基于ANSYS的车架结构优化设计

1.3 本文的主要研究内容
本文以某运油车的车架为研究对象， 运用 CATIA 软件对车架模型进行简化与 建立，利用 ANSYS 对车架进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束。 对车架进行包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，对 位移图与应力图进行分析， 为提高车架与整车的设计水平提供了理论基础，对提 高安全性与节能提供了理论价值。同时也对车架进行了模态分析，得出固有频率 与振型图， 提高整车的设计水平， 对提高乘坐舒适性与避免共振提供了理论支持。
2 基于 CATIA 与 ANSYS元分析分为三个阶段， 即前处理是对几何模型划分网格，建立能够求解 的有限元模型；处理是施加作用力，进行自由度约束，建立边界条件进行求解的 过程；后处理是使用户查看求解分析结果，分析计算问题的实质，方便后期研究 分析。 （1） 有限元法的分析步骤 有限元求解问题的基本步骤包括： ① 结构离散化。 ② 选择位移模式。 ③ 分析单元的力学特性。 ④ 把所有离散单元的平衡方程整合成一个整体平衡方程。 ⑤ 由平衡方程求解节点位移。 ⑥ 计算单元应变和应力。 （2） 有限元法的特点 ① 对复杂几何构形的适应性 单元具有良好的空间性， 并且具有不同的形状与连接方式，在实际的应用领 域中许多繁琐复杂不规则的结构都可以进行网格划分建立有限元模型。 ② 对各种物理问题的适用性 由于场函数形式并未受到限制，因此适用于各种力学，电磁学等有关问题， 而且还可以用于相互耦合的各种物理有关的问题[7]。 （3） ANSYS 单元库体系 ANSYS 单元库体系中有对各种问题分析时所需的单元类型，每种单元类型都 有一个特定的标识，例如，SOLID45，SHELL28，BEAM24 等单元类型，其数字表 示编号，数字前面的是表示单元类型的前缀[9]，SOLID 表示实体单元，SHELL 表 示壳单元，BEAM 表示板单元。主要类型见表 2.1。
基于 ANSYS 的车架结构优化设计
Optimization Design of Frame Structure Based on ANSYS
摘要： 汽车经过 130 多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要内容。在汽车结构中， 车架作为整车的基体和主要承载部件， 具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车内、 外各 种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。 本文以某运油车车架为研究对象，运用 CATIA 软件对车架模型进行简化与建立，利用 ANSYS 软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进 行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为 汽车安全与节能设计提供了理论支持。 同时对车架也进行了模态分析， 得出车架的固有频率 与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。
关键词：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析
Key words: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis
1 绪论
1.1 概述
最初汽车的发展， 通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。这种方法不 仅浪费财力人力，而且生产周期长，研发效率低，不能适应现代产品高效开发的 要求，且只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助相 关人员了解问题的实质[1]。 随着计算机信息技术与相关学科和方法的迅速发展极大地促进了相关行业 和科学研究地进步，出现了新兴的综合延伸高效的学科。CAE 作为一种新兴的数 值模拟分析技术 ，逐渐应用到更为广阔的科学研究领域中。在某种意义上数值 模拟比传统方法对问题的认识更加深刻，更为严谨，不仅可以分析问题的结果， 而且还可以动态地、 随时连续地观察事物的发展，细致地了解整体与局部的发展 过程 。 其中，近年发展起来的各种数值模拟仿真方法如有限元、多体动力学、计算 流体力学等技术在产品结构分析设计中得到大量应用， 可以解决以往手工计算无 法解决的许多问题， 提高了行业竞争力，为企业带来了巨大的经济效益和社会效 益[2]。作为汽车总成的一部分，车架承受着汽车内外各种复杂激励的作用，而且 汽车上许多重要零部件都以车架为基体[3]，因此，设计出包括安全节能在内的各 方面性能良好的车架是重要的工作。
3.2 车架工况的有限元分析
通常路况与车况具有很大的随机不确定性， 则车架受到的汽车内外各种激励 也就充满复杂性。 车架受到的载荷按作用表现形式主要有以下几种，包括货物在 内的汽车各总成零部件在重力作用下所产生的载荷称为弯曲载荷； 由于路面粗糙 度以及汽车行驶速度的影响， 汽车在行驶过程中通常会有某一车轮处于悬空状态， 致使车轮支撑不均衡， 这就容易导致车架受力不均匀而产生扭转载荷；由于路况 的随机性， 会导致汽车在良好路面频繁加速以及在状况不好的路面频频制动减速， 另外还有爬坡与下坡等状况， 致使车架在惯性力的作用下产生纵向载荷；由于路 况的变化，汽车需要急转弯等转弯状况时，由于存在向心加速度，会使车架产生 横向的力， 通常称为侧向载荷。 我们通常把引起上述四种载荷的工况为汽车行驶 时的典型工况，即弯曲工况、扭转工况、紧急制动和紧急转弯工况。在各个工况 的分析中， 要保证车架的使用要求， 即车架的性能参数均应满足材料的性能参数， 以保证汽车各方面的性能。其中，车架所采用材料为 Q235 钢，其屈服强度为 235Mpa，抗拉强度为 375—460Mpa。 3.3.1 满载扭转工况 利用 ANSYS 软件对车架施加作用力与重力加速度，计算时约束右前轮 UX、 UY， 约束右后轮 UX、 UY、 UZ， 约束左前轮 UY,移动量为 0.1， 约束左后轮 UY、 UZ； 释放其他自由度 （横向：X， 垂直： Y，纵向：Z） 。扭转工况分析与弯曲工况类似， 只需按照步骤（2）添加自由度约束即可。计算得出满载扭转位移图（如图 3.5 所示）和应力图（如图 3.6 所示） 。
表 2.1 ANSYS 单元库体系 Tab. 2.1Cell library system of ANSYS 单元类别 结构点单元 结构线单元 单元维数 --2D 单元名称 MASS21 LINK1
3D 2D 结构梁单元 3D 2D 结构实体单元 3D 2D 结构壳单元 3D 结构管单元 结构界面 结构多点约束单元 联接单元 3D -------
Abstract: The automobile which has developed for 130 years, security and en
ergy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic p art and the main bearing part. It has the function of connecting all parts of th e vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the veh icle. The performance of frame structure affects whether the automobile propert y is good or not. In this paper, the frame of a fuel tanker is studied. We simplify and establish the model of frame by CATIA. The parameter of the frame is defined. The m odel of frame is meshed by ANSYS. Add the force and freedom of the model of frame by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation o f bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the figure of displacement and stress, it provide theoretical support for the automobile desig n of security and energy saving. At the same time, the modal analysis of the frame is also studied. Based on the frame of natural frequency and vibration mode, it provide theoretical basis for avoiding resonance and improving ride co mfort and improve the level of vehicle design.
3 车架有限元静态分析
3.1 车架载荷分类与处理
3.1.1 静载荷 汽车静止时， 车架只承受簧以上的负荷， 它是由车骨架结构自身产生的重量、 车架上各零部件总成的重量及有效负荷组成，这些负荷的总和叫做静载荷。 对负荷进行处理，发动机、变速箱、油箱、水箱等总成零部件，其作用力作 用在车架的节点上，把他们作为集中力来处理。而对于货物和驾驶室来说，由于 他们在车架上的分布较为均匀， 所以把货物和驾驶室的作用力，处理为他们作用 面的平均力。车架的自身重量用重力加速度来表示，人的重量按每人 65Kg 进行 计算，按乘坐 3 人考虑。考虑到与实际情况的差异以及分析计算时的难度等，主 要考虑以下作用力， 发动机 4510N， 变速器 1460N， 轮胎 225.4N， 油箱 1626.8N， 货物 46354N，驾驶室 6321N。
2.2 车架几何模型建立
2.2.1 车架几何模型简化 使用 CATIA 建立几何模型，简化结构的思路是： （1） 尽可能使建模简化 如果不对复杂结构进行简化，则划分的节点与单元数量庞大，分析时耗费的 资源就越多，严重时导致分析计算崩溃。所以建立几何模型时，由于纵梁与横梁 的连结为焊接和铆接， 所以将纵梁与横梁简化为整个刚体，另外忽略车架结构中 得一些配件安装的辅助结构，例如吊耳等，既有利于简化几何建模，也有利于对 几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型。 （2） 忽略细节特征 在建立几何模型时， 忽略对整体结构分析产生较小影响的局部特征，将一些 过渡结构简化为原来的结构形状，同时将小孔以及倒角等特征简化为原实体，避 免分析时出现错误。
LINK31、LINK160、LINK167 BEAM3、BEAM23 BEAM4、BEAM161、BEAM188 PLANE55、PLANE121、PLANE230 SOLID70、 SOLID97、 SOLID123、 SOLID168、 SOLID231 SHELL61、SSHELL209 SHELL163、SHELL281 PIPE288、PIPE289 INTER202、INTER204 MPC184 COMBIN165、COMBIN214
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1.2 研究背景
有限元法已成为汽车设计研制中的一个重要环节，在汽车研究的过程中，包 括如车架、车桥、车身、悬架、发动机箱体、曲轴、离合器等总成以及 NVH 分析 都要通过有限元进行校核和优化，大大的提高了汽车设计的水平和研发能力。 目前，车架进行设计时，设计研究人员通常会简化车架。但是，简化车架容 易导致两个问题：车架简化过多导致求解精度不够，容易使车架产生安全问题， 同时为避免安全问题而使汽车设计过于安全，使资源耗费较多，增加了成本，不 利于实现汽车轻量化和节能减排的设计理念；车架的设计与计算不同步，造成设 计人员与制造人员沟通不顺畅， 很难达到技术目标的质量和设计的要求，不利于 提高车架设计人员的设计水平和生产效率。 现代车架设计已发展到包括动态仿真分析、优化设计等在内的计算机分析、 优化和仿真阶段[4]。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架重要 的研究方法。 本文用 ANSYS 软件对某型运油车的车架进行静态与动态分析，对进 一步研究设计提供了有效的理论依据。