基于ABAQUS的汽車車架有限元分析,基于,abaqus,汽車,車架,有限元分析 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目：基于ABAQUS的汽車車架有限元分析 　　　　　　　 學(xué)生姓名： 二級學(xué)院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒 論 1 1.1 課題研究目的和意義 1 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 有限元基本理論概述 2 1.4 有限元分析軟件簡介 3 1.5 課題研究內(nèi)容 4 2 汽車車架建模 6 2.1 汽車車架結(jié)構(gòu)特點 6 2.2 車架結(jié)構(gòu)簡化 6 2.3 車架幾何模型的建立 7 2.4 車架有限元模型的建立 10 2.4.1 網(wǎng)格劃分前處理 10 2.4.2 懸架的模擬 10 2.4.3 載荷的處理 11 2.4.4 車架有限元網(wǎng)格的劃分 12 2.4.5 網(wǎng)格質(zhì)量檢查 14 3 車架的靜態(tài)分析 15 3.1 靜態(tài)分析基礎(chǔ) 15 3.2 車架靜力分析工況處理 15 3.2.1 滿載彎曲工況分析 16 3.2.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況分析 16 4 車架的模態(tài)分析 18 4.1 模態(tài)分析簡介 18 4.2 模態(tài)分析過程 18 4.3 結(jié)果分析 19 I 5 結(jié)論與展望 21 參考文獻 22 致謝 24 II 摘要 基于ABAQUS的汽車車架有限元分析 摘 要 非承載式汽車由車架作為整車骨架，因而車架是整輛汽車的基體。非承載式汽車的多數(shù)部件和總成（比如懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、駕駛室以及相關(guān)操縱機構(gòu)）都要以車架來固定它們的位置。車架的用處是支承并聯(lián)接汽車各個零部件，以及承受來源于車內(nèi)外的種種載荷。所以，其靜態(tài)與動態(tài)特性是車架結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的重要依據(jù)，是保證整車性能的重要因素之一。課題主要對某型汽車車架進行靜態(tài)和模態(tài)分析，并得出結(jié)論，作為車架設(shè)計的參考。 關(guān)鍵詞：車架；ABAQUS；靜態(tài)分析；模態(tài)分析 IV Abstract FEM Analysis of Vehicle Frame Model Based on ABAQUS Abstract ?Cars with body-and-frame construction?have?vehicle?skeleton?frame so the frame is the base of the entire vehicle.Most,parts,and.assemblies（such?as??suspension,??transmission,?engine,cab and?related?control,mechanism,and,so,on）of,this kind of vehicle 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.?The static and dynamic analysis of the frame is the main task of this subject and then we come to a conclusion which can be a reference to vehicle frame designing. Keywords:?Frame;ABAQUS;?Static?Analysis;Dynamic Analysis 第一章 緒論 1 緒 論 1.1 課題研究目的和意義 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速成長，汽車工業(yè)已經(jīng)成了衡量一個國家經(jīng)濟實力的重要標準之一，對于國民經(jīng)濟起到十分重要的推動作用。各個國家都大力發(fā)展本國的汽車產(chǎn)業(yè)，那些先進的歐美國家也不例外。我國當前汽車人均擁有量遠遠比不上發(fā)達國家的水平，汽車市場還有著巨大的潛力。汽車工業(yè)飛速發(fā)展的同時，人們對于汽車性能的要求自然也是越來越高。 任何汽車的設(shè)計工作都應(yīng)該以安全性作為前提。目前相當數(shù)量的汽車都是將車架作為整車的基體，車架是車身、底盤、發(fā)動機和其他總成的安裝基礎(chǔ)。它作為相當關(guān)鍵的承載部件，承受著來源于汽車內(nèi)外部的各種載荷，比如裝載以及道路。因此，汽車車架的性能對整車的性能有著非常大的影響。車架必須要滿足汽車總體布置的要求，汽車在行駛條件不佳的情況下，要防止各部件與總成之間發(fā)生干涉。車架還必須具有合適的強度，從而保證其疲勞壽命。同時，車架要有適當?shù)膭偠葋頋M足裝配和使用的要求，合理的動態(tài)特性以控制噪聲與振動。所以，汽車車架的性能分析對于一輛合格的汽車來說至關(guān)重要。 隨著現(xiàn)代工業(yè)、生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，利用精確有效的計算方法來預(yù)計即將出現(xiàn)的機械和工程結(jié)構(gòu)在將來工作中所產(chǎn)生的位移、應(yīng)力和應(yīng)變是人們必須完成的工作。然而，一些傳統(tǒng)方法常常不能很好地實現(xiàn)對實際問題的分析。因此，我們需要找到一種方便而又精確有效的數(shù)值分析方法。由此，有限元法應(yīng)運而生。該方法來源于上世紀五十年代航空技術(shù)中對飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析。在六十年代，美國的克勞夫（Clough）利用該方法進行飛機結(jié)構(gòu)的分析時，首次稱之為“有限單元法”（finite element method），簡稱為“有限元法”。二十世紀末期，計算機技術(shù)快速發(fā)展，有限元法也逐漸越來越多地運用在汽車零部件的設(shè)計與分析上。在汽車的設(shè)計制造和研究工作中，充分利用有限元法能夠?qū)ζ嚫鞑糠值慕Y(jié)構(gòu)進行性能的分析、優(yōu)化，為汽車的設(shè)計與改進等工作提供參考。 課題主要以某型汽車車架作為分析依據(jù)，用CATIA軟件建立該車架的三維結(jié)構(gòu)簡圖，通過hypermesh軟件進行車架的有限元前處理和單元劃分，然后根據(jù)不同的工況在ABAQUS軟件中對車架進行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，最后給出改進意見，有利于產(chǎn)品的開發(fā)與完善。 通過對課題的研究，可以達到如下目的： 1、對汽車車架進行有限元分析，對分析步驟規(guī)范化，將其變得簡單易行，為有限元技術(shù)在車架上的應(yīng)用打好基礎(chǔ)； 2、通過有限元法對車架進行解析計算，為工程研究人員的工作提供一些參考； 3、對車架進行靜、動態(tài)分析，為車身設(shè)計或多或少提供一些理論支持。 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 二十世紀七十年代年代開始，大容量計算機和NASTRAN的誕生使得歐美一些大的汽車制造商揭開了汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計革命的序幕。福特公司在七十年代已經(jīng)開始通過NASTRAN軟件利用板梁單元對車身進行靜力分析并且改進應(yīng)力分布；而在八十年代末期，日本已經(jīng)成功地將CAE運用到了車身設(shè)計的各個階段，分析的范疇包含強度、剛度、疲勞、振動以及形狀和重量的優(yōu)化。自上世紀八十年代開始直到今天，海外各大公司都已經(jīng)將相當高效的計算機輔助分析運用在了在他們的汽車產(chǎn)品上。通用公司在通用有限元分析程序的基礎(chǔ)上又獨立開發(fā)了后處理程序，把發(fā)動機和道路激勵載荷全部集成到數(shù)據(jù)庫中，極大地簡化了分析過程；日本尼桑公司整個設(shè)計過程都是通過有限元分析仿真來驅(qū)動的，大大縮短了設(shè)計所需時間，使得重量、花費、NVH（noise，vibration，harshness）性能都得到了改進。目前，國外新車型的設(shè)計與開發(fā)大約只需要24到36個月的周期，這就要歸功于現(xiàn)代汽車設(shè)計方法的飛速發(fā)展。 早在1956年，我國著名數(shù)學(xué)家馮康老先生就已經(jīng)對有限元方法進行了深入的思考。他建立了一種系統(tǒng)化、現(xiàn)代化的近似求解微分方程的方法，為國內(nèi)有限元方法的發(fā)展做出了無法磨滅的貢獻。在大約四十年前，相關(guān)單位開始將有限元方法應(yīng)用到汽車行業(yè)中。長春汽車研究所的古安濤、常國振發(fā)表了《汽車車架設(shè)計計算的有限元方法》，揭開了國內(nèi)汽車工業(yè)計算機輔助設(shè)計的序幕，為我國汽車行業(yè)有限元方法的成長打下了堅實的基礎(chǔ)。到了九零年代以后，計算機軟、硬件技術(shù)都有了大幅發(fā)展，有限元法迅速地被運用到實際汽車零部件的結(jié)構(gòu)分析中去，在我國，有限元法也開始被各大公司投入到實際的汽車設(shè)計中，漸漸替代了傳統(tǒng)設(shè)計方法。例如，東風(fēng)汽車在此時引入了針對車輛靜、動態(tài)分析的有限元軟件，成功地把有限元思想應(yīng)用于汽車的實際設(shè)計工作中；一汽利用有限元軟件對大多數(shù)已經(jīng)生產(chǎn)出來的汽車進行了強度校核；上海大眾和同濟大學(xué)合作完成了對桑塔納2000的車身靜態(tài)彎曲工況分析計算?？偟膩碚f，我國針對汽車車身結(jié)構(gòu)的有限元方法已經(jīng)得到了相當大的發(fā)展，但和國外相比來說還略有不足，尤其是動態(tài)分析的應(yīng)用開始比較晚，設(shè)計分析依然有著很多的不足之處。 1.3 有限元基本理論概述 有限元法的基本思想，是在力學(xué)模型上，某個原本連續(xù)的物體被離散成有限個有一定大小的單元，離散而成的這些單元只在有限個節(jié)點上互相連接，并且在節(jié)點上引入等效力來替代實際作用在單元上的外力。對于每一個單元，用某種相對簡單的函數(shù)來展現(xiàn)單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，并且按照彈性理論里的能量原理（或變分原理）建立單元節(jié)點位移和節(jié)點力之間的關(guān)系。然后結(jié)合所有單元的這一關(guān)系式，可以獲得一組未知量為節(jié)點位移的方程組，最后通過解方程組就能夠得到有限個離散節(jié)點上的位移。 從選擇的不同基本未知量來看，有限元方法可以分成三類：力法、位移法和混合法。以節(jié)點位移為基本未知量的求解方法我們稱之為位移法，因為位移法通用性比較強，計算機程序處理也相對簡單，所以得到了廣泛的應(yīng)用。 利用有限元方法記性分析計算的基本步驟可以歸納成以下五點： 1、結(jié)構(gòu)的離散化 離散化整個結(jié)構(gòu)并將之分割成若干個單元，通過節(jié)點聯(lián)接各個單元。 2、 單元分析 （1）選擇位移模式 位移模式作為一種函數(shù)式，它代表了單元內(nèi)任意點的位移隨著位置變化的規(guī)律。我們利用位移法的時候，在離散化結(jié)構(gòu)以后，單元內(nèi)的某些物理量比如應(yīng)力、應(yīng)變和位移等就可以利用節(jié)點位移表示出來。在有限單元法中，常常以坐標變量的簡單函數(shù)來表示位移，我們稱這種函數(shù)為位移模式。 （2）建立單元剛度方程 在選擇好單元類型與位移模式之后，可按虛功原理或者最小勢能原理來建立單元剛度方程。事實上，單元剛度方程就是各個節(jié)點的平衡方程，其系數(shù)組成的矩陣被稱作單元剛度矩陣 （1-1） 上式中，e為單元編號；δｅ為單元的節(jié)點位移向量；Ｆｅ為單元的節(jié)點力向量；ｋｅ為單元剛度矩陣，它的每一部分都代表了特定的剛度特性。 （3）計算等效節(jié)點力 3、整體分析 通過結(jié)構(gòu)力的邊界條件與平衡條件將各單元按照原本的結(jié)構(gòu)再次聯(lián)接起來，構(gòu)成整體的有限元方程 （1-2） 上式中，Ｋ為整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；δ為整體節(jié)點位移向量；Ｆ為整體載荷向量。 4、求解方程，得出節(jié)點位移 解上述方程得出位移。 5、由節(jié)點位移計算單元的應(yīng)力和應(yīng)變 有限元法理論基礎(chǔ)扼要簡明，物理定義清晰，而且可以對這種方法建立起不同的理解。它的靈活性與實用性使得它的應(yīng)用范圍非常廣泛。它不但可以方便地處理各種難題，比如說應(yīng)力分析中的各向異性材料、非均勻材料、非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和復(fù)雜邊界條件等等，而且隨著理論的逐步完善，例如熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)及電磁場領(lǐng)域的很多問題都可以通過它來解決?？傊邢拊ㄒ呀?jīng)受到了大眾的重視和廣泛的運用，被公認為是應(yīng)力分析的有效工具。 1.4 有限元分析軟件簡介 Hypermesh軟件出自美國Altair公司，作為走在世界前沿并且具有強大功能的CAE應(yīng)用軟件包，它集成了各種分析和設(shè)計所需要的工具，擁有其他軟件無法比擬的性能，此外，它以它高度的靈活性、開放性以及友好的用戶界面得到了客戶們的青睞。 在CAE工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi), Hypermesh最有名的特點是，它的有限元網(wǎng)格劃分功能非常驚人。正常情況下，CAE分析工程師五分之四的時間都花在有限元模型的建立、修改以及網(wǎng)格的劃分上，而分析求解時間則是消耗在了計算機工組站上，因此利用一個具有強大功能并且靈活性強，可以和其他CAD系統(tǒng)、有限元求解器快速地進行數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對于提高工作效率起著非常重要的作用。 在幾何模型的處理與有限元網(wǎng)格這些方面，Hypermesh有著非常好的適應(yīng)性與可定制性，而且在模型的規(guī)模方面不存在軟件的限制。許多別的有限元前處理軟件在面對一些復(fù)雜而且規(guī)模很大的模型時，在讀取模型時就要花費很長的時間，并且在很多時候并不能夠成功地導(dǎo)入模型，導(dǎo)致后續(xù)的CAE分析工作沒辦法進行下去；若利用Hypermesh軟件，由于它的幾何處理功能相當強大，因此它能夠十分快速地讀取那些復(fù)雜模型的數(shù)據(jù)，從而分析工程師們的工作效率得到了大大的提高，許多運用其他處理軟件比較難或者根本無法解決的問題很快得到解決。 ABAQUS是一款具有強大功能的工程模擬有限元軟件，不管是比較簡單的線性分析問題，還是很多相對復(fù)雜的非線性問題，利用ABAQUS都可以很方便地解決。它有一個能夠模擬各種幾何形狀的單元庫，并且其材料模型庫中包含各種類型的材料，能夠模擬很多典型工程材料的性能，比如橡膠、金屬、復(fù)合高分子材料、可壓縮超彈性泡沫材料、土壤等地質(zhì)材料。作為一款通用的模擬工具， ABAQUS不僅僅可以解決眾多結(jié)構(gòu)問題，還能模擬很多別的工程領(lǐng)域的問題，比如熱傳導(dǎo)、聲學(xué)分析、熱電耦合分析、巖土力學(xué)分析以及壓電介質(zhì)分析等等。 ABAQUS可以分析復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)，尤其是能夠處理相當復(fù)雜龐大的問題，模擬高度非線性問題，被大眾看作功能最強的有限元分析軟件之一。ABAQUS除了能夠駕馭單一零件的力學(xué)與多物理場的分析，還可以完成系統(tǒng)級的分析，和其他的有限元分析軟件比較而言，ABAQUS的系統(tǒng)級分析是獨一無二的。由于它模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性與超強的分析能力，各個國家的工業(yè)與研究中都廣泛地采用了這款軟件。ABAQUS產(chǎn)品在許多高科技產(chǎn)品的研究開發(fā)中都發(fā)揮著不可忽視的作用。 1.5　課題研究內(nèi)容 課題將從基本的理論知識出發(fā)，利用CATIA軟件建立某型汽車車架模型，將模型導(dǎo)入到Hypermesh和ABAQUS軟件中進行有限元分析，對汽車車架進行有限元靜態(tài)和模態(tài)分析。 主要從以下幾個方面入手： 1、汽車車架的基本構(gòu)造及受力情況。 2、介紹所用軟件在汽車車架結(jié)構(gòu)分析中的作用。 3、將CATIA模型導(dǎo)入到Hypermesh和ABAQUS軟件中進行分析。 4、分析車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)等情況下的受力。 5、對車架進行模態(tài)分析。 　 24 第二章 汽車車架建模 2 汽車車架建模 2.1 汽車車架結(jié)構(gòu)特點 支承并連接汽車眾多部件，并且承受來自車內(nèi)外的各種載荷，這就是車架的作用。車架的結(jié)構(gòu)形式要滿足汽車總體布置要求，具有足夠強度、適當剛度和輕質(zhì)量，而且應(yīng)當盡量靠近地面布置。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，可以將汽車車架分為四種：邊梁式車架、中梁式車架（脊骨式車架）、綜合式車架和承載式車身。其中，以邊梁式車架應(yīng)用最為廣泛。課題所要討論的正是邊梁式車架。 邊梁式車架的組成結(jié)構(gòu)是兩根放置在兩側(cè)的縱梁和許多橫梁，以鉚接法或是焊接法的方式把縱梁和橫梁聯(lián)接起來，構(gòu)成牢固的剛性架構(gòu)。 縱梁一般情況下用低合金鋼板沖壓形成，剖面的樣子往往是槽形，當然還有其他形狀，如被制成Ｚ形或者箱形。依據(jù)車身形式的差異與結(jié)構(gòu)布置的條件，在水平面內(nèi)或是縱向平面內(nèi)我們可以將縱梁制成彎曲形狀，斷面也可是等斷面或非等斷面，兩根縱梁之間的寬度也能夠不相等?？v梁的剖面形狀大多如圖2.1所示。 圖2.1縱梁剖面形狀 橫梁通常也是以鋼板沖壓成槽型，有時候會選擇剖面形狀是管形或者是箱型的橫梁，為的是提高車架的抗扭轉(zhuǎn)強度。車架橫梁既需要保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度、能夠承受縱向載荷，還需要支撐汽車重要構(gòu)件。一般情況下，載貨汽車有根橫梁，有時還會增加。橫梁也可做成X形。 2.2 車架結(jié)構(gòu)簡化 車架是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，要如實反映它的全部結(jié)構(gòu)是比較困難的，對實體模型進行分析時，經(jīng)常會出現(xiàn)單元質(zhì)量不高、求解精度差等問題。為了提高ANSYS建模的效率，我們必須簡化車架的幾何模型。簡化以后的模型只做到近似反映實際問題。 一般來說，模型的簡化需要遵循下列原則： 1、忽略不計直徑小于15mm，且對結(jié)果影響不是很大的孔。車架縱梁上分布著很多裝配用孔，雖說它們對于車架總體的剛度和強度作用較小，可是它們對下面的車架設(shè)計分析工作有很大影響。在劃分網(wǎng)格時微小幾何體會出現(xiàn)許多網(wǎng)格，使得網(wǎng)格質(zhì)量下降，并使得設(shè)計工作量變得很大，計算精度不夠準確。? 2、不受力的結(jié)構(gòu)忽略不計。一些構(gòu)件的設(shè)計初衷是符合某些使用條件，對強度無直接要求，因此忽略； 3、把模型中相對較小的圓角改成直角。結(jié)構(gòu)上有很多過渡圓角，和小孔一樣，對計算分析產(chǎn)生的影響非常小，因此我們將其忽略。 2.3 車架幾何模型的建立 課題研究的車架有五根橫梁、一根扭桿梁、一根變速箱梁、兩根縱梁和前后副杠，以焊接的方式構(gòu)成剛性架構(gòu)。其中兩根縱梁厚3mm，長度是4280mm，1、5、6橫梁都是圓形管狀（空心）。 分析車架的數(shù)據(jù)之后，在三維軟件CATIA中建立了車架的幾何模型，步驟如下： 1、創(chuàng)建一個基準平面，創(chuàng)建草圖，并對草圖進行拉伸，建立車架的一根縱梁。如圖2.2所示。 圖2.2 車架左縱梁 2、同第一步，或者用鏡像工具，可以得到第二根縱梁，如圖2.3所示。 圖2.3 另一根縱梁 3、以xy面為基準平面，創(chuàng)建草圖，隨后進行拉伸完成前后副杠，如圖2.4所示。 圖2.4 車架前后副杠 4、以某側(cè)縱梁前部內(nèi)側(cè)平面為基準，創(chuàng)建草圖，把草圖拉伸直到與縱梁等厚，然后以yz面為基準進行鏡像操作。再創(chuàng)建草圖，將草圖中兩個同心圓進行拉伸，拉伸長度選擇直到下一個面，由此得到第一根橫梁，如圖2.5所示。 圖2.5 第一根橫梁 5、創(chuàng)建基準平面，在平面內(nèi)創(chuàng)建草圖，拉伸草圖完成第二根橫梁，如圖2.6所示。 圖2.6 第二根橫梁 6、以xy面為基準創(chuàng)建草圖，拉伸得到變速箱梁，如圖2.7所示。 圖2.7 變速箱梁 7、以某側(cè)縱梁內(nèi)部平面為基準平面創(chuàng)建草圖，隨后拉伸得到扭桿梁，如圖2.8所示。 圖2.8 扭桿梁 8、以上一步的基準平面為基準創(chuàng)建草圖并拉伸，得到第三根和第四根橫梁，如圖2.9所示。這兩根橫梁和第一根一樣，都是空心結(jié)構(gòu)。 圖2.9 第三和第四根橫梁 9、創(chuàng)建基準平面，在該平面內(nèi)創(chuàng)建草圖，再沿y軸拉伸，完成第五根橫梁，如圖2.10所示。 圖2.10 第五根橫梁 車架三維模型圖如圖2.11所示。 圖2.11 車架三維實體模型 2.4 車架有限元模型的建立 2.4.1 網(wǎng)格劃分前處理 由于某些版本Hypermesh軟件不能直接讀取CATIA軟件生成的*CATPart文件，因此在車架模型建立完成后，將之轉(zhuǎn)換成Hypermesh可以直接識別的*stp格式文件。這個步驟可以通過CATIA軟件的“文件——輸出”命令。打開Hypermesh軟件后，用import命令導(dǎo)入完成的車架幾何模型*stp文件。 另外，對車架三維模型的簡化工作已經(jīng)在上文中完成，此處不再贅述。 2.4.2 懸架的模擬 汽車的車架是與懸架一同工作的，為了使計算結(jié)果更加符合實際，我們常把懸架和車架結(jié)合起來一起計算，精確地模擬懸架結(jié)構(gòu)對于得到車架力學(xué)特性來說非常重要。 本文所研究的車架前后懸均為普通鋼板彈簧，它起到緩沖與導(dǎo)向的作用，本文主要采取剛性梁單元和彈簧單元的組合方式來進行模擬，如圖2.12所示。 圖2.12 剛性梁和彈簧單元組合 2.4.3 載荷的處理 利用有限元法進行結(jié)構(gòu)分析時，載荷往往是給定的。想要有限元分析的結(jié)果反映真實情況的前提就是要依據(jù)不同的計算工況來確認載荷。由載荷在結(jié)構(gòu)上的分布情況，我們可將之分為集中載荷與分布載荷，若外載荷作用在結(jié)構(gòu)上的區(qū)間非常小，那么就將這種載荷看成是集中載荷。加在結(jié)構(gòu)上的載荷的位置若是連續(xù)變化的，即載荷作用在一定區(qū)域上，則為分布載荷。 在靜止不動時，汽車僅受到懸架之上部分的載荷作用，其中包含車身和自身的質(zhì)量，車架上各個總成以及附屬件的質(zhì)量，參數(shù)如表2.1所示。? 表2.1 車架各總成質(zhì)量 名稱 質(zhì)量/kg 車身 810 發(fā)動機 167 變速器與離合器 12.5 轉(zhuǎn)向器 16 蓄電池 17 油箱 49.2 備胎及其托架 51 散熱器 13.2 排氣管和消聲器 16.9 其他 20 在上表中，車身自重按均布載荷來處理，平均將其分配在車架縱梁上；發(fā)動機按照集中載荷來處理，作用在其支撐位置；離合器、變速箱、蓄電池、油箱等加在對應(yīng)的位置；車架的重量由定義重力加速度來施加；該車能夠搭載五位乘客，前排兩位，后排三位，每一名乘客的體重按標準75kg計算，以均布載荷進行處理；汽車載重為400kg，以均布載荷的形式作用在車架的后部。 2.4.4 車架有限元網(wǎng)格的劃分 在CATIA中打開車架模型，檢查車架是否完整，刪除不必要的附件，將處理后的車架模型進行保存。打開hypermesh軟件，選擇import geometry，導(dǎo)入車架幾何模型。 1、由于車架模型較薄，對車架劃分六面體網(wǎng)格。如圖2.13和2.14所示。 圖2.13 車架網(wǎng)格 圖2.14 車架網(wǎng)格細節(jié) 2、創(chuàng)建材料參數(shù) 如今，車架的材料運用得最多的是16Mn鋼。16Mn鋼由于含合金量較少，低溫性能好，焊接性能和可切削等性能都相對較好，被大量應(yīng)用于橋梁、起重運輸機械以及其他許多高載荷的焊接結(jié)構(gòu)中。它的物理性能如下：? 彈性模量E=2.0×1011 Pa? 材料密度ρ=7850kg/m3??? 泊松比μ=0.3? 最小屈服極限為360MPa? 最小抗拉強度為510MPa? 最大抗拉強度為610MPa 在Hypermesh中設(shè)置材料參數(shù)，如圖2.15所示。 圖2.15 材料參數(shù) 3、創(chuàng)建屬性 4、創(chuàng)建載荷和邊界條件 考慮到汽車行駛在不一樣的路面上時，車架受力的情況并不相同，因此靜力分析工況常常選擇彎曲和扭轉(zhuǎn)這兩種工況。 車架載荷分布方式如圖2.16所示。 圖2.16 車架載荷分布 在Hypermesh中創(chuàng)建載荷與邊界條件，如圖2.17所示。 圖2.17 載荷與約束 5、創(chuàng)建靜力學(xué)分析載荷步 如圖2.18所示，圖中各部分所加的載荷可由表2.1得到。 圖2.18 創(chuàng)建靜力學(xué)分析載荷步 6、導(dǎo)出inp文件。 2.4.5 網(wǎng)格質(zhì)量檢查 網(wǎng)格質(zhì)量檢查指的是檢查網(wǎng)格的形狀是否合理。利用軟件自動的方法劃分而成的網(wǎng)格模型，因為結(jié)構(gòu)形狀與網(wǎng)格生成過程比較復(fù)雜，網(wǎng)格質(zhì)量或多或少都會存在一些質(zhì)量上的問題。因為單元網(wǎng)格質(zhì)量對有限元模型分析計算結(jié)果的準確和收斂性有直接的影響，質(zhì)量比較差的網(wǎng)格嚴重時沒有辦法通過計算，所以，對網(wǎng)格質(zhì)量的檢查是劃分網(wǎng)格過程中不可缺少的步驟。 網(wǎng)格質(zhì)量檢查包括：單元連續(xù)性檢查、單元的法向方向檢查、重復(fù)單元檢查和單元各項質(zhì)量檢查等。通過以上一系列操作，可以得到質(zhì)量滿足計算分析所需的網(wǎng)格單元，隨后通過給單元加上各種屬性，建立邊界條件、載荷加載、建立載荷步等就可以得到有限元分析模型，從而進行有限元分析。 第三章 車架的靜態(tài)分析 3 車架的靜態(tài)分析 3.1 靜態(tài)分析基礎(chǔ) 當需要計算載荷作用（不包含慣性和阻尼效應(yīng)）在所分析的結(jié)構(gòu)上時所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移、應(yīng)變時，用到了靜力分析。設(shè)定載荷和結(jié)構(gòu)對時間的變化反應(yīng)緩慢。靜態(tài)分析中加在分析結(jié)構(gòu)上的載荷分為：外部作用力、穩(wěn)定的慣性力與位移載荷等。 為得到車架在各個工況下各個部件變形和應(yīng)力的分布情況，對車架強度與剛度進行了有限元靜態(tài)分析。因為需要盡可能地均衡車架各個部位的受力與變形的情況，所以根據(jù)有限元靜態(tài)分析得到的結(jié)果，調(diào)節(jié)車架結(jié)構(gòu)的大小和形狀或改變材料的屬性，以此來調(diào)整車架的剛度與質(zhì)量的分布狀態(tài)。在保證車架結(jié)構(gòu)滿足強度和剛度要求的前提下，還可以盡可能地減少材料的使用量。靜態(tài)分析不僅能夠幫助設(shè)計者減輕車架的自重提升整車性能，還做到了節(jié)省材料降低生產(chǎn)成本，有利于推廣使用。 有限元分析中，靜力分析的控制方程是：? {K}{U}={F}?????? （3-1） 其中，{K}——結(jié)構(gòu)剛度矩陣，{U}——位移向量，{F}——載荷向量? 對機體結(jié)構(gòu)進行有限元靜力分析時，其基本原理是相同的：整個結(jié)構(gòu)的平衡方程可用矩陣形式來表示，得? ????????????? ?{K}{δ}={R}?? ??????? （3-2）??其中，{K}——整個剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元剛度陣構(gòu)成? {δ}——整個物體的節(jié)點位移陣列，由單元節(jié)點位移陣列構(gòu)成? {R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點力陣列構(gòu)成? 用式（3-2）求出節(jié)點位移{δ}，利用式（3-3）結(jié)合求得的節(jié)點位移計算各個單元的力，并加以整理得到需要的結(jié)果。 [σ]=[D][B][σ]e???????? （3-3） 其中，[σ]——材料的許用應(yīng)力陣列? [D]——和單元材料相關(guān)的彈性陣列? [B]——單元應(yīng)變陣列? [δ]e——單元的節(jié)點位移陣列? 后處理中的模塊能夠直觀地展現(xiàn)車架的變形情況，而車架的應(yīng)力與變形結(jié)果可以通過式（3-3）計算得到。用應(yīng)力云圖或者應(yīng)力圖的等高線來表示應(yīng)力分布。節(jié)點處的應(yīng)力則通過計算與它相連的單元應(yīng)力在節(jié)點位置的算數(shù)平均值得到。由車架的材料特性和強度要求，選擇最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或是綜合應(yīng)力作為強度校核的基準，以材料發(fā)生塑性變形作為材料的失效標志。 3.2 車架靜力分析工況處理 3.2.1 滿載彎曲工況分析 通過import將inp文件導(dǎo)入ABAQUS進行靜力分析。JOB模塊設(shè)置完成即可查看計算結(jié)果。車架的應(yīng)力分布如圖3.1所示，位移分布如圖3.2所示。 圖3.1 彎曲工況應(yīng)力分布 圖3.2 彎曲工況位移分布 通過圖3.1可以得知，車架的最大應(yīng)力位于第五根橫梁和車架縱梁的連接處，因為第五根橫梁和車架的接觸面和其他部位比較而言比較小，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大應(yīng)力是210MPa，小于材料的最小屈服極限360MPa，滿足設(shè)計對車架的要求。 因為加載的區(qū)域主要在車架縱梁后部，所以在圖上車架的最大位移出現(xiàn)在車架的尾部。滿載條件下，加載在車架后部位的載荷遠大于前段承載的重量，所以在彎曲工況下車架的尾部出現(xiàn)翹曲。 車架在滿足剛度強度要求的前提下，還有一些優(yōu)化空間，從減輕質(zhì)量和降低成本的角度來看，可以適當減小車架縱梁的厚度。 3.2.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況分析 汽車在行駛的過程中因為路面平順性不穩(wěn)定的緣故，將會受到扭轉(zhuǎn)載荷，其極限扭轉(zhuǎn)載荷是汽車在非對稱支撐下所產(chǎn)生的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，在汽車滿載的條件下，假設(shè)右后輪懸空進行分析。載荷處理與彎曲工況一致，將右后輪的約束取消，其他約束沒有變化。 應(yīng)力和位移分布如圖3.3和圖3.4所示。 圖3.3 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布 圖3.4 扭轉(zhuǎn)工況位移分布 由計算結(jié)果可知，最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在車架后方，數(shù)值大約為248MPa，比彎曲工況下的最大應(yīng)力大一些，但是小于材料的最小屈服極限，其他點的應(yīng)力都比較小，所以車架大致符合要求，可以保證汽車在崎嶇的馬路上行駛。 扭轉(zhuǎn)工況下車架最大位移位于右后方，大約為0.43mm。因為在模擬扭轉(zhuǎn)工況時，將右后輪懸空，導(dǎo)致右縱梁后端的變形量比較大，往車架前部逐漸遞減。在這種情況下，可以通過增加材料的厚度，或是調(diào)整車架斷面大小從而達到提高車架抗扭能力的目的。 第四章 車架的模態(tài)分析 4 車架的模態(tài)分析 4.1 模態(tài)分析簡介 汽車在工作過程中，會受到隨時間變化的載荷作用，假如汽車結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性無法適應(yīng)它的使用環(huán)境，即激勵頻率和結(jié)構(gòu)模態(tài)藕合，或是汽車子結(jié)構(gòu)間有模態(tài)藕合，都可以導(dǎo)致汽車發(fā)生共振，引發(fā)非常大的振幅和動應(yīng)力，嚴重時會整部汽車發(fā)生抖振，汽車內(nèi)部噪音過大，局部發(fā)生疲勞破壞等。 模態(tài)分析一套理論是從上世紀三十年代機械阻抗和導(dǎo)納的概念上演變而來的，它融合了振動理論、信號分析、數(shù)據(jù)處理、自動控制等理論，形成了自己獨特的一套方法。模態(tài)分析實際上是一種坐標的變換，它的目的在于將原本坐標系中的相關(guān)向量，轉(zhuǎn)換到所謂的“模態(tài)坐標系”中來描述。 模態(tài)分析是研究各種振動特性的一種精確有效的方法。用結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)參數(shù)來展現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性, 即結(jié)構(gòu)的各階頻率, 阻尼及振型。而系統(tǒng)的固有頻率是系統(tǒng)的固有屬性, 與其他因素沒有關(guān)系。所以通過模態(tài)分析的結(jié)果可以判斷車架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否符合期望。 4.2 模態(tài)分析過程 由于汽車在行駛過程中，車架發(fā)生共振的頻率都是低頻，較低階的固有頻率和相應(yīng)的振型對動態(tài)特性的影響比較大，因此我們只要研究前幾階的頻率和振型就可以了。 同前面的靜態(tài)分析，在ABAQUS中刪除載荷和重新設(shè)置載荷步，載荷步設(shè)置為模態(tài)分析的載荷，提取前6階模態(tài)，如下圖所示。 圖4.1 一階模態(tài) 圖4.2 二階模態(tài) 圖4.3 三階模態(tài) 圖4.4 四階模態(tài) 圖4.5 五階模態(tài) 圖4.6 六階模態(tài) 表4.1 六階模態(tài)頻率表 階數(shù) 模態(tài)頻率/Hz 1 4.2324 2 9.9241 3 18.073 4 28.410 5 36.418 6 37.140 4.3 結(jié)果分析 該汽車裝的是四缸四沖程發(fā)動機，怠速時的轉(zhuǎn)速約為700r/min，由公式（4-1）可以求出發(fā)動機怠速狀態(tài)下的激振頻率約為23.3Hz。 f=n/30 (4-1) 式中f——發(fā)動機怠速頻率 n——怠速狀態(tài)下發(fā)動機轉(zhuǎn)速 車架的振動不但和發(fā)動機有關(guān)，還和路面狀況和行駛速度有關(guān)。在以正常速度行駛的情況下，汽車收到的來自地面的激勵頻率低于3Hz。由上述模態(tài)分析結(jié)果可以看出，該車架的第一階固有頻率為4.2324Hz，低于發(fā)動機怠速頻率，同時高于路面激勵頻率，能夠避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。第四階頻率和怠速激振頻率比較接近，為了避免發(fā)生共振，需要進一步調(diào)整橫梁位置或者改變橫梁的截面形狀與尺寸來改善。 第五章 結(jié)論與展望 5 結(jié)論與展望 課題針對某型SUV車架進行了一系列的計算與分析，將理論與實際結(jié)合起來，對該車架的性能進行了分析。主要工作有： 1、對車架有限元分析的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了探究； 2、分析了車架結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對車架模型進行簡化，再利用三維軟件建立車架模型； 3、對車架模型進行了靜態(tài)和動態(tài)分析。 通過對車架進行有限元分析,可以非常方便地得到產(chǎn)品的各項性能。在實際的汽車生產(chǎn)中，利用CAD/CAE方法進行汽車車架的設(shè)計，具有許多傳統(tǒng)設(shè)計方法不具備的優(yōu)點：耗時短，效率高，花費少，計算結(jié)果精確詳細，勞動強度較低等。由此可見，CAD/CAE方法如果得以在機械行業(yè)（例如汽車企業(yè)）中得到大力推廣，其勢必會對國內(nèi)機械行業(yè)造成不可估量的影響。 縱觀整個畢業(yè)設(shè)計過程，由于自身水平限制，工作中還存在各種各樣的不足之處。比如說，在建立車架模型時做了很多的簡化，使得分析結(jié)果的精確性大打折扣；沒有在有限元分析中給車架不同的部件加上不同的材料特性；分析中一些數(shù)據(jù)存在偏差，同樣影響了分析結(jié)果的精確性。此外還有很多不盡如人意之處。 今后還需要進一步開展的工作有： 1、疲勞失效是汽車車架常常會有的問題，今后除了對車架進行靜態(tài)和模態(tài)分析之外，還要對其進行瞬態(tài)響應(yīng)分析與疲勞分析； 2、課題在優(yōu)化時僅僅滿足于通過加強的方式來提高車架強度，而這樣勢必會增加車架的自重。今后會在滿足強度要求的前提下，繼續(xù)進行車架的輕量化研究。 參考文獻 參考文獻 [1] 孫啟會,閔鵬.有限元法在汽車車架分析中的應(yīng)用[J].重型汽車,2001(05):20-21. 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