【導(dǎo)讀】和剛度在汽車總體設(shè)計中起了非常重要的作用。因此，車架結(jié)構(gòu)性能的好壞關(guān)乎這整。若用傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)方法計算，結(jié)果失真太大；而用試驗法進行測試，成本高，周期長。為此本文采用了有限元分析技術(shù)，來實現(xiàn)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化和輕。量化的目的從而大大減少設(shè)計費用，縮短設(shè)計周期，同時提高設(shè)計工作的效率。比很多其他軟件擁有十分明顯的優(yōu)越性。軟件ANSYS對某輕型載貨汽車車架進行了Pro/E建模和ANSYS分析。面尺寸進行優(yōu)化并分析優(yōu)化結(jié)果。

　　

【正文】 次要構(gòu)件。車架是邊梁式車架 ,由左右分開的兩根縱梁和若干橫梁組成。該車架所有薄壁型槽鋼鉚接而成 ，材料為16Mn。車架全長 5100mm，寬度為 750mm，前后等高，高度為 150mm。為了減少單元數(shù)量 ,縮短后續(xù)網(wǎng)格劃分工作，簡化計算過程 ,對車架的部分細(xì)節(jié)進行了簡化。本文應(yīng)用 Pro /E 進行實體建模。 縱梁的建模 縱梁是由 5mm厚的鋼板沖壓成的，全長 4500mm，翼緣寬度 55mm，腹板高 150mm，在翼緣上打數(shù)個圓孔，用于橫梁與縱梁連接時的放置鉚釘?shù)目祝?R=6mm。同時在腹板處也打有相應(yīng)的孔，用于鋼板彈簧與車架的連接時的螺栓孔。為減少應(yīng)力集中，在縱梁的相應(yīng)部位倒圓角。在對縱梁建模時用 到的命令主要是拉伸，見圖 所示 。 圖 縱梁 前梁的建模 包括兩個橫梁， 梁全長 730mm，翼緣寬度寬處 80mm，窄處 40mm，腹板高 140mm，見圖 所示 。 22 圖 前梁 中梁橫梁的建模 包括 4 跟橫梁， 中梁由槽鋼和夾板構(gòu)成，梁全長 730mm，翼緣寬度 60mm，腹板高度 140mm 見圖 和 所示。 圖 橫梁 a 23 圖 橫梁 b 后鋼板彈簧橫梁 包括 2 個橫梁， 梁全長 730mm，翼緣寬度 85m，腹板高 140，見圖 所示 。 圖 后鋼板彈簧橫梁 24 后鋼板彈簧角板 圖 后鋼板彈簧角板 后梁 梁全長 740mm，翼緣寬度 75mm，腹板高 100mm，見圖 所示 。 圖 后梁的建模 鉚釘?shù)慕? 25 圖 鉚釘 mml 10? 圖 鉚釘 mml 15? 模型裝配 圖 模型裝配圖 本章小結(jié) 本章應(yīng)用 Pro/E 軟件 依據(jù)第二章的設(shè)計尺寸 對車架的橫梁、縱 梁以及相應(yīng)的聯(lián)接零件根據(jù)相應(yīng)的尺寸進行三維建模，并且把各零件裝配起來，形成初步完整的車架三維模型， 同時將車架模型進行簡化處理， 為導(dǎo)入 ANSYS 軟件中做車架有限元的分析做好了準(zhǔn)備。 26 第 4章 車架有限元分析 ANSYS 程序包括前處理器 、求解器、后處理器和幾個輔助處理器（如設(shè)計優(yōu)化器），功能涵蓋結(jié)構(gòu)、流體、熱和電磁 4 種場的計算。在有限元分析領(lǐng)域， ANSYS 一直致力于上訴 4 種場的計算。作為業(yè)界的佼佼者， ANSYS 最先集成了計算流體動力學(xué)（ CFD）功能，同時也是第一個具有多物理場分析功能的軟件。 下面 介紹 ANSYS 的特點、基本功能和基本的功能模塊。 ANSYS的特點 ANSYS 的基本功能特點可以概括為 3 個 “強大 ”：強大的前處理能力 、強大的加載求解能力和強大的后處理能力。另外，良好的開放性使得用戶能夠在 ANSYS 系統(tǒng)上進行二次開發(fā)和擴展新的功能。 1. 強大的前處理能力 強大的前處理能力主要包括強大的幾何建模能力 、強大的網(wǎng)格劃分能力、強大的參數(shù)設(shè)計功能和與 CAD 軟件的無縫集成能力。 在集合建模上， ANSYS 不僅具有一次生成點、線、面和體的自底向上建模方式，還具有通過調(diào)用集合體 素和采用布爾運算而生出集合模型的自頂向下的建模方式。 進行網(wǎng)格劃分時， ANSYS 主要有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種方式。針對不同的幾何體， ANSYS 還有拖拉生成網(wǎng)格、層網(wǎng)格劃分、局部細(xì)化等方法。 此外， ANSYS 開發(fā)了與著名的 CAD 軟件（如 Pro/Engineer、 Unigraphic、 SolidEdge、SolidWorks、 IDEAS、 Bentley 和 AutoCAD 等）的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)了 ANSYS 與這些軟件的無縫集成。用戶因此可以在利用 CAD 軟件完成幾何建?；蛘哂邢拊：螅?直接將模型傳送到 ANSYS 中進行后續(xù)操作，即使調(diào)整設(shè)計方案，有效地提高分析效率。 2 強大的加載求解能力 在 ANSYS 中，包括位移、力、溫度在內(nèi)的任何載荷均可以直接施加在任意幾何實體或者有限元實體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與實踐或者坐標(biāo)有關(guān)的任意函數(shù)。 求解時有多種求解器可供選擇，例如采用直接求解法，適用于大多數(shù)模型的波前求解器（ FRONTAL）；采用迭代求解法并適用于分析結(jié)構(gòu)諧波響應(yīng)、多物理場等問題的雅可比共軛梯度（ JPG）法；采用模態(tài)特征值求解法、適用于求解大規(guī)模對稱矩 27 陣特征值問題的子空間 迭代法（ Subspace）；采用直接求解法、針對流體力學(xué)求解的三對角矩陣法等。 ANSYS 優(yōu)異的求解能力突出地表現(xiàn)的對高精度非線性問題求解和強大的耦合場求解上。工程實踐中在處理薄板成形等要求并同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和朔性（材料非線性）的問題時，必須要考慮材料非線性。而在處理諸如因摩擦接觸而導(dǎo)致熱問題和金屬成形等因朔性功能而產(chǎn)生的熱問題時，就需要將結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即需要求解 “熱力耦合 ”問題。這些問題的求解相當(dāng)復(fù)雜，它不僅涉及工作難度和強度， ANSYS 公司花費大量 的人力和物力開發(fā)出了適用于非線性求解和耦合場求解的求解器。有了這兩個求解器，設(shè)計人員遇到額的許多相關(guān)難題便迎刃而解了。 3 強大的后處理能力 利用 ANSYS 可以獲得任何節(jié)點、單元的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動畫模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外時間歷程分析功能可以對載荷疊加進行分析及計算。 ANSYS 的基本組成和功能 1. ANSYS 基本組成 ANSYS 主要包括 3 個部分：前處理模塊 、分析計算模塊和后處理模塊。 (1) 前處理模塊 提供了一個強大的實體建 模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 (2) 分析計算模塊 包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。 (3) 后處理模塊 包括 2 個部分，通用后處理模塊和時間歷程后處理模塊。 通用后處理模塊可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并對其進行顯示。這些結(jié)果可能包括 位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。這個模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結(jié)果在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色代表了不同的值。云圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)，清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域和分布情況。 時間后處理模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應(yīng)力 28 或支反力。這些結(jié)果能通過繪制圖線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其他量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，它還可以進行曲線的代數(shù)運算。 2. ANSYS 基本功能 ANSYS 不僅具有結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學(xué)分析、熱分析等基本的功能，而且還具有優(yōu)化設(shè)計、監(jiān)理子結(jié)構(gòu)模型等高級應(yīng)用功能。另外 在原有功能的基礎(chǔ)上又作了許多改進，下面分別進行介紹。 (1) 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。 (2) 結(jié)構(gòu)動 力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 ANSYS 可進行的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機振動響應(yīng)分析。 (3) 結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 (4) 動力學(xué)分析 ANSYS 程序可以分析大型三 維柔體運動。當(dāng)運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的 運動特性 ，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 (5) 熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 (6)電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。 (7) 流體動力學(xué)分析 ANSYS 流體單元能進行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果 29 可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并 包括對流換熱效應(yīng)。 (8) 聲場分析 程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。 (9) 壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對 AC（交流）、 DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、 麥克風(fēng) 等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； Pro/E與 ANSYS接口的創(chuàng)建 利用 ANSYS 對結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，由于用 ANSYS 建模相對比較麻煩，所以通常用 Pro/E 建立的三維模型，然后導(dǎo)入 ANSYS 中進行分析。所以需要將 Pro/E 三維實體模型通過專用的模型 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到 ANSYS 中。 具體操作方法：點擊開始 所有程序 UtilitesCAD configuration Manager 如圖 所示，點擊彈出對話框 workbench and ANSYS Geometry Interfaces和 ICEM CFD Direct CAD Interfaces 打上勾，選擇右邊的 Pro/Engneer，如圖 所示。點擊 NEXT 按鈕在出現(xiàn)的對話框中輸入 Pro/E 安裝目錄和啟動文件，如圖 所示。點擊 NEXT 按鈕，在出現(xiàn)的對話框中，點擊 Display Configuration Log File 然后再點擊Configure Selected CAD Interfaces，如圖 所示，完成接口創(chuàng)建設(shè)計。打開 Pro/E 軟件，在主頁面菜單欄中就會顯示 ，說明接口創(chuàng)建成功，即可從 Pro/E 中直接將模型用 ANSYS 打開，同時也可以直接打開 ANSYS 軟件，點擊 File，選擇ImportPro/E 即可。 30 圖 CAD Selection 圖 Pro/Engineer 設(shè)置窗口 圖 CAD Configuration 31 車架有限元的靜力分析 三維實體模型的網(wǎng)格劃分 將上章生成的 CAD 模型以 “.igs”格式中性文件導(dǎo)入 ANSYS 軟件，生成 “.db”文件格式。目前，對車架的有限元分析一般采用梁單元，其優(yōu)點是：模型前處理工作量小，劃分的單元數(shù)目和節(jié)點數(shù)目少，計算速度快。其缺點是：不能正確地反映車架縱橫梁的截面形狀，無法仔細(xì)分析車架的應(yīng)力集中問題，所以不能為車架縱橫梁的連接方案提供實用的幫助。 solid45 單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。單元通過 8 個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有 3 個沿著 xyz 方向平移的自由度 。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強化、大變形和大應(yīng)變能力。本文采 8 節(jié)點的退化的 solid45 單元進行有限元網(wǎng)格劃分，得到該邊梁式車架有限元模型。在有限元模型中，整個車架采用自由網(wǎng)格劃分，尺寸控制選擇 10。網(wǎng)格形狀和材料屬性如圖 和 ，網(wǎng)格劃分如圖 所示。 圖 單元定義 32 圖 材料屬性 圖 網(wǎng)格劃分 施加約束條件 本文研究的車架所對應(yīng)的汽車為前懸鋼板彈簧后懸主副鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)。為便于計算，靜力分析采用剛性支撐。整個車架上共安裝了 8 個用于連接鋼板彈簧的固定支座和吊耳 ，因此在每個縱梁底面建立了 4 個關(guān)鍵點。 8 點約束靜態(tài)工況是指在汽車車架鋼板彈簧前后 8 個位置約束并分析其靜態(tài)彎曲剛度。在施加約束時，約束每個位置的需要的自由度。 33 車架 4 種 工況分析 貨車的實際工況復(fù)雜，故作用在車架上的載荷變化也很大。油箱、 駕駛室等部件均依照實際安裝位置進行加載，并根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)選擇以均布載荷方式加載。 1. 彎曲工況 （ 1） 約束條件和應(yīng)力加載 彎曲工況主要是對貨車滿載狀態(tài) F，四輪著地時的結(jié)構(gòu)強度和剛度進行校核，主要模擬貨車在星好路面下勻逮直線行駛時的應(yīng)力分布和變形情況。在這種 工況下車速一般較高，故動載系數(shù)取 3。對車架進行約束．對兩前輪 UX， UY， UZ三個方向自由度和兩后輪 UY方向自由度進行約束．釋放車輪的其余自由度。 貨車額定載荷為 。所有載荷均看作均布，施加在縱梁的上表面上。貨箱的載荷施加位置為 1718～ 4500mm 處 (z 坐標(biāo)，下同 )，載荷值為 ；駕駛室載荷施加位置為 0～ 1608mm 處，載荷值為 。加載情況如圖 所示 圖 加載情況 （ 2） 后處理及結(jié)果分析 通過后處理對計算結(jié)果的分析得到各工況下的位移和應(yīng)力云圖如圖 和圖 所示。 34 圖 滿載位移云圖 圖 滿載應(yīng)力云圖 分析車架變形云圖可以看出，在該工況下車架最前端部分變形均較小，中部變形 35 較大。這是由于中部承載貨箱，載荷較大；前部承載發(fā)動機、駕駛室等，載荷較小的緣故。因此分析結(jié)果與實際情況相符。車架前部與前橋以及轉(zhuǎn)向梯形等轉(zhuǎn)向機構(gòu)連接，較小的變形可以有效地減小車架變形對汽車轉(zhuǎn)向幾何特性的影響；車架中部較大的變形則有利于改善車架整體的應(yīng)力狀況，并起到一定的緩沖作用。 由此可知車架在該工況下應(yīng)力最大值為 86MPa。小于車架所用材料 16Mn 的屈服極 限 340～ 360MPa，則車架結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)為 n=σs/σmax當(dāng) n1 時，說明在該工況下，車架結(jié)構(gòu)強度是符合要求的；否則，則說明車架結(jié)構(gòu)強度不符合要求，將會發(fā)生強度破壞， ,該車架的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。 2. 扭轉(zhuǎn)工況 （ 1） 約束條件和應(yīng)力加載 實踐表明．車身承受的最劇烈的扭轉(zhuǎn)工況一般是在汽車低速通過畸嶇不平路面時發(fā)生昀。車速一般較低，故取動載系數(shù)為 。模擬汽車左后輪和右前輪 2個對角車輪之間扭轉(zhuǎn)工況，限制右前輪和左后輪 UX,UY， UZ三個方向自由度和其它兩輪 UX,UZ方向自由度 進行約束，釋放車輪的其余自由度。 貨車額定載荷為 。貨箱的載荷施加位置為 1718～ 4500mm 處 (z坐標(biāo)，下同 )，載荷值為 ；駕駛室載荷施加位置為 0～ 1608mm 處，載荷值為 。加載情況如圖 所示 。 圖 扭轉(zhuǎn)工況加載情況 36 （ 2） 后處理結(jié)果分析 通過后處理對計算結(jié)果的分析得到各工況下的位移和應(yīng)力云圖如圖 和圖 所示。 圖 扭轉(zhuǎn)工況位移云圖 圖 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖 37 分析車架變形云圖可以看出，在該工況下 車架 2 對角變形較大， 由左后輪到右前輪向?qū)ΨQ的 2 側(cè)變形量逐漸減小至車架左前和右后部分，由于車架前后結(jié)構(gòu)的差異，左前部分車架變形最大，為 ，同時也是最大應(yīng)力集中的部分， 體現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)有的特點，而且由圖可知車架在該工況下應(yīng)力最大值為 304MPa。小于車架所用材料 16Mn 的屈服極限 340～ 360MPa，車架結(jié)構(gòu)強度是符合要求的；否則，則說明車架結(jié)構(gòu)強度不符合要求，將會發(fā)生強度破壞， ,該車架的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。 （ 1） 約束條件和應(yīng)力加載 汽車在正常行駛時難免會發(fā)生緊急制動的情況。此時車架 除受各部件的重力外，還要受到數(shù)值等于幣 (道路附著系數(shù) )倍重力的縱向慣性力的作用．前后軸載荷發(fā)生急劇變化，整個車架的內(nèi)力、應(yīng)力也會發(fā)生很大的變化。本文模擬緊急制動的極限工況前輪抱死，對兩前輪的 UX， UY， UZ三個方向自由度和后輪的 UX,UY兩個方向的自由度進行約束，釋放車輪的其余自由度。動載系數(shù)取