【導讀】車架是汽車上重要的承載部件，車輛所受到的各種載荷最終都傳遞給車架，因此，分析，在設計時考慮車架結(jié)構的優(yōu)化，對提高整車的各種性能，降低設計與制造成本，增強市場競爭力等都具有十分重要的意義。大型通用有限元軟件ANSYS憑借其強大。以實體單元為基礎創(chuàng)建了車架結(jié)構的簡單的尺寸優(yōu)化模型，以車架的。闡述了應用ANSYS進行結(jié)構優(yōu)化設計的基本指導。的設計變量、狀態(tài)變量以及目標函數(shù)。通過對CA1040型貨車車架結(jié)構的有限元仿真。及優(yōu)化，得到了一些有益的結(jié)論，為車架的設計提供了指導作用。

　　

【正文】 ol 打開網(wǎng)格劃分工具，置網(wǎng)格基本尺寸，劃分網(wǎng)格 。 網(wǎng)格劃分后，共生成 287 個單元節(jié)點，和 177167 個網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后如圖 所示。 圖 車架網(wǎng)格劃分圖 對實體單元 Sold 92 的簡要介紹 Solid92 是三維十節(jié)點四面體結(jié)構實體單元，有二次方位移和能很好劃分不規(guī)則的網(wǎng)格 (譬如由各種各樣的 CAD／ CAM 系統(tǒng)生產(chǎn) )。此單元由十個點定義，每個節(jié)點有三 16 個自由度：節(jié)點 X、 Y 和 Z 方向位移 ：并且單元有可塑性、蠕動、膨脹、應力銅化，大變形和大張力的能力。 ① Solid92 輸入數(shù)據(jù) 單元輸入數(shù)據(jù)除了節(jié)點．還包括正交各向異性材料屬性，正交各向異性方向?qū)趩卧?坐標方向。 壓力可以作為面載荷作用在單元面上，正壓力指向單元內(nèi)。溫度和流體因素也可以以體載荷的形式作用在單元節(jié)點上。結(jié)點上的溫度 T 默認為參數(shù) TUNIF。如果沒有給出其它溫度，則默認為 T。如果給定所有角節(jié)點溫度，則各個中節(jié)點默認為它的毗鄰角結(jié)點平均溫度。對于其他溫度輸入模式，非特指的溫度默認為 TUNIF。 給單元指定初始應力狀態(tài)的命令為 STRESS 或 ISFILE。 如果要讀取初始應力，可以通過設置 KEYOPT(9)=I 讀取。 在幾何學非線性分析中，使用 SOLCONTROL 可以包含壓力載荷硬化的作用。壓力載荷硬化影響自動包含在線性特征值計算里面?？梢杂?NROPT,unsym 命令在壓力載荷硬化中調(diào)用一個非對稱矩陣。 ② Solid92 輸出數(shù)據(jù) 單元求解數(shù)據(jù)以下面兩種形式輸出： 1)以節(jié)點位移的形式輸出包括所有的節(jié)點的解答數(shù)據(jù)； 2)其它類型的單元輸出。 本章小結(jié) 本章概述了幾何建模軟件 Pro／ E 的發(fā)展歷程、基木功能和主要基本模塊，總結(jié)了應用 Pro／ E 建立幾何模型的注意事項和幾何模型簡化的方法，并對有限元分 析要采用的實體單元 Solid 92 進行了簡要的介紹。以某重型貨車車架為研究對象，以有限元的基本理論為基礎，綜合運用 Pro／ E 和 ANSYS 軟件建立了基于實體單元的車架結(jié)構有限元模型，為將實體單元應用于車架結(jié)構分析做好了準備。 17 第 4章 車架 結(jié)構的有限元靜態(tài)分析 車輛載荷分析 按照載荷產(chǎn)生的原因，作用在車輛結(jié)構件上的載荷分為三大類：行駛載荷、操作載荷和特殊載荷。 行駛載荷 行駛載荷是指當汽車在各種條件下行駛時，在路面一車輛這一力學的傳遞系 統(tǒng)中產(chǎn)生 的載荷。 ①載貨和乘員 載貨和乘員的變化，將導致車輪載荷的變化，主要有使平均應力級發(fā)生變動的作用。對于應力幅，當把車輛作為一個振動模型來看時，隨著質(zhì)量的變化，共振頻率和振幅也將發(fā)生變化，特別是對載貨汽車影響更為顯著。 ②行駛速度 車輛行駛速度的變化，對平均應力級幾乎不產(chǎn)生影響。但是，振動應力幅與路面的狀念有著密切的關系，在彈簧上以及彈簧下構件的固有振動頻率是重疊出現(xiàn)的。隨著車速的提高，所有振動頻率也有向高頻一側(cè)偏移的情況，當車速很低時，路面的凹凸可由載荷波形如實反映出來。 ③路面狀況 路面狀況不影響平均應力 級的變動，而僅僅和車速及車輛的振動有關。由 —3Hz 的彈簧上成分， 6Hz． 15Hz 的彈簧下成分以及構件和總成構成的系統(tǒng)固有振動頻率，表現(xiàn)為以各種比例重疊的波形，雖因構件而異，但一般來講，在鋪筑的路面上，彈簧上的成分比例大，隨著路面凹凸的加劇，彈簧下及構件的固有振動頻率的成分加強，作為整個級別也將變大。這也和車速有密切關系，如果路面凹凸的周期接近于彈簧上、彈簧下構件及系統(tǒng)的固有振動頻率，則載荷的波形接近于正弦波，應力幅也變得很大。 操作 載荷 操作載荷是指為使汽車行駛而進行必要的操作時直接作用在構件上 的力，或者由于操作而在某個傳力系產(chǎn)生的載荷。因此，操作載荷也可稱為在人一車系統(tǒng) 下產(chǎn)生的載荷。 在下面兩種情況下有操作載荷，一種是把作用在踏板、開關按鈕、方向盤、操縱 18 桿上的操縱力作為載荷的情況；另一種是由操作，經(jīng)過某傳力系以載荷波形表現(xiàn)的情況。對于后者進一步分析如下： ①起動操作載荷 對于懸架系，由于起步時的加速度引起重心的偏移，前后輪的載荷分配發(fā)生變化，這個變化是作為應力變化出現(xiàn)的。但是，當接近一定速度時，平均應力也隨之接近于一個定值。此外，作為變動的載荷，有扭矩變動及后懸架扭曲引起的 載荷等。 對于驅(qū)動系， 由于起步方法、發(fā)動機的慣性質(zhì)量、驅(qū)動系數(shù)的彈性常數(shù)、減速比的不同，應力振幅和頻率也會不同，如果離合器有抖動現(xiàn)象發(fā)生，將會出現(xiàn)比驅(qū)動系的扭轉(zhuǎn)固有頻率高的多的頻率成分出現(xiàn)，隨著車輛進入穩(wěn)定行駛狀態(tài)， 波形將逐步衰減，當衰減到對應于一定扭轉(zhuǎn)值的應力，作為平均應力成分保留下來，應力振幅在一定程度上表現(xiàn)為穩(wěn)定系統(tǒng)固有振動時和扭轉(zhuǎn)變動時的振動波形。 ②制動操作載荷 制動操作載荷將導致垂直或縱向載荷發(fā)生變化，在制動的初期階段，其波形和行駛載荷波形重疊在一起的應力波形。由于車輛慣性矩和重心位置的偏移，前 后輪載荷分配將發(fā)生變化 ，并以應力級的變化表現(xiàn)出來。另外，隨著車輛的不同，制動時，在制動鼓、體片、回位彈簧等構件上將伴隨著產(chǎn)生抖動等想象，其固有 振動頻率將重疊到制動鼓上。 ③轉(zhuǎn)向操作載荷 隨著重心的移動，將引起垂直、橫向載荷的變動，從而產(chǎn)生平均應力的變化。另外，由于構件幾何造型結(jié)構產(chǎn)生的力矩，也會使平均應力級發(fā)生變動。前者往往比較小，而后者隨構件的不同將會有很大值。 特殊載荷 特殊載荷是指除了上述兩種載荷以外的、從汽車使用本來目的來看，完全是由于偶然因素造成的載荷，如駕駛差錯、碰撞等造成的載荷，以及由于自然環(huán)境影響，對汽車構件所造 成的附加載荷等。由于本文不涉及這些方面的載荷，故不 詳細論述。 車架受力情況 靜載荷 汽車靜止時，車架只承受鋼板彈簧以上部分的載荷，它由于車身和車架的自身質(zhì)量、車架上各總稱與附件質(zhì)量及有效載荷組成，其總和稱之為靜載荷。在本設計中主要考慮行駛載荷的作用。對載荷處理時，車架自身重量可以通過施加垂直方向上的重力加速度進行施加；外加質(zhì)量、底盤各總成、發(fā)動機以及附加物質(zhì)量等，可以簡化為 19 作用在各支承點的集中載荷；貨車的貨物載荷一般處理為均布載荷，可以將乘客處理成集中載荷，也可以處理成均布載荷通常以每個乘客 65kg 進行計算 。 由于客觀條件的限制，在本文分析車架應力時，只施加了部分作用在車架上的載荷，其中包括發(fā)動機 135kg，變速器 56kg，油箱 (載滿油時 )360kg,駕駛室及乘員 130kg，引起的重力載荷以集中力的形式按照安放點的實際位置及各個位置所分擔的重力施加到相應節(jié)點上；車廂以及貨物載荷共 2620kg，以均布載荷的形式加到縱梁的相應部位。 動載荷 行駛中的汽車主要受動載荷作用，動載荷又可分為對稱的動載荷和非對稱的動載荷。當汽車在平坦的道路上，以較高車速行駛時，產(chǎn)生對稱的動載荷，它的大小不僅取決于作用在車架的靜載荷及其在 車架上的分布，還取決于靜載荷作用處的垂直加速度，受這種載荷作用，車架會產(chǎn)生彎曲變形。當汽車行駛在崎嶇不平的路面上時，前后幾個車輪可能不在同一平面，因而產(chǎn)生非對稱動載荷，它的 大小取決于道路不平程度，以及車身、車架和懸架的剛度，受這種載荷作用，車架會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。車架除受純彎曲、純扭轉(zhuǎn)外，還受彎曲和扭轉(zhuǎn)的復合變形。動載荷和靜載荷對車架的作用不相同，在以后的分析中會采用不同的簡化形式，但作用力的分布與靜載荷相同。 車架結(jié)構的靜力性能分析 靜力分析的基本概念及流程 靜力分析是計算在固定不變載荷作用下的結(jié)構的位移、應 力、應變及反力等的大小，即討論結(jié)構受到外力后的變形、應力和應變，以便對結(jié)構的強度、剛度 進行校核，保證結(jié)構既安全、正常工作，又符合經(jīng)濟性的要求。 靜力分析主要從靜力學 (靜力平衡條件 )、幾何學 (位移協(xié)調(diào)條件 )、物理學 (虎克定理 )三個方面對結(jié)構進行分析。無論處理什么問題，用有限元法進行結(jié) 構靜力分析的基本方程可以表示為： [K]{D}={P} 其中， [K]為經(jīng)過約束處理的結(jié)構整體剛度矩陣； {D}為待求解的整體位移向量；{P}為與待求解整體位移向量對應的載荷向量。 靜力分析的基本流程： ①單元分析的主要任務是建立單元 節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系，得到反映 它們之間關系的矩陣一單元剛度矩陣； ②整體分析的任務是根據(jù)節(jié)點的靜力平衡條件和位移協(xié)調(diào)條件建立反映各單元和整體結(jié)構之間聯(lián)系的矩陣 — 整體剛度矩陣； 20 ③約束處理是引入邊界條件，對整體分析形成的整體剛度矩陣進行處理，得到經(jīng)過約束處理的整體剛度矩陣 [K]與載荷向量 {P}； ④靜力分析方程求解是對方程 [K]{D}={P}進行求解運算，得到全部節(jié)點的位移； ⑤單元節(jié)點力、內(nèi)力或應力計算的主要任務是根據(jù)節(jié)點位移求出單元節(jié)點力、內(nèi)力和應力； ⑥計算結(jié)果后處理的主要任務是對計算結(jié)果進行可視 化處理。 車架結(jié)構靜力分析工況及約束處理 進行有限元計算時，模型的約束方式必須滿足的條件是：保證結(jié)構不產(chǎn)生剛體位移，也就是說必須有足夠的自由度約束，以保證結(jié)構的剛度矩陣為滿秩矩陣，從而使整體剛度方程有唯一解。在汽車的行駛過程中，典型的工況主要包括彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動和轉(zhuǎn)彎四種工況，其中彎曲和扭轉(zhuǎn)是對車架結(jié)構影響較大的兩種工況。本章將以彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況做為分析工況，為保證車架有限元模型不產(chǎn)生剛性位移，對這兩種工況要進行約束處理。 ①彎曲工況 彎曲工況是模擬在滿載狀態(tài)下、四輪著地時汽車在良好路面勻速直線行駛的 狀態(tài)。通過有限元計算模擬彎曲工況時，車架承受的質(zhì)量和載荷要乘以一定的動荷系數(shù)來進行車架結(jié)構的強度和剛度校核。研究表明在對車架彎曲工況進行模擬時，最大動荷系數(shù)以不超過 。其約束為鋼板彈簧位置。其約束如圖 所示 圖 彎曲工況約束 ②扭轉(zhuǎn)工況 扭轉(zhuǎn)工況是模擬一個車輪懸空時汽車的受力狀態(tài)。其約束如圖 所示，這時由于車速很低，所以慣性載荷很小，最大動載荷系數(shù)以不超過 。 圖 扭轉(zhuǎn)工況約束 21 車架結(jié)構靜力分析規(guī)范 本節(jié)采用上一章建立的車架結(jié)構有限元模型，應用 ANSYS 進行結(jié)構靜力分 析 。 ①加載模型數(shù)據(jù)文件 啟動 ANSYS，打開文件。 ②更換工作文件名 (1)選取菜單 Utility MenuFileChange Jobname： (2)在彈出的對話框中輸入 staticframe，點擊 OK 按鈕，完成工作文件名的定 義。 ③定義標題 (1)選取菜單 Utility MenuFileChange Title： (2)在彈出的對話框中輸入 thebendmodel，說明本次計算為彎曲工況。 ④定義工況約束 根據(jù)整車彎曲工況的約束方案對車架結(jié)構進行約束： 自由度約束添加操作為： (1)選取 Main MenuSolutionDefineLoadsApplyDisplacementOn Areas 命令； (2)在彈出 Apply UROT on Areas 對話框后，在圖形區(qū)選取要進行自由度 約束的面，點擊 OK 按鈕； (3)在彈出的對話框中選擇要約束的自由度及自由度數(shù)值； (4)點擊 OK 按鈕，完成約束處理。 ⑤設置分析類型 ANSYS 包含七種分析類型。在進行分析求解之前，必須定義好求 解類型，具體步驟為： (1)選取 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 命令； (2)選取 Static，點擊 OK 按鈕，選擇靜態(tài)分析。 ⑥施加載荷 這一步主要是針對不同的工況進行載荷的施加，根據(jù)不同工況施加載荷的不同，施加各個方向的力，從而使車架受力接近現(xiàn)實車架的受力。使得分析后的結(jié)果更接近實際車架受力。 ⑦求解 在完成上述所有步驟之后，就可以對有限元模型進行求解。求解步驟為： (1)選取 Main MenuSolutionSolveCurrent LS： (2)點擊 OK 按鈕，計算機開始求解，直到求解完成。 ⑧結(jié)果后處理 22 在完成結(jié)構的有限元計算后，采用 ANSYS 提供的 通用后處理模塊就可以方便、直觀地觀察有限元分析的結(jié)果。 顯示應力和變形圖的操作步驟為： (1)選取 Main MenuGenneralPostprocAnalysis TypeNew Analysis 命令，彈出對話框； (2)選擇應力 Stressvon Mises 選項，點擊 OK 按鈕。 車架結(jié)構的靜力性能分析結(jié)果 彎曲工況靜力分析結(jié)果 單元的變形及應力分布如圖 ～ 圖 所示。其應力 變化 表如 表 所示。位移變化 表如 表 所示。 從彎曲工況下的應力云圖可以看出，應力主要集中在發(fā)動機后懸置橫梁處和第 四橫梁處。在發(fā)動機后懸置橫梁與縱梁的連接附近的應力值最大， 最大值為 。 表 彎曲應力提取表 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 29460 +07 +08 +08 +08 +08 29465 +08 +08 +07 +08 +08 29297 +08 +08 +08 +08 +08 57863 +08 +08 +07 +08 +08 25 +08 +08 +08 +08 +08 904 +08 +08 +08 +08 +08 905 +08 +08 +08 +08 +08 34757 +07 +08 +08 +08 +08 26183 +07 +07 +08 +08 +08 29462 +08 +08 +08 +08 +08 23 表 彎曲位移提取表 NODE UX UY UZ USUM 2716 2797 2715 2717 2798 2796 2718 2795 2799 2714 2719 圖 彎曲應力圖 24 圖 彎曲位移圖 扭轉(zhuǎn)工況靜力分析結(jié)果 從 扭曲工況下的車架的應力云圖可知，在這種工況下，車架的總體應力值仍然能滿足要求。發(fā)動機后懸置橫梁與縱梁的連接處、第四橫梁和第五橫梁處應力較大，最大值為 144MPa。 單元的變形及應力分布如圖 ～圖 所示。 圖 前 扭轉(zhuǎn)應力圖 25 圖 前 扭轉(zhuǎn)位移圖 圖 ～ 為模擬左前輪懸空狀態(tài)。圖 ～ 為模擬右后輪懸空狀態(tài)。 而從圖上可以看出， 最大變形量為 。而最大應力值為 105MPa。 圖 后 扭轉(zhuǎn)應力圖 26 圖 后 扭轉(zhuǎn)應力圖 結(jié)構靜力分析的目的是根據(jù)有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)對車架的強度進行評價。 由于車架材料為 16Mn，從而得到車架的極限屈服強度為 350Mpa。由于圖 中可以得，最大應力都小于車架材料的極限應力。因此，所研究的車架強度是符合要求的。 本章小結(jié) 本章對所研究車架結(jié)構的靜力性能進行了研究，規(guī)范化了運用 ANSYS 軟件對車架結(jié)構進行靜力分析的步驟。通過對車架結(jié)構的靜態(tài)特性的研究，可以清楚地掌握車架結(jié)構的性能，實現(xiàn)對 車架結(jié)構設計的效果進行評價。 車架有限元強度分析結(jié)果表明：車架在滿載彎曲工況和滿載扭轉(zhuǎn)工況下，發(fā)動 機后懸置橫梁和縱梁的連接處以及第四橫梁處都會出現(xiàn)較大應力， 由于車架材料為16Mn，從而得到車架的極限屈服強度為 350Mpa。 在給定動載系數(shù)情況下，最大應力值未超過許用應力值。根據(jù)強度評價參數(shù)，車架的結(jié)構強度 符合要求。 27 第 5章 車架結(jié)構的動力性能分析 車架結(jié)構的動力性能分析 車架的模態(tài)分析 絕大多數(shù)機械結(jié)構都或多或少受到動載的作用，隨著結(jié)構向著重載、高速并 減輕自重的方向發(fā)展，對機械結(jié)構進行動態(tài)設計的要求越 來越迫切。動態(tài)的設計 與研究方法是現(xiàn)代設計方法之一，而結(jié)構模態(tài)分析是結(jié)構動態(tài)設計的核心。它克服了靜態(tài)方法的局限性，強調(diào)從結(jié)構的整體考慮問題，在性能校核中考慮了振動的因素。這一方面最初是由美國在大型航天器的研制中大量采用的，現(xiàn)在已推廣 到航天、建筑、機械等部門。隨著人們對工程產(chǎn)品的設計提出了越來越高的要求，在其他工程領域也慢慢引入模態(tài)分析技術，如車輛的乘坐舒適性、噪聲控制、產(chǎn) 品輕量化設計的疲勞問題等等，因此，模態(tài)分析技術的應用領域日益擴大，并成 為動力學分析中不可缺少的手段。 在機械設計中研究結(jié)構振動問題的重要目的 是避免共振，具體的機械結(jié)構可以看成多自由度的振動系統(tǒng)，具有多個固有頻率，在阻抗試驗中表現(xiàn)為有多個共振區(qū)，在幅頻特性曲線中表現(xiàn)為有多個峰值。這種在自由振動時結(jié)構所具有的基本振動特性稱為結(jié)構的模態(tài)。結(jié)構模態(tài)是由結(jié)構本身的特性與材料特性所決定的，與外載條件等無關，而結(jié)構在任意初始條件及外載作用下的強迫振動都可以由結(jié) 構按這些基本特性的強迫振動的線性組合構成。因此結(jié)構模態(tài)分析是結(jié)構強迫振 動分析的基礎。 多自由度系統(tǒng)振動時，同時有多階模態(tài)存在，每階振動模態(tài)可用一組模態(tài)參數(shù)來確定，通常模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、固有振型、模態(tài) 質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等。其中最重要的是頻率、振型和阻尼比。對于無阻尼系統(tǒng)就是固有頻率和振型。模態(tài)參數(shù)有著重要的意義，因為它將表明在哪幾．種頻率下結(jié)構會產(chǎn)生共振以及在各階頻率下結(jié)構的相對變形，對于改善結(jié)構動態(tài)特性，這是最重要的基本參數(shù)。 通過模態(tài)試驗和有限元動態(tài)分析提供的信息，可以研究汽車零部件或整車的振動情況，從而改進和提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。汽車車架受到來自路面的激勵而產(chǎn)生振動，如果某些結(jié)構設計的不合理，由于振動產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，將會造成某些部件疲勞破壞，甚至斷裂。所以振動不僅影響汽車的平順性，還將 影響汽車的使用壽命。 前節(jié)對車架在靜載時進行了應力分析。本節(jié)將對重型汽車車架進行動態(tài)分析，計算車架的模態(tài)振型與相應的固有頻率，通過固有頻率與振型從整體上考慮車架的局部強度問題。 28 模態(tài)分析可定義為對結(jié)構的解析分析和實驗分析，其結(jié)構動態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學上，模態(tài)參數(shù)是力學系統(tǒng)運動微分方程的特征值和特征矢量，而在實驗方面則是試驗測得的系統(tǒng)之極點即固有頻率、阻尼和振型即模態(tài)向量。 通過模態(tài)分析法辨識結(jié)構的模態(tài)參數(shù)，對于給定的系統(tǒng)，系統(tǒng)振型向量的比值與固有頻率都決定了系統(tǒng)的固有屬性。如果己知結(jié)構的固有頻率， 便可以在設計和改進時使結(jié)構的固有頻率避開其在使用過程中的外部激勵頻率。另外，通過對模態(tài)振型的分析，還可以了解整體車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的分布情況。 為了分析車架的振動特性，模態(tài)分析可通過模念試驗和理論分析進行。但是在本課題的研究過程中，由于條件的限制，就采用計算機模擬，直接利用有限元分析軟件ANSYS 進行分析。在 ANSYS 軟件中，有六種模態(tài)提取方法：子空間法 (Subspace)、Block Lanczos 法、 Power Dynamics 法、縮減法 (Reduced)、 Unsymmetric 法和 Damped法 。其中 Block Lanczos 方法因其精度高與計算速度快等特點在大型結(jié)構分析中被廣泛采用，本文采用該方法提取車架結(jié)構的前十階模態(tài)。 根據(jù)第一節(jié)所述內(nèi)容可知，在對車架結(jié)構進行模態(tài)分析時，由于求解的是車架結(jié)構的固有特性 (固有頻率和固有振型 )，與所受外力無關，故可忽略外部載荷的作用的。 就車架結(jié)構動態(tài)特性而言，如果車架有限元模態(tài)分析采用實際邊界條件支撐，當然能更精確的反映出車架在工作時的動念性能，但實際邊界條件是極其復雜的，例如懸架的非線性，更何況若添加剛度較大的實際邊