【正文】 （4）對(duì)于車架設(shè)計(jì)，要求在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下盡可能減輕車架的質(zhì)量。可見(jiàn)， CAD/CAE方法若能在我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)（如汽車工業(yè)企業(yè)）中得到大規(guī)模推廣，則必將對(duì)我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。除了第五根橫梁與縱梁連接處應(yīng)力比較集中之外，車架均有較高的安全系數(shù)。（2）對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分析了車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立了車架三維幾何模型。由下式求得最大應(yīng)力： （515）其中，為彎曲截面系數(shù)，由截面的寬度和高度決定： （516） 式中，B=60mm，b=52mm，H=160mm，h=152mm，代入式（516）求得=，代入式（515），求得最大應(yīng)力值為237MPa?，F(xiàn)假設(shè)前后懸架相等，即。車架縱梁應(yīng)該簡(jiǎn)化為圖52所示的力學(xué)模型。在上面的假設(shè)下建立力學(xué)模型后，再用彎矩差法計(jì)算縱梁各截面的彎矩和應(yīng)力。（3）滿載轉(zhuǎn)彎工況求解及結(jié)果分析圖427 轉(zhuǎn)彎工況下等效應(yīng)力分布由圖427可知，轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力仍在第五根橫梁與縱梁的連接處，最大應(yīng)力為105MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)也較大，所以可以將車架縱梁厚度做適當(dāng)?shù)臏p少，這樣，既可以保證汽車的正常行駛，也可以減小整車的質(zhì)量，降低成本。由于離心加速度的大小由轉(zhuǎn)彎半徑和汽車的行駛車速?zèng)Q定的，而且在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候必然會(huì)有減速的過(guò)程，所以還有減速加速度。4．（1）滿載轉(zhuǎn)彎工況的邊界條件本文模擬汽車在左轉(zhuǎn)時(shí)，車架的受力情況。圖424 制動(dòng)工況下的等效應(yīng)力分布由圖424可以看出，制動(dòng)工況下，最大應(yīng)力值仍發(fā)生在第五根橫梁與車架縱梁的連接處，最大應(yīng)力約110MPa,比材料的最小屈服極限小，車架上其他個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力均小于材料的屈服極限，故車架剛度和強(qiáng)度還是能夠滿足要求的。此工況下，載荷的施加方式與彎曲工況時(shí)一樣，在此基礎(chǔ)上，需要添加制動(dòng)方向上的慣性力。加速或減速會(huì)產(chǎn)生慣性力，由于慣性力的作用，車架將受到與行駛方向相反的縱向載荷，縱向載荷的大小取決于制動(dòng)減速度的和汽車的載質(zhì)量，慣性力的大小取決于制動(dòng)減速度。圖422 扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)變分布圖423 扭轉(zhuǎn)工況下車架變形形狀從這兩張圖可以看出，扭轉(zhuǎn)工況下最大位移發(fā)生右縱梁與后杠連接處，車架變形量較大。加載方式與彎曲工況相同。 滿載扭轉(zhuǎn)工況分析（1）滿載扭轉(zhuǎn)工況的邊界條件扭轉(zhuǎn)工況下車也是滿載的，只是假設(shè)行駛路面崎嶇不平，使三個(gè)車輪處于同一平面，而另一個(gè)車輪路過(guò)有坑的地面而被懸空。圖418 彎曲工況下的等效應(yīng)力分布從圖418可以看出，車架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力位于第五根橫梁與車架的連接處，這是因?yàn)榈谖甯鶛M梁與車架接觸面較其他連接面較小，因而出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為107MP，小于材料的最小屈服極限360MPa。出現(xiàn)信息窗口和一個(gè)對(duì)話框，檢查信息窗口，確認(rèn)無(wú)誤，點(diǎn)擊OK，系統(tǒng)開始計(jì)算，約五分鐘后出現(xiàn)＂Solution is done＂，點(diǎn)擊OK。具體操作為：Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Inertia→Gravity→Global，彈出Apply (Gravitational) Acceleration 對(duì)話框，在Global Cartesian Zp ，點(diǎn)擊OK即可。載荷方向均選FZ，載荷大小為負(fù)值，表示車架受到的力是Z方向的。還可以通過(guò)該窗口顯示模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)，只需將Node numbers設(shè)為On即可。 彎曲工況的車架約束節(jié)點(diǎn)編號(hào)UxUyUzROTxROTyROTz4//////116 / / /1120/// //注：表中的節(jié)點(diǎn)與圖410相同，其中Ux、Uy、Uz為節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向上的平移自由度，ROTx、ROTy、ROTz為節(jié)點(diǎn)繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，“/”表示對(duì)其自由度進(jìn)行約束。所以，分析時(shí)常分別對(duì)某些簡(jiǎn)單的路面情況進(jìn)行研究，動(dòng)載系數(shù)則取一些理論研究與實(shí)驗(yàn)修正相結(jié)合的半經(jīng)驗(yàn)值。實(shí)際汽車行駛時(shí)，由于承載系統(tǒng)在六個(gè)自由度方向運(yùn)動(dòng)，而且系統(tǒng)并非剛體，所以各點(diǎn)的位移不同，加速度是不相等的。在此基礎(chǔ)上，本文還研究了制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎工況下車架的應(yīng)力和應(yīng)變變化。根據(jù)載荷作用隨時(shí)間變化的情況，可以分為靜載荷、動(dòng)載荷兩種。圖410 前、后懸架的結(jié)構(gòu)模擬 載荷的處理運(yùn)用有限元法對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，載荷通常是給定的。鋼板彈簧具有緩沖與導(dǎo)向作用，因此，模擬時(shí)可以采用以下兩種組合方式[16]:(l)剛性梁?jiǎn)卧c柔性梁?jiǎn)卧慕M合(圖48)；(2)剛性梁?jiǎn)卧c彈簧單元組合(圖49)。 圖46 劃分網(wǎng)格對(duì)話框圖47 劃分網(wǎng)格結(jié)果 懸架的模擬車身與車架是通過(guò)懸架系統(tǒng)、車橋和車輪支撐在地面上的。 圖44 彈性模量及泊松比對(duì)話框 圖45 密度對(duì)話框材料屬性定義完畢，點(diǎn)擊Material→Exit，退出材料屬性定義。圖42 Solid95單元定義單元類型的具體操作為：Main Menu→Preferences→Element Type→Add/Edit/Delete，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊Add，彈出Library of Element Types對(duì)話框，選擇Solid→20node 95。相對(duì)于3D，8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元來(lái)說(shuō)，Solid95單元更為高級(jí)，Solid95單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，為節(jié)點(diǎn)在x，y，z方向的平移自由度。（3）定義單元類型實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，為了方便模擬，ANSYS為用戶提供了幾十種單元用于結(jié)構(gòu)分析，而選取恰當(dāng)?shù)膯卧愋褪琼樌M(jìn)行有限元分析的重要一步。16Mn鋼的合金含量較少，綜合性能好，低溫性能好，焊接性能和可切削性能良好，廣泛的應(yīng)用在橋梁、鍋爐、起重運(yùn)輸機(jī)械和其他較高載荷的焊接結(jié)構(gòu)件中。通過(guò)車架的強(qiáng)度要求和材料的特性，選擇最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或者綜合應(yīng)力作為強(qiáng)度校核的基準(zhǔn)，材料的失效是以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志的，所以車架的靜態(tài)強(qiáng)度校核可以根據(jù)第四強(qiáng)度理論，用Vonmiss等效應(yīng)力來(lái)校核車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。同時(shí)還可以在保證結(jié)構(gòu)滿足使用強(qiáng)度和剛度的前提下，最大限度地降低材料用量，既能減輕車架的自重，也可以節(jié)省材料，降低油耗，提高整車性能。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假設(shè)，也就是假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨著時(shí)間的變化非常緩慢。圖314 車架三維實(shí)體模型第4章 車架的有限元分析汽車是運(yùn)輸機(jī)械，在工作的過(guò)程中總會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方面的載荷作用。其中，前輪處的兩個(gè)鋼板彈簧吊耳關(guān)于前車橋的中心平面對(duì)稱，可以由鏡像體得到。 圖36 草圖拉伸成變速箱梁 圖37 拉伸形成扭桿梁、第三根及第四根梁創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，在該平面內(nèi)制作草圖，沿Y方向拉伸成第五根橫梁，如圖38所示。 圖34 草圖拉伸形成第一根橫梁 圖35 草圖拉伸形成第二根橫梁創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，在該面內(nèi)制作草圖，拉伸草圖形成第二根橫梁，如圖35所示。 圖31 車架左縱梁形成圖 圖32 鏡像得到右側(cè)縱梁以XY面為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，拉伸制作前后副杠，如圖33所示。有的部件是為了滿足使用上的要求而設(shè)計(jì)的，并不是依據(jù)強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)的，因而可以忽略；（3）將結(jié)構(gòu)中較小的圓角變?yōu)橹苯?。為了提高軟件分析的效率，減少分析計(jì)算中不必要的時(shí)間，在UG中建立車架的三維實(shí)體模型時(shí)，對(duì)一些工藝結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，所依據(jù)的簡(jiǎn)化規(guī)則為：（1）對(duì)分析結(jié)果影響較小的孔忽略不計(jì)：直徑小于15mm。簡(jiǎn)化結(jié)果時(shí)要以主要的力學(xué)特征為前提，也就是要力求每個(gè)單元與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的幾何類型一致，還要與單元傳遞的動(dòng)力學(xué)特性相一致。這些結(jié)果可以是位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示或者數(shù)據(jù)列表。④ 求解子模塊ANSYS軟件的求解模塊包含結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析及壓電分析。ANSYS軟件提供的分析類型有靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）分析、瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波分析、譜分析、撓度和子結(jié)構(gòu)。③網(wǎng)格劃分ANSYS程序?yàn)橛脩籼峁┝耸褂帽憬荨⒏哔|(zhì)量的對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。在定義單位制的時(shí)候，除了磁場(chǎng)分析以外，ANSYS軟件可以使用任一種單位制，但是一定要保證單位制的統(tǒng)一。ANSYS軟件為用戶提供了100多種的單元類型，以模擬實(shí)際工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 ANSYS的技術(shù)特點(diǎn)與其他的有限元分析軟件相比較，ANSYS具有以下技術(shù)特點(diǎn)：1．能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)和多場(chǎng)耦合功能；2. 集前后處理、分析求解與多場(chǎng)分析于一體；3. 具有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)化功能，是唯一具有流場(chǎng)優(yōu)化功能的CFD軟件；4. 具有強(qiáng)大的非線性分析功能；5. 具備快速求解器；；、工作站、大型機(jī)直至巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)上，全部的數(shù)據(jù)文件都兼容；、WS到巨星級(jí)的所有硬件平臺(tái)；、工作站、大型機(jī)到巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)，具有統(tǒng)一的用戶界面；能與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口；1可以進(jìn)行智能劃分網(wǎng)格；1具有多層次、多框架的產(chǎn)品系列；。 ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS公司是1970年由美國(guó)匹茲堡大學(xué)的John Swanson博士創(chuàng)建的，其總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡，是目前世界上CAE行業(yè)最大的公司。有效地解決了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源的問(wèn)題，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。 UG軟件的優(yōu)勢(shì)（1）能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和電器設(shè)計(jì)單位提供一套完整的設(shè)計(jì)、分析、制造方案；（2）它是一個(gè)完全的參數(shù)化軟件，能為零部件的系列化建模、裝配、分析提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)支持。知識(shí)驅(qū)動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先者實(shí)現(xiàn)了將設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)與基于產(chǎn)品和過(guò)程的知識(shí)工程相結(jié)合，在航空航天、汽車、通用機(jī)械、醫(yī)療器械、工業(yè)設(shè)備及其他高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)、模具加工自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大大改進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)率。1997年10月，Unigraphics Solutions公司同Intergraph公司簽約，合并了Intergraph公司的機(jī)械CAD產(chǎn)品，將微機(jī)版的Solidedge軟件統(tǒng)一到Parasolid平臺(tái)上。UG的功能包含概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、性能分析及制造。通過(guò)實(shí)例體驗(yàn)CAD/CAE技術(shù)在汽車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，即有限元分析法，使用有限元分析軟件CAE軟件和CAD軟件，兩者并用，使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)