1、2008年 第27卷7月第7期機(jī)械科學(xué)與技術(shù)Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering董學(xué)勤基于Hyperworks的汽車車架有限元建模及剛度分析董學(xué)勤1,辛 勇1,楊 凡2(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。南昌330031;2江鈴集團(tuán)。南昌333001摘要:汽車結(jié)構(gòu)性能依靠實(shí)驗(yàn)手段和研究人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)是很困難的,有限元方法和軟件技術(shù) 在汽車結(jié)構(gòu)分析中占據(jù)了非常重要的地位。本文以某越野車車架為例,利用Hyperworks建立以殼 單元為基本單元的車架有限元網(wǎng)格模型。然后在Nastran軟件下進(jìn)行計(jì)算求解,得出與實(shí)驗(yàn)極為相 符的

2、車架在靜態(tài)栽荷下彎曲位移數(shù)值曲線圖,為其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過(guò)計(jì)算機(jī) 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出:此方法的高效和準(zhǔn)確,可廣泛應(yīng)用于車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程。關(guān) 鍵詞:網(wǎng)格;車架;有限元;剛度中圖分類號(hào):U467.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):10038728(200807-0905-04On Finite Element Molding of a Vehicle 7S Frame Using Hyperworks Dong Xueqin91,Xin Yon91,Yang Fan2(1School of Mechanical and Electrical Engineering,Na

3、nchang University,Nanchang 330031;2Jiangling Motors Co.,Ltd.Nanehang 333001Abstract:Taking an off-road vehicleS frame as an example。we first establish a high-quality grid.finite element model.Then we use the frame unit grid to discretize the vehicleS frame。and connect the grid models of the assem-bl

4、y parts by the onedimensional units.The Nastran solver is used to carry OUt stiffness analysis of the frame.An analytical model of the frame is built using Hyperworks by taking the shell unit as a basic unit.Simulation results with the above models are in good agreement with experimental results.Key

5、 words:finite element model;Hyperworks;vehicle frame;Nastran solver隨著社會(huì)的發(fā)展,汽車已經(jīng)逐漸走人千家萬(wàn)戶, 汽車無(wú)論是從數(shù)量還是質(zhì)量都比以前有了很大的提 高。但是汽車被動(dòng)安全性問(wèn)題始終是無(wú)法回避的現(xiàn) 實(shí)。早期汽車結(jié)構(gòu)性能和各種安全約束保護(hù)系統(tǒng)性 能的檢測(cè)幾乎都依靠實(shí)驗(yàn)手段和研究人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái) 實(shí)現(xiàn),需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的周期和花費(fèi)大量的資金。 而在現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、開(kāi)發(fā)過(guò)程中,降低成本 與縮短時(shí)間始終是關(guān)注的核心問(wèn)題。這就需要能夠 盡快、用盡可能小的代價(jià)了解汽車的碰撞規(guī)律,提高 汽車的結(jié)果性能吩】。但是用理論分析的手段來(lái)解 決汽車

6、的結(jié)構(gòu)性能問(wèn)題幾乎是不可能的,而采用有 限元方法FEA(finite element analysis進(jìn)行計(jì)算機(jī)模收稿日期:2007092l基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50645032和江西省攻關(guān)科技計(jì) 劃項(xiàng)目資助作者簡(jiǎn)介:繭學(xué)勤(1981一,碩士研究生,研究方向?yàn)槠嚺鲎沧冃?安全性仿真分析.pangpang_dons163.COrn 擬計(jì)算是一種行之有效的方法口1。HyperWorks是 一個(gè)優(yōu)秀的網(wǎng)格前處理和拓?fù)鋬?yōu)化分析軟件。但是 對(duì)零件剛度的分析功能不是很強(qiáng),所以本文利用此 軟件建立高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)有限元模型,然后通過(guò)Nas tran軟件對(duì)該模型的剛度進(jìn)行求解,從而得出很好 的分析結(jié)果

7、。1有限元模型的建立I.I 車架高質(zhì)量網(wǎng)格的研究有限元仿真分析的基礎(chǔ)是有限元分析前處理技 術(shù),而且計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于 網(wǎng)格的質(zhì)量。車架是承受整車載荷的主要部件,是 由多個(gè)零件裝配而成,整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。所以要 對(duì)車架做有限元分析從而得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果,首 先就要得到高質(zhì)量的網(wǎng)格模型。如圖l是車架第一 橫梁的一段高質(zhì)量網(wǎng)格圖和其中一個(gè)網(wǎng)格的質(zhì)量參 數(shù)。其中翹曲度為0,長(zhǎng)寬比1.168。最短邊長(zhǎng)為機(jī)械科學(xué)與技術(shù)第27卷9.974film。最長(zhǎng)邊長(zhǎng)為11.652mm,最小內(nèi)角為88.47。,最大內(nèi)角為91.230。本文車架網(wǎng)格全部采用殼體類型,具體質(zhì)量要 求:單元長(zhǎng)度:通常按照10

8、mm劃分,但最小單元長(zhǎng) 度不要小于5mm;單元長(zhǎng)寬比:小于1:5;雅各比:大于O.5;最小四邊形內(nèi)角:大于400;最大四邊形內(nèi) 角:小于135。;最小三角形內(nèi)角:大于15o;最大三角 形內(nèi)角:小于140。;最大翹曲度:小于12。三角形 占全部單元比例:整個(gè)模型最好小于10%,最多不 超過(guò)15%,對(duì)單個(gè)零件的要求可以放松,最多可到 30%(小零件。要對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多零件裝配的車架 做出上述要求的高質(zhì)量網(wǎng)格是相當(dāng)困難的,本文利 用HyperMesh軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行了深入的研 究。如圖2是整個(gè)車架有限元網(wǎng)格模型建立的流程。啦啦型!l廣1蕊r玎 ”arp8甓=000a s p &:t atio

9、=1.01。688le12m:fmln曲974leni山:max-1l 652iskew.=aln.0:8“dJe99v.acobl .I4lano十lJvY 4硇angl。e:“ma”x-翳。墨z.3deae291.圖1一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量參數(shù)圖2建立有限元模型流程圖1.2網(wǎng)格分圓畫法車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各裝配零件都有很多的圓孔, 如工藝孔,螺栓孔等等。這些孔給得到高質(zhì)量的 網(wǎng)格帶來(lái)了很大的麻煩,普通的網(wǎng)格劃分,如自適 應(yīng)網(wǎng)格是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了圖2建立有限元模型流程 圖質(zhì)量要求的,給計(jì)算造成不穩(wěn)定,直接導(dǎo)致模擬 不夠準(zhǔn)確。本文采用一種分圓法,在圓孔處加一 條線,將圓孔一分為二,分別畫網(wǎng)格,可以很大的 改善網(wǎng)

10、格質(zhì)量,如圖3,圖4是用分圓法和沒(méi)用此 法的對(duì)比。此線將圓孔 一分為二圖3原圖形和其生成的網(wǎng)格圖4使用分圓法的圖形和生成的網(wǎng)格由圖3,圖4可以很明顯看出,原圖形得到的網(wǎng) 格紋路凌亂,很多四邊形內(nèi)角過(guò)大或者過(guò)小,明顯不 符合質(zhì)量要求。而采用分圓法,在原圖圓孔處加一 條線,將孔一分為=,在兩邊分別做網(wǎng)格,然后將共 用的節(jié)點(diǎn)合并,便可以得到質(zhì)量相當(dāng)高的網(wǎng)格模型, 如表l是兩副網(wǎng)格模型質(zhì)量結(jié)果的對(duì)比。裹l兩副網(wǎng)格模型質(zhì)量結(jié)果質(zhì)量結(jié)果 原圖形分圓圖形網(wǎng)格四邊形數(shù)量 170184網(wǎng)格三角形數(shù)量 6O網(wǎng)格三角形比例 3.40錯(cuò)誤網(wǎng)格數(shù)量60從表l中可以看出,原圖形做出的網(wǎng)格,三角形 數(shù)量6個(gè),占全部網(wǎng)格數(shù)的

11、3.4%,不合格網(wǎng)格數(shù)量 為6個(gè)。而采用分圓法做出的網(wǎng)格,沒(méi)有三角形,質(zhì) 量全部合格。使用分圓法,將圓孔一分為二,可以很大的改善網(wǎng)格質(zhì)量。第7期 董學(xué)勤等:基于Hyperworks的汽車車架有限元建模及剛度分析1.3裝配零件網(wǎng)格模型連接的處理方法在處理好網(wǎng)格后,要按照實(shí)際情況對(duì)各個(gè)裝配 零件進(jìn)行連接。連接方式的處理對(duì)有限元分析的準(zhǔn) 確也是非常重要的。如在處理前獨(dú)立懸架,則采用 剛杠和多點(diǎn)約束相結(jié)合的方式,模擬其正確的連接 關(guān)系和傳力途徑,其中上下擺臂采用剛桿模擬,扭桿 用與其實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的梁?jiǎn)卧M。車架基本 都是通過(guò)焊接和螺栓進(jìn)行連接,其中焊接又分為點(diǎn) 焊和縫焊例。如圖5列出了在HyperM

12、esh軟件中不 同連接的處理方式。圖5縫焊、點(diǎn)焊、螺栓連接的處理方式圖6車架有限元模型圖和某局部網(wǎng)格放大圖經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分,質(zhì)量檢查,連接處理后便可以得到圖6完整的車架網(wǎng)格模型,此車架共有126個(gè)裝配零件,模型全部采用殼體網(wǎng)格,節(jié)點(diǎn)數(shù)73034,單元數(shù)71593。其中四邊形單元65205。三角形單元1805,三角形單元所占的比例僅為2.7%。1.4按工況要求進(jìn)行約束和施加載荷汽車在靜止和行駛時(shí)都受到各種載荷的作用。在建立車架結(jié)構(gòu)有限元模型時(shí),必須對(duì)載荷進(jìn)行適 當(dāng)?shù)奶幚?以便施加在單元和節(jié)點(diǎn)上。約束主要是 考慮地面通過(guò)前懸后懸給車架傳來(lái)的力和不同工況 下所帶來(lái)的特定限制。剛度是指構(gòu)件或零部件在確 定

13、的外力作用下,不發(fā)生彈性變形或位移不超過(guò)工 程允許的范圍,即構(gòu)件抵抗變形的能力6】。汽車在 各種惡劣的工況下受到的載荷很大。而車架又是載 荷的主要承受對(duì)象,所以對(duì)車架的剛度進(jìn)行校核顯 的尤為重要"】。以本文為例,在車架縱梁中間施加 垂直載荷,約束前懸后懸與車架的連接處。此時(shí)車架 結(jié)構(gòu)處于靜態(tài)彎曲工況,其整體的彎曲剛度可以通 過(guò)車架的最大垂直擾度來(lái)求解。因此。本文對(duì)車架的約束條件為:約束前懸架與 車架連接點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度,約束后懸架與車架 連接點(diǎn)的Y,彳兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度,然后在車架 縱梁中間處加載一對(duì)稱鉛垂方向的集中力,大小分 別為1000N。圖7加載荷的有限元模型 圖8加后懸約

14、束的有限元模型 圖9加前懸約束的有限元模型機(jī)械科學(xué)與技術(shù) 第27卷2CAE仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析應(yīng)用CAE方法進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析時(shí),其 基本理論是一樣的¨1。即以節(jié)點(diǎn)為分析對(duì)象,根據(jù) 各節(jié)點(diǎn)的靜力平衡條件,建立起結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)的靜 力平衡方程式,然后把它們匯集起來(lái),就得到了結(jié)構(gòu) 的整體平衡方程,求解該方程組即可得到各未知節(jié) 點(diǎn)的位移。本文利用MSC公司的Nastran求解器對(duì)該車架 有限元模型進(jìn)行剛度求解。得到圖10,圖11車架 各部分在彎曲工況下的位移變化最終結(jié)果放大100倍的效果圖和位移數(shù)值曲線圖。圖lO最終位移變化結(jié)果放大100倍效果圖(aF=I×103NX(n

15、un圖11受力狀態(tài)下的左右縱梁下部測(cè)點(diǎn)及其在受力后的相對(duì)位移數(shù)值曲線圖本實(shí)驗(yàn)是在單獨(dú)的白車架上進(jìn)行的,按圖7一 圖9進(jìn)行約束,分別在車架縱梁的首尾段,前擺臂, 后懸,中間受力點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量其位移值。與CAE分析 結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。表2靜態(tài)彎曲工況下CAE分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 測(cè)試點(diǎn) CAE分析結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 備注從表2中我們可以看到,在靜態(tài)彎曲工況下,車架的第四橫梁兩側(cè)的縱梁相對(duì)較弱,變形最大,最大位移圖12車架彎曲剛度計(jì)算 為:1.47Inm。其整體的彎曲剛度可以由車架的最 大擾度來(lái)評(píng)價(jià),為了方便起見(jiàn),可以假設(shè)車架是具有 均勻彎曲剛度的簡(jiǎn)支梁,如圖12計(jì)算示意圖。彎曲 剛度值EI(Nin2為

16、E1=型學(xué) (1式中:F是集中力;是軸距;口是從約束點(diǎn)到載荷的 距離;茹是從約束點(diǎn)到z值計(jì)算點(diǎn)的距離;彳是垂直 擾度。根據(jù)所加載荷和解算結(jié)果,取位移最大的一 點(diǎn),并將F=2000N,=2760mm,口=1275lilm,髫= 1546mill,z;1.47mm代人公式(1中,得出彎曲剛 度日值為594803N111。o3結(jié)論通過(guò)有限元建模流程,網(wǎng)格分圓畫法可以得到 高質(zhì)量網(wǎng)格有限元模型。采用殼體單元網(wǎng)格對(duì)車架 離散化、一維單元來(lái)處理各裝配零件網(wǎng)格模型之間 的連接,利用Nastran求解器對(duì)車架進(jìn)行了剛度求解 分析,得出車架在靜態(tài)彎曲工況下與實(shí)驗(yàn)極為相近 的位移分布云圖和相對(duì)位移曲線圖,為車架的

17、設(shè)計(jì) 改進(jìn)提供了必要可靠的數(shù)據(jù)。從而避免了網(wǎng)格質(zhì)量 不好導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。單純依靠研究人員經(jīng)驗(yàn) 和實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn),為CAE有限元法在汽車各方 面應(yīng)用的更準(zhǔn)確打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】3】 黎西亞。李成剛,胡于進(jìn).車架有限元分析技術(shù)發(fā)展綜述J】. 專用汽車。2001。(1:13一15【4】 Gopa|akrishnan R,A因rawal H N.Durabifity Analyst,of Full Automotive Body structur明R】.SAE Transaction。No. 930568.1993:7757915】余志生.汽車?yán)碚?第2版M】.北京:機(jī)械工業(yè)出版社。1

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