載重汽車車架有限元分析
載重汽車車架有限元分析,載重汽車,車架,有限元分析
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 載重汽車車架有限元分析
學(xué)生姓名：
二級(jí)學(xué)院：
班 級(jí)：
提交日期：
目錄
目 錄
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1 緒 論 1
1.1研究意義和目的 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3研究?jī)?nèi)容 2
2車架設(shè)計(jì) 3
2.1車架的類型 3
2.2車架的結(jié)構(gòu) 4
2.2.1車架寬度確定 4
2.2.2車架縱梁形式確定 5
2.2.3車架橫梁形式確定 5
2.3車架的材料 5
2.4車架的受力分析 5
2.4.1縱梁的彎矩及彎應(yīng)力 6
2.4.2縱梁的截面 7
2.4.3彎曲應(yīng)力計(jì)算與校核 7
2.4.4 車架的扭矩及扭轉(zhuǎn)角計(jì)算 8
2.5本章小結(jié) 8
3 車架三維模型的建立 9
3.1 CREO軟件介紹 9
3.2 三維模型的建立 9
3.3本章小結(jié) 18
4 車架有限元分析 19
4.1 有限元基本方法介紹 19
4.2 ANSYS軟件介紹 19
4.3導(dǎo)入模型 20
4.4單元的類型 21
4.5車架的材料 21
4.6劃分網(wǎng)格 22
4.7網(wǎng)格的質(zhì)量檢查 23
4.8靜力分析 23
4.8.1 彎曲工況 23
4.8.2 扭轉(zhuǎn)工況 25
4.8.3緊急制動(dòng)工況 26
4.8.4緊急轉(zhuǎn)彎工況 27
5 車架的模態(tài)特性分析 28
5.1模態(tài)分析的理論 28
5.2模態(tài)分析 29
6 結(jié)論 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
摘要
載重汽車車架有限元分析
摘 要
汽車在現(xiàn)代社會(huì)中的重要性越來越高，而車架又是汽車十分重要的組成零部件之一。車架承載著汽車絕大多數(shù)部件和總成，是整個(gè)汽車的基礎(chǔ)。因此對(duì)車架進(jìn)行分析，了解其工作狀態(tài)顯得尤為重要。在設(shè)計(jì)時(shí)為了使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，而簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)分析無(wú)法滿足需要，因此選用有限元方法來分析車架。
首先，對(duì)車架進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。然后利用CREO軟件，對(duì)車架進(jìn)行三維建模,并導(dǎo)入ANSYS軟件中，對(duì)車架在四種工況（轉(zhuǎn)彎工況、彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、制動(dòng)工況）時(shí)進(jìn)行應(yīng)力分析。最后對(duì)車架在自由狀態(tài)下的模態(tài)進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：載重汽車；車架；有限元；模態(tài)
Ⅰ
Abstract
Finite Element Analysis of a Truck Frame
Abstract
Cars are becoming more and more important in the modern society, while the frame is an important part of the car. Frame carrying the car most of the parts and assembly, is the foundation of the whole car. Analyze the frame, therefore, it is particularly important to understand its working state. When the design in order to make the results more accurate, and simple mathematical analysis cannot meet the need, so choose the finite element method to analyze the frame.
First, this paper calculated frame simple data structure. Then using CREO software, 3 d modeling was carried out on the frame, and import the ANSYS software。The stress analysis was carried out on the frame when four conditions(turning condition, bending condition, working condition, reverse brake condition). Finally, the frame in the free state of modal is analyzed.
Keywords: truck; frame; finite element; modal
Ⅱ
第1章 緒論
1 緒 論
1.1研究意義和目的
如今，貨車的車架是整車型的骨架，用于連接各個(gè)部件和總成，同時(shí)還需要承受來自不同大小和方向的載荷。因?yàn)檐嚰苁芰顩r復(fù)雜，所以需要有足夠剛度和強(qiáng)度來應(yīng)對(duì)各種狀況。例如車架剛度對(duì)汽車的通過性、汽車的載荷、輪胎接地性、震動(dòng)和噪音都有影響。因此為了提高汽車的工作穩(wěn)定性，對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的尺寸分析和優(yōu)化顯得尤為重要。
當(dāng)下，在我們平常的生活當(dāng)中，車的地位已經(jīng)排在了首要位置。而同時(shí)，車輛產(chǎn)業(yè)也正在不斷得提高，不停地變化出新的技術(shù)。其提速的跟本原由是：人們對(duì)于車輛，乘坐是否舒服，是否安全之類的要求更加嚴(yán)格。為了迎合這種提高的各項(xiàng)要求，車架也在持續(xù)變換著它的形式。
最近20年以來，人們對(duì)汽車的安全性愈發(fā)重視。車架要避免在正常行駛時(shí)發(fā)生事故，同時(shí)也要保證乘員的安全。因而需要對(duì)車架進(jìn)行更加精確的靜力分析。當(dāng)汽車靜止時(shí)，汽車所有的重力都作用在車架上，縱梁容易造成縱梁局部扭轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車行駛時(shí)，車架會(huì)承受到來自于汽車各零部件本身已有質(zhì)量和各種工況下受到的不同大小、不同方向的載荷，所以車架的彎曲、扭轉(zhuǎn)的程度更加嚴(yán)重。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
貨車車架主要由兩根互相平行的縱梁上連接若干橫梁形成的結(jié)構(gòu)。貨車的車體和車架不同于轎車的一體式，是單體車架，有助于大批量模塊化生產(chǎn)。因此造車廠能夠在不同款車型上使用同一款的車架，大幅提高了經(jīng)濟(jì)效益。隨著對(duì)汽車要求的提高,有限元方法已經(jīng)是必不可少的手段，計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用也越來越頻繁。
國(guó)外使用有限元法計(jì)算車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度起始于上世紀(jì)六十年代。美國(guó)宇航局首次使用有限元分析,較精確的分析了車架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度及剛度，由此改進(jìn)了車架。如今，有限元技術(shù)被外國(guó)的汽車廠商廣泛運(yùn)用于分析車架的靜態(tài)分析、模態(tài)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。
我國(guó)利用有限元法分析和設(shè)計(jì)車架的年代較晚，而且由于有限元軟件不到位和缺乏研究經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力分析不精確。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，有限元方法已經(jīng)被我國(guó)絕大多數(shù)的汽車企業(yè)采納，分析結(jié)果也令人滿意。
1.3研究?jī)?nèi)容
（1）以載重汽車車架為對(duì)象，使用軟件進(jìn)行三維建模。
（2）把繪制完成的模型導(dǎo)入到中，對(duì)四種工況下的車架受力情況進(jìn)行計(jì)算與分析。
（3）利用對(duì)車架進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，計(jì)算得到車架的固有的頻率和振型。
（4）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納與分析，判斷車架是否可靠。
2
第2章 車架設(shè)計(jì)
2車架設(shè)計(jì)
2.1車架的類型
（1）X形車架
X形車架一般多用于轎車。車架的前后端焊接成X形，再用若干根橫梁將前后叉形邊梁相連接，這樣有助于提高抗扭轉(zhuǎn)剛度。前端是被用來支撐傳動(dòng)裝置系統(tǒng)，而車架的后端則是被用來固定后橋。車身地板中部有縱向鼓包，導(dǎo)致中部比兩側(cè)地板要高。
圖2.1 X形車架
（2）周邊式車架
周邊式車架可以通過緩沖臂的微量彈性變形，達(dá)到降低震動(dòng)、提高乘坐舒適性的目的。前后縱梁處的結(jié)構(gòu)向上彎曲以空出前后懸架或后橋空間。該種車架的中間部分比較寬，提高了汽車的穩(wěn)定性。汽車地板傳動(dòng)軸通道所形成的縱向鼓包較小。
（3）中梁式車架
中梁式車架由一根從中間穿過整個(gè)汽車的縱梁和一些懸伸架組成的。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于橫向彎曲及其水平菱形扭動(dòng)有很好的抵御作用，允許車輪運(yùn)動(dòng)空間較大。但該款車架制造工藝復(fù)雜，維修不便。
圖2.2中梁式車架
3
（4）邊梁式車架
這種車架一般用于載貨汽車上。此類車架又稱為梯形車架，是由兩根相互平行的縱梁和幾根橫梁焊接成的車架，縱梁開口朝內(nèi)，橫梁沖壓開口。該款車架可改空間大，可用于不同款車輛，節(jié)約人力和物力。
邊梁式車架使用焊接方法連接縱梁和橫梁，安全可靠，零部件及總成安裝方便。不足之處是車架受力時(shí)，容易造成扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形。
圖2.3邊梁式車架
（5）綜合式車架
此類車架
是由中梁式和邊梁式車架組合成的。綜合式車架的抗扭剛度高，但是中間的縱向鼓包較大，制造工藝復(fù)雜。
此次研究的載重汽車車架是邊梁式。車架縱梁上、下表面為平直，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，工作比較可靠。零部件和總成在車架上安裝簡(jiǎn)單便捷，所以載重貨車使用較多。
2.2車架的結(jié)構(gòu)
2.2.1車架寬度確定
車架寬度是指兩側(cè)縱梁外腹板間的距離。發(fā)動(dòng)機(jī)的外輪廓寬度、前輪的最大轉(zhuǎn)角、車架的外側(cè)輪胎寬度、鋼板彈簧的寬度等都會(huì)對(duì)車架的寬度造成影響。汽車的穩(wěn)定性能可以通過加大車架寬度來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)規(guī)定汽車的寬度小于等于公路標(biāo)準(zhǔn)（），而且車架寬度不能干擾汽車零部件的布置。因此同時(shí)滿足上述要求比較困難，本次方案選擇車架前后等寬的樣式、寬度取。
4
2.2.2車架縱梁形式確定
縱梁是車架結(jié)構(gòu)中最大的加工件，其形狀要求簡(jiǎn)單，以便簡(jiǎn)化工藝，降低制造難度。縱梁的形狀主要分為平直的上翼面和彎曲的上翼面兩種。
當(dāng)采用平直的上翼面時(shí)，與縱梁接觸的貨箱的底部平整，而且縱梁制造工藝簡(jiǎn)單。
當(dāng)采用彎曲的上翼面時(shí)，縱梁部分會(huì)較低，對(duì)應(yīng)的地板高度也會(huì)降低，汽車的穩(wěn)定性得到優(yōu)化，上、下車方便。缺點(diǎn)是制造工藝較為復(fù)雜成本較平直面高。
槽型的斷面梁剛度和強(qiáng)度高、有利于布置線路、安裝與緊固零件方便。
根據(jù)要求，本次方案中縱梁整體設(shè)計(jì)為上、下表面平直，開口向內(nèi)的槽型鋼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度取。
2.2.3車架橫梁形式確定
橫梁的作用是將左右縱梁連接起來，支承某些總成，并保證車架有足夠的抗扭轉(zhuǎn)剛度。
根據(jù)題意，采用開口截面橫梁。
表2.1
橫梁編號(hào)
與頂端的距離（mm）
橫梁寬度（mm）
樣式
1
120
53
槽型
2
520
100
凹形
3
1600
200
凸形
4
3000
200
凸形
5
3747
53
槽型
6
5147
53
槽型
7
6147
53
槽型
2.3車架的材料
選取車架材料時(shí)設(shè)計(jì)要求。選用的車架材料和后續(xù)的制造工藝息息相關(guān)。據(jù)要求，我們采用的鋼板材料為16錳鋼：疲勞極限為 ，對(duì)稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限為，彈性模量，材料密度。
2.4車架的受力分析
車架承受的載荷有：（1）靜載荷：汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，懸架所受到的載荷。（2）斜對(duì)稱的動(dòng)載荷：汽車行駛在崎嶇不平的道路上時(shí)產(chǎn)生的，會(huì)對(duì)車架產(chǎn)生扭曲變形（3）對(duì)稱的垂直載荷：汽車快速行駛于平緩道路上時(shí)產(chǎn)生的，會(huì)對(duì)車架產(chǎn)生彎曲變形。（4）其他載荷：汽車在行駛過程中還承受如汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向載荷；車架上的不同零部件和各類總成在工作時(shí)候產(chǎn)生的載荷等。
車架的受力情況復(fù)雜，因此我們把車架簡(jiǎn)化成如圖2.4所示的結(jié)構(gòu)。
5
圖2.4 簡(jiǎn)化后車架
，，，，，，，整備質(zhì)量,載貨重量，滿載質(zhì)量，是截面到前輪中心的距離。
2.4.1縱梁的彎矩及彎應(yīng)力
大部分彎曲力矩都被施加在車架的縱梁上。假設(shè)縱梁為支承在前、后軸上的簡(jiǎn)支梁時(shí)，將車架的縱梁所受載荷簡(jiǎn)化為均布在載荷?？哲嚂r(shí)的負(fù)荷 (一般取)均勻分布在縱梁的全長(zhǎng)上。滿載狀態(tài)時(shí)，載荷均勻分布縱梁長(zhǎng)度范圍之間。
（2.4）
求出前支撐反力為：
（2.5）
在駕駛室的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，計(jì)算這一段縱梁的彎矩為：
（2.6）
駕駛室后面部分到后一根軸之間距離的縱梁彎矩大小為：
（2.7）
根據(jù)彎矩差法，縱梁的任意斷面彎矩大小為：
（2.8）
縱梁的最大彎矩一定發(fā)生在該段縱梁內(nèi)。通過求導(dǎo)數(shù)并令其為零可以得到他的位置。
（2.9）
6
將代入公式（2.7），得到縱梁最大彎矩：
縱梁的最大彎應(yīng)力公式為：
（）
其中：疲勞安全系數(shù)，動(dòng)載荷系數(shù)
表2.2 槽形斷面
2.4.2縱梁的截面
由表2.2可知槽型斷面縱梁彎曲截面系數(shù)：
（2.11）
表2.3 截面參數(shù)
截面的高度
h
100
截面的寬度
b
48
截面的厚度
t
9
則：
2.4.3彎曲應(yīng)力計(jì)算與校核
材料的許用應(yīng)力：
(2.12)
7
則,符合要求。
2.4.4 車架的扭矩及扭轉(zhuǎn)角計(jì)算
最大扭矩：
（2.13）
即
扭轉(zhuǎn)角：
（2.14）
表2.4參數(shù)
橫梁的數(shù)量
n
兩橫梁之間的縱梁區(qū)間數(shù)
m
車架寬度
c
截面的極慣性矩（）
泊松比
扭矩（）
T
長(zhǎng)度（mm）
剪切彈性模量（Mpa）
剪切彈性模量：
（2.15）又因?yàn)椋?
即
2.5本章小結(jié)
根據(jù)本章所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以得到所設(shè)計(jì)車架的參數(shù)，并判斷出所設(shè)計(jì)的車架各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。
8
第3章 車架三維模型的建立
3 車架三維模型的建立
3.1 CREO軟件介紹
Creo 2.0操作軟件是美國(guó)PTC公司(Parametric Technology Corporation,參數(shù)技術(shù)公司)于2011年10月推出的CAD設(shè)計(jì)軟件包。Creo 2.0 是整合了PTC公司的Pro/Engineer參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)三個(gè)軟件的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包。Creo軟件在三維建模方面很有優(yōu)勢(shì)，使用起來也更為方便，與AutoCAD三維繪制相比，繪圖工具選項(xiàng)變多，使用起來更為人性化，修改尺寸等尤為方便。普通的拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令即可繪出一般實(shí)體的大致輪廓，再通過打孔等命令不斷修正模型。與AutoCAD一樣，Creo有倒圓角以及倒直角等命令，但其所包含的功能更為強(qiáng)大、更為快捷方便。當(dāng)然，其還有螺紋修飾等優(yōu)化功能，能將模型不斷優(yōu)化做到最完美，同時(shí)也可以完成各零部件的裝配甚至還能通過正確約束實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真。此外，Creo還能進(jìn)行曲面操作，通過掃描混合等命令繪出各種復(fù)雜曲面造型。
Creo軟件在航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、 電子電器等廣泛行業(yè)也都得到了十分全面的應(yīng)用，它的集成解決方案幾乎已經(jīng)可以說覆蓋了所有的一切產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。如今，Creo軟件已經(jīng)是國(guó)內(nèi)使用最廣泛的建模軟件。
3.2 三維模型的建立
根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果，開始對(duì)車架進(jìn)行建模。
（1）選擇草繪平面，繪制出縱梁截面，如圖3.1。
圖3.1縱梁截面圖
9
（2）對(duì)槽型結(jié)構(gòu)采用拉伸命令繪出縱梁，如圖3.2。
圖3.2車架一根縱梁
（3）在縱梁外側(cè)面第一根橫梁的位置處繪出支撐塊的草圖，然后拉伸到長(zhǎng)度的一半，如圖3.3。
圖3.3半個(gè)第一橫梁
10
（4）根據(jù)表2.1，繪制第二橫梁的一半，如圖3.4。
圖3.4半個(gè)第二橫梁
（5）根據(jù)表2.1，繪制第三橫梁的一半，如圖3.5。
圖3.5半個(gè)第三橫梁
11
（6）根據(jù)表2.1，繪制第四橫梁的一半，如圖3.6。
圖3.6半個(gè)第四橫梁
（7）根據(jù)表2.1，繪制出第七根橫梁的一半，如圖3.7。
圖3.7半個(gè)第七橫梁
12
（8）根據(jù)表2.1，繪制出第六根橫梁的一半，如圖3.8。
圖3.8半個(gè)第六橫梁
（9）根據(jù)表2.1中的位置，繪制出第五根橫梁的一半，如圖3.9。
圖3.9拉伸半個(gè)第五橫梁
13
（10）使用鏡像命令，對(duì)繪制完成的半個(gè)車架模型做鏡像操作得到另一半，如圖3.10。
圖3.10基本車架結(jié)構(gòu)
（11）在一側(cè)縱梁上鉆出發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔，孔的半徑為R=10mm，如圖3.11。
圖3.11鉆出安裝孔
14
（12）使用鏡像命令，對(duì)繪制完成的2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔做鏡像操作，得到另一根縱梁上的2個(gè)孔，如圖3.12。
圖3.12鏡像操作安裝孔
（13）在一根縱梁的側(cè)面相關(guān)位置處繪制支撐塊，長(zhǎng)度為，如圖3.13。
圖3.13一側(cè)支撐塊
15
（14）使用鏡像命令，對(duì)繪制完成的支撐塊做鏡像操作，在另一根縱梁上得到支撐塊，如圖3.14。
圖3.14鏡像完成繪制鋼板彈簧支承
（15）在左側(cè)縱梁相關(guān)位置處繪制油箱支架，如圖3.15。
圖3.15左側(cè)油箱支架
16
（16）在右側(cè)縱梁相關(guān)位置處繪制出蓄電池支架，如圖3.16。
圖3.16右側(cè)蓄電池支架
（17）在第六橫梁相關(guān)位置出鉆出備胎的安裝孔，直徑R=10mm，如圖3.17。
圖3.17鉆出備胎安裝孔
17
第4章 車架有限元分析
（18）成功建立車架的簡(jiǎn)化三維模型，如圖3.18。
圖3.18車架的簡(jiǎn)化三維模型
3.3本章小結(jié)
本章介紹如何利用車架參數(shù)在Creo中建立車架的三維模型。車架受到來自不同方向和大小的力，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以此處得到的是將車架簡(jiǎn)化后的模型，有利于后期的研究與分析。
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4 車架有限元分析
4.1 有限元基本方法介紹
是一種在今天的工程分析普及和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展過程中發(fā)展起來的計(jì)算方式方法，獲得了廣泛的應(yīng)用于工程分析中。
的基本思想：機(jī)械模型將是一個(gè)連續(xù)的且具有一定大小，節(jié)點(diǎn)的代替作用在單元上具有同等效力的實(shí)際外力的有限元素。每個(gè)單元，都可以選擇一個(gè)函數(shù)來表示位移細(xì)胞內(nèi)的分布。然后建立一個(gè)關(guān)系，之間的位移。最后，組合所有元素之間的關(guān)系，就可以得到一組代數(shù)方程的未知節(jié)點(diǎn)，可由對(duì)象的位移上的有限數(shù)量的離散節(jié)點(diǎn)來獲得。
分析計(jì)算的基本步驟可以分為五步：
（1） 結(jié)構(gòu)離散化：這是第一步對(duì)于有限元分析來說。這個(gè)過程是由各種單元可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型組合而成的，被所述劃分的不同單元之間通過節(jié)點(diǎn)彼此連接。
（2）單元分析：這個(gè)過程包括建立位移模式選擇和剛度方程的。選擇下，對(duì)和收斂的準(zhǔn)確性有很大的影響，通常選擇多項(xiàng)式作為位移模式。單位類型和選定后，則可以創(chuàng)建方程。
（3）整體分析：就是把的方程等集成起來，形成所特有的總剛度方程。
（4）求解有限元，得出位移。我們可以依靠的具體來選擇比較適合的計(jì)算方法。
（5）由的節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元，根據(jù)需要，通過彈性方程和幾何公式來計(jì)算彈性應(yīng)變和應(yīng)力。
4.2 ANSYS軟件介紹
ANSYS有限元分析軟件是美國(guó)一家公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的軟件。該軟件可以與大多數(shù)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享與分析，比如AutoCAD、Creo、CATIA等軟件。
目前ANSYS使用比較廣泛的版本是 ANSYS 10.0 、 ANSYS 12. 0，其最新版本為 ANSYS 16.0。ANSYS 軟件的發(fā)展歷程 ：ANSYS 誕生（ 1970年）→ANSYS 2.0(1972年) → ANSYS 3.0(1979年) → ANSYS 4.0(1984年 ) →ANSYS 4.2 (1985年）→ANSYS 5.0(1993年）→ ANSYS 5.3(1996年) →ANSYS 6.0(2001年) →ANSYS 6.1(2002年) →
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ANSYS 7.0(2002年) →ANSYS8.0(2003年) →ANSYS 9.0(2005年) →ANSYS 10.0(2010年) →ANSYS 11.0(2010年）→ANSYS 12.0(2011年）→ANSYS13.0(2011年）→ANSYS 14.0(2011年）→ANSYS 14.5(2012年）→ANSYS 15.0(2013年）→ANSYS 16.0(2015年）
ANSYS 軟件的分析過程主要有三個(gè)部分，它們分別是前處理，解決計(jì)算和后處理。
（1）前處理：ANSYS的前處理模塊，顧名思義這個(gè)模塊的主要功能是為有限元分析做準(zhǔn)備工作的。其主要有兩個(gè)部分：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。用戶可以使用兩種不同的方法進(jìn)行建模，分別是自底向上與自頂向下。自底向上的方法就是從“點(diǎn)”→“線”→“面”→“體”逐級(jí)向上建立實(shí)體模型。與之相對(duì)的自頂向下的方法就是把自底向上的過程反過來，其需要用戶先建一個(gè)高級(jí)圖元，ANSYS軟件會(huì)自動(dòng)生成圖元上的“點(diǎn)” 、“線”、 “面”。雖然這兩種方法不同，但都可以使用布爾運(yùn)算來確保模型相互連接。
這兩種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)十分明顯。自底向上建模需要詳細(xì)了解模型的尺寸及關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，這保證了震中建模方式很少出錯(cuò)，但由于需要建立所有的關(guān)鍵點(diǎn)導(dǎo)致其建模效率極其低下。自頂向下建模的效率就高了，但是它需要使用布爾運(yùn)算將高級(jí)的圖元連接起來，而布爾運(yùn)算很難掌握。選用哪種方法就看用戶的喜好了，而且有限元模型可以用外部建模軟件先建立起來，在導(dǎo)入ANSYS如何劃分網(wǎng)格的方法一共有四種，它們依次是自由劃分、映像劃分、自適應(yīng)劃分還有延伸劃分。
（2）分析計(jì)算模塊：
這個(gè)模塊主要是用來對(duì)模型進(jìn)行有限元分析的，其功能十分強(qiáng)大，提供了多種分析類型。使用這個(gè)模塊需要有已經(jīng)劃分網(wǎng)格的實(shí)體模型，然后選擇分析的類型并設(shè)置分析選項(xiàng)。做好之后就要對(duì)模型施加載荷和約束，如果有需要還要設(shè)置載荷步。設(shè)置完成后就可以執(zhí)行求解了。
（3）后處理：
后處理的過程中間總共包含兩個(gè)部分：一個(gè)是通用后處理模塊，另外一個(gè)是時(shí)間歷程后處理模塊。我們經(jīng)常看到云應(yīng)力和應(yīng)變之后使用一些通用處理模塊來實(shí)現(xiàn)。這模塊的主要功能是分析，并把結(jié)果用圖表的形式表現(xiàn)出來。使用列表或曲線時(shí)程輸出處理模塊，所以這個(gè)模塊還具有一個(gè)曲線代數(shù)函數(shù)。
4.3導(dǎo)入模型
由于是將在Creo建好的模型直接導(dǎo)入ANSYS軟件，則需要先對(duì)Creo文件進(jìn)行一些處理，需將Creo中的文件另存為model格式，然后在ANSYS軟件中以File>Import>Catia的順序操作，找到相應(yīng)文件打開即可。將導(dǎo)入模型改為實(shí)體結(jié)構(gòu)：PlotCtrls>Style>Solid Model Facets，選Normal Faceing。
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4.4單元的類型
圖4.1定義單元類型
選擇，單擊Add，出現(xiàn)對(duì)話框，選擇如圖4.1選項(xiàng)，單擊OK，最后單擊對(duì)話框中按鈕。
4.5車架的材料
4.2設(shè)置泊松比、彈性模量
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圖4.3設(shè)置密度大小
選取，出現(xiàn)對(duì)話框，如圖4.2所示設(shè)置材料的彈性模量和泊松比，如圖4.3所示設(shè)置材料密度。
4.6劃分網(wǎng)格
首先，結(jié)構(gòu)離散是指實(shí)際結(jié)構(gòu)被分成有限數(shù)量的單元的過程。而它的想法是使用離散結(jié)構(gòu)力學(xué)模型近似僅由節(jié)點(diǎn)規(guī)定的節(jié)點(diǎn)連接，載荷和約束后，取代原來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，離散結(jié)構(gòu)，并依靠力傳遞節(jié)點(diǎn)有限元分析。網(wǎng)格形式在很大程度上可以確定有限元模型的合理性。
（1）網(wǎng)格數(shù)量
分析時(shí)的精確程度和計(jì)算量大小是根據(jù)網(wǎng)格數(shù)量決定的。網(wǎng)格數(shù)量越小，計(jì)算規(guī)模時(shí)間短，節(jié)省資源，但計(jì)算精度卻不高。
（2）網(wǎng)格疏密
網(wǎng)格疏密不同可使應(yīng)力分析結(jié)果更加清晰客觀。在類似于應(yīng)力集中處這樣的應(yīng)力變化程度較大的地方，越密集的網(wǎng)格可以更加清晰的反應(yīng)應(yīng)力分布規(guī)律。而相對(duì)比較稀疏的網(wǎng)格通常應(yīng)用于應(yīng)力變化梯度較小的部分，這樣做的目的是減小模型規(guī)模，從而降低計(jì)算量。劃分網(wǎng)格時(shí)采用大小不同的網(wǎng)格，不僅可以降低計(jì)算的復(fù)雜程度和時(shí)間，也不會(huì)影響計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性。
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圖4.4網(wǎng)格劃分
選取，出現(xiàn)對(duì)話框Mesh Tool，選中Smart Size，選擇網(wǎng)格大小為8，點(diǎn)擊mesh鍵，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊pick all.
4.7網(wǎng)格的質(zhì)量檢查
由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，該網(wǎng)格生成過程的十分繁復(fù)，網(wǎng)格的形狀等方面或多或少存在一些質(zhì)量上的問題。自動(dòng)或半自動(dòng)網(wǎng)格劃分之后也是不能立即進(jìn)行分析的。另外來說，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量直接相關(guān)模型的結(jié)果和收斂性（用于分析計(jì)算），甚至質(zhì)量差的太多的網(wǎng)格不被網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)所通過，因此無(wú)法計(jì)算。所以，對(duì)于處理步驟來說，要想有限元分析準(zhǔn)確，必須進(jìn)一步關(guān)注網(wǎng)格質(zhì)量檢查，這也是必要的。
4.8靜力分析
均布載荷是貨廂與裝載貨物質(zhì)量之和簡(jiǎn)化為作用車架接觸面積上的力，主要有車架的自重及貨物質(zhì)量產(chǎn)生的力39200N。駕駛室、駕乘人員、發(fā)動(dòng)機(jī)等各部件的質(zhì)量對(duì)車架的作用簡(jiǎn)化為車架作用點(diǎn)上的集中載荷，主要有車架前端加力1266N (鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱)，車架中段加5160N（乘員及駕駛室質(zhì)量），車架后端500N（附件的總質(zhì)量）。
4.8.1 彎曲工況
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表4.1 彎曲工況時(shí)的邊界條件
支撐點(diǎn)
左前輪
左后輪
右前輪
右后輪
約束自由度
X，Z
Z
X，Y，Z
Y，Z
釋放4點(diǎn)的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度
1. 選取分析類型,在彈出的對(duì)話框New Analysis中選擇鍵，單擊鍵。
2. 選取，設(shè)置載荷同步，在彈出對(duì)話框中選擇選項(xiàng)卡，設(shè)置圖4.5選項(xiàng)。
圖4.5求解控制對(duì)話框
3.選取
，拾取對(duì)話框，選擇需要約束的點(diǎn),以四輪輪心為約束點(diǎn)。
4.選取
，如圖4.6，選取對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)并施加已知載荷，分別是車架前部 、車架中部和車架后部。
圖4.6施加載荷
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5.求解：?jiǎn)螕鬋urrent LS，彈出對(duì)話框顯示“Solution is done!”，表示求解成功。
6.顯示變形結(jié)果：在菜單欄中選擇Nodal solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，設(shè)置下列選項(xiàng)。
圖4.7選擇節(jié)點(diǎn)結(jié)果項(xiàng)
7.繪制應(yīng)力云圖，變形圖如下圖所示：
圖4.8彎曲工況下車架的應(yīng)力云圖圖 4.9彎曲工況下車架的變形圖
由圖4.8可知,車架的最大應(yīng)力為116Mpa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足選用車架的要求。
由圖4.9可知，車架的最大變形區(qū)域?yàn)榈谌龣M梁處，是因?yàn)榘惭b有發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系部件,應(yīng)力集中。
4.8.2 扭轉(zhuǎn)工況
車架在扭轉(zhuǎn)工況下邊界條件如表4.2。扭轉(zhuǎn)工況與彎曲工況受到的載荷相同，只是約束不同，所以此處載荷加載依照上文。
表4.2 扭轉(zhuǎn)工況邊界條件
支撐點(diǎn)
左前輪
左后輪
右前輪
右后輪
約束自由度
X，Y，Z
Y,Z
X,Z
X
釋放4點(diǎn)的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度
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圖4.11扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖 4.12扭轉(zhuǎn)工況變形圖
由圖4.11可知,車架的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為，且車架上的應(yīng)力分布均勻，滿足選用應(yīng)力要求。
由圖4.12可知，滿載情況下，車架扭矩較大，因彈簧支架與車架的接觸面積不大，故該處的應(yīng)力也較大。受到車架的第三橫梁和第四橫梁處受到的變形較大。
4.8.3緊急制動(dòng)工況
汽車車架制動(dòng)工況時(shí)邊界條件如表4.3，以車輪的輪心為支撐點(diǎn)。此時(shí)車架除了受到垂直向下的重力外，還受到慣性力載荷（沿著行駛方向）。當(dāng)施加載荷時(shí)除了彎曲工況的載荷，還要加載制動(dòng)力。動(dòng)載系數(shù)取為 1.5。
表4.3 制動(dòng)工況邊界條件
支撐點(diǎn)
左前輪
左后輪
右前輪
右后輪
約束自由度
X，Z
Z
X，Y，Z
Y，Z
釋放4點(diǎn)的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度
圖4.13制動(dòng)工況下車架的應(yīng)力云圖
由圖4.13可知，緊急制動(dòng)工況時(shí)的最大應(yīng)力為315Mpa且分布均勻，小于屈服極限應(yīng)力，但是這里的應(yīng)力較大且集中，容易造成車架的損傷。與駕駛室的后支撐位置接觸的縱梁的上下都有較大的應(yīng)力，所以此處載荷集中，在重力和慣性力的共同作用下所受彎矩較大。
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4.8.4緊急轉(zhuǎn)彎工況
汽車滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)，車架將受到側(cè)向離心力的作用而產(chǎn)生側(cè)向載荷。本文通過在橫向（Y 軸負(fù)方向）施加一個(gè)側(cè)向加速度 0.5g 和在縱向（X 軸負(fù)方向）施加一個(gè)減速加速度 0.5g來模擬左轉(zhuǎn)彎工況。此外，離心力的大小還受到車載質(zhì)量的影響。該工況假設(shè)后軸完全側(cè)滑的極限狀態(tài)。動(dòng)載系數(shù)取為 1.5。
表4.4 轉(zhuǎn)彎工況邊界條件
制動(dòng)工況
左前輪
左后輪
右前輪
右后輪
約束自度
X，Y,Z
Z
X， Z
Y，Z
釋放4點(diǎn)的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度
圖4.14轉(zhuǎn)彎工況下車架的應(yīng)力云圖
由圖4.14可知， 時(shí)車架的應(yīng)力集中在第三，四根橫梁之間，最大應(yīng)力為 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的，車架安全可靠。
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第5章 車架的動(dòng)態(tài)特性分析
5 車架的模態(tài)特性分析
振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞和疲勞失效，造成精度和使用壽命的降低。在凹凸不平的道路上行駛時(shí)，汽車會(huì)產(chǎn)生上下方向的位移。由于道路表面的凹凸是隨機(jī)的，所以它對(duì)車輛產(chǎn)生的激勵(lì)也是隨機(jī)的。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架、轉(zhuǎn)向系等部件工作時(shí)也都會(huì)對(duì)車架造成激勵(lì)。如果由此引起的激振頻率與系統(tǒng)固有頻率接近，會(huì)產(chǎn)生共振，對(duì)汽車的操縱性、安全性、舒適性、車架壽命等方面都有影響。
車架是一個(gè)多自由度的彈性系統(tǒng)，有無(wú)限多的固有振型，是無(wú)法消除所有的共振。因此避免隨機(jī)激勵(lì)的頻率與所關(guān)心的振型發(fā)生共振。我們對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，從而得到車架對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)，進(jìn)而分析車架的動(dòng)態(tài)特性。
5.1模態(tài)分析的理論
動(dòng)態(tài)分析的步驟與靜力分析相同,只是由于分析的重點(diǎn)不同,對(duì)網(wǎng)格劃分的要求不一樣。靜力分析時(shí)要求在應(yīng)力集中部位加密網(wǎng)格,但在動(dòng)態(tài)分析中,由于固有頻率和振型主要與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布有關(guān),因此整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用盡可能均勻的網(wǎng)格形式。
當(dāng)用有限元法求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程為:
(5.1)
式中：M——質(zhì)量矩陣，
K——?jiǎng)偠染仃嚕?
X——位移向量，
F(t) ——作用力向量，
t——時(shí)間
當(dāng)時(shí)，無(wú)阻尼的影響，則：
(5.2)
自由振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，各節(jié)點(diǎn)位移：
(5.3)
將公式(6.3)代入公式(6.2)得：
(5.4)
其中： ——特征值
——特征向量
28
模態(tài)分析就是求解振動(dòng)方程的特征根，即和,進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)的固有頻率和位移列陣。車架的各階固有頻率就是模態(tài)頻率，固有振型就是模態(tài)振型。對(duì)于車架這樣多自由度的系統(tǒng),是無(wú)法得出其全部固有頻率和振型向量。只有較低的固有頻率及振型向量對(duì)其影響最大,所以只需要了解前幾階的固有頻率和振型向量。
5.2模態(tài)分析
對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，選取分析模型model,釋放全部載荷及所有約束。前六階頻率小于，所以振型為剛體模態(tài)。因此跳過剛體模態(tài)，從第七階開始得到的模態(tài)頻率值見表 5.1 所示。
表 5.1 車架模態(tài)頻率
階數(shù)
1
2
3
4
5
頻率（Hz）
15.759
16.971
24.180
37.057
42.676
階數(shù)
6
7
8
9
10
頻率（Hz）
46.772
58.830
68.474
69.915
82.051
第一階振型 第二階振型
第三階振型 第四階振型
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第五階振型 第六階振型
第七階振型 第八階振型
第九階振型 第十階振型
載貨汽車在行駛過程中,主要的激勵(lì)來源是路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激振。通常路面激勵(lì)在以下。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率為，在額定工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率為。由表5.1可見，該車架前三階頻率都在控制范圍之內(nèi)，極有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。因此該車架的動(dòng)態(tài)特性尚需要改進(jìn),需要增加車架在低階的頻率,并加強(qiáng)車架在第二第三橫梁間的強(qiáng)度和剛度,使其遠(yuǎn)離路面激勵(lì)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率。
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第6章 結(jié)論
6 結(jié)論
本次論文主要對(duì)載重汽車車架進(jìn)行有限元分析。車架對(duì)各零部件和總成的布置和配合都有很大影響。要在保證汽車主要尺寸參數(shù)和性能的前提下，使各零部件通過車架更好的連接在一起，并提高整車的性能和可靠性。根據(jù)有限元靜態(tài)分析所得的結(jié)果，可知四種工況下的最大應(yīng)力都小于許用應(yīng)力，故車車架可靠。但車架要盡量避免與隨機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生共振，防止對(duì)車輛及人身的傷害。
在對(duì)車架進(jìn)行有限元分析的過程中,得出以下主要結(jié)論:
(l)有限元分析的關(guān)鍵是建立正確的模型,在不影響分析精度的情況下對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,去除一些不必要的結(jié)構(gòu)；網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)合理控制網(wǎng)格的尺寸和數(shù)量，在保證分析精度的同時(shí)盡量減少計(jì)算的工作量。
(2)在靜態(tài)分析中,進(jìn)行四種工況分析,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。
(3)對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，得出車架的前十階固有頻率和振型，為改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
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致謝
致謝
在幾個(gè)月的不斷努力下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也即將完成了。這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)的期間讓我發(fā)現(xiàn)了自己在很多地方的不足之處。這不僅考驗(yàn)了我大學(xué)期間的學(xué)習(xí)情況，同時(shí)也鍛煉了我自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。在這段時(shí)間中，將自己原有的知識(shí)和新學(xué)的知識(shí)熔煉為一體，積極地完成知識(shí)的綜合運(yùn)用。這期間雖然很辛苦、忙碌，但總的來說，感覺還是非常值得的。
首先要感謝細(xì)心指導(dǎo)我的盧軍鋒老師，本畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題、設(shè)計(jì)思路、三維建模、資料選取、修改完善等，指導(dǎo)老師都給予了認(rèn)真耐心的指導(dǎo)。還得感謝四年來教過我專業(yè)課的所有老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的很多問題都來自他們?cè)?jīng)交給我的知識(shí)，沒有他們的精心傳授，我的順利完成也不會(huì)那么容易。各位尊敬的老師傳授給我知識(shí)，讓我能更好的走下去，真的是由衷感謝。
同時(shí)也要感謝學(xué)校為我們提供了很多平臺(tái)，無(wú)論是圖書館的各種資料，還是為我們提供中國(guó)知網(wǎng)的免費(fèi)賬號(hào)等，使得我們有更多的文獻(xiàn)閱覽量，這對(duì)我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成尤為關(guān)鍵。其實(shí)，學(xué)校也為我們提供了指導(dǎo)老師的培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)室的使用、相關(guān)系統(tǒng)的支持等，我們四年的學(xué)習(xí)生活的條件都是學(xué)校給予我們的，我們有責(zé)任充分利用學(xué)校給予的資源認(rèn)真完成我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在以后的工作學(xué)習(xí)中也要好好努力，才能更好的發(fā)揚(yáng)母校的校風(fēng)精神，為母校的榮耀增光添彩。
同時(shí)也要感謝身邊的同學(xué)，有些問題得益于他們的幫助指導(dǎo)才解決得更為及時(shí)迅速，他們的思路也給我很大啟發(fā)，使我解決問題更為全面透徹。此次的設(shè)計(jì)更讓我感受到了實(shí)踐出真知的道理，人生還比較漫長(zhǎng)，我愿帶上大家的幫助在未來的道路上不斷修正完善。最后再次感謝所有教過我的老師們，他們的辛勤授課讓我在精神上受到啟發(fā)，學(xué)業(yè)上得到知識(shí)，總之讓我受益終身生。
謝謝大家。
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