基于ANSYS的车架有限元分析

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。

关键字：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析

The automobile which has developed for 130 years, security and energy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic part and the main bearing part. It has the function of connecting all parts of the vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the vehicle. The performance of frame structure affects whether the automobile property 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 model 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 of bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the figure of displacement and stress, it provide theoretical support for the automobile design 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 comfort and improve the level of vehicle design.

Keywords: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis

目录

1 绪论 (1)

1.1 概述 (1)

1.2 研究背景 (1)

1.3 有限元法的应用与发展 (2)

1.4 选题的目的与意义 (2)

1.5 本文的主要研究内容 (3)

2 基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模 (4)

2.1 有限元法简介 (4)

2.2 CATIA软件简介 (6)

2.3 车架几何模型建立 (7)

2.3.1车架几何模型简化 (7)

2.3.2 车架几何模型建立 (7)

2.4 车架有限元模型建立 (10)

2.4.1 网格划分前处理 (10)

2.4.2 车架有限元网格的划分 (10)

3 车架有限元静态分析 (13)

3.1 汽车车架刚度理论 (13)

3.1.1 汽车车架弯曲刚度 (13)

3.1.2 汽车车架扭转刚度 (13)

3.2 车架载荷分类与处理 (13)

3.2.1 静载荷 (13)

3.2.2 动载荷 (14)

3.3 车架工况的有限元分析 (14)

3.3.1 满载弯曲工况 (14)

3.3.2 满载扭转工况 (16)

3.3.3 紧急制动工况 (18)

3.3.4 紧急转弯工况 (19)

4 车架有限元模态分析 (21)

4.1 模态分析简介 (21)

4.2 模态分析基本理论 (21)

4.3 车架的模态分析 (22)

4.4 车架模态分析结果评价 (27)

结论 (29)

致谢 (31)

参考文献 (32)

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[1]，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[1]。

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。

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。