h e e t 在受到垂直于板面的載荷作用后，薄板將產(chǎn)生彎曲。在分析薄板彎曲問題時 有如下假定【1 9 】： 忽略板厚方向的正應(yīng)力，且薄板厚度沒有變化； 薄板的法線產(chǎn)生彎曲后，仍保持為薄板彈性曲面法線； 薄板中面上的各點(diǎn)，沒有平行于中面的位移。 如圖3 3 所示薄板，坐標(biāo)平面x o y 位于板的中面。按照薄板彎曲的基本假 定，板中各點(diǎn)的位移為 o w u = 一z o x 伽 1 ，= 一z v w = 圳0 ，) ( 3 1 ) 式中u 、v 和w 是板中某點(diǎn)對于坐標(biāo)軸方向的位移分量。 由式( 3 1 ) 可見，z = o 即平板中面各點(diǎn)u = v = o ，不產(chǎn)生平行于平面方向的位 移。平板中面的撓度w 可以表示板中各點(diǎn)的撓度，它與z 無關(guān)。 由幾何方程 第三章車架有限元模型的建立1 4 h 弘糾2 o u a 工 o v 砂 o uo v - 砂缸 根據(jù)薄板的簡化假定，盯：略去不計，于是 式中 0 2 w 舐2 a 2 w 砂2 o z w i - 。一 缸砂 盯=耄=。占=一刎。2裁0 i 2 w 【o x o y 。= 毒 l 一“2 1 t 1 0o 0 o 1 t 2 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 從平板理論可知，對微元h d x d y ，作用的彎矩為m ，、m y 和轉(zhuǎn)矩m 矽，它是 正應(yīng)力o r ，、仃，和切應(yīng)力f x v 在板截面上的合力矩。 設(shè)m m ，和m 砂表示單位寬度上的內(nèi)力矩，于是有 m = 三m 乏y ) = i 裴z 倪拓= 一 ( 3 5 ) 其中h 是薄板厚度。 比較式( 3 3 ) 和式( 3 5 ) ，有 1 ，) 7 盯= 等m( 3 6 ) h 3 圖3 4 所示為s h e l l 板殼單元【2 0 】【2 l 】【2 2 】 2 3 1 示意圖。它是一個彈性板殼4 節(jié)點(diǎn)單 元。該單元可以承受拉、壓、彎、剪等作用。單元的每個節(jié)點(diǎn)具有5 個自由度： 沿x ，y ，z 軸的移動及繞x ，y 軸的轉(zhuǎn)動。 2 挑麗挑一礦挑一坳 ，c1l d 礦一他 第三章車架有限元模型的建立1 5 圖3 4s h e l l 板殼單元自由度示意圖 f i g 3 4s k e t c ho f s h e l le l e m e n td o f s h e l l 板殼單元有以下功能： 整個單元表面的厚度可以按等參數(shù)變化； 單元公式允許耦合的和集中的兩種形式的質(zhì)量矩陣，但是耦合質(zhì)量矩陣不 包括與旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的慣量； 可以獨(dú)立定義與平面內(nèi)、彎曲、橫向剪切以及平面與彎曲形態(tài)藕合相關(guān)聯(lián) 的各向異性彈性系數(shù)，可用來模擬不均勻復(fù)合材料板或者節(jié)點(diǎn)偏離的板。 s h e l l 單元的形狀對計算精度影響較大，當(dāng)扭轉(zhuǎn)的形狀比在2 0 以內(nèi)或彎曲的 形狀比在1 1 以內(nèi)時，s h e l l 單元的計算精度在1 5 以內(nèi)，在網(wǎng)格劃分時應(yīng)注意。 3 3 4 劃分有限元網(wǎng)絡(luò) 在a n s y s 軟件中一般把板單元和板殼單元合稱為板殼單元。本文中采用的 板殼單元為s h e l l 6 3 ，s h e l l 6 3 是一種有代表性的板殼單元。它是一種常用的4 節(jié)點(diǎn)單元，具有彎曲和薄膜特性。在每個節(jié)點(diǎn)有6 個自由度，共有2 4 個自由度。 單元長度選取5 0 m m ，采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分，縱梁和橫梁相接觸的部位在劃分網(wǎng)絡(luò) 時要一體劃分，這樣可以保證零部件在有限元軟件中的有效連接。劃分完成后， 再對受力集中部位進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)細(xì)化，劃分網(wǎng)絡(luò)后的車架有限元模型如圖3 5 所示。 第三章車架有限元模型的建立 1 6 圖3 5 車架有限元模型 f i g 3 5f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f f r a m e 圖3 6 局部網(wǎng)絡(luò)細(xì)化圖 f i g 3 6l o c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ff r a m e 第四章j j 架的靜態(tài)分析 1 7 第四章車架的靜態(tài)分析 4 1 引言 車架不僅承擔(dān)發(fā)動機(jī)、底盤和貨物的重量，而且還要承受汽車行駛過程中所 產(chǎn)生的各種力和力矩。因此，其強(qiáng)度不僅關(guān)系到整車是否能夠正常行駛，而且還 關(guān)系到整車的安全性。本章采用a n s y s 有限元分析軟件，對車架靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行 了分析計算，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。 4 2 靜力分析基本理論 靜力分析的計算是在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻 尼的影響，也不考慮載荷隨時間的變化。但是，靜力分析可以計算那些固定不變 的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響( 如重力和離心力) 。 靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上 引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載 荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括： 外部施加的作用力和壓力。 穩(wěn)態(tài)的慣性力( 如重力和離心力) 。 位移載荷。 溫度載荷。 核膨脹中的流通量。 靜力分析既可以是線性的也可以是非線性的。非線性靜力分析包括所有的非 線性類型，即大變形、塑性、蠕變、應(yīng)力變化、接觸( 間隙) 單元、超彈性單元 塹【2 4 】 口o 4 3 汽車車架剛度理論 車架既要有足夠的強(qiáng)度，也要有足夠的剛度。足夠的彎曲剛度，可使車架上 的部件在行駛過程中相對位置不發(fā)生改變。車架剛度不足，會引起振動和噪聲， 也會使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些基件的可靠性下降。然而其扭轉(zhuǎn)剛 度不易過大，否則汽車的通過性變差【2 6 1 。應(yīng)有足夠的強(qiáng)度可保證其有足夠的可靠 性和使用壽命等。1 2 6 1 【2 7 】 4 3 1 汽車車架彎曲剛度 為使汽車車架產(chǎn)生單位撓度所需的載荷，或載荷與所引的車架最大撓度值之 比稱為車架的彎曲剛度。車架的單位彎曲剛度相當(dāng)于車架縱梁的e j 。對于車架縱 第四章車架的靜態(tài)分析1 8 梁，其跨距中點(diǎn)受到集中載荷f ，則車架縱梁的撓度最大值為 y 眥= 是 ( 4 1 ) 式中：，縱梁的抗彎剛度系數(shù)； e 一彈性模量； l 汽車軸距； f - 棚梁中點(diǎn)受到的集中載荷； k - 梁的最大撓度。 4 3 2 汽車車架扭轉(zhuǎn)剛度 汽車車架的扭轉(zhuǎn)剛度是指為使汽車軸距長度內(nèi)的系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)單位角度所需的轉(zhuǎn) 矩，或者為轉(zhuǎn)矩與軸距長度內(nèi)的轉(zhuǎn)角之比。汽車車架的單位彎曲剛度相當(dāng)于扭桿 的g j k 。從汽車整個結(jié)構(gòu)來看，車架前后部分的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)該大些，而中間部分小 些。駕駛室后圍以前的這一段車架的扭轉(zhuǎn)剛度大些有益于發(fā)動機(jī)及駕駛室的懸置。 從駕駛室后圍之后懸架以前的這段車架的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)小，以起到緩沖作用，避免 載荷集中，減小車架和懸架系統(tǒng)的載荷，并改善汽車在不同路面上的接地性。車 架扭轉(zhuǎn)剛度的計算通常以前后軸的相對扭角為準(zhǔn)。當(dāng)汽車某一車輪被路面上的凸 起抬高時，車架的軸間扭角口為 口：乓 ( 4 2 ) 1 + ! 堅 c 甑s 式中：以軸間扭角表示道路不平度； 車架的扭轉(zhuǎn)剛度； 懸架系統(tǒng)( 包括車輪) 的角剛度。 4 4 車架載荷分類 就載荷性質(zhì)而言，車架所受到的主要載荷為彎曲、扭轉(zhuǎn)、側(cè)向載荷和縱向載 荷等。彎曲載荷是由車架自身質(zhì)量和外加質(zhì)量產(chǎn)生的載荷，外加質(zhì)量包括乘車人 員和貨物的質(zhì)量、底盤各總成及發(fā)動機(jī)質(zhì)量等。扭轉(zhuǎn)載荷是由于路面不平度對車 架的非對稱支撐而產(chǎn)生的載荷。側(cè)向載荷是由汽車轉(zhuǎn)向時離心力產(chǎn)生作用的載荷。 縱向載荷是由于汽車加速、制動時的