基于ABAQUS的汽車車架有限元分析
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(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目：基于ABAQUS的汽車車架有限元分析
學(xué)生姓名：
二級(jí)學(xué)院：
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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(guó)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(jiǎn)介 3
1.5 課題研究?jī)?nèi)容 4
2 汽車車架建模 6
2.1 汽車車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 6
2.2 車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)介 18
4.2 模態(tài)分析過(guò)程 18
4.3 結(jié)果分析 19
I
5 結(jié)論與展望 21
參考文獻(xiàn) 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(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室以及相關(guān)操縱機(jī)構(gòu)）都要以車架來(lái)固定它們的位置。車架的用處是支承并聯(lián)接汽車各個(gè)零部件，以及承受來(lái)源于車內(nèi)外的種種載荷。所以，其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性是車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)某型汽車車架進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，并得出結(jié)論，作為車架設(shè)計(jì)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(zhǎng)，汽車工業(yè)已經(jīng)成了衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)起到十分重要的推動(dòng)作用。各個(gè)國(guó)家都大力發(fā)展本國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)，那些先進(jìn)的歐美國(guó)家也不例外。我國(guó)當(dāng)前汽車人均擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，汽車市場(chǎng)還有著巨大的潛力。汽車工業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)于汽車性能的要求自然也是越來(lái)越高。
任何汽車的設(shè)計(jì)工作都應(yīng)該以安全性作為前提。目前相當(dāng)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(dòng)機(jī)和其他總成的安裝基礎(chǔ)。它作為相當(dāng)關(guān)鍵的承載部件，承受著來(lái)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(duì)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(qiáng)度，從而保證其疲勞壽命。同時(shí)，車架要有適當(dāng)?shù)膭偠葋?lái)滿足裝配和使用的要求，合理的動(dòng)態(tài)特性以控制噪聲與振動(dòng)。所以，汽車車架的性能分析對(duì)于一輛合格的汽車來(lái)說(shuō)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(jì)算方法來(lái)預(yù)計(jì)即將出現(xiàn)的機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)在將來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際問(wèn)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(yùn)而生。該方法來(lái)源于上世紀(jì)五十年代航空技術(shù)中對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析。在六十年代，美國(guó)的克勞夫（Clough）利用該方法進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)的分析時(shí)，首次稱之為“有限單元法”（finite element method），簡(jiǎn)稱為“有限元法”。二十世紀(jì)末期，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，有限元法也逐漸越來(lái)越多地運(yùn)用在汽車零部件的設(shè)計(jì)與分析上。在汽車的設(shè)計(jì)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(jìn)行性能的分析、優(yōu)化，為汽車的設(shè)計(jì)與改進(jìn)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(jiǎn)圖，通過(guò)hypermesh軟件進(jìn)行車架的有限元前處理和單元?jiǎng)澐郑缓蟾鶕?jù)不同的工況在ABAQUS軟件中對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，最后給出改進(jìn)意見(jiàn)，有利于產(chǎn)品的開發(fā)與完善。
通過(guò)對(duì)課題的研究，可以達(dá)到如下目的：
1、對(duì)汽車車架進(jìn)行有限元分析，對(duì)分析步驟規(guī)范化，將其變得簡(jiǎn)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(guò)有限元法對(duì)車架進(jìn)行解析計(jì)算，為工程研究人員的工作提供一些參考；
3、對(duì)車架進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，為車身設(shè)計(jì)或多或少提供一些理論支持。
1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
二十世紀(jì)七十年代年代開始，大容量計(jì)算機(jī)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(jì)革命的序幕。福特公司在七十年代已經(jīng)開始通過(guò)NASTRAN軟件利用板梁?jiǎn)卧獙?duì)車身進(jìn)行靜力分析并且改進(jìn)應(yīng)力分布；而在八十年代末期，日本已經(jīng)成功地將CAE運(yùn)用到了車身設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，分析的范疇包含強(qiáng)度、剛度、疲勞、振動(dòng)以及形狀和重量的優(yōu)化。自上世紀(jì)八十年代開始直到今天，海外各大公司都已經(jīng)將相當(dāng)高效的計(jì)算機(jī)輔助分析運(yùn)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(dú)立開發(fā)了后處理程序，把發(fā)動(dòng)機(jī)和道路激勵(lì)載荷全部集成到數(shù)據(jù)庫(kù)中，極大地簡(jiǎn)化了分析過(guò)程；日本尼桑公司整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都是通過(guò)有限元分析仿真來(lái)驅(qū)動(dòng)的，大大縮短了設(shè)計(jì)所需時(shí)間，使得重量、花費(fèi)、NVH（noise，vibration，harshness）性能都得到了改進(jìn)。目前，國(guó)外新車型的設(shè)計(jì)與開發(fā)大約只需要24到36個(gè)月的周期，這就要?dú)w功于現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)方法的飛速發(fā)展。
早在1956年，我國(guó)著名數(shù)學(xué)家馮康老先生就已經(jīng)對(duì)有限元方法進(jìn)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(guó)內(nèi)有限元方法的發(fā)展做出了無(wú)法磨滅的貢獻(xiàn)。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(zhǎng)春汽車研究所的古安濤、常國(guó)振發(fā)表了《汽車車架設(shè)計(jì)計(jì)算的有限元方法》，揭開了國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的序幕，為我國(guó)汽車行業(yè)有限元方法的成長(zhǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。到了九零年代以后，計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)都有了大幅發(fā)展，有限元法迅速地被運(yùn)用到實(shí)際汽車零部件的結(jié)構(gòu)分析中去，在我國(guó)，有限元法也開始被各大公司投入到實(shí)際的汽車設(shè)計(jì)中，漸漸替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。例如，東風(fēng)汽車在此時(shí)引入了針對(duì)車輛靜、動(dòng)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(shí)際設(shè)計(jì)工作中；一汽利用有限元軟件對(duì)大多數(shù)已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)的汽車進(jìn)行了強(qiáng)度校核；上海大眾和同濟(jì)大學(xué)合作完成了對(duì)桑塔納2000的車身靜態(tài)彎曲工況分析計(jì)算?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)針對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)的有限元方法已經(jīng)得到了相當(dāng)大的發(fā)展，但和國(guó)外相比來(lái)說(shuō)還略有不足，尤其是動(dòng)態(tài)分析的應(yīng)用開始比較晚，設(shè)計(jì)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(gè)原本連續(xù)的物體被離散成有限個(gè)有一定大小的單元，離散而成的這些單元只在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上互相連接，并且在節(jié)點(diǎn)上引入等效力來(lái)替代實(shí)際作用在單元上的外力。對(duì)于每一個(gè)單元，用某種相對(duì)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)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(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位移的方程組，最后通過(guò)解方程組就能夠得到有限個(gè)離散節(jié)點(diǎn)上的位移。
從選擇的不同基本未知量來(lái)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(diǎn)位移為基本未知量的求解方法我們稱之為位移法，因?yàn)槲灰品ㄍㄓ眯员容^強(qiáng)，計(jì)算機(jī)程序處理也相對(duì)簡(jiǎn)單，所以得到了廣泛的應(yīng)用。
利用有限元方法記性分析計(jì)算的基本步驟可以歸納成以下五點(diǎn)：
1、結(jié)構(gòu)的離散化
離散化整個(gè)結(jié)構(gòu)并將之分割成若干個(gè)單元，通過(guò)節(jié)點(diǎn)聯(lián)接各個(gè)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(diǎn)的位移隨著位置變化的規(guī)律。我們利用位移法的時(shí)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(diǎn)位移表示出來(lái)。在有限單元法中，常常以坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)來(lái)表示位移，我們稱這種函數(shù)為位移模式。
（2）建立單元?jiǎng)偠确匠?
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(shì)能原理來(lái)建立單元?jiǎng)偠确匠?。事?shí)上，單元?jiǎng)偠确匠叹褪歉鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的平衡方程，其系數(shù)組成的矩陣被稱作單元?jiǎng)偠染仃?
（1-1）
上式中，e為單元編號(hào)；δｅ為單元的節(jié)點(diǎn)位移向量；Ｆｅ為單元的節(jié)點(diǎn)力向量；ｋｅ為單元?jiǎng)偠染仃嚕拿恳徊糠侄即砹颂囟ǖ膭偠忍匦浴?
（3）計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力
3、整體分析
通過(guò)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(lái)，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(diǎn)位移向量；Ｆ為整體載荷向量。
4、求解方程，得出節(jié)點(diǎn)位移
解上述方程得出位移。
5、由節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算單元的應(yīng)力和應(yīng)變
有限元法理論基礎(chǔ)扼要簡(jiǎn)明，物理定義清晰，而且可以對(duì)這種方法建立起不同的理解。它的靈活性與實(shí)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(shuō)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(chǎng)領(lǐng)域的很多問(wèn)題都可以通過(guò)它來(lái)解決?？傊邢拊ㄒ呀?jīng)受到了大眾的重視和廣泛的運(yùn)用，被公認(rèn)為是應(yīng)力分析的有效工具。
1.4 有限元分析軟件簡(jiǎn)介
Hypermesh軟件出自美國(guó)Altair公司，作為走在世界前沿并且具有強(qiáng)大功能的CAE應(yīng)用軟件包，它集成了各種分析和設(shè)計(jì)所需要的工具，擁有其他軟件無(wú)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(diǎn)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(shí)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(shí)間則是消耗在了計(jì)算機(jī)工組站上，因此利用一個(gè)具有強(qiáng)大功能并且靈活性強(qiáng)，可以和其他CAD系統(tǒng)、有限元求解器快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對(duì)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(duì)一些復(fù)雜而且規(guī)模很大的模型時(shí)，在讀取模型時(shí)就要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，并且在很多時(shí)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(méi)辦法進(jìn)行下去；若利用Hypermesh軟件，由于它的幾何處理功能相當(dāng)強(qiáng)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(yùn)用其他處理軟件比較難或者根本無(wú)法解決的問(wèn)題很快得到解決。
ABAQUS是一款具有強(qiáng)大功能的工程模擬有限元軟件，不管是比較簡(jiǎn)單的線性分析問(wèn)題，還是很多相對(duì)復(fù)雜的非線性問(wèn)題，利用ABAQUS都可以很方便地解決。它有一個(gè)能夠模擬各種幾何形狀的單元庫(kù)，并且其材料模型庫(kù)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(wèn)題，還能模擬很多別的工程領(lǐng)域的問(wèn)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(dāng)復(fù)雜龐大的問(wèn)題，模擬高度非線性問(wèn)題，被大眾看作功能最強(qiáng)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(chǎng)的分析，還可以完成系統(tǒng)級(jí)的分析，和其他的有限元分析軟件比較而言，ABAQUS的系統(tǒng)級(jí)分析是獨(dú)一無(wú)二的。由于它模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性與超強(qiáng)的分析能力，各個(gè)國(guó)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?jī)?nèi)容
課題將從基本的理論知識(shí)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(jìn)行有限元分析，對(duì)汽車車架進(jìn)行有限元靜態(tài)和模態(tài)分析。
主要從以下幾個(gè)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(jìn)行分析。
4、分析車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)等情況下的受力。
5、對(duì)車架進(jìn)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(diǎn)
支承并連接汽車眾多部件，并且承受來(lái)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(qiáng)度、適當(dāng)剛度和輕質(zhì)量，而且應(yīng)當(dāng)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(lái)，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(dāng)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(shí)候會(huì)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(qiáng)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(shí)還會(huì)增加。橫梁也可做成X形。
2.2 車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化
車架是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，要如實(shí)反映它的全部結(jié)構(gòu)是比較困難的，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分析時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單元質(zhì)量不高、求解精度差等問(wèn)題。為了提高ANSYS建模的效率，我們必須簡(jiǎn)化車架的幾何模型。簡(jiǎn)化以后的模型只做到近似反映實(shí)際問(wèn)題。
一般來(lái)說(shuō)，模型的簡(jiǎn)化需要遵循下列原則：
1、忽略不計(jì)直徑小于15mm，且對(duì)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(shuō)它們對(duì)于車架總體的剛度和強(qiáng)度作用較小，可是它們對(duì)下面的車架設(shè)計(jì)分析工作有很大影響。在劃分網(wǎng)格時(shí)微小幾何體會(huì)出現(xiàn)許多網(wǎng)格，使得網(wǎng)格質(zhì)量下降，并使得設(shè)計(jì)工作量變得很大，計(jì)算精度不夠準(zhǔn)確。?
2、不受力的結(jié)構(gòu)忽略不計(jì)。一些構(gòu)件的設(shè)計(jì)初衷是符合某些使用條件，對(duì)強(qiáng)度無(wú)直接要求，因此忽略；
3、把模型中相對(duì)較小的圓角改成直角。結(jié)構(gòu)上有很多過(guò)渡圓角，和小孔一樣，對(duì)計(jì)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(zhǎng)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(gè)基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，并對(duì)草圖進(jìn)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(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，隨后進(jìn)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?jī)?nèi)側(cè)平面為基準(zhǔn)，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(zhǔn)進(jìn)行鏡像操作。再創(chuàng)建草圖，將草圖中兩個(gè)同心圓進(jìn)行拉伸，拉伸長(zhǎng)度選擇直到下一個(gè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)平面為基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)別的*stp格式文件。這個(gè)步驟可以通過(guò)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(duì)車架三維模型的簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際，我們常把懸架和車架結(jié)合起來(lái)一起計(jì)算，精確地模擬懸架結(jié)構(gòu)對(duì)于得到車架力學(xué)特性來(lái)說(shuō)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?jiǎn)卧蛷椈蓡卧慕M合方式來(lái)進(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，載荷往往是給定的。想要有限元分析的結(jié)果反映真實(shí)情況的前提就是要依據(jù)不同的計(jì)算工況來(lái)確認(rèn)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(dòng)時(shí)，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(gè)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(dòng)機(jī)
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(lái)處理，平均將其分配在車架縱梁上；發(fā)動(dòng)機(jī)按照集中載荷來(lái)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(duì)應(yīng)的位置；車架的重量由定義重力加速度來(lái)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(biāo)準(zhǔn)75kg計(jì)算，以均布載荷進(jìn)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(jìn)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(duì)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(xì)節(jié)
2、創(chuàng)建材料參數(shù)
如今，車架的材料運(yùn)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(duì)較好，被大量應(yīng)用于橋梁、起重運(yùn)輸機(jī)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(qiáng)度為510MPa?
最大抗拉強(qiáng)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(shí)，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(dòng)的方法劃分而成的網(wǎng)格模型，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形狀與網(wǎng)格生成過(guò)程比較復(fù)雜，網(wǎng)格質(zhì)量或多或少都會(huì)存在一些質(zhì)量上的問(wèn)題。因?yàn)閱卧W(wǎng)格質(zhì)量對(duì)有限元模型分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確和收斂性有直接的影響，質(zhì)量比較差的網(wǎng)格嚴(yán)重時(shí)沒(méi)有辦法通過(guò)計(jì)算，所以，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的檢查是劃分網(wǎng)格過(guò)程中不可缺少的步驟。
網(wǎng)格質(zhì)量檢查包括：?jiǎn)卧B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(xiàng)質(zhì)量檢查等。通過(guò)以上一系列操作，可以得到質(zhì)量滿足計(jì)算分析所需的網(wǎng)格單元，隨后通過(guò)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(jìn)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(dāng)需要計(jì)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(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移、應(yīng)變時(shí)，用到了靜力分析。設(shè)定載荷和結(jié)構(gòu)對(duì)時(shí)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(gè)工況下各個(gè)部件變形和應(yīng)力的分布情況，對(duì)車架強(qiáng)度與剛度進(jìn)行了有限元靜態(tài)分析。因?yàn)樾枰M可能地均衡車架各個(gè)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(lái)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(qiáng)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(jì)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(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力分析時(shí)，其基本原理是相同的：整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程可用矩陣形式來(lái)表示，得?
????????????? ?{K}{δ}={R}?? ??????? （3-2）??其中，{K}——整個(gè)剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元?jiǎng)偠汝嚇?gòu)成?
{δ}——整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移陣列，由單元節(jié)點(diǎn)位移陣列構(gòu)成?
{R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力陣列構(gòu)成?
用式（3-2）求出節(jié)點(diǎn)位移{δ}，利用式（3-3）結(jié)合求得的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各個(gè)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(diǎn)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(guò)式（3-3）計(jì)算得到。用應(yīng)力云圖或者應(yīng)力圖的等高線來(lái)表示應(yīng)力分布。節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力則通過(guò)計(jì)算與它相連的單元應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)位置的算數(shù)平均值得到。由車架的材料特性和強(qiáng)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(qiáng)度校核的基準(zhǔn)，以材料發(fā)生塑性變形作為材料的失效標(biāo)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(guò)import將inp文件導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行靜力分析。JOB模塊設(shè)置完成即可查看計(jì)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(guò)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?yàn)榈谖甯鶛M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(jì)對(duì)車架的要求。
因?yàn)榧虞d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(yuǎn)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(qiáng)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(lái)看，可以適當(dāng)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(guò)程中因?yàn)槁访嫫巾樞圆环€(wěn)定的緣故，將會(huì)受到扭轉(zhuǎn)載荷，其極限扭轉(zhuǎn)載荷是汽車在非對(duì)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(jìn)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(méi)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(jì)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(diǎn)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?yàn)樵谀M扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，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(guò)增加材料的厚度，或是調(diào)整車架斷面大小從而達(dá)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(jiǎn)介
汽車在工作過(guò)程中，會(huì)受到隨時(shí)間變化的載荷作用，假如汽車結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性無(wú)法適應(yīng)它的使用環(huán)境，即激勵(lì)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(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)整部汽車發(fā)生抖振，汽車內(nèi)部噪音過(guò)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(jì)三十年代機(jī)械阻抗和導(dǎo)納的概念上演變而來(lái)的，它融合了振動(dòng)理論、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等理論，形成了自己獨(dú)特的一套方法。模態(tài)分析實(shí)際上是一種坐標(biāo)的變換，它的目的在于將原本坐標(biāo)系中的相關(guān)向量，轉(zhuǎn)換到所謂的“模態(tài)坐標(biāo)系”中來(lái)描述。
模態(tài)分析是研究各種振動(dòng)特性的一種精確有效的方法。用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)來(lái)展現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(méi)有關(guān)系。所以通過(guò)模態(tài)分析的結(jié)果可以判斷車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是否符合期望。
4.2 模態(tài)分析過(guò)程
由于汽車在行駛過(guò)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(duì)動(dòng)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(dòng)機(jī)，怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速約為700r/min，由公式（4-1）可以求出發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)怠速頻率
n——怠速狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
車架的振動(dòng)不但和發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)自地面的激勵(lì)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(dòng)機(jī)怠速頻率，同時(shí)高于路面激勵(lì)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(jìn)一步調(diào)整橫梁位置或者改變橫梁的截面形狀與尺寸來(lái)改善。
第五章 結(jié)論與展望
5 結(jié)論與展望
課題針對(duì)某型SUV車架進(jìn)行了一系列的計(jì)算與分析，將理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，對(duì)該車架的性能進(jìn)行了分析。主要工作有：
1、對(duì)車架有限元分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了探究；
2、分析了車架結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)車架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，再利用三維軟件建立車架模型；
3、對(duì)車架模型進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。
通過(guò)對(duì)車架進(jìn)行有限元分析,可以非常方便地得到產(chǎn)品的各項(xiàng)性能。在實(shí)際的汽車生產(chǎn)中，利用CAD/CAE方法進(jìn)行汽車車架的設(shè)計(jì)，具有許多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不具備的優(yōu)點(diǎn)：耗時(shí)短，效率高，花費(fèi)少，計(jì)算結(jié)果精確詳細(xì)，勞動(dòng)強(qiáng)度較低等。由此可見(jiàn)，CAD/CAE方法如果得以在機(jī)械行業(yè)（例如汽車企業(yè)）中得到大力推廣，其勢(shì)必會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)造成不可估量的影響。
縱觀整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)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(shuō)，在建立車架模型時(shí)做了很多的簡(jiǎn)化，使得分析結(jié)果的精確性大打折扣；沒(méi)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(jìn)一步開展的工作有：
1、疲勞失效是汽車車架常常會(huì)有的問(wèn)題，今后除了對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析之外，還要對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析與疲勞分析；
2、課題在優(yōu)化時(shí)僅僅滿足于通過(guò)加強(qiáng)的方式來(lái)提高車架強(qiáng)度，而這樣勢(shì)必會(huì)增加車架的自重。今后會(huì)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，繼續(xù)進(jìn)行車架的輕量化研究。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致謝
過(guò)去了的時(shí)間，如今回頭看，都是彈指一揮間。黃永玉先生說(shuō)過(guò)：假如你初見(jiàn)一件東西，剛遇一個(gè)人，心里就隱隱有了離別的感傷的話，那么，你已經(jīng)愛(ài)上她了。離別的隱痛正在心里茁壯成長(zhǎng)著，生命中最為綺麗豐沛的四個(gè)年華即將離我們而去。重歸校園，似有萬(wàn)語(yǔ)，回眸歷歷，卻道無(wú)言。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)完稿之際，我要獻(xiàn)上我滿滿的謝意。
感謝我的導(dǎo)師智淑亞老師。師者，傳道授業(yè)解惑也。沒(méi)有智老師的悉心指導(dǎo)，我想我很難在幾個(gè)月內(nèi)完成畢設(shè)任務(wù)。猶記得過(guò)年前幾天，當(dāng)所有人都沉浸在迎接新年的喜悅中時(shí)，智老師仍然在一字一句地為我們修改上交的各項(xiàng)報(bào)告。老師嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作態(tài)度將是我未來(lái)工作學(xué)習(xí)中的指引與追求。
感謝大學(xué)期間諸位好友。四年得數(shù)友，談天下論時(shí)事，聊人情說(shuō)事故，我們共同為青春奮斗，共同在黑夜祈求黎明，我們把酒言歡，我們相知相交，然而，前路漫漫，無(wú)論未來(lái)我們攜手同行還是相忘江湖，我都要感謝你們四年的陪伴，雖將相隔萬(wàn)里，情仍在，意長(zhǎng)存。
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