【正文】 ANASYS 。 最后，使用有限元分析軟件 ANSYS 從 彎曲和扭轉(zhuǎn) 兩大方向 對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。然后 初選 車架橫、縱梁的尺寸參數(shù) ，運(yùn)用 材料力學(xué)對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核 。 首先 確定輕型貨車的總體布置形式，在此基礎(chǔ)上選擇各總成的相關(guān)參數(shù)。在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的前提下，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行 了 保留主要承載橫梁 的簡(jiǎn)化。 Pro/E。 I Abstract 7 車架的設(shè) 計(jì)要求 7 橫梁、縱梁及其聯(lián)接型式 19 本章小結(jié) 21 三維模型的建立 22 本章小結(jié) 26 ANSYS Workbench 概述 30 車架有限元模型的建立 38 單側(cè)扭轉(zhuǎn)工況分析 38 雙側(cè)扭轉(zhuǎn)工況分析 40 各工況分析結(jié)果總結(jié) 41 結(jié)論 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。 但我國(guó)的汽車工業(yè)存在自己的特殊性：一是引進(jìn)國(guó)外設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)； 二是仿 制或改裝設(shè)計(jì)，自己獨(dú)立開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品很少。由于缺乏必要的理論分析，我國(guó)載貨汽車 制造廠家對(duì)有問(wèn)題的區(qū)域往往采取局部加強(qiáng)的方法，這不但需要進(jìn)行多次全 面的實(shí)車試驗(yàn)才能確定其有效性，而且會(huì)導(dǎo)致整車整備質(zhì)量的不斷增加。同時(shí)，為減少新車型的開(kāi)發(fā)成本、縮短新車型的開(kāi)發(fā)周期、提高新產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，全球各大汽車公司普遍實(shí)施了“平 臺(tái)戰(zhàn)略”，車架的開(kāi)發(fā)便是該戰(zhàn)略的主要組成部分。然而對(duì)車架進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)性能的研究，用經(jīng)典力學(xué)方法很難得到精確的優(yōu)化解，為了能夠計(jì)算出車架的剛度和強(qiáng)度，往往對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，計(jì)算模型只能構(gòu)造的比較簡(jiǎn)單，與實(shí)際的結(jié)構(gòu)形狀相差很大。有限元法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學(xué)問(wèn)題。 隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車架的性能。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。今天，在發(fā)達(dá)國(guó)家，汽車的普及已經(jīng)達(dá)到很高的程度，在美國(guó)平均每個(gè)家庭擁有各種汽車 2~3輛；雖然中國(guó)的汽車人均擁有量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平，但是由于中國(guó)巨大的市場(chǎng)和國(guó)際汽車工業(yè)對(duì)中國(guó)汽車工業(yè)的影響，中國(guó)汽車工業(yè)經(jīng)過(guò) 50 年的風(fēng)雨歷程，已形成一個(gè)比較完整的工業(yè)體系。汽車尾氣中 C0 CO、 HC 是大氣污染的主要有害氣體，特別是 C02 溫室效應(yīng)近年來(lái)傾向日趨明顯。 汽車自身質(zhì)量的大小是影響燃油消耗的重要因素之一，所以汽車設(shè)計(jì)輕量化成為發(fā)展趨 勢(shì)。 4 因此開(kāi)展汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算與分析工作，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化的目標(biāo)，對(duì)汽車 設(shè)計(jì)具有重要的意義。它使得在設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)載貨汽車 的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的各種問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真，從而縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品的性能質(zhì)量，節(jié)省大量資金。 車架有限元法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都具有作為整車骨架的車架，車架是整個(gè)汽車的基體。分析的初步結(jié)果是令人滿意的，但由于梁?jiǎn)卧旧淼娜毕?，例如梁?jiǎn)卧荒芎芎玫孛枋鼋Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好地反映車架橫梁與縱梁頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的翹曲變形，因此梁?jiǎn)卧治龅慕Y(jié)果是比較粗糙的。 在國(guó)外，從 60 年代起就開(kāi)始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。在關(guān)于優(yōu)化算法方面的研究，國(guó)外將遺傳算法引入到結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果。從分析類型上看，仍以車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析為主。 國(guó)內(nèi)目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤(pán)車架結(jié)構(gòu)等的改形設(shè)計(jì)方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入有限元法對(duì)車架輕量化設(shè)計(jì)的研究很少。計(jì)算結(jié)果多用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。這些通用程序的研制成功，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法即可。 將建立好的 Pro/E 模型導(dǎo)入有限元 軟件 ANSYS 中，完成車架在各種工況下的靜力分析。貨車車架的最大彎曲撓度通常應(yīng)小于10mm。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)該盡可能減小，以減小車身質(zhì)量。如圖 （ a） 所示，在俯視圖上車架的中部寬、兩端窄。前緩沖臂位于車廂前圍板下部?jī)A斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。采用這種車架時(shí)車身地板上的傳動(dòng)軸通道所形成的鼓包不大， 但門(mén)檻較寬，見(jiàn)圖 （ a） 。傳動(dòng)軸經(jīng) 中部管梁通向后方。門(mén)檻的寬度不大， 見(jiàn)圖 （ b） ，雖然從被動(dòng)安全性考慮，要求門(mén)檻有足夠的強(qiáng)度和剛度。 在中、輕型客車上也有所采用，轎車則較少采用。對(duì)于不承受扭矩的車架元件、用于固定動(dòng)力總成的橫梁以及車架兩端位于基本橫梁以外的縱梁，均采用沖壓成型且具有開(kāi)口的槽型斷面。車架寬度多為全長(zhǎng)等寬。車架的長(zhǎng)度大致接近整車長(zhǎng)度，約為軸距的 ~ 倍。容許車輪有較大的跳動(dòng)空間，使汽車有較好的平順性和通過(guò)性。其實(shí)，圖 （ b）所示的 X 形車架也應(yīng)歸于這一類型，但該車架可與非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋及非獨(dú)立懸架相匹配。槽型斷面梁的扭轉(zhuǎn)剛度及 強(qiáng)度均好。汽車車架常有4～ 6 根橫梁，其分布于有關(guān)總成、駕駛室、貨箱或車身的支承位置有關(guān)。 橫梁的斷面形狀與縱梁的聯(lián)接形式如圖 和圖 所示。鉚釘聯(lián)接具有一定彈性，有利于消除峰值應(yīng)力，改善應(yīng)力狀況，這對(duì)于要求有一定扭 轉(zhuǎn)彈性的貨車車架具有重要意義。 圖 橫梁的斷面形狀及其與縱梁的聯(lián)接 1— 橫梁； 2— 縱梁 圖 縱、橫梁的 鉚釘聯(lián)接方式 車架的制造工藝 車架縱梁和其他零件的制造，多采用鋼板的冷沖壓工藝在大型壓力機(jī)上沖孔及成形；也有采用槽型鋼、工字鋼、管料等型材制造的。低碳和中碳合金鋼能滿足這些要求。有的重型貨車、自卸車、越野車為了提高車架強(qiáng)度，減小質(zhì)量而采用中碳合金鋼板熱壓成形，再經(jīng)熱處理，例如采用 30Ti鋼板的縱梁經(jīng)正火后抗拉強(qiáng)度即由 450MPa（ HB156）提 高到 480～ 620MPa（ HB170）。 轎車車架縱梁、橫梁的鋼板厚度約為 ～ ， 貨車根據(jù)其裝載質(zhì)量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為 ～ ，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為～ ?？v、橫梁采用 16Mn 鋼板沖壓制造，鉚釘聯(lián)接。 圖 車架橫截面 鉚釘?shù)倪x擇 [7] 根據(jù) GB/T 8671986 選擇半圓頭鉚釘，如圖 。 圖 汽車轉(zhuǎn)彎示意圖 15 已知前輪距為： 1600mm。即認(rèn)為縱梁為支承在前、后軸上的簡(jiǎn)支梁；空車是簧上負(fù)荷sG ( 24? 貨車可取 3/2 0gmGs ? ， 0m 為汽車整備質(zhì)量 )均布在左、右縱梁的全長(zhǎng)上，滿載時(shí)有效載荷 eG 則均布在車廂長(zhǎng)度范圍內(nèi)的縱梁上；忽略不計(jì)局部扭矩的影響 [6]。 式 ()中 ： h=200mm， b=75mm， t=6mm。這就要求對(duì)縱梁的彎曲剛度進(jìn)行校核。 由材料力學(xué)知 ： EJqlf 3845 41 ? （ ） mNLGq s 6 2 65 5 4 22 1 8 0 3 221???? 根據(jù)矩形截面的慣性矩的 計(jì)算公式、慣性矩的組合公式和平行移軸公式，得： 45332 8 86)12 67567597(2 mJ ??????????? 對(duì)低碳鋼和 16Mn 鋼，彈性模量： M PaE ?? 。大多數(shù)汽車的3lJ值在 20～ 30 間，日本的一些 4t 平頭載貨汽車甚至達(dá)到 。本章的 重點(diǎn)是對(duì) 車架強(qiáng)度及剛度的校核，并將校核結(jié)果反饋到某些參數(shù)的選擇，保證車架滿足實(shí)際工作要求。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ENGINEER20xxi2。 全相關(guān)性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。為減少應(yīng)力集中 ，在縱梁的相應(yīng)部位倒圓角。 圖 中梁 前、 后鋼板彈簧 處 橫梁 為了降低成本，提高互換性，前后鋼板彈簧處橫梁采用與中梁相同的形狀和尺寸。連接件上打有兩種孔，一種是與橫縱梁的連接孔，另一種用于 鉚接鋼板彈簧兩端的鉚接孔。 圖 模型裝配圖 25 車架的爆炸圖 為了更 清晰地表達(dá)各零部件的裝配關(guān)系，對(duì)裝配圖進(jìn)行分解，如圖 。本章最終獲得車架的裝配圖，為下一步進(jìn)行有限元分析提供基礎(chǔ)。 1941 年， Hremkoff 提出了所謂網(wǎng)格法，它將平面彈性體看成是桿件和梁的組合。 1956 年 Turner、 Clough、 Martin 和Topp 等人在他們的經(jīng)典論文中首次應(yīng)用三角形單元求得的平面應(yīng)力問(wèn)題的真正解答。有限元法最先應(yīng)用到航空工程領(lǐng)域，后來(lái)迅速推廣到機(jī)械與汽車、造船、建筑等各種工程技術(shù)領(lǐng)域，并從固體力學(xué)領(lǐng)域拓展到流體、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等各學(xué)科。在汽車 CAD/CAE 技術(shù)中，有限元分析方法和軟件技術(shù)占據(jù)了一個(gè)極其重要的位置。為了應(yīng)用電算的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)求解線性方程組，有限元法廣泛采用矩陣算法，它在大量運(yùn)算中顯示出巨大優(yōu)點(diǎn)。分析每單元的力學(xué)特性后，再組集起 來(lái)就能建立整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程式，然后利用計(jì)算機(jī)求解。為了能夠進(jìn)行數(shù)值分析，有限單元法在處理這類問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)用離散的思想，把問(wèn)題簡(jiǎn)化為具有有限個(gè)自由度的問(wèn)題，然后借用結(jié)構(gòu)矩陣分析的方法處理。節(jié)點(diǎn)的位移分別是作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。引入邊界約束條件后解此方程就求得節(jié)點(diǎn)位移，并計(jì)算出各單元應(yīng)力。有限單元法分析過(guò)程可大概歸納為以下幾點(diǎn)： （１） 彈性連續(xù)體的 離散化 這是有限單元法的基礎(chǔ)。離散而成的有限單元集合體將替代原來(lái)的彈性連續(xù)體，所有的計(jì)算分析都搭在這個(gè)計(jì)算模型上進(jìn)行。 （２） 選擇單元位移模式 這是單元特性分折助第一步。從這里也可看到，選擇合適助位移函數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵，它將決定有限元解答的性質(zhì)與近似程度，所以它的選樣應(yīng)遵循一定的準(zhǔn)則。因?yàn)橛邢迒卧僭O(shè)載荷是作用在節(jié)點(diǎn)上，并由節(jié)點(diǎn)傳遞的。 （６） 計(jì)算單元應(yīng)力 根據(jù)求得的位移可以求出結(jié)構(gòu)上所有感興趣部件上的應(yīng)力。靜力分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓 29 力、穩(wěn)態(tài)的慣性力 (如重力和離心力 )、位移載荷等。 在有限元分析程序中，靜力分析的控制方程表示為： ? ?? ? ? ?FUK ? （ ） 式中 ： ??K —— 結(jié)構(gòu)剛度矩陣； ??U — — 位移向量； ??F — — 載荷向量。 經(jīng)過(guò)計(jì)算得到車架應(yīng)力和變形的結(jié)果，變形可通過(guò)后處理中模型的變形圖直觀地反映出來(lái)，應(yīng)力的分布則以應(yīng)力云圖或在應(yīng)力圖中以等高線的形式表示。 ANSYS Workbench 作為一個(gè)大型的 CAE 分析軟件， ANSYS 自 20 世紀(jì) 70 年代誕生以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和有限元理論的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域得到了高度的評(píng)價(jià)和廣泛的應(yīng)用。 此外， ANSYS Workbench 12 平臺(tái)還可以作為一個(gè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架，提供項(xiàng)目全腳本、報(bào)告、用戶界面（ UI）工具包和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，該功能隨后將發(fā)布。工程頁(yè)的概念圖解能夠幫助和指導(dǎo)用戶完成復(fù)雜的分析、說(shuō)明和明確數(shù)據(jù)關(guān)系及捕捉自動(dòng)化的過(guò)程。 同時(shí) ANSYS Workbench 12 提供的自動(dòng)網(wǎng)格劃分解決方案在流體動(dòng)力學(xué)中也取得了很好的結(jié)果。如結(jié)構(gòu)分析的用戶可以應(yīng)用這些功能，得到自動(dòng)化和高質(zhì)量的網(wǎng)格。 ANSYS Workbench 12 框架還能支持耦合場(chǎng)分析，其相關(guān)的耦合場(chǎng)單元能直接支持熱電耦合。如用戶可以先采用 ANSYS CFX 或 ANSYS FLUENT 軟件來(lái)創(chuàng)建、連接及重復(fù)使用等來(lái)完成 自動(dòng)化的仿真參數(shù)分析，然后再進(jìn)行多物理場(chǎng)無(wú)縫對(duì)接仿