【正文】 汽車車架的有限元分析畢業(yè)論文 目錄摘 要 I1緒 論 1 1 1 2 2 2 3 4 42車架三維模型的建立 5 5 5 V5 5 6 7 83車架有限元模型的建立 10 10 10 10 11 11 11 12 12 13 16 19 19 20 20 20 21 22 26 27 27總 結(jié) 32參考文獻(xiàn) 33致 謝 34 1緒 論計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)給社會(huì)帶來(lái)了巨大的改變，同時(shí)也為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造提供了強(qiáng)有力的工具。要想設(shè)計(jì)生產(chǎn)出性能優(yōu)越的汽車，不應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)分析是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，汽車的各個(gè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門都非常重視在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。其中，用于車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元法是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新的計(jì)算方法和技術(shù)，可以解決以往許多手工計(jì)算無(wú)法解決的問(wèn)題，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在汽車行業(yè)中，有限元法廣泛應(yīng)用于汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及駕駛室噪聲的分析，大大提高了汽車的設(shè)計(jì)水平。目前，在進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法，對(duì)車架進(jìn)行簡(jiǎn)化的計(jì)算，或者由其它部門進(jìn)行有限元分析計(jì)算。車架的這種設(shè)計(jì)模式會(huì)導(dǎo)致車架簡(jiǎn)化計(jì)算精度不夠精確，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車架的設(shè)計(jì)過(guò)于安全，造成設(shè)計(jì)出的車架結(jié)構(gòu)過(guò)重，增加了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也造成材料的浪費(fèi)。為了提高車架的設(shè)計(jì)水平，必須將車架有限元分析技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中去。本文以某中型載貨汽車車架為研究對(duì)象，對(duì)車架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立，靜、模態(tài)特性分析以及優(yōu)化等內(nèi)容進(jìn)行初步研究與探討。隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在：（1）運(yùn)用有限元法對(duì)初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效率和車架的性能。（2）車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力和變形情況，有限元法正好能夠幫助解決這一問(wèn)題。（3）利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。（4）通過(guò)對(duì)車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減小車架的體積和重量，在保證車架性能的前提下節(jié)省材料，對(duì)降低車架的成本具有重要的意義。綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，對(duì)于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力具有重要意義。早期的車架設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的方法。需要經(jīng)過(guò)樣品制造—試驗(yàn)—修改—再設(shè)計(jì)的往復(fù)，這種方式導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程周期長(zhǎng)，以及人力、物力和財(cái)力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積，人們將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)性能的分析及設(shè)計(jì)中。初期的車架結(jié)構(gòu)性能計(jì)算是通過(guò)將車架簡(jiǎn)化成單根縱梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。這種計(jì)算方法至今還在沿用，顯然滿足不了現(xiàn)代汽車車架結(jié)構(gòu)整體性能的設(shè)計(jì)要求。后來(lái)提出的車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法，只能計(jì)算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車架的實(shí)際工況，并且計(jì)算比較復(fù)雜，工作量大，在實(shí)際運(yùn)用中有很大的困難。再后來(lái)，人們將類比設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)中。這種設(shè)計(jì)方法是以同一類型的成熟樣車為參考來(lái)進(jìn)行車架的設(shè)計(jì)，目前依然是車架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的主要方法。但是，這種方法可能造成車架各處強(qiáng)度不均勻，某些局部強(qiáng)度較大，產(chǎn)生材料浪費(fèi)等現(xiàn)象。20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應(yīng)用。有限元法不需要對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，既可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)算精度較高。有限元分析是用一組離散化的單元集合來(lái)代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的，這種單元集合體稱為有限元模型。如果已知各個(gè)單元的剛度特性，就可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的變形連續(xù)條件和平衡條件推出結(jié)構(gòu)的特性并研究其性能。由于有限元法是一種近似的數(shù)值方法，其計(jì)算結(jié)果是近似解，精度主要取決于離散化誤差。因此，有限元模型的建立是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵性一步。根據(jù)采用的單元形式，車架有限元模型可以分為實(shí)體單元模型和板殼單元模型等。實(shí)體單元模型，前處理相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)內(nèi)存處理快，計(jì)算精度相對(duì)較低；板殼單元模型能夠準(zhǔn)確描述車架的形狀，但前處理復(fù)雜，工作量大，需要計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，運(yùn)算速度慢，一般應(yīng)用于對(duì)精度要求高的場(chǎng)合。隨著有限元法在汽車結(jié)構(gòu)性能分析中的應(yīng)用與發(fā)展，汽車車架結(jié)構(gòu)靜力有限元分析已經(jīng)成為汽車車架結(jié)構(gòu)性能分析必不可少的內(nèi)容。為了使計(jì)算符合實(shí)際使用工況，一般將懸架結(jié)構(gòu)與車架一起考慮進(jìn)行靜力有限元分析。這樣，就可以把路面的影響直接作為工況進(jìn)行處理。在進(jìn)行靜力有限元分析時(shí)，一般將車架結(jié)構(gòu)上的各個(gè)總成處理成各總成在車架上相應(yīng)位置的集中載荷，貨物則處理成分布載荷，車架重力一般忽略不計(jì)。根據(jù)汽車實(shí)際行駛工況，一般分以下幾種工況：即車架結(jié)構(gòu)的彎曲分析工況、扭轉(zhuǎn)分析工況等，根據(jù)實(shí)際需要可以選擇不同的工況進(jìn)行相應(yīng)的約束。在進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)靜力有限元分析后，一般根據(jù)汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析的需要，采用后處理軟件對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出應(yīng)力最大的危險(xiǎn)點(diǎn)以及變形最大的點(diǎn)，以此評(píng)價(jià)汽車車架結(jié)構(gòu)的靜力性能。汽車車架結(jié)構(gòu)作為汽車的承載體，在外部作用下產(chǎn)生的彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)不但造成車架結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，而且還影響車輛的舒適性和行駛平順性。通過(guò)模態(tài)分析，可以得出車架結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，對(duì)于防止汽車發(fā)生共振等情況具有指導(dǎo)作用，而且模態(tài)性能也是車架結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。在車架的設(shè)計(jì)中，人們總是希望在滿足強(qiáng)度、剛度要求的條件下，盡量使車架的質(zhì)量最小。因此，設(shè)計(jì)出質(zhì)量小而各方面性能又能達(dá)到要求的車架是一項(xiàng)重要的工作，這就對(duì)車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了新的要求。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法精度低，除個(gè)別構(gòu)件應(yīng)力水平較高，大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力水平比較低，而且強(qiáng)度有富余。因此，必須將車架設(shè)計(jì)從類比的方法轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)優(yōu)化上來(lái)。（1）采用適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ停瑢?duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析正在成為一種常用的分析手段，但對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析某些元件時(shí)該采用哪些單元還要繼續(xù)研究。（2）輕量化要求已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)之一。設(shè)計(jì)出既滿足性能要求，質(zhì)量又小的車架為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)的首選目標(biāo)，如何搞好車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為車架設(shè)計(jì)需要解決的一個(gè)難題。（3）近些年來(lái)，大多數(shù)國(guó)內(nèi)汽車廠家已購(gòu)買了各種與有限元分析相關(guān)的軟件，這些軟件功能完備，精度高，以及通用性和可靠性好，但是學(xué)習(xí)和掌握這些軟件也是一個(gè)需要時(shí)間的過(guò)程。本文將采用CATIA建立車架三維模型，用ANSYS進(jìn)行靜力和模態(tài)分析，以及后期的優(yōu)化。首先，對(duì)CATIA和ANSYS進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，為車架進(jìn)行有限元分析做好準(zhǔn)備工作；其次，以某中型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用CATIA建立了車架結(jié)構(gòu)三維模型；再次，對(duì)車架結(jié)構(gòu)的靜、模態(tài)特性進(jìn)行研究，對(duì)車架性能分析評(píng)價(jià)。 2車架三維模型的建立對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，有些工作是要分開進(jìn)行的。本文車架三維模型的建立是在CATIA中完成的，結(jié)構(gòu)分析是在ANSYS中完成的。本章講述了幾何模型建立過(guò)程，并對(duì)軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。CATIA（Computergraphics Aided Threedimensional Interactive Application）是法國(guó)Dassault公司于1975年起開始發(fā)展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件。它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品