1、淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 32 页目 录1 引言 21.1 课题的研究意义 21.2 有限单元法的概述 31.3 行李牵引车关重件的有限元分析的现状与发展趋势 41.4 本文的主要研究内容 52 有限元法基本理论及软件 52.1 有限元法的变分原理基础 52.2 有限元分析软件 ANSYS 简介 62.3 有限元软件分析流程 83 有限元模型的建立 93.1 车架几何模型的建立 93.2 车架有限元模型的建立 113.3 转向轴几何模型的建立 143.4 转向轴有限元模型的建立 154 静力分析 174.1 静力分析基础 174.2 刚度理
2、论基础 184.3 车架静力工况分析 194.4 车架模态分析及其 ANSYS 实现过程 244.5 转向轴的静力工况分析 28结 论 30致 谢 31参 考 文 献 32淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 32 页1 引言 1.1 课题的研究意义随着高新技术的不断发展，行李牵引车逐渐向系列化、模块化、轻量化、小型化、电子化(自动化、智能化)及个性化发展。在保证能够安全有效的完成作业的同时，减轻车辆的质量，这意味着节约了能源和材料，这将是我国行李牵引车的发展趋势，是与外国技术接轨的一个很重要的途径。目前，汽车整车制造市场竞争激烈，行李牵引车的制造技术
3、不断的发展，完善，再加上市场对牵引车的需求不断的加大，对行李牵引车的要求变大，种类变多，所以行李牵引车的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能如动力性、经济性、操纵稳定性。车辆设计中，在满足重型载货车运营中对底盘的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量和降低制造成本。行李牵引车关重件主要由车架和其它承载车辆重量的构件组成。而车架是整个底盘结构的重要构件，起到承载整车质量、传导地面反力和装载底盘其它构件的作用，因此对车架结构进行研究显得十分重要。车架也称大梁，车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机、底盘和车身等总成连成一个整体，即将各总成组成为一辆完整的汽车。同时，车
4、架还承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，即车架要承受各种静载荷和动载荷。一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置前桥后桥支承在车轮上。具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。车架在实际环境下要面对 4 种压力即：负载弯曲、非水平扭动、横向弯曲、水平棱形扭动。要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性(stiffness)不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。同样，车架的刚性对汽车的性能有很大的影响。影响车架刚性的外力，通常是来自于路面摩擦力以及加减速或过弯时产
5、生的值。汽车由于引擎及底盘设计不像现在发达，轮胎的抓地力也不如今日优异，因G此车架刚性的重要性并不容易被关注。但是市售车所搭载的引擎已有不错的动力，而且轮胎有与地面的摩擦力更好的辐射层构造，低扁平薄胎与大直径化的设定也成为了市场的主流，因此在动力有所提升、轮胎与悬挂所承受的负荷增大并且转移至车架的情况下，车架本身承受的负荷肯定也会大幅提高。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 32 页行李牵引车车架静力学分析主要包括弯曲和扭转两种工况，这是评价车架质量最重要的指标。采用牵引力学理论及有限元原理，利用大型通用有限元分析软件ANSYS 对某车型车架在弯曲、
6、扭转两种工况下进行力学分析，得出了在弯曲和扭转工况下某轿车车架的刚度变化。并对不同荷载情况下的车架不同部位的应力、位移进行较为全面的数值模拟，为对车架的强度分析提供参考和依据。同时，行李牵引车关重件中的转向轴，对整车的性能也有很大的影响，转向轴要能够承受足够大的扭矩，即有足够的扭转刚度，以保证能够安全，稳定的将动力传递到转向轮。由此可见关重件对汽车的重要性，采用 ANSYS 对行李牵引车车架和转向轴进行结构优化设计，可以对结构的动态特性做出评价。同时对车架的模态分析结果进行验证，使车架结构在原有基础上得以分析并优化，以保证车架的安全性，精简等。1.2 有限单元法的概述有限单元法（finite
7、element method，FEM） ，简称有限元法，是以力学为基础，是力学，数学和计算机科学相结合的产物，是随着计算机方法和计算机技术的发展而迅速发展起来的一种数值计算方法，是一种解决工程实际问题的有力的数值计算工具，它几乎适用于求解所有连续介质和场的问题。经过近 60 年的发展，有限元的基本理论已相当成熟，一大批通用的专用有限元软件纷纷面世。伴随着广泛的学术交流和大量期刊文献的出版，借助于互联网信息的传递，有限元从高端走向普及，成为工程结构分析中最为成功，最为广泛和最为实用的重要工具。借助有限元分析技术已经成功地解决众多领域的大型科学和工程计算问题，几乎所有工程领域都在使用有限元法，汽车
8、工程更不例外。有限元分析（finite element analysis，FEA） ，简称有限元分析，是更为广泛意义上的计算机辅助工程（computer aided engineering，CAE）的重要组成部分，事实上 CAE 的应用首先就是从有限元分析开始的。基于有限元技术的 CAE 软件，无论在数量，规模上，还是在应用范围上都处于主要地位。作为数值分析的代表，有限元分析已经成为继机车结构力学分析和汽车结构实验之后的另一个重要手段，由此形成了现代汽车产品设计方法，即设计-计算-实验的三步法。有限元分析不仅能够解决和验证传统的汽车结构问题，而且极大地扩大了结构分析的研究范围，成为解决汽车结构
9、问题的新的主要手段。作为结构分析的一种计算方法，从数学角度看，其基本思想是通过离散化的手淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 32 页段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限多个小单元体，并使他们在有限多个节点上相互连接。在一定精度要求下，用有限多个参数来描述每个单元的力学特性；而整个连续体的力学特性，可认为是这些小单元力学特性的总和，从而建立起连续体的力的平衡关系。1.3 行李牵引车关重件的有限元分析的现状与发展趋势1. 研究现状：上世纪五六十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核
10、是依靠传统的经验和方法，即依靠经典的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对车架的结构作大量的简化设计，设计的结果通过实验来验证，该方法具有一定的可行性和科学性。传统经验分析设计方法，具有简单易行的优点，在我国目前的车辆设计计算中仍起到一定的作用。但是，该方法也有明显的不足，主要表现在以下两个方面：（1）由于经验设计有相当的盲目性，关重件如车架的设计改进都不会有明显的突破。使得其整体结构的强度、刚度问题都不能得到合理的解决。而且设计周期长，使得车架的更新换代的速度比较慢，不能与现代化商品生产竞争相适应。（2）传统的经验设计，不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此，设计中不可避免
11、的会出现车架各部分强度匹配不合理的现象。导致整个车架设计成本提高，而且某些部位强度不够，容易引起事故；若某些部位的强度过于富裕，造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目的。由于经验分析设计方法有以上的不足之处，生产厂家迫切需要一种能与市场竞争相适应的新的设计方法。随着电子计算机的出现及结构强度分析和结构优化程序的投入使用，取代了高强度的手工劳动，结构分析、设计速度大大提高。有限元分析法就是其中的一种。目前，国内对汽车车架的设汁与研究已经从主要依靠传统的经验分析设汁方法逐渐发展到有限元等现代设计方法，但是尚未像汽车整车和主要零部件的参数确定那样广泛应用优化设计方法。所以汽车车架结构参数化设计与优化
12、仍是近些年的重要研究领域。2发展趋势：随着竞争车型的不断推出和燃油价格的不断攀升，用户对行李牵引车的耗油量问题越来越敏感，市场对汽车轻量化的要求日益迫切。有限元分析技术能够满足用淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 32 页户对车架的应力分布的需要，结构优化技术能够为车架的设计提供更合理的设计尺寸。有限元分析技术与结构优化优化方法相结合并应用于工程实际，不仅改善了车架的力学性能，而且能降低车身重量并且更加节省材料。3. 研究方法：选中车型，确定车架和转向轴具体尺寸，然后利用 ANSYS 进行车架和转向轴建模并进行有限元分析，高效准确地建立分析构件的三维
13、实体模型，自动生成有限元网格，建立相应的约束及载荷工况，并自动进行有限元求解，对车架模态分析计算结果进行图形显示和结果输出，对结构的静态特性做出评价。同时对车架的模态分析结果进行验证，为对车架的强度分析提供参考和依据。使车架结构在原有基础上得以分析并优化它。1.4 本文的主要研究内容本文以型号为 QCD30 的行李牵引车的车架和转向轴为例，建立了基于实体单元的结构有限元模型。通过对这车架的三种典型工况的静态分析和转向轴扭转工况的分析，得出应力与应变集中的位置，并提出改进建议，其体实施步骤如下：（1）建立车架，转向轴模型，用 SolidWorks 软件建立车架整体模型和转向轴，然后导入到 ANS
14、YS 有限元软件进行网络划分。（2）假定行李牵引车满载并牵引的情况下，对车架在弯曲、制动、急转弯三种工况下的受力和变形情况进行静态有限元分析。（3）对车架进行 ANSYS 模态分析。（4）假定行李牵引车满载的情况下，对转向轴的扭转工况下的受力和变形情况进行静态的有限元分析。2 有限元法基本理论及软件2.1 有限元法的变分原理基础力学中的能量变分原理有很多种，其中虚功原理与最小势能原理都是有限元法的重要理论基础。有限元法的数学基础是变分原理，而力学基础则是能量原理。基于这些原理就可以把连续弹性体的变形求解问题转化为泛函的变分极值问题，从而形成有限元的求解过程。这里简单介绍虚功原理。虚功原理代表了
15、弹性体平衡的普遍规律，所以可用来研究弹性体的平衡问题。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 32 页基于虚功原理可以进行有限元公式的推到。弹性体虚位移是指满足变形协调条件和边界约束条件的任意无限小位移。虚功原理可表述为：当一个弹性体在外力作用下处于平衡状态，则对任何约束许可的虚位移来说，外力所做的虚功等于内力的虚功。这里虚功是指真实的力在虚位移上所做的功，其表达式为（2-1）WU其中， 为外力的虚功； 为外力的虚功；表达式分别为U（2-2） VT zxyzxyzyxd dV （2-3）dAuZYuXdVuZYuXWAvvv这里的 、 、 、 、 、 表
16、示由虚位移 、 、 引起的虚应xyzxyzzxw变。虚功原理通过虚位移和虚应变建立了外力与应力之间的关系。（1）虚功原理没有涉及物理方程，即没有规定应力与应变之间的具体关系，因此，对弹性、塑性情况均适应。（2）虚位移原理完全等价平衡微分方程和力边界条件。由虚位移原理可以导出平衡微分方程和力边界条件。这样求解弹性力学问题又可叙述为：在所有变形可能的位移场中，寻找所给出的应力能满足虚位移原理的位移场。或者说，真实的位移场必须是变形可能的位移外，它所给出的应力还应满足虚位移原理。2.2 有限元分析软件 ANSYS 简介ANSYS 是由美国 ANSYS 公司升发的大型通用有限元分析软件。自 1970
17、年成立以来，ANSYS 公司在其创始人 John Swanson 教授的领导下，不断吸取世界最先进的计算方法和计算机技术，引导着世界有限元分析软件的发展。以其先进性、可靠性、开发性等特点，被全球工业界广泛认可，并拥有全球最大的用户群。ANSYS 是融多物理场于一体的大型通用 FEA 软件，它主要包括三个模块:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。各模块主要功能如下:(1) 前处理模块淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 32 页ANSYS 的前处理模块主要有两部分内容:实体建模和网格划分。ANSYS 提供了两种可以交叉使用的实体建模方法:自顶向下及自底
18、向上建模。无论使用哪种方法建模，用户都能使用布尔运算来组合数据库，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS 提供了完整的布尔运算，如相加、相减、相交、分割、纽结和重跌等。同时，ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对 CAD 模型进行网格划分的功能。它包括 4 种网格划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。(2) 求解模块前处理阶段完成建模后，用户可以在求解阶段获得分析结果。ANSYS 提供的分析类型有:结构分析、热分析、电磁分析、流体分析和耦合场分析等。在平时的练习和课题中所常用的分析类型为结构分析和耦合分析，下面具体对这两种类型进行说明。 结构分析。可分为结构静力分析、结构非线
19、性分析和结构动力学分析等。结构线性分析用于分析惯性和阻尼对结构影响不显著的线性或准静态问题；结构非线性分析主要包括几何非线性(大变形、大应变、应力刚化、旋转软化以及非线性屈曲等)、材料非线性(模拟 100 多种非线性材料模式，包括橡胶、泡沫、岩石等特殊材料)、状态非线性(刚-柔接触、柔-柔接触问题等)；结构动力学分析包括模态分析、谐波响应分析、瞬态动力学分析、谱分析、随机振动分析和线性与非线性屈曲分析等。 耦合分析。ANSYS 的耦合场分析可以分为直接耦合和间接耦合两类。直接耦合使用带有多个场自由度的耦合单元，通过单元矩阵或载荷向量把耦合构造到控制方程中，因此可以一次求解多个场的自由度。间接耦
20、合又称顺序耦合法，通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合，需要至少两次分析才能得到最后的结果。当分析结果的获得是同时依赖于两个物理场时，此时就得用完全耦合分析方式；当分析结果的获得只依赖于一个物理场时可以使用间接耦合方式，如热-应力分析中一般结构的应力变形依赖于构件的温度场，而温度场信息的获得不依赖于结构的应力变形情况。间接耦合方式为用户提供了更自由的耦合方式，从而实现任意两场或多场的耦合分析。(3)后处理模块 POST1 和 POST26ANSYS 软件的后处理过程包括两个部分:通用后处理模块 POST1 和时间历程响应后处理模块 POST26。通过友好的用户界面，
21、可以很容易地求解过程的计算结果并对淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 32 页其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表显示两种。通用后处理模块 POST1 这个模块对前而的分析结果能以图形显示和输出。例如，计算结果(如应力)在模型上的变换情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色代表了不同的值(如应力值)。云图则用不同的颜色代表不同的数值区(如应力范围)，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。时间历程响应后处理模块 POST26。这个模块用于检查在一个时间段或子历程中的结果，如节点应力、位移、支反力。这
22、些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线有助于形象化地表示分析结果。2.3 有限元软件分析流程有限元法的基本研究思路是结构离散-单元分析-整体求解。有限元软件实施的过程则采用前处理-中处理-后处理三个阶段。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；中处理是构件刚度矩阵与分析计算；后处理则是分析与计算结果，对所分析的结构做出评价。简单的说，有限元基本分析过程可以归纳为以下几个步骤：（1）将连续体分割成有限大小的区域，这些区域即为有限单元，单元之间以节点相连。（2）选择节点的物理量（如位移、温度）作为未知量，对每一单元假设一个简单的连续位移函数（插值函数）来近似模
23、拟其位移分布规律，将单元内任一点的物理量用节点物理量表述。（3）利用有限元法的不同解法，如根据虚功原理建立每个单元的平衡方程，即建立整体刚度矩阵。（4）将各个单元再组装成原来的整体区域，建立整个整体物体的平衡方程组，形成整体刚度矩阵。（5）引入边界条件，即约束处理，求解节点上的未知量。其他参数，如应力、应变等依次求出。对汽车结构分析而言，其分析流程可用图 2-1 简略表示：淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 32 页检 验 分 析 设 计 目 标分 析 结 果 讨 论 评 价求 解 计 算载 荷 与 边 界 约 束 条 件有 限 元 模 型 检 查网
24、 格 划 分 、 单 元 质 量 、 焊 点 处 理建 立 有 限 元 模 型实 验 检 验设 计 修 改结 构 优 化分 析 报 告数 据 存 档分 析 任 务 结 束制 定 有 限 元 分 析 方 案（ 分 析 对 象 、 分 析 类 型 、 分 析 目 的 ）机 车 结 构 模 型 信 息1 . C A D 模 型2 . 材 料 属 性3 . 载 荷 工 况4 . 边 界 约 束5 . 连 接 关 系是初 步 结 果 分 析模 型 确 认？否图 2.1 有限元分析流程3 有限元模型的建立创建 ANSYS 模型的途径有四种：（1）在 ANSYS 环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。（2
25、) 在其他软件(比如 CAD)中创建实体模型，然后导入 ANSYS 环境中，经过修正后划分有限元网格。（3）在 ANSYS 环境中直接创建节点和单元。（4）在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据读入 ANSYS。本文采用第二种方法，即：在 SolidWorks 软件中创建实体模型，然后导入 ANSYS 中。3.1 车架几何模型的建立在 SolidWorks 中建模具体步骤如下：（1） 打开 SolidWorks 软件，选择新建单一零部件的 3D 展现。（2） 选择前视基准面，用草图命令中的直线画出侧板，并定义尺寸，如图 3.1所示。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （
26、论 文 ） 第 10 页 共 32 页图 3.1 草绘车架侧板显示图（3） 创建一个新的基准面 1，将侧板镜像，如图 3.2 所示。图 3.2 镜像侧板图显示图（4） 再创建一个新的基准面，在草图命令中，草绘纵梁，如图所示，退出草图环境，拉伸如图，如图 3.3，图 3.4 所示。图 3.3 创建纵梁 图 3.4 创建后梁（5） 草图前后纵梁，拉伸，完成车架的建模，如图 3.5 所示。图 3.5 车架完成后的显示图3.2 车架有限元模型的建立3.2.1 模型导入由于 ANSYS 软件不能直接应用 SolidWorks 形成的*.SLDPRT 文件，所以在车架的装配模型完成后，将该模型转化为 AN
27、SYS 软件可以识别的*. x_t 格式，在淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 32 页SolidWorks 软件中可以通过文件保存副本实现这个操作。启动 ANSYS 软件后，通过 Import 选项导入车架的三维几何模型*.x_t 文件。导入到 ANSYS 软件后的车架有限元模型如图 3.6 所示图 3.6 车架导入 ANSYS 后的显示图3.2.2 参数设置启动 ANSYS 软件，设置分析类型为结构分析 Structure，然后设置有限元单元类型为 SOLID45，同时设置材料参数。车架的材料参数如表 3.1 所示：表 3.1 车架材料特性材料
28、类型 弹性模量( )GPaE/密度（ ）3/mkg泊松比（ ）Q235 210 108.70.33.2.3 单元简介本文选用 SOLID45 单元，为八节点六面体单元，一个单元就是一个立方体, 节点就是这个立方体上的 8 个顶点。这个立方体单元受到的外力作用都要通过节点来加载, 外力的作用不是直接作用在这个单元上, 而是通过节点来使这个立方体单元发生变形。下面对八节点六面体单元进行简单的介绍：对几何形状规则的结构进行三维分析时，可选用六面体单元，它有 8 个节点，节点参数为三个坐标轴方向的位移向量 ， 和 。边长分别为 ， 和 的平行uvwa2bc六面体单元，也称为砖形单元。在六面体单元的形心
29、上取局部坐标 ，坐标轴分别与边长平行，如图 3.7 所示。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 32 页xyz8 7654 3212 b2 a2 c0图 3.7 八节点六面体单元单元局部坐标与整体坐标之间的关系为：(3-1)2/)(/100zczybyxax，用前述构造形函数的方法，在该局部坐标系的情况下，可得到对应于每个节点的形状函数，即(3-2)821118， iNiiii 式中的 、 和 为单元节点 的局部坐标。单元内任一点位移可表示为：iii（3-3）8181iiiiiiwNvu或写成矩阵形式（3-4）ef其中 为形函数矩阵：N(3-5)82
30、1 000NN单元节点位移向量为：(3-6)TTTTe 87654321 淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 32 页其中（3-7）821， iwvuTiii由几何方程式（2-10） ，得单元应变与单元节点位移之间的关系式：（3-8）eB为应变矩阵，用子矩阵来表示可写成为B(3-9)8321其中每个子矩阵为（3-82100 ，ixNyzzyNxBTiiiiii iiii10）而(3-11)iiiiii iiiiczNbyax18将式（3-11）代入物理方程 中，得到单元应力与单元节点位移之间的关D系式：（3-eSB12）为应力矩阵，写成子矩阵形式为
31、：S(3-13)8321SS其中（3-14），iDBii单元刚度矩阵为：淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 32 页(3-15)VTeDBdk写成分块矩阵的形式：(3-16)eeeeekk882121812 空间问题有限单元法的整体分析，包括总刚度矩阵 、总载荷列阵 的形成，KR以及约束处理等，都与平面问题中的处理类似。3.2.4 划分网络在 ANSYS 软件中一般把板单元和板壳单元合称为板壳单元。本文中采用的板壳单元为 SOLID45。它是一种常用的 8 节点单元， 。在每个节点有 6 个自由度，共有 24个自由度。单元长度选取 50mm，采用自
32、由网络划分，纵梁和横梁相接触的部位在划分网络时要一体划分，这样可以保证零部件在有限元软件中的有效连接。划分网络后的车架有限元模型如图 3.8 所示，节点数共 18423 个，单元数共 68337 个。图 3.8 车架划分网格后的显示图3.3 转向轴几何模型的建立转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，转向柱管固定在车身上，转向轴从转向柱管中穿过，支承在柱管内的轴承和衬套上。转向轴长度 L=150mm，直径d=25mm。参考同类汽车的转向轴，使用 SolidWorks 软件对汽车转向轴进行建模，对其结构进行适当的简化，去除一些附属件，得到模型，左端与方向盘相连，右端与转向器相连。在 SolidWor
33、ks 中建模具体步骤如下：（1）打开 SolidWorks 软件，选择新建单一零部件的 3D 展现（2）选择前视基准面，用草图命令中的直线画出转向轴的轮廓尺寸，如图 3.9所示淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 32 页图 3.9 创建转向轴旋转截面图的显示图（3）退出草绘，旋转，得到转向轴，如图 3.10 所示图 3.10 旋转之后得到的转向轴的显示图（4）最终效果图如图 3.11 所示图 3.11 转向轴最终的显示图3.4 转向轴有限元模型的建立3.4.1 模型导入由于 ANSYS 软件不能直接应用 SolidWorks 形成的*.SLDPRT
34、 文件，所以在车架的装配模型完成后，将该模型转化为 ANSYS 软件可以识别的*. x_t 格式，在SolidWorks 软件中可以通过文件保存副本实现这个操作。启动 ANSYS 软件后，通过 Import 选项导入车架的三维几何模型*.x_t 文件。导入到 ANSYS 软件后的车架有限元模型如图 3.12 所示图 3.12 转向轴导入 ANSYS 后的显示图淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 32 页3.4.2 参数设置启动 ANSYS 软件，设置分析类型为结构分析 Structure，然后设置有限元单元类型为 SOLID45，同时设置材料参数。
35、车架的材料参数如表 3.1 所示：表 3.1 车架材料特性材料类型 弹性模量( )GPaE/密度（ ）3/mkg泊松比（ ）屈服极限（ ）MPa合金钢 210 108.70.3 6203.4.3 划分网络采用 ANSYS 软件中的 SOLID45 实体单元进行网格划分，这种单元有利于考虑转向轴的设计细节，能比较准确反映集中情况。SOLID45 单元通过 8 个节点来定义，每个节点有 3 个沿着 xyz 方向平移的自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力.在非线性有限元分析计算中,需要耗费大量的资源,所以在保证精度的前提下,转向轴的单元应尽可能少,本文的转向轴划分为 2873
36、个 SOLID45 单元和13475 个节点。网格划分后的转向轴模型如图 3.13 所示图 3.13 转向轴划分网格之后的显示图4 静力分析4.1 静力分析基础结构静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力(如重力和离心力)、位移载荷等。通过结构强度和刚度的有限元静力分析，可以找到车架在各种工况下各零部件变形和应力的最大值以及分布情况。以此为依据，通过改变结构的形状尺寸或者改变材料的特性来调整质量和刚度分布，
37、使车架各部位的变形和受力情况尽量均衡。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 32 页同时可以在保证结构强度和刚度满足使用要求的前提下，最大限度地降低材料用量，使车架的自重减轻，从而节省材料和降低油耗，提高整车性能。在有限元分析程序中，静力分析的控制方程表示为：（4-1）FUK其中：为结构刚度矩阵； 为位移向量； 为载荷向量K在用 CAE 方法进行车架结构的静态分析时，其基本原理是一样的，即求解用矩阵形式表示的整个结构的平衡方程，得出：（4-2）RK其中：为整体刚度矩阵，由单元刚度阵组集而成； 为整个物体的节点位移列阵，K由单元节点位移列阵组集而成；
38、为载荷列阵，由作用于单元上的节点力列阵组成R而成。利用上式求解出节点位，然后利用公式（4-3）和已求出的节点位移来计算各单元的力，并加以整理得出所要求的结果。（4-3）eBD其中：为与单元材料有关的弹性矩阵； 为单元应变矩阵； 为单元的节点 位D e移列阵。经过计算得到车架应力和变形的结果，变形可通过后处理中模型的变形图直观地反映出来，应力的分布则可以以应力云图或应力图中以高等线的形式表示，节点处的应力是与之相连的单元的应力在节点位置的算术平均。根据强度要求和材料的特性可以选择最大拉应力、最大剪应力或综合应力作为强度校核基准，材料的失效以材料发生塑性变形为标志，因此对车架的静态强度校核可以根据
39、第四强度理论，选择 Vonmiss 等效应力来判断车架结构的强度。Vonmiss 等效应力可以表示为：（4-4）2132321 )()()( r淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 32 页强度条件表示为：（4-5）为材料的许用应力。4.2 刚度理论基础车架既要有足够的强度，也要有足够的刚度。足够的弯曲刚度，可使车架上的部件在行驶过程中相对位置不发生改变。车架刚度不足，会引起振动和噪声，也会使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性及某些基件的可靠性下降。然而其扭转刚度不易过大，否则汽车的通过性变差。应有足够的强度可保证其有足够的可靠性和使用寿命等。(1) 汽车
40、车架弯曲刚度为使汽车车架产生单位挠度所需的载荷，或载荷与所引的车架最大挠度值之比称为车架的弯曲刚度。车架的单位弯曲刚度相当于车架纵梁的 。对于车架纵梁，EJ其跨距中点受到集中载荷 ，则车架纵梁的挠度最大值为:F（4-6）xEJlY483max其中: 为纵梁的抗弯刚度系数； 为弹性模量； 为汽车轴距； 为纵梁中点受到xJ lF的集中载荷； 为梁的最大挠度。maxY（2）汽车车架扭转刚度汽车车架的扭转刚度是指为使汽车轴距长度内的系统扭转单位角度所需的转矩，或者为转矩与轴距长度内的转角之比。汽车车架的单位弯曲刚度相当于扭杆的 KGJ。从汽车整个结构来看，车架前后部分的扭转刚度应该大些，而中间部分小些
41、。驾驶室后面前的这一段车架的扭转刚度大些有益于飞发动机及驾驶室的悬置。从驾驶室后面之后悬架以前的这段车架的扭转刚度应小，以起到缓冲作用，避免载荷集中，减小车架和悬架系统的载荷，并改善汽车在不同路而上的接地性。车架扭转刚度的计算通常以前后轴的相对扭转角为准。当汽车某一车轮被路而上的凸起抬高时，车架的轴间扭转角 为：淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 32 页（4-7）SFC14.3 车架静力工况分析4.3.1 弯曲工况（1）载荷与边界条件根据静力等效原则，将发动机、驾驶室、驾乘人员等各部件的质量对车辆的作用力简化为在车架各部分上的均布载荷。货箱的质量
42、与装载量之和对车架的作用，按货箱与车架的实际接触面积计算简化为车架上的均布载荷。各部件的质量如表 4.1所示，驾驶室、驾乘人员共对车架施加 2500N 的力，施加在第一梁处；发动机，油箱和蓄电池对车架施加 3700N，施加在第二梁处；车厢及载荷对车架共施加10000N，均布施加在车架上。考虑地面摩擦系数取值 0.25-0.4 之间，取 0.25，则在最后纵梁取一片区域施加总拉力 75000N。表 4.1 各部件质量部件名称 质量（ ）kg部件名称 质量（ ）kg驾驶室 150 车身 1000驾乘人员 100 发动机 250油箱和蓄电池 120 拖拉货物 3000各车轮施加完载荷和边界条件的车架
43、在弯曲工况下的边界条件如表 4.2 所示：表 4.2 弯曲工况边界条件满载弯曲工况 左前轮 右前轮 左后轮 右后轮约束自由度 X Y Z X Y Z Z Z（2）结果分析从图 4.1 中可以看出，最大位移发生在车架中部驾驶室的位置，最大位移为0.221mm，车架的变形量很小，远小于汽车定型试验规程中所规定的最大变形参考值，说明该车架有良好的抗变形能力。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 32 页图 4.1 满载弯曲工况最大位移节点位移值满载弯曲工况应力分布如图 4.2 从图中可以看出车架的最大应力发生在车架中间端，最大应力为 12.3MPa，本文车
44、架的材料为 Q235，屈服强度为 235MPa，车架各截面处的应力均远小于许用应力，由此可以知道车架在满载弯曲时满足强度要求。图 4.2 弯曲工况应力分布图4.3.2 制动工况（1）约束与载荷货车车架在使用过程中常常发生与悬架连接处的车架开裂现象，这与车辆使用中的紧急制动工况有很大关系，有必要分析车架或车身结构在制动载荷条件下的强度指标。汽车在行驶过程中由于行驶工况的改变，车辆常常会经历加速或减速的情况，而导致惯性力的产生。由于惯性力的作用车架将承受和行驶方向相反的纵向载荷的作用，纵向载荷的大小取决于制动减速度和车载质量的大小，惯性力的大小取决于制动减速度的大小。在本文的研究中以制动时前、后各
45、车轮同时抱死的情况进行计算，在车架上施加一个纵向加速度来模拟紧急制动工况。以汽车的初始速度，制动距离为 进行模拟，即制动减速度 来进行计算。当然在实sm/20m7 2/86.sm淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 32 页际中根本不可能达到这么大的制动减速度，但作为对车架的强度和刚度进行校核时可假设其能达到上述的制动减速度，这样计算所得到的结果具有更高的安全系数。汽车在紧急制动的情况下汽车的车速是一个逐渐减小的过程，故在计算时取动载系数为 1.5。紧急制动工况下的边界条件如表 4.3 所示：表 4.3 紧急制动工况边界条件满载弯曲工况 左前轮 右前
46、轮 左后轮 右后轮约束自由度 X Y Z X Y Z Z Z（2）结果分析满载紧急制动工况的车架变形如图 4.3，从图中可以看出车架最大位移出现在驾驶室靠后一些的位置，最大位移为 1.651mm,变形量比较大。但是由于模拟的工况减速度很大，实际工作时并没有这么大的减速度，所以车架在满载紧急制动工况下还是有较高的安全系数。汽车在满载紧急制动过程中，在惯性力的作用下，尾部受拉力作用，车架尾部位移量比较大。图 4.3 紧急制动工况最大位移节点位移值满载紧急制动工况的车架应力分布如图 4.4，从图中可以看出由于紧急制动，车架略向前收缩。最大应力产生在车架中部，最大应力为 197MPa，而车架材料的屈服
47、强度为 235MPa，即车架各截面处的应力小于车架材料的屈服强度。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 32 页图 4.4 紧急制动工况应力分布图4.3.3 转弯工况（1）约束与载荷汽车满载转弯时，车架将受到侧向离心力的作用而产生侧向载荷。由于离心加速度的大小是由转弯半径以及汽车的行驶车速决定，并且在转弯的时候必然会有减速的过程，所以还有减速加速度。作为近似计算，本文通过在横向( 轴负方向)施Y加一个侧向加速度 和在纵向(X 轴方向)施加一个减速加速度 来模拟左转弯g5.0 g5.0工况。此外，离心力的大小还受到车载质量的影响。该工况假设后轴完全侧滑
48、的极限状态。动载系数取为 1.5。紧急转弯工况下的边界条件如表 4.4 所示： 表 4.4 紧急转弯工况边界条件满载弯曲工况 左前轮 右前轮 左后轮 右后轮约束自由度 X Y Z Y X Y Z Y（2）结果分析满载转弯工况车架的变形如图 4.5，从图中可以看出汽车在满载紧急转弯工况下，车架的主要变形出现在车架后半部和最前右半部，并且向车架前端逐渐递减，车架的最大变形量为 2.869mm。这主要是由于汽车在紧急转弯时，汽车发生“甩尾”所致。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 32 页图 4.5 满载转弯工况最大位移节点位移值满载紧急转弯工况下车架的
49、应力分布如图 4.6，从图中可以养出车架的最大应力在车架尾部，最大应力为 209MPa，而车架材料的屈服强度为 235MPa，即车架各截面处的应力小于车架材料的屈服强度，可见在满载紧急转弯工况下，车架的总体应力值仍然能满足要求。图 4.6 满载转弯工况应力分布图4.4 车架模态分析及其 ANSYS 实现过程4.4.1 模态分析理论结构动力分析中的一个重要问题就是进行结构的固有振动特性分析。结构固有振动特性只与结构自身的质量和刚度分布有关，因此又称为自振特性，自振特性将决定结构在动力载荷作用下的响应行为。一个最常见的问题就是结构在受到与其自振频率相近的载荷作用时，将产生显著的动力响应，这称为结构的动力共振现象。结构动力设计的一个重要方面就是通过合理调整结构的刚度和质量分布，避免结构在
