车架有限元分析

摘要
现代汽车绝大多数都有作为整车骨架的车架，车架是整个汽车的基体。

汽车绝大多数部件和总成（如发动机、传动系统、悬架、转向、驾驶室、货箱及有关操纵机构）都是通过车架来固定其位置的。

车架的功用是支撑连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。

因此，车架的静、动态特性是其结构设计、改进和优化的依据，是确保整车性能优良的关键因素之一。

本文以6470型SUV车架作为研究对象，分析论证了CAD/CAE技术在汽车车架设计中的应用，主要内容如下：
（1）选取一个SUV车型，通过查找和测量得到其主要的车型参数。

（2）运用CAD软件Unigraphics（简称UG）建立车架的三维模型。

（3）通过UG软件和ANSYS件的无缝连接将车架的三维模型导入ANSYS软件中。

（4）运用ANSYS软件的强大的有限元分析功能对该车架进行网格划分，施加适当的约束和载荷，对车架进行有限元静态分析，从而校核了该车架的强度和刚度，分析结果，校核该车架的强度和刚度能否满足要求。

在建模和有限元分析过程中，就CAD三维实体的建模方法、有限元理论的数学基础、有限元软件ANSYS、CAD软件与有限元接口技术、有限元分析方法的前期后期处理等方面做了研究工作，为后续工作做了较好的技术准备。

关键词：车架；CAD/CAE；ANSYS；有限元分析；静力分析
Abstract
Most modern cars are used as vehicle skeleton frame, which is through the matrix. Most parts and assemblies of a vehicle（such as engine, transmission, suspension, steering, cab, containers and related control mechanism and so on）are all over the frame to a fixed location. The function of a vehicle frame is to support the connection parts, and to take from inside and outside the vehicle loads. So, the static and dynamic analysis characteristics of frame is not only the base of its structure design, improvement and optimization, but also one of the key factors to ensure that vehicle performance.
Finite element analysis has become an essential technology in the design of vehicle structure. As for compute-intensive and the analysis step，intuitive linear analysis of frame is very difficult. And ANSYS Finite element analysis software program can discrete elements into countless units to facilitate analysis, calculation and optimized results.
On this article, 6,470 SUV frame is the objects to be researched to analyze and demonstrate CAD/CAE technique and its application in the design of automobile frame. Mainly as follows:
(1) Select a SUV models，Find and measure its main parameters;
(2)Establish the three dimensional model of the frame by UG;
(3) Import the three dimensional frame model in UG into ANSYS through the seamless connection between UG and ANSYS;
(4) Use the powerful finite element analysis for the frame element mesh, impose the appropriate constraints and loads and make the finite element static analysis of frame to check the strength and rigidity of the frame，
During the modeling and finite element analysis，a lot of research work about the three-dimension solid modeling method, mathematical basis of finite element theory, interface technology of finite element, late and early processing of finite element analysis method is done, preparing for the follow-up work to be done better.
Keywords: Frame, CAD/CAE; ANSYS; Finite Element Analysis; Static Analysis
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章前言 (5)
1.1汽车车架介绍 (5)
1.2国内外研究现状 (6)
1.3研究意义及目的 (7)
第2章软件介绍 (9)
2.1 UG简介 (9)
2.1.1 UG发展综述 (9)
2.1.2 UG软件的优势 (9)
2.2 ANSYS简介 (10)
2.2.1有限元软件ANSYS发展综述 (10)
2.2.2 ANSYS的技术特点 (10)
2.2.3 ANSYS的功能 (11)
第3章车架的建模 (13)
3.1车架结构的简化 (13)
3.2实体车架模型的建立 (13)
第4章车架的有限元分析 (17)
4.1 静力分析基础 (17)
4.2车架静力学分析模型的建立 (18)
4.3 悬架的模拟 (22)
4.4 载荷的处理 (23)
4.5车架静力分析工况及约束处理 (24)
4.5.1 满载弯曲工况分析 (25)
4.5.2 满载扭转工况分析 (30)
4.5.3 满载制动工况分析 (33)
4．5.4满载转弯工况分析 (34)
第5章传统车架计算方法与有限元法比较 (37)
第6章论文总结 (41)
致谢........................................................ 错误!未定义书签。

参考文献.................................................... 错误!未定义书签。

第1章前言
1.1汽车车架介绍
汽车车架是发动机、底盘和车身各总成的安装基础，是汽车的关键承载部件。

车架支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、货箱等，承受着传给它的各种力和力矩。

所以，车架应有足够的强度，使安装在车架上的相关机构的相对位置在汽车行驶时能够保持不变，并使车身的变形最小。

车架也应该有足够的刚度以保证其有足够的可靠性和使用寿命，纵梁等主要零件在试用期内不应该有严重的变形和开裂。

如果车架的刚度不足，将会引起震动和噪声，使汽车的舒适性、操纵稳定性及某些部件的可靠性下降。

但车架的扭转刚度也不宜过大，否则将会导致车架和悬架系统的载荷增加，使汽车的轮胎接地性变差，从而降低通过性。

所以，车架必须满足以下的要求[1]：
（1）车架的结构形式首先应该满足汽车的总布置要求。

在复杂多变的行驶过程中，固定在车架上各总成和部件之间不应该发生干涉。

（2）要有足够的强度和刚度。

在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷的作用下可能产生扭转变形和在纵向平面的弯曲变形。

这些变形会使安装在车架上的各部件之间的相对位置发生变化，从而影响其正常工作。

因此，车架还应该具有足够的强度和适当的刚度。

（3）车架的结构应尽量简单，使得安装于车架上的机件要容易拆装，以便于汽车的维修。

（4）车架的形状应尽可能的配合车身和各总成，以降低汽车的质心，及获得较大的前轮转向角，能够提高汽车的操纵稳定性和机动性。

目前，按车架纵梁、横梁结构特点，汽车车架的结构形式基本上有3种：边梁式车架、中梁式车架（或称脊梁式车架）和综合式车架。

在汽车车架中，应用最为广泛的还是边梁式车架。

边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或者焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。

纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般是槽钢，有的也做成Z字形或箱型断面。

根据汽车形式不同和结构布置的要求，纵梁可以在水平面内或纵向平面内做成弯曲的，以及等断面的或是非等断面的。

横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还可以支撑汽车上的主要部件。

通常，载货汽车有5-6根横梁，有时会更多。

边梁式车架的结构特点是便于安装驾驶室、车厢和一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车。

因此，它被广泛的使用在载货汽车及大多数
的特种汽车上。

1.2国内外研究现状
过去，国内汽车设计的主要手段是用传统的样车和旧车型作参考的模式。

在对车架进行分析设计时经常会对车架进行大幅度的简化。

因为用经典力学对其进行结构分析时，为了能够计算，必须把模型构造的非常简单。

这种方法不但费时费力，大多依靠经验，缺乏科学性，而且也不可能针对多种方案进行评价。

此外，车身车架是一个十分复杂的结构，用经典力学的方法不可能得到精确的解答，特别是在设计的初期不会有实测数据。

所以，以前的设计基本上是依赖于经验和类比，缺乏建立在力学特性、刚度、强度等分析基础上的科学依据。

随着计算机技术的高速发展，汽车车架的结构设计逐渐由传统的经验设计方法转向了现代设计方法。

如模态试验方法、有限元方法等。

其中，有限元方法已经成为建立有限元模型、模拟车架的主要分析途径，并慢慢走向成熟。

有限元法是根据变分原理对数学及物理问题进行求解的数值计算方法，是随着计算机的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方法，是工程方法和数学方法的混合产物，可以用来求解许多过去无法解决的问题。

在国外，有限元法很早就被运用在汽车的结构分析方面。

60年代中后期，国外就开始了对车架的有限元静态分析。

国外十分重视有限元法对车架结构进行辅助设计，并且取得了大量的研究成果。

1970年，美国宇航员利用NASTRAN有限元分析程序，对车架结构进行了静强度分析，从而减轻了车架的自重。

这是最早的车辆轻量化分析。

后来Ao.Kazuo.Niiyama等人详细地介绍了利用有限元静态强度分析结果来指导车架的设计过程[2]。

从70年代起，开始对汽车结构进行动态特性分析，并取得了大量的研究成果。

Krawczuk,Marek等人利用全板壳单元车架有限元模型对一辆货车车架进行比较全面的动态研究[3]。

Kim.H.S.Hum.H分析讨论了车架在较大静态载荷的作用下所变现出来的失效形式，Colomina等人利用有限元法建立了一个载货汽车车架的有限元模型，并对其进行了动态的结构分析，根据分析结果对车架结构进行了优化[4]。

当前，国外各大汽车公司利用有限元软件对车架结构进行静态分析、模态分析的技术已经非常成熟，其工作重心已经转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析的领域。

而随机激励响应分析可以用来对车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析。

我国的有限元理论的研究开始于上个世纪50年代末，我国著名的数学家冯康教授创立了一套现代化、系统化求解微分方程的近似方法，名为基于变分原理它的差分格式。

它
的内容就是当时被国际人士成为的有限元法。

我国大约是在20世纪70年代末才把有限元法应用于车架结构的设计分析中。

1977年，长春汽车研究所的谷安涛和常国振发表的“汽车车架设计计算的有限元法”，是计算机辅助工程在我国汽车行业中的首次应用，为有限元分析在我国的发展打下了重要的基础[5]。

当时研究的内容主要是车架强度分析和如何用梁单元模拟客车骨架等方面。

到了九十年代，有限元分析法迅速的被应用到实际汽车零部件结构的分析中，国内各大汽车公司也正在逐步将有限元分析应用到实际的汽车设计中。

如长春第一汽车厂，他们对所有的重要零部件都进行有限元分析校核，上海大众与同济大学联合建立了桑塔纳车身有限元模型，对车身进行静态扭转计算等等[6]。

而各大高校也都用有限元分析法对车架结构进行分析及优化。

如吉林大学的黄金陵曾经用理论分析了影响车架结构强度和刚度的因素，并在此基础上运用惩罚函数法找到了汽车车架各梁截面参数的最佳值[7]。

武汉理工大学的邓亚东教授对轻型载货汽车车架进行优化设计，并得出优化结果[8]；清华大学的扶原放老师对微型电动车车架进行结构可靠性优化设计，综合考虑了多种行驶状况下的冲击载荷对车架的作用，在这些冲击破坏下对该车架进行优化，从而改进设计结构，基于结构可靠性和有限元法对新设计车架的结构参数进行了可靠性优化设计等等[9]。

1.3研究意义及目的
安全与节能已经成为现代汽车工业的重要主题。

汽车的任何设计都是以保证安全为前提条件的，所以，现代汽车的首要原则就是保证结构性能的安全性。

而车架作为汽车的承载体，不但承担着发动机、底盘和货物的重量，还要承受行驶过程中各部位传来的各种力和力矩。

故而，车架的强度分析尤为重要，这不仅关系到车辆的正常行驶，还关系到整车的安全性能。

所以汽车车架的结构性能分析对汽车安全性起到非常重要的作用。

目前，车架设计一般分为两种：一种是传统设计方法（经验设计法），另一种是现代设计方法（有限元分析计算法）。

由于传统的设计方法所依靠的是经典的经验公式，需对车架结构做大量的简化以便进行分析，所以它带有一定的盲目性，也不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。

因而达不到车架优化设计的目的。

随着现代计算机技术的飞速发展，有限元法已经发展成为一个十分重要的工程计算方法，应用范围也越来越广。

在汽车的设计和研究上，应用有限元法可以对汽车结构进行强度、模态、振动、碰撞等多方面的分析和优化，为汽车的设计、检验、优化提供了参考和指导。

现代设计方法，即有限元分析法，使用有限元分析软件CAE软件和CAD软件，两者并
用，使设计水平发生了质的飞跃。

不仅减少了设计成本，缩短了设计和分析时间，产品和工程的可靠性也得到了提高，还能在制造产品前预先发现潜伏的问题，进行各种模拟试验，减少了试验时间和经费，此外，还能进行机械事故分析，查找事故原因。

从上可以看出，有限元法在汽车产品开发过程中的优势越来越明显，越来越多的汽车公司将有限元分析方法引入到各个关键领域，以提升汽车的整车性能，从而占据市场份额。

本文以6470型SUV车架作为研究对象，用UG软件建立三维实体模型，通过UG软件与ANSYS 软件之间的无缝连接，将三维实体模型导入ANSYS软件，建立有限元模型，运用ANSYS软件强大的分析功能对车架进行结构分析，进而校核该车架的强度和刚度。

通过实例体验CAD/CAE技术在汽车车架设计中的应用。

通过本课题的研究，可达到如下目的：
（1）学习UG，ANSYS软件，建立车架结构的三维实体模型和有限元模型，为有限元技术在车架优化设计中的应用奠定基础。

（2）对所研究的车架进行静态特性分析，为车架的轻量化设计提供理论支持。

第2章软件介绍
2.1 UG简介
UG(Unigraphics)是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAM/CAE与一身的三维机械设计平台，也是如今世界广泛使用的计算机辅助设计、分析及制造软件之一，被广泛的应用在汽车、飞机、机械、消费产品、医疗器械、船只制造等行业，为制造行业产品开发的全过程提供了解决方法[11]。

UG的功能包含概念设计、工程设计、性能分析及制造。

2.1.1 UG发展综述
UG最早应用在美国麦道飞机公司。

该公司是从二维制图、数控加工编程、曲面造型等方面发展起来的。

20世纪90年代初，美国的通用汽车公司选择UG作为全公司的CAD/CAM/CAE的主导系统，推动了UG的发展。

1997年10月，Unigraphics Solutions公司同Intergraph公司签约，合并了Intergraph公司的机械CAD产品，将微机版的Solidedge软件统一到Parasolid平台上。

从而形成了一个从低端到高端，既有Unix工作站版，也有Windows NT微机版的比较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。

1991年，UG并入美国的EDS公司，2001年9月，与SDRC公司一同并入EDS公司，并在2005年推车了UG的最新版本UG4.0。

它集成了美国航空航天、汽车工业的经验，成为机械集成化CAD/CAE/CAM的主流软件之一。

知识驱动了自动化技术领域中的领先者实现了将设计的优化技术与基于产品和过程的知识工程相结合，在航空航天、汽车、通用机械、医疗器械、工业设备及其他高科技应用领域的机械设计、模具加工自动化领域得到了广泛的应用，大大改进了工业生产率。

它采用的是基于约束的特征建模和传统的几何建模为一体的复合建模技术。

在曲面造型、数控加工方面是UG 的强项，而分析方面相对较弱。

但UG提供了分析软件NASTRAN 、ANSYS 、PATRAN接口，注塑模分析软件MOLDFLOW、机构动力学软件IDAMS接口等，以便于对模型进行分析。

2.1.2 UG软件的优势
（1）能够为机械设计、模具设计和电器设计单位提供一套完整的设计、分析、制造方案；
（2）它是一个完全的参数化软件，能为零部件的系列化建模、装配、分析提供强大的基础支持。

（3）能够管理CAD数据和整个产品的开发周期中所有的相关数据，能实现逆向工程
和并行工程等先进的设计方法。

（4）可以完成包括自由曲面在内的复杂模型的建模，同时还可以在图形显示方面运用区域化管理，节约系统资源。

（5）拥有强大的装配功能，并且在装配模块中运用了引用集的设计思想。

有效地解决了节省计算机资源的问题，极大地提高了设计效率。

随着UG版本的提高，软件的功能越来越强大，复杂程度也随之增加，。

对于汽车设计者来说，UG是使用最广泛的设计软件之一。

目前，国内的许多院校、研发部门都在使用该软件。

2.2 ANSYS简介
2.2.1有限元软件ANSYS发展综述
ANSYS公司是1970年由美国匹兹堡大学的John Swanson博士创建的，其总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，是目前世界上CAE行业最大的公司。

最初版本的ANSYS只能提供热分析和线性分析的功能，是一个批处理程序，而且仅能在大型计算机上使用。

20世纪70年代，随着非线性、子结构和更多的单元类型的加入，ANSYS软件发生了巨大的变化，新技术的融入进一步满足了用户的需求；70年代末，交互方式加入ANSYS，使软件发生了显著的变化，使模型生成和结果评价大为简化。

40年来，ANSYS公司一直致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法，和计算技术，领导着世界有限元技术的发展 [12] 。

2.2.2 ANSYS的技术特点
与其他的有限元分析软件相比较，ANSYS具有以下技术特点：
1．能够实现多场和多场耦合功能；
2. 集前后处理、分析求解与多场分析于一体；
3. 具有独一无二的优化功能，是唯一具有流场优化功能的CFD软件；
4. 具有强大的非线性分析功能；
5. 具备快速求解器；
6.是最早采用并行计算技术的FEA软件；
7.从微机、工作站、大型机直至巨型机的所有硬件平台上，全部的数据文件都兼容；
8.支持从PC、WS到巨星级的所有硬件平台；
9.从微机、工作站、大型机到巨型机的所有硬件平台，具有统一的用户界面；
10、能与大多数的CAD软件集成并有接口；
11、可以进行智能划分网格；
12、具有多层次、多框架的产品系列；
13.具备良好的用户开发环境。

2.2.3 ANSYS的功能
ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块。

前处理模块拥有强大的实体建模及网格划分工具，方便用户构造有限元模型。

求解模块包含结构分析（结构线性分析、结构非线性分析及结构高度非线性分析）、热分析、流体动力学分析、声场分析、电磁场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可以模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可以将计算机结果用彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示等方式显示，也可以将计算结果用图表、曲线的形式显示或输出。

ANSYS软件为用户提供了100多种的单元类型，以模拟实际工程中的各种结构和材料。

（1）前处理模块
单击实用菜单中的“Preprocessor”,进入ANSYS的前处理模块。

这个模块主要有三部分内容：参数定义、建立有限元模型和网格划分。

①参数定义
ANSYS软件在建立有限元模型的过程中，首先需要进行相关的参数定义，主要包括定义单位制、定义单元类型、定义单元实常数、定义材料模型和材料特性参数、定义几何参数等。

在定义单位制的时候，除了磁场分析以外，ANSYS软件可以使用任一种单位制，但是一定要保证单位制的统一。

建立有限元模型或是对有限元模型进行网格划分之前，必须先定义相应的单元类型，而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特性。

材料模型和材料特性参数能够表征实际工程问题所涉及材料的具体特性，所以，材料模型的正确选择和材料参数的精确输入是实际工程问题得到正确解答的关键。

②建立有限元模型
ANSYS软件提供了4种方法来建立有限元模型：直接建模，实体建模，导入在计算机辅助设计系统CAD中创建实体模型，导入在计算机辅助设计系统CAD中创建的有限元模型。

③网格划分
ANSYS程序为用户提供了使用便捷、高质量的对几何模型进行网格划分的功能。

包括4种划分方法：自由网格划分，映射网格划分，延伸网格划分和自适应网格划分。

（2）求解模块
求解模块是ANSYS软件对所建立的有限元模型进行力学分析和有限元求解的模块，在这个模块中，用户可以定义分析类型及分析选项，施加载荷及载荷步选项。

①定义分析类型和分析分析选项
根据所施加的载荷条件和所要计算的响应选择分析类型。

ANSYS软件提供的分析类型有静态（稳态）分析、瞬态分析、模态分析、谐波分析、谱分析、挠度和子结构。

定义完分析类型后，用户可以根据分析类型来定义分析选项。

②载荷
在ANSYS软件中，载荷分为位移载荷、力或矩阵、面载荷、体积载荷、惯性载荷及耦合场载荷。

③指定载荷步
载荷步选项是用来更改载荷步的，例如子步数、载荷步的结束时间以及输出控制等。

④求解子模块
ANSYS软件的求解模块包含结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析及压电分析。

（3）后处理模块
当ANSYS完成计算后，可以通过后处理器来观察结果。

ANSYS软件的后处理包括两个部分：通用后处理模块和时间历程响应后处理模块。

通过友好的用户界面，很容易就可以获得求解过程的计算结果，并对其进行显示。

这些结果可以是位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以是图形显示或者数据列表。

第3章车架的建模
3.1车架结构的简化
汽车车架是一个复杂的空间的薄壁结构，若要全部如实的考虑它的结构是很困难的，因此，必须对其进行简化[15]。

有限元计算模型的建立，即模型化，是有限元法的一个重要的步骤。

模型化就是要确定节点，并选择单元类型，也就是将结构离散化或者单元的划分过程。

简化结果时要以主要的力学特征为前提，也就是要力求每个单元与实际结构之间的几何类型一致，还要与单元传递的动力学特性相一致。

结构简化要遵循一定的原则：在保证能够充分反映实际结构力学性能的前提下做些必要的简化。

有限元分析的目的是分析整体车架的强度和薄弱环节等的力学特性，太过细致地描述细小的结构不仅会增加建模时的难度，还会增加节点的数目，而且会使有限元模型的单元尺寸变化过于突然，影响计算的精度。

在能充分反映结构的主要力学特性的前提下，应尽量使用较少的单元，选取简单的单元类型，以便达到既合理又经济的目的。

为了提高软件分析的效率，减少分析计算中不必要的时间，在UG中建立车架的三维实体模型时，对一些工艺结构和附属结构进行了简化，所依据的简化规则为：（1）对分析结果影响较小的孔忽略不计：直径小于15mm。

车架纵梁上有许多装配用孔，虽然这些小几何体对整个车架的强度和刚度的影响不大，但对接下来的车架分析计算很是不利。

这些细节在划分网格是会产生许多网格，网格的质量将会降低，从而导致计算量大，计算精度降低。

（2）结构中不受力的结构忽略不计。

有的部件是为了满足使用上的要求而设计的，并不是依据强度要求设计的，因而可以忽略；
（3）将结构中较小的圆角变为直角。

构件上还有些过渡圆角，和小孔一样，对计算分析产生的影响较小，故将其忽略。

3.2实体车架模型的建立
本文研究的是6470型SUV车架，该车架有两根纵梁，五根横梁，一根扭杆梁，一根变速箱梁和前后副杠组成，以焊接方式构成刚性结构。

通过对该车架的数据分析，在三维制图软件UG中建立了车架的三维实体模型，步骤如下：
1、通过构建基准平面，创建草图，草图拉伸，建立车架左侧纵梁，并以YZ面为镜像。