【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 32參考文獻 33致 謝 34 1緒 論計算機的出現(xiàn)給社會帶來了巨大的改變，同時也為工程結構的設計、制造提供了強有力的工具。要想設計生產(chǎn)出性能優(yōu)越的汽車，不應用計算機進行輔助設計分析是難以實現(xiàn)的。因此，汽車的各個生產(chǎn)設計部門都非常重視在設計過程中采用計算機技術。其中，用于車架結構設計的有限元法是近幾十年發(fā)展起來的新的計算方法和技術，可以解決以往許多手工計算無法解決的問題，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。在汽車行業(yè)中，有限元法廣泛應用于汽車總成，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計水平。目前，在進行汽車車架結構設計時，設計人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法，對車架進行簡化的計算，或者由其它部門進行有限元分析計算。車架的這種設計模式會導致車架簡化計算精度不夠精確，為保證強度及剛度要求而使車架的設計過于安全，造成設計出的車架結構過重，增加了設計成本，同時也造成材料的浪費。為了提高車架的設計水平，必須將車架有限元分析技術應用到設計中去。本文以某中型載貨汽車車架為研究對象，對車架結構有限元模型的建立，靜、模態(tài)特性分析以及優(yōu)化等內(nèi)容進行初步研究與探討。隨著現(xiàn)代汽車設計的要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在：（1）運用有限元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設計、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、扭轉和整體扭轉等變形。傳統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力和變形情況，有限元法正好能夠幫助解決這一問題。（3）利用有限元法進行結構模態(tài)分析，可以得到車架結構的動態(tài)特性。從設計上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。（4）通過對車架結構的優(yōu)化設計，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)代汽車設計的重要工具之一，對于提高汽車產(chǎn)品的質量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。早期的車架設計采用設計和試驗同時進行的方法。需要經(jīng)過樣品制造—試驗—修改—再設計的往復，這種方式導致整個設計過程周期長，以及人力、物力和財力資源的嚴重浪費。隨著設計經(jīng)驗的累積，人們將計算機技術應用于車架結構性能的分析及設計中。初期的車架結構性能計算是通過將車架簡化成單根縱梁，進行彎曲強度校核。這種計算方法至今還在沿用，顯然滿足不了現(xiàn)代汽車車架結構整體性能的設計要求。后來提出的車架結構扭轉強度計算方法，只能計算純扭轉工況，不能考慮車架的實際工況，并且計算比較復雜，工作量大，在實際運用中有很大的困難。再后來，人們將類比設計的思想應用于車架設計中。這種設計方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進行車架的設計，目前依然是車架結構初步設計的主要方法。但是，這種方法可能造成車架各處強度不均勻，某些局部強度較大，產(chǎn)生材料浪費等現(xiàn)象。20世紀60年代以來，由于電子計算機的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應用。有限元法不需要對所分析的結構進行簡化，既可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度較高。有限元分析是用一組離散化的單元集合來代替連續(xù)體結構進行分析的，這種單元集合體稱為有限元模型。如果已知各個單元的剛度特性，就可以根據(jù)節(jié)點的變形連續(xù)條件和平衡條件推出結構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，其計算結果是近似解，精度主要取決于離散化誤差。因此，有限元模型的建立是進行有限元分析的關鍵性一步。根據(jù)采用的單元形式，車架有限元模型可以分為實體單元模型和板殼單元模型等。實體單元模型，前處理相對簡單，計算機內(nèi)存處理快，計算精度相對較低；板殼單元模型能夠準確描述車架的形狀，但前處理復雜，工作量大，需要計算機內(nèi)存大，運算速度慢，一般應用于對精度要求高的場合。隨著有限元法在汽車結構性能分析中的應用與發(fā)展，汽車車架結構靜力有限元分析已經(jīng)成為汽車車架結構性能分析必不可少的內(nèi)容。為了使計算符合實際使用工況，一般將懸架結構與車架一起考慮進行靜力有限元分析。這樣，就可以把路面的影響直接作為工況進行處理。在進行靜力有限元分析時，一般將車架結構上的各個總成處理成各總成在車架上相應位置的集中載荷，貨物則處理成分布載荷，車架重力一般忽略不計。根據(jù)汽車實際行駛工況，一般分以下幾種工況：即車架結構的彎曲分析工況、扭轉分析工況等，根據(jù)實際需要可以選擇不同的工況進行相應的約束。在進行汽車車架結構靜力有限元分析后，一般根據(jù)汽車車架結構強度和剛度分析的需要，采用后處理軟件對計算機進行處理，計算出應力最大的危險點以及變形最大的點，以此評價汽車車架結構的靜力性能。汽車車架結構作為汽車的承載體，在外部作用下產(chǎn)生的彎曲、扭轉、振動不但造成車架結構的疲勞損傷，而且還影響車輛的舒適性和行駛平順性。通過模態(tài)分析，可以得出車架結構的固有頻率和固有振型，對于防止汽車發(fā)生共振等情況具有指導作用，而且模態(tài)性能也是車架結構動力響應分析的基礎。在車架的設計中，人們總是希望在滿足強度、剛度要求的條件下，盡量使車架的質量最小。因此，設計出質量小而各方面性能又能達到要求的車架是一項重要的工作，這就對車架的結構優(yōu)化提出了新的要求。傳統(tǒng)的車架設計方法精度低，除個別構件應力水平較高，大多數(shù)構件應力水平比較低，而且強度有富余。因此，必須將車架設計從類比的方法轉移到結構優(yōu)化上來。（1）采用適當?shù)挠邢拊Ｐ?，對車架結構進行靜力分析和模態(tài)分析正在成為一種常用的分析手段，但對汽車車架結構進行有限元分析某些元件時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)代汽車設計追求的目標之一。設計出既滿足性能要求，質量又小的車架為車架的優(yōu)化設計的首選目標，如何搞好車架結構的優(yōu)化設計成為車架設計需要解決的一個難題。（3）近些年來，大多數(shù)國內(nèi)汽車廠家已購買了各種與有限元分析相關的軟件，這些軟件功能完備，精度高，以及通用性和可靠性好，但是學習和掌握這些軟件也是一個需要時間的過程。本文將采用CATIA建立車架三維模型，用ANSYS進行靜力和模態(tài)分析，以及后期的優(yōu)化。首先，對CATIA和ANSYS進行了簡要的介紹，為車架進行有限元分析做好準備工作；其次，以某中型載貨汽車車架結構為研究對象，利用CATIA建立了車架結構三維模型；再次，對車架結構的靜、模態(tài)特性進行研究，對車架性能分析評價。 2車架三維模型的建立對于一個復雜的工程結構，有些工作是要分開進行的。本文車架三維模型的建立是在CATIA中完成的，結構分析是在ANSYS中完成的。本章講述了幾何模型建立過程，并對軟件進行了簡要的介紹。CATIA（Computergraphics Aided Threedimensional Interactive Application）是法國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