基于ANSYS的車架有限元分析

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1、 摘 要 汽車經(jīng)過130多年的發(fā)展，安全與節(jié)能已成為汽車設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在汽車結(jié)構(gòu)中，車架作為整車的基體和主要承載部件，具有支撐連接汽車各零部件和承受來自汽車內(nèi)、外各種載荷的作用，其結(jié)構(gòu)性能直接關(guān)系到整車性能的好壞。 本文以某運(yùn)油車車架為研究對(duì)象，運(yùn)用CATIA軟件對(duì)車架模型進(jìn)行簡化與建立，利用ANSYS軟件對(duì)車架模型進(jìn)行參數(shù)定義，網(wǎng)格劃分，作用力施加，自由度約束，并對(duì)車架進(jìn)行了彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、急減速工況、急轉(zhuǎn)彎工況的靜態(tài)分析，并分析位移與應(yīng)力圖，為汽車安全與節(jié)能設(shè)計(jì)提供了理論支持。同時(shí)對(duì)車架也進(jìn)行了模態(tài)分析，得出車架的固有頻率與振型，提高整車設(shè)計(jì)水平，對(duì)避免共振與提高乘坐舒適性

2、提供了理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵字：車架,有限元，ANSYS, 靜態(tài)分析，模態(tài)分析  Abstract The automobile which has developed for 130 years, security and energy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic part and the main bearing

3、 part. It has the function of connecting all parts of the vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the vehicle. The performance of frame structure affects whether the automobile property is good or not. In this paper, the frame of a fuel tanker is studied. We simplify a

4、nd establish the model of frame by CATIA. The parameter of the frame is defined. The model of frame is meshed by ANSYS. Add the force and freedom of the model of frame by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation of bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the

5、 figure of displacement and stress, it provide theoretical support for the automobile design of security and energy saving. At the same time, the modal analysis of the frame is also studied. Based on the frame of natural frequency and vibration mode, it provide theoretical basis for avoiding resonan

6、ce and improving ride comfort and improve the level of vehicle design. Keywords: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis  目 錄 1 緒論 1 1.1 概述 1 1.2 研究背景 1 1.3 有限元法的應(yīng)用與發(fā)展 2 1.4 選題的目的與意義 2 1.5 本文的主要研究內(nèi)容 3 2 基于CATIA與ANSYS的車架有限元建模 4 2.1 有限元法簡介 4 2.2 CATIA軟件簡介 6 2.3

7、車架幾何模型建立 7 2.3.1車架幾何模型簡化 7 2.3.2 車架幾何模型建立 7 2.4 車架有限元模型建立 10 2.4.1 網(wǎng)格劃分前處理 10 2.4.2 車架有限元網(wǎng)格的劃分 10 3 車架有限元靜態(tài)分析 13 3.1 汽車車架剛度理論 13 3.1.1 汽車車架彎曲剛度 13 3.1.2 汽車車架扭轉(zhuǎn)剛度 13 3.2 車架載荷分類與處理 13 3.2.1 靜載荷 13 3.2.2 動(dòng)載荷 14 3.3 車架工況的有限元分析 14 3.3.1 滿載彎曲工況 14 3.3.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況 16 3.3.3 緊急制動(dòng)工況 18 3.3.4 緊急轉(zhuǎn)

8、彎工況 19 4 車架有限元模態(tài)分析 21 4.1 模態(tài)分析簡介 21 4.2 模態(tài)分析基本理論 21 4.3 車架的模態(tài)分析 22 4.4 車架模態(tài)分析結(jié)果評(píng)價(jià) 27 結(jié) 論 29 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 32 3 1 緒論 1.1 概述 最初汽車的發(fā)展，通常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)判斷和試驗(yàn)仿真進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。這種方法不僅浪費(fèi)財(cái)力人力，而且生產(chǎn)周期長，研發(fā)效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品高效開發(fā)的要求，且只能表征初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，中間過程無法得知，因而也無法幫助相關(guān)人員了解問題的實(shí)質(zhì)[1]。 隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與相關(guān)學(xué)科和方法的迅速發(fā)展極大地促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)和科學(xué)研究地進(jìn)步，出

9、現(xiàn)了新興的綜合延伸高效的學(xué)科。CAE作為一種新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)[1]，逐漸應(yīng)用到更為廣闊的科學(xué)研究領(lǐng)域中。在某種意義上數(shù)值模擬比傳統(tǒng)方法對(duì)問題的認(rèn)識(shí)更加深刻，更為嚴(yán)謹(jǐn)，不僅可以分析問題的結(jié)果，而且還可以動(dòng)態(tài)地、隨時(shí)連續(xù)地觀察事物的發(fā)展，細(xì)致地了解整體與局部的發(fā)展過程[1]。 其中，近年發(fā)展起來的各種數(shù)值模擬仿真方法如有限元、多體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)中得到大量應(yīng)用，可以解決以往手工計(jì)算無法解決的許多問題，提高了行業(yè)競爭力，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。作為汽車總成的一部分，車架承受著汽車內(nèi)外各種復(fù)雜激勵(lì)的作用，而且汽車上許多重要零部件都以車架為基體[3

10、]，因此，設(shè)計(jì)出包括安全節(jié)能在內(nèi)的各方面性能良好的車架是重要的工作。 1.2 研究背景 有限元法已成為汽車設(shè)計(jì)研制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在汽車研究的過程中，包括如車架、車橋、車身、懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、曲軸、離合器等總成以及NVH分析都要通過有限元進(jìn)行校核和優(yōu)化，大大的提高了汽車設(shè)計(jì)的水平和研發(fā)能力。 目前，車架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)研究人員通常會(huì)簡化車架。但是，簡化車架容易導(dǎo)致兩個(gè)問題：車架簡化過多導(dǎo)致求解精度不夠，容易使車架產(chǎn)生安全問題，同時(shí)為避免安全問題而使汽車設(shè)計(jì)過于安全，使資源耗費(fèi)較多，增加了成本，不利于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和節(jié)能減排的設(shè)計(jì)理念；車架的設(shè)計(jì)與計(jì)算不同步，造成設(shè)計(jì)人員與制造人員溝通不

11、順暢，很難達(dá)到技術(shù)目標(biāo)的質(zhì)量和設(shè)計(jì)的要求，不利于提高車架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)效率。 現(xiàn)代車架設(shè)計(jì)已發(fā)展到包括動(dòng)態(tài)仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等在內(nèi)的計(jì)算機(jī)分析、優(yōu)化和仿真階段[4]。計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代電子測試技術(shù)相結(jié)合已成為汽車車架重要的研究方法。本文用ANSYS軟件對(duì)某型運(yùn)油車的車架進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析，對(duì)進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)提供了有效的理論依據(jù)。 1.3 有限元法的應(yīng)用與發(fā)展 有限元法（Finite Element Method ,FEM）是現(xiàn)代科學(xué)分析的一種重要方法。它是20世紀(jì)60年代左右興起的計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)學(xué)科相互交叉，綜合發(fā)展的新興科學(xué)。有限元法最初應(yīng)用在工程研究中，用于分析并且解決熱力學(xué)

12、，電磁學(xué)等物理問題[5]。 （1） 有限元法在國內(nèi)汽車分析中的應(yīng)用與發(fā)展 1965年我國著名數(shù)學(xué)家馮康教授發(fā)表的基于變分原理的差分格式的論文標(biāo)志著中國獨(dú)立的創(chuàng)立了有限元法[6]。 我國CAE技術(shù)的前進(jìn)道路十分艱難。20世紀(jì)70年代中期，大連理工大學(xué)研制出DDJ,JIGFEX有限元分析軟件和DDDU結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件；80年代中期，中國科學(xué)院梁國平團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)了有限元程序自動(dòng)生成系統(tǒng)（FEPG），標(biāo)志著我國相關(guān)的有限元研究已躋進(jìn)國際先列。 19世紀(jì)五十年代末左右，我國依靠傳統(tǒng)的方法和經(jīng)驗(yàn)對(duì)車架進(jìn)行設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，即依靠經(jīng)典力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)車架結(jié)構(gòu)作大量的簡化設(shè)計(jì)[7]，計(jì)算過程繁瑣且各方面性能很

13、難達(dá)到要求。大約是在七十年代末我國才把有限元法應(yīng)用到車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中[7]。而就國內(nèi)目前情況來看，在有限元?jiǎng)討B(tài)分析方面，主要集中在模態(tài)分析，但在汽車內(nèi)外各種復(fù)雜激勵(lì)作用下的車架動(dòng)態(tài)響應(yīng)的情況方面研究不足，如果要進(jìn)一步的對(duì)車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，則要分析研究車架在承受汽車內(nèi)外各種激勵(lì)的狀況。 （2） 有限元法在國外汽車分析中的應(yīng)用與發(fā)展 1960年R.W. Clough在平面彈性論文中首次用“有限元法”這個(gè)名稱[7]。自從提出有限元法概念以來，有限元理論及其應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展[5]。 有限元法在國外汽車結(jié)構(gòu)分析中已具有相對(duì)成熟的分析實(shí)施技術(shù)[8]。歐洲從20世紀(jì)60年代末開始形成有限元

14、靜態(tài)分析[3]。目前，國外大概在2年至3年之內(nèi)就能設(shè)計(jì)開發(fā)出新車型，這主要取決于車身CAD和建模仿真相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)代車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)之上，轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)仿真分析的虛擬試驗(yàn)。而隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展、求解速度大幅提升以及求解精度不斷提高的同時(shí)，有限元分析也從強(qiáng)度，剛度等分析向節(jié)能輕量化方向發(fā)展[5]，如奧泰爾公司以福特公司的某一車架為研究對(duì)象，在不降低車架重要性能的前提下實(shí)現(xiàn)車架的輕量化設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的車架與原模型相比，重量降低23%，并且剛度也有所提高。 1.4 選題的目的與意義 （1） 論文選題的目的 ① 運(yùn)用有限元法對(duì)運(yùn)油車的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，規(guī)范分析步驟，為有

15、限元在車架設(shè)計(jì)中提供基礎(chǔ)，為技術(shù)人員提供參考，縮短生產(chǎn)周期，提高研發(fā)效率。 ② 對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，為車架設(shè)計(jì)提供理論參考，提高整車的設(shè)計(jì)水平與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平，實(shí)現(xiàn)汽車各方面的性能要求。 （2） 論文選題的意義 ① 運(yùn)用有限元對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，為車架設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造的過程中提供理論基礎(chǔ)，提高技術(shù)人員的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)水平，縮短生產(chǎn)周期，提高研發(fā)效率，減少資源耗費(fèi)，提高行業(yè)競爭力。 ② 對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)分析，了解應(yīng)力與位移量的分布情況，為車架的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)薄弱位置進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也可提高整車設(shè)計(jì)水平，提高包括安全與輕量化在內(nèi)的各性能參數(shù)。 ③ 對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，通過分

16、析車架的固有頻率與振型，為車架與整車設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，為NVH研究提供分析基礎(chǔ)，對(duì)避免共振與提高乘坐舒適性與安全性有較好的參考價(jià)值。 1.5 本文的主要研究內(nèi)容 本文以某運(yùn)油車的車架為研究對(duì)象，運(yùn)用CATIA軟件對(duì)車架模型進(jìn)行簡化與建立，利用ANSYS對(duì)車架進(jìn)行參數(shù)定義，網(wǎng)格劃分，作用力施加，自由度約束。對(duì)車架進(jìn)行包括彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、急減速工況、急轉(zhuǎn)彎工況的靜態(tài)分析，對(duì)位移圖與應(yīng)力圖進(jìn)行分析，為提高車架與整車的設(shè)計(jì)水平提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)提高安全性與節(jié)能提供了理論價(jià)值。同時(shí)也對(duì)車架進(jìn)行了模態(tài)分析，得出固有頻率與振型圖，提高整車的設(shè)計(jì)水平，對(duì)提高乘坐舒適性與避免共振提供了理論支持。 2

17、基于CATIA與ANSYS的車架有限元建模 2.1 有限元法簡介 有限元分析分為三個(gè)階段，即前處理是對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，建立能夠求解的有限元模型；處理是施加作用力，進(jìn)行自由度約束，建立邊界條件進(jìn)行求解的過程；后處理是使用戶查看求解分析結(jié)果，分析計(jì)算問題的實(shí)質(zhì)，方便后期研究分析。 （1） 有限元法的分析步驟 有限元求解問題的基本步驟包括： ① 結(jié)構(gòu)離散化。 ② 選擇位移模式。 ③ 分析單元的力學(xué)特性。 ④ 把所有離散單元的平衡方程整合成一個(gè)整體平衡方程。 ⑤ 由平衡方程求解節(jié)點(diǎn)位移。 ⑥ 計(jì)算單元應(yīng)變和應(yīng)力。 （2） 有限元法的特點(diǎn) ① 對(duì)復(fù)雜幾何構(gòu)形的適應(yīng)性 單元具有

18、良好的空間性，并且具有不同的形狀與連接方式，在實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域中許多繁瑣復(fù)雜不規(guī)則的結(jié)構(gòu)都可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分建立有限元模型。 ② 對(duì)各種物理問題的適用性 由于場函數(shù)形式并未受到限制，因此適用于各種力學(xué)，電磁學(xué)等有關(guān)問題，而且還可以用于相互耦合的各種物理有關(guān)的問題[7]。 ③ 建立于嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性 用于求解的有限元模型正確，同時(shí)求解平衡方程的算法穩(wěn)定有效，并且單元能夠求解進(jìn)行計(jì)算，則求解出的數(shù)學(xué)值會(huì)趨近于有限元模型的正確數(shù)值。 ④ 適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高效 由于有限元分析的規(guī)范性，尤其適合計(jì)算機(jī)的編程和執(zhí)行，有限元分析已成為廣泛領(lǐng)域中對(duì)復(fù)雜問題求解的有效快捷的分析方法。 （3） AN

19、SYS單元庫體系 ANSYS單元庫體系中有對(duì)各種問題分析時(shí)所需的單元類型，每種單元類型都有一個(gè)特定的標(biāo)識(shí)，例如，SOLID45，SHELL28，BEAM24等單元類型，其數(shù)字表示編號(hào)，數(shù)字前面的是表示單元類型的前綴[9]，SOLID表示實(shí)體單元，SHELL表示殼單元，BEAM表示板單元。主要類型見表2.1。 表2.1 ANSYS單元庫體系 Tab. 2.1 Cell library system of ANSYS 單元類別 單元維數(shù) 單元名稱 結(jié)構(gòu)點(diǎn)單元 --- MASS21 結(jié)構(gòu)線單元 2D LINK1 3D LINK31、LINK160、LINK167 結(jié)

20、構(gòu)梁單元 2D BEAM3、BEAM23 3D BEAM4、BEAM161、BEAM188 結(jié)構(gòu)實(shí)體單元 2D PLANE55、PLANE121、PLANE230 3D SOLID70、SOLID97、SOLID123、SOLID168、SOLID231 結(jié)構(gòu)殼單元 2D SHELL61、SSHELL209 3D SHELL163、SHELL281 結(jié)構(gòu)管單元 3D PIPE288、PIPE289 結(jié)構(gòu)界面 --- INTER202、INTER204 結(jié)構(gòu)多點(diǎn)約束單元 --- MPC184 聯(lián)接單元 --- COMBIN165、COMBIN2

21、14 （4） ANSYS求解器簡介  表2.2 求解器應(yīng)用準(zhǔn)則 Tab. 2.2 Solver application code 解法 典型應(yīng)用場合 自由度 內(nèi)存使用 硬盤使用 正向直接解法 非線性分析或內(nèi)存受限制時(shí) 低于5萬 低 高 稀疏矩陣直接解法 要求可靠性和求解速度，多用于板殼和梁 1萬-50萬 中 高 雅可比共軛梯度法 在單場問題中要求求解速度時(shí) 5萬-100萬以上 中 低 預(yù)條件共軛梯度法 注重大型實(shí)體單元線性分析求解速度時(shí) 5萬-100萬以上 高 低 分布式求解器 在多種系統(tǒng)中可升級(jí)到數(shù)打處理 5萬-100萬以

22、上 高 低 2.2 CATIA軟件簡介 CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application）是世界上主流的設(shè)計(jì)、分析、制造于一體的軟件。20世紀(jì)80年代，CATIA 相繼發(fā)布了3個(gè)版本，即1，2，3版本，隨后又發(fā)布了功能更為齊全的4版本，現(xiàn)在的CATIA 軟件有V4版和V5 版[10]。 CATIA V5的產(chǎn)品按以下3個(gè)層次進(jìn)行組織： （1） CATIA V5 P1是比較低的產(chǎn)品生命周期管理的解決方案的平臺(tái)，并具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)充到企業(yè)所需功能的能力。 （2） CATIA V5 P2平臺(tái)通過相關(guān)技術(shù)與工具，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)

23、計(jì)到制造的一體化，并可優(yōu)化產(chǎn)品生命周期管理流程。 （3） CATIA V5 P3平臺(tái)通過特定的方案對(duì)復(fù)雜的流程進(jìn)行高效率的管理、處理以及高效的執(zhí)行。 CATIA的基本功能包括： （1） CATIA交互式工程繪圖產(chǎn)品 交互式工程繪圖產(chǎn)品是CATIA新一代的產(chǎn)品，可以滿足二維設(shè)計(jì)和工程繪圖的需求。 （2） CATIA零件設(shè)計(jì)產(chǎn)品（PD1） PD1是P1產(chǎn)品，提供用于交叉混合設(shè)計(jì)的零件造型方法。 （3） CATIA裝配設(shè)計(jì)產(chǎn)品（AS1） AS1提供了在產(chǎn)品環(huán)境下人機(jī)交互的設(shè)計(jì)能力，通過自頂向下和自底向上的方法定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，可實(shí)現(xiàn)零件與產(chǎn)品的綜合設(shè)計(jì)管理與同步性[10]。 （4）

24、 實(shí)時(shí)渲染產(chǎn)品（RT1） RT1可以通過CATIA提供的材料庫逼真的對(duì)模型進(jìn)行施加材料來渲染實(shí)時(shí)顯示。 （5） CATIA線架和曲面產(chǎn)品（WS1） WS1可以在設(shè)計(jì)的初步階段創(chuàng)建用戶所需的產(chǎn)品元素。 （6） CATIA創(chuàng)成式零件結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)品（GP1） GP1允許設(shè)計(jì)者對(duì)零件進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的應(yīng)力分析和變形分析。 （7） CATIA自由風(fēng)格曲面造型產(chǎn)品（FS1） FS1是一個(gè)P1產(chǎn)品，通過CATIA提供的曲面工具，創(chuàng)建符合大眾審美觀念與潮流的產(chǎn)品形狀。 2.3 車架幾何模型建立 2.3.1車架幾何模型簡化 使用CATIA建立幾何模型，簡化結(jié)構(gòu)的思路是： （1） 盡可能使建模簡

25、化 如果不對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，則劃分的節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)量龐大，分析時(shí)耗費(fèi)的資源就越多，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致分析計(jì)算崩潰。所以建立幾何模型時(shí)，由于縱梁與橫梁的連結(jié)為焊接和鉚接，所以將縱梁與橫梁簡化為整個(gè)剛體，另外忽略車架結(jié)構(gòu)中得一些配件安裝的輔助結(jié)構(gòu)，例如吊耳等，既有利于簡化幾何建模，也有利于對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，建立能夠求解的有限元模型。 （2） 忽略細(xì)節(jié)特征 在建立幾何模型時(shí)，忽略對(duì)整體結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)生較小影響的局部特征，將一些過渡結(jié)構(gòu)簡化為原來的結(jié)構(gòu)形狀，同時(shí)將小孔以及倒角等特征簡化為原實(shí)體，避免分析時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 2.3.2 車架幾何模型建立 （1） 選擇新建模型的類型，使用Part類型（如圖2.1

26、所示），再輸入新建模型名稱為車架。 圖2.1 新建零件類型 Fig.2.1 Build the type of parts 圖2.2 繪制縱梁平面草圖 Fig.2.2 Draw the plan sketch of the carling （2） 繪制縱梁截面的平面草圖，選擇XY平面為工作平面，繪制縱梁截面輪廓(如圖2.2所示)。 （3） 生成縱梁，單擊“肋”按鈕，彈出定義肋對(duì)話框(如圖2.3所示)，在YZ平面上繪制長度為6496mm的中心曲線，退出工作臺(tái)，單擊對(duì)話框中的確定命令，生成一根縱梁（如圖2.4所示）。 圖2.3 定義肋對(duì)話框 Fig.2.3

27、Define the dialog box of rib 圖2.4 生成縱梁 Fig.2.4 Generate girder （4） 生成橫梁，首先對(duì)縱梁進(jìn)行X方向432.5mm的平移，選擇縱梁凹槽內(nèi)平面為工作平面，繪制橫梁截面的平面草圖（如圖2.5所示）。對(duì)截面進(jìn)行拉伸，限制面為YZ平面，第一根橫梁生成。 圖2.5 繪制橫梁平面草圖 Fig.2.5 Draw the plan sketch of the beam （5） 采用相同步驟分別繪制其余橫梁，截面尺寸分別為（220×100×5），(220×80×5），(220×100×5），(220×133.56×5），（220×6

28、6.78×5），（220×66.78×5）,第二根距第一根936mm，第三根距第二根1246mm，第四根距第三根1276mm，第五根距第四根1165.5mm,第七根距XY平面68mm，第六根距XY平面549mm，生成所有橫梁。使用鏡像命令，以YZ平面為鏡像元素，當(dāng)前實(shí)體為鏡像對(duì)象（如圖2.6所示），根據(jù)先主要特征，后次要特征的建模思路，繪制最終車架（如圖2.7所示）。 圖2.6 鏡像實(shí)體 Fig.2.6 Mirror entity 圖2.7 車架總成 Fig.2.7 The frame assembly 2.4 車架有限元模型建立 2.4.1 網(wǎng)格劃分前處理 ANSYS軟

29、件能夠直接讀取在CATIA軟件中生成的文件有三種:igs、Model、CATPart，而在CATIA軟件中保存為igs文件時(shí)，在導(dǎo)入ANSYS軟件中時(shí)，容易缺少數(shù)據(jù)，后期工作量會(huì)增多；保存為CATPart時(shí)，在導(dǎo)入ANSYS時(shí)，時(shí)間較長；而保存為Model時(shí)，不會(huì)缺少數(shù)據(jù)并且導(dǎo)入時(shí)時(shí)間比較短。所以在車架的建模工作完成以后，將模型保存為ANSYS軟件可以識(shí)別的Model格式文件。這個(gè)步驟可以通過CATIA軟件的“文件—另存為”命令。 網(wǎng)格劃分前需要對(duì)車架進(jìn)行參數(shù)定義，因?yàn)檐嚰懿牧蠟镼235，經(jīng)查閱，材料的密度為7.85g/cm3，彈性模量為205Gpa，泊松比為0.3。 CATIA軟件中對(duì)車

30、架模型已經(jīng)進(jìn)行簡化建立，忽略對(duì)車架整體剛度影響較小的圓角、倒角、小孔等局部特征，同時(shí)為了建立能夠求解的有限元模型，對(duì)車架幾何模型也進(jìn)行簡化。 2.4.2 車架有限元網(wǎng)格的劃分 （1） 清除數(shù)據(jù)和導(dǎo)入文件，依次單擊File→Clear＆Start New…→OK→Yes命令；單擊文件菜單中導(dǎo)入命令選擇CATIA選項(xiàng)，選擇在2.3.1小節(jié)中建立的車架幾何模型，導(dǎo)入文件（如圖2.8所示）。 圖2.8 導(dǎo)入車架幾何模型 Fig.2.8 Import the geometric model of the frame （2） 選擇分析類型與單元類型，因?yàn)閷?duì)車架進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析，所以選擇結(jié)構(gòu)

31、分析，同時(shí)選擇Solid中的20node 186，即SOLID186單元類型（如圖2.9所示）。 圖2.9 選擇單元類型 Fig.2.9 Choose element types （3） 確定材料參數(shù)， 輸入彈性模量（EX）為2.05e5，泊松比（PRXY）為0.3，密度（Density）為7.85e-6。 （4） 作用面分割，由于施加面力的區(qū)域不一樣，所以需要對(duì)車架表面進(jìn)行分割，首先建立關(guān)鍵點(diǎn)，依次建立點(diǎn)350(432.5,-110,-2190), 351(357.5,-110, -2190)，352(-432.5,-110,-2190)，353(357.5,-110, -219

32、0)（如圖2.10所示）。 圖2.10 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) Fig.2.10 Create keypoints （5） 生成分割面，由點(diǎn)生成線，選擇步驟（4）建立的關(guān)鍵點(diǎn),生成兩條線，再由線分割面，首先，選擇要分割的面，再選擇分割面的兩條線，建立分割面（如圖2.11所示）。  圖2.11 分割平面 Fig.2.11 Divide plane 圖2.12 車架網(wǎng)格劃分 Fig.2.12 Meshing the frame （6） 采用智能分網(wǎng)，在對(duì)話框中，選擇Global，選擇Smart Size并調(diào)為5，選擇Volumes，其他選用默認(rèn)選項(xiàng)，單擊Mesh，選擇所有實(shí)體結(jié)

33、構(gòu)，劃分網(wǎng)格自動(dòng)開始，待網(wǎng)格劃分完成，得到車架的有限元模型，共劃分網(wǎng)格單元336784個(gè)，節(jié)點(diǎn)690967個(gè)（如圖2.12所示）。 3 車架有限元靜態(tài)分析 3.1 汽車車架剛度理論 3.1.1 汽車車架彎曲剛度 使汽車車架產(chǎn)生單位撓度所需的載荷，或載荷與所引起的車架最大撓度之比稱為車架的彎曲剛度。對(duì)于車架縱梁，采用兩點(diǎn)支撐，其中部所受的集中載荷F，則車架縱梁的撓度最大值為 Ymax=Fl348EJx （3.1） 式中： Jx -縱梁的抗彎剛度系數(shù)； E -彈性模量； L -汽車軸距； F -縱梁中點(diǎn)受到的集中載荷；

34、 Ymax -梁的最大撓度。 3.1.2 汽車車架扭轉(zhuǎn)剛度 汽車車架的扭轉(zhuǎn)剛度是指使汽車軸距長度內(nèi)扭轉(zhuǎn)單位角度所需的轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)矩與軸距長度內(nèi)的轉(zhuǎn)角之比。通常以前后軸的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角計(jì)算車架的扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)汽車在不平路面上行駛時(shí)，某一車輪懸空，則車架的扭轉(zhuǎn)剛度為 α=β1+C?FC?S （3.2） 式中: C?F -車架的扭轉(zhuǎn)剛度； β -以軸間扭角表示道路不平度； C?S -懸架系統(tǒng)(包括車輪)的角剛度。 3.2 車架載荷分類與處理 3.2.1 靜載荷 汽車靜止時(shí)，車架只承受簧以上的負(fù)荷，它是由車

35、骨架結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的重量、車架上各零部件總成的重量及有效負(fù)荷組成，這些負(fù)荷的總和叫做靜載荷。 對(duì)負(fù)荷進(jìn)行處理，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、油箱、水箱等總成零部件，其作用力作用在車架的節(jié)點(diǎn)上，把他們作為集中力來處理。而對(duì)于貨物和駕駛室來說，由于他們?cè)谲嚰苌系姆植驾^為均勻，所以把貨物和駕駛室的作用力，處理為他們作用面的平均力。車架的自身重量用重力加速度來表示，人的重量按每人65Kg進(jìn)行計(jì)算，按乘坐3人考慮?？紤]到與實(shí)際情況的差異以及分析計(jì)算時(shí)的難度等，主要考慮以下作用力，發(fā)動(dòng)機(jī)4510N，變速器1460N，輪胎225.4N，油箱1626.8N，貨物46354N，駕駛室6321N。 3.2.2 動(dòng)載荷 汽車

36、在平整良好的路面上以較高車速行駛時(shí)，在縱梁兩側(cè)會(huì)引起比較均勻的動(dòng)載荷，動(dòng)載荷不但取決于總成零部件及車架等有效載荷所產(chǎn)生的靜載荷及其分布，還會(huì)受到有效載荷在車架作用處的作用形式，在動(dòng)載荷交變隨機(jī)的作用下，車架會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彎曲變形，影響汽車的工作性能，降低車架的使用壽命。動(dòng)載荷的大小由動(dòng)載影響系數(shù)和影響因子決定，這兩個(gè)參數(shù)主要是由道路粗糙度，汽車的行駛速度以及包括車架在內(nèi)的各總成零部件決定的，在動(dòng)載荷的作用下，會(huì)降低車架的使用要求，影響運(yùn)輸效率，甚至產(chǎn)生更嚴(yán)重的問題。 3.3 車架工況的有限元分析 通常路況與車況具有很大的隨機(jī)不確定性，則車架受到的汽車內(nèi)外各種激勵(lì)也就充滿復(fù)雜性。車架受到的載荷按

37、作用表現(xiàn)形式主要有以下幾種，包括貨物在內(nèi)的汽車各總成零部件在重力作用下所產(chǎn)生的載荷稱為彎曲載荷；由于路面粗糙度以及汽車行駛速度的影響，汽車在行駛過程中通常會(huì)有某一車輪處于懸空狀態(tài)，致使車輪支撐不均衡，這就容易導(dǎo)致車架受力不均勻而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷；由于路況的隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致汽車在良好路面頻繁加速以及在狀況不好的路面頻頻制動(dòng)減速，另外還有爬坡與下坡等狀況，致使車架在慣性力的作用下產(chǎn)生縱向載荷；由于路況的變化，汽車需要急轉(zhuǎn)彎等轉(zhuǎn)彎狀況時(shí)，由于存在向心加速度，會(huì)使車架產(chǎn)生橫向的力，通常稱為側(cè)向載荷。我們通常把引起上述四種載荷的工況為汽車行駛時(shí)的典型工況，即彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動(dòng)和緊急轉(zhuǎn)彎工況。在各個(gè)工

38、況的分析中，要保證車架的使用要求，即車架的性能參數(shù)均應(yīng)滿足材料的性能參數(shù)，以保證汽車各方面的性能。其中，車架所采用材料為Q235鋼，其屈服強(qiáng)度為235Mpa，抗拉強(qiáng)度為375—460Mpa。 3.3.1 滿載彎曲工況 利用ANSYS軟件對(duì)車架施加作用力以及重力加速度，計(jì)算時(shí)約束右前輪UY、UZ，約束右后輪UY，約束左前輪UX、UY、UZ，約束左后輪UX、UY；釋放其他自由度（橫向：X，垂直：Y，縱向：Z）。 （1） 恢復(fù)有限元模型和選擇分析類型，依次單擊File→Resume from…，選擇文件；選擇靜態(tài)分析類型。 （2） 添加自由度約束，選擇要施加約束的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，添加約束（如圖3.

39、1所示）。 （3） 添加集中力，選擇要施加集中力的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，添加集中力。 （4） 添加面力，選擇要施加面力的面編號(hào)，添加面力。 （5） 添加重力，單擊Inertia→Gravity→Global,添加重力（如圖3.2所示）。 圖3.1 自由度約束 Fig.3.1 Degree of freedom constrained 圖3.2 施加重力加速度 Fig.3.2 Apply acceleration of gravity （6） 進(jìn)行求解，有限元模型求解完畢后，進(jìn)行后處理查看模型求解結(jié)果，查看滿載彎曲位移圖（如圖3.3所示）和應(yīng)力圖（如圖3.4所示）。 圖3.3

40、彎曲工況位移圖 Fig.3.3 Working condition of bending displacement diagram 圖3.4 彎曲工況應(yīng)力圖 Fig.3.4 Working condition of bending stress diagram 由圖3.3可以看出，變速箱集中力施加處和車架在油箱的前半部分，變形量最大，可適當(dāng)把這一部分的鋼板加厚，減少其變形量。由圖3.4可以看出車架所受的應(yīng)力比較均勻且比較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足材料的強(qiáng)度要求，雖然在約束位置處產(chǎn)生最大應(yīng)力，但也滿足材料的許用強(qiáng)度，所以車架滿足在彎曲工況下的要求，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力與位移圖綜合考慮，可以減少非薄

41、弱位置的材料，減輕自重，減少能耗。 3.3.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況 利用ANSYS軟件對(duì)車架施加作用力與重力加速度，計(jì)算時(shí)約束右前輪UX、UY，約束右后輪UX、UY、UZ，約束左前輪UY,移動(dòng)量為0.1，約束左后輪UY、UZ；釋放其他自由度（橫向：X，垂直：Y，縱向：Z）。扭轉(zhuǎn)工況分析與彎曲工況類似，只需按照步驟（2）添加自由度約束即可。計(jì)算得出滿載扭轉(zhuǎn)位移圖（如圖3.5所示）和應(yīng)力圖（如圖3.6所示）。 圖3.5 扭轉(zhuǎn)工況位移圖 Fig.3.5 Working condition of torsion displacement diagram 圖3.6 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力圖 Fig.

42、3.6 Working condition of torsion stress diagram 由圖3.5可以看出，車架整體變形量比較小，發(fā)動(dòng)機(jī)的兩點(diǎn)支撐處變形量較大，可能與汽車在扭轉(zhuǎn)工況下，車輪與地面接觸不好，使車架受力較大，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐點(diǎn)變形較大。由圖3.6可以看出，車架整體應(yīng)力變化較小，總體受力較均勻，但發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐點(diǎn)處，應(yīng)力最大，但仍小于車架的屈服強(qiáng)度，所以車架在扭轉(zhuǎn)工況下滿足使用要求。 3.3.3 緊急制動(dòng)工況 利用ANSYS軟件對(duì)車架施加作用力與加速度，計(jì)算時(shí)約束右前輪UX、UY、UZ，約束右后輪UY、UZ，約束左前輪UX、UY、UZ，約束左后輪UY、UZ；釋放其他自由度

43、（橫向：X，垂直：Y，縱向：Z）。扭轉(zhuǎn)工況分析與彎曲工況類似，需要按照步驟（2）添加自由度約束，因?yàn)槠囋谥苿?dòng)時(shí)有制動(dòng)減速度，取值為6.86。計(jì)算得出緊急制動(dòng)位移圖（如圖3.7所示）和應(yīng)力圖（如圖3.8所示）。 圖3.7 制動(dòng)工況位移圖 Fig.3.7 Working condition of braking displacement diagram 圖3.8 制動(dòng)工況應(yīng)力圖 Fig.3.8 Working condition of braking stress diagram 由圖3.7可以看出，車架的整體變形量比較小，同樣在發(fā)動(dòng)機(jī)處變形量較大，可能與制動(dòng)減速度有關(guān)。由

44、圖3.8可以看出，車架的整體應(yīng)力較小，在發(fā)動(dòng)機(jī)左支撐點(diǎn)處應(yīng)力最大，可能汽車制動(dòng)時(shí)與路面狀況有關(guān)，但車架的應(yīng)力仍小于車架的屈服強(qiáng)度，所以車架在緊急制動(dòng)工況下滿足工作要求。 3.3.4 緊急轉(zhuǎn)彎工況 利用ANSYS軟件對(duì)車架施加作用力與加速度，計(jì)算時(shí)約束右前輪UY、UZ，約束右后輪UY，約束左前輪UX、UY、UZ，約束左后輪UY；釋放其他自由度（橫向：X，垂直：Y，縱向：Z）。扭轉(zhuǎn)工況分析與彎曲工況類似，需要按照步驟（2）添加自由度約束，因?yàn)槠囋谵D(zhuǎn)彎時(shí)有縱向制動(dòng)減速度與向心加速度，取值分別為4.9和3.92。分析結(jié)果查看緊急轉(zhuǎn)彎位移圖（如圖3.9所示）和應(yīng)力圖（如圖3.10所示）。 圖

45、3.9 轉(zhuǎn)彎工況位移圖 Fig.3.9 Working condition of swerve displacement diagram 圖3.10 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力圖 Fig.3.10 Working condition of swerve stress diagram 由圖3.9可以看出，車架的位移量整體相差不大，其中輪胎處變形量較大，可能與輪胎和車架的連接方式有關(guān)，改進(jìn)輪胎與車架的連接方式。由圖3.10可以看出，車架的整體應(yīng)力遠(yuǎn)小于車架的屈服強(qiáng)度，滿足要求。 4 車架有限元模態(tài)分析 4.1 模態(tài)分析簡介 模態(tài)振型是結(jié)構(gòu)本身固有的、整體的性質(zhì)。對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析可以了解車架的

46、振動(dòng)情況，分析車架的固有頻率，從而對(duì)車架固有頻率與汽車各零部件以及外部激勵(lì)頻率進(jìn)行全面的分析研究，研究設(shè)計(jì)人員可以獲得車架在對(duì)應(yīng)情況下的振動(dòng)情況，從而了解車架的位移、應(yīng)力以及應(yīng)變的變化狀況。模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)、機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、機(jī)械的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測以及聲控方面有著重要的應(yīng)用[11]。模態(tài)分析是找出主要模態(tài)，了解結(jié)構(gòu)振動(dòng)的實(shí)質(zhì)，并用一系列簡單獨(dú)立的振動(dòng)來表示復(fù)雜的振動(dòng)，并用一系列固有頻率、振型、阻尼等模態(tài)參數(shù)表示的分析過程。 通過模態(tài)分析來分析和研究車架的固有性質(zhì)，并且通過分析一系列的車架模態(tài)參數(shù)對(duì)車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和仿真設(shè)計(jì)。車架與外界發(fā)生共振時(shí)，其表現(xiàn)的系統(tǒng)振動(dòng)位移的一種形態(tài)稱為固有振型

47、，通過振型方程求解出的一系列特征值稱為固有頻率，當(dāng)激勵(lì)頻率和固有頻率相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振[12]，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大變形量和振動(dòng)噪聲，使車架的可靠性和使用壽命大大降低。因此對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析是檢驗(yàn)車架是否共振的有效方法。 4.2 模態(tài)分析基本理論 根據(jù)振動(dòng)理論，多自由度系統(tǒng)以某個(gè)固有頻率進(jìn)行振動(dòng)的時(shí)候所呈現(xiàn)出的振動(dòng)形態(tài)叫做模態(tài)[3]。無論任何振動(dòng)形態(tài)，都可通過固有頻率、阻尼和振型等模態(tài)參數(shù)表示的特征方程表示結(jié)構(gòu)在外力作用下的振動(dòng)響應(yīng)情況。模態(tài)分析就是用模態(tài)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的過程。 分析一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程為 MX+CX+KX=Ft （4.1）

48、 式中： M -質(zhì)量矩陣； K -剛度矩陣； X -位移向量； Ft -作用力向量； T -時(shí)間。 當(dāng)Ft=0時(shí)，不計(jì)阻尼C的影響，方程變?yōu)? MX+KX=0 （4.2） 無阻尼振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)做簡諧振動(dòng)，各節(jié)點(diǎn)的位移為 X=?-ejwt （4.3） 由式（4.2）和（4.3）可得 K-W2Φ=0 （4.4） 式中 w2、? -廣義特征值和廣義特征向量。 求出上式中的特征值與特征向量。 由w=2πf，求得系統(tǒng)各階的

49、特征值即模態(tài)頻率，各階系統(tǒng)位移量即模態(tài)振型[13][14]。 4.3 車架的模態(tài)分析 在ANSYS軟件中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，必須定義所用材料的密度，本文中車架采用的材料為Q235鋼，它的密度為：7.85g/cm3。計(jì)算時(shí)約束右前輪UX、UZ；約束右后輪UY；約束左前輪UX、UY、UZ；約束左后輪UX；釋放其他自由度（橫向：X，垂直：Y，縱向：Z）。 由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)可以表示為簡單獨(dú)立的振動(dòng)形式疊加來表示[15]，由于車架的固有頻率以及外界各種激勵(lì)頻率都不是很大，所以低階的振型比高階的振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響要大[15]，即車架的動(dòng)態(tài)特性取決于低階振型，又因?yàn)锽lock Lanczos提取法適用于求

50、解某段頻率范圍內(nèi)的固有頻率與固有振型，并且求解速度比較快，所以用 Block Lanczos提取法提取車架前七階固有頻率與振型[16]。 （1） 恢復(fù)靜態(tài)分析的文件，刪除已經(jīng)添加的載荷，依次單擊ANSYS Main Menu→Preprocessor→Loads→Define loads→Delete→ALL Load Date→All Load ＆Opts→OK。 （2） 添加自由度約束，添加過程與靜態(tài)分析相同。 （3） 選擇分析類型與求解方法，對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析（Modal），提取模態(tài)分析結(jié)果，選用Block Lanczos（如圖4.1所示）。 圖4.1 選擇求解類型 Fig

51、.4.1 Choose the type of solving （4） 進(jìn)行求解，求解完畢后，提取車架的前七階振型（如圖4.2至圖4.8所示），車架模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果（表4.1）。 圖4.2 車架第一階振型 Fig.4.2 First set frequency of frame 圖4.3 車架第二階振型 Fig.4.3 Second set frequency of frame 圖4-4 車架第三階振型 Fig.4-4 Third set frequency of frame 圖4.5 車架第四階振型 Fig.4.5 Fourth set freq

52、uency of frame 圖4.6 車架第五階振型 Fig.4.6 Fifth set frequency of frame 圖4.7 車架第六階振型 Fig.4.7 Sixth set frequency of frame 圖4.8 車架第七階振型 Fig.4.8 Seventh set frequency of frame  表4.1 車架的各階固有頻率和變形量 Tab. 4.1 Order′s nature frequencies and deformation of the frame 階數(shù) 固有頻率（HZ） 最大變形量（mm） 1 -

53、111.349 2 167.429 108.036 3 533.567 94.679 4 667.208 145.113 5 872.561 119.309 6 1123.11 104.273 7 1821.85 95.7495 4.4 車架模態(tài)分析結(jié)果評(píng)價(jià) 由于汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分結(jié)構(gòu)的固有頻率均不同，所以汽車在行駛中常因路面粗糙度和汽車的各系統(tǒng)以及各零部件激勵(lì)作用而容易使整車與局部產(chǎn)生變形和振動(dòng)噪聲，影響可靠性，降低壽命。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置方式的不同會(huì)引起傳動(dòng)系統(tǒng)在傳動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)引起車身以及已車架為基體安裝的各總成零部件等產(chǎn)生變形和振

54、動(dòng)噪聲，影響汽車的耐久性與舒適性。 車架所受到的隨機(jī)激勵(lì)主要取決于道路粗糙度,而路面的狀況又有很大的隨機(jī)性；其次道路的激勵(lì)通過車輪等彈性元件傳遞到車架上，由于激勵(lì)的隨機(jī)復(fù)雜性，導(dǎo)致傳遞到車架上的作用力具有隨機(jī)不確定性；再者不同的汽車在同樣的路面激勵(lì)下，車架所受的激勵(lì)也是不同的。 車架的固有頻率如果與外界激勵(lì)的頻率相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，引起較大的振幅與噪聲,共振現(xiàn)象使汽車的動(dòng)力性得不到充分的發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)性變差。同時(shí)，還會(huì)影響汽車的使用性能和行駛性能，使乘員產(chǎn)生不舒服和疲乏的感覺，損壞汽車的零部件與貨物，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生安全問題，降低汽車的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命。 外界激勵(lì)的頻率可通過以下經(jīng)驗(yàn)與

55、公式來考慮： 發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)有關(guān)，則計(jì)算公式為 f=2nz60r （4.5） 式中： n-發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； Z-發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)； r-發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù)。 本運(yùn)油車所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為CA4DF3-13E3U為四沖程四缸直列柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為750r/min,所以發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速頻率為25Hz；另外，該運(yùn)油車限速為79Km/h,可知發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率在90Hz左右。 由模態(tài)分析結(jié)果可知，圖4.3所示的二階振型為一階扭轉(zhuǎn)，圖4.4第所示的三階振型為一階彎曲，圖4.5所示

56、的四階振型為一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲變形的組合，圖4.6所示的五階振型為二階扭轉(zhuǎn)，圖4.7所示的六階振型為二階彎曲，圖4.8所示的七階振型為三階彎曲。其中在第三階振型中，從前數(shù)第四根橫梁位置的附近，變形較大，可適當(dāng)?shù)脑诖宋恢锰砑蛹訌?qiáng)版，提高其剛度。在第六階振型中，第五根橫梁附近變形最大，需要進(jìn)行改進(jìn)。在第七階振型中，第四根與第六跟橫梁變形最大，可對(duì)這兩個(gè)位置做適當(dāng)改進(jìn)。 由表4.1可知，在前七階振型中，第四階振型的最大變形量為145.113mm，在前七階振型中變形量最大，最大的變形量位于車架的右支撐處，同時(shí)在左后支撐處變形也較大，可以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)此位置的支撐方式，來提高其剛度。同時(shí)，由表4.1可知，

57、前七階振型的固有頻率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速頻率，所以避免了在怠速狀況下的共振現(xiàn)象。同時(shí)，在運(yùn)油車行駛過程中，由于限速為79km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率在90Hz左右，通過表4.1可以看出車架的固有頻率均在150Hz以上，所以在運(yùn)輸過程中不會(huì)出現(xiàn)共振。 另外，道路的激振頻率一般在25Hz以下，由表4.1可以看出運(yùn)油車的車架的固有頻率在100Hz以上，故不處于道路激振頻率范圍之內(nèi)，不容易發(fā)生共振現(xiàn)象。從圖4.2至4.8和表4.1中，可以看出，車架的橫梁振動(dòng)幅度較大，對(duì)于駕駛室來說，會(huì)影響駕駛員的乘坐舒適性，容易引起駕駛疲勞，容易產(chǎn)生安全問題，對(duì)與運(yùn)輸?shù)呢浳飦碚f，容易造成貨物的損壞甚至發(fā)生意想不

58、到的危險(xiǎn)，所以通過阻尼材料減小振動(dòng)時(shí)的振幅，提高整車的性能，也可通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置形式和調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式，降低對(duì)車架的激勵(lì)。 結(jié) 論 隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)值仿真方法廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究領(lǐng)域中，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中完成的實(shí)體模型可通過這種方法，初步得到模型的應(yīng)力分布、作用力的作用過程以及檢驗(yàn)產(chǎn)品的有效壽命和工作可靠性和穩(wěn)定性。其中數(shù)值分析方法中有限元方法從最初的飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析迅速發(fā)展到廣泛的工程研究領(lǐng)域中，受到了研究人員的普遍關(guān)注，延伸到各種科學(xué)領(lǐng)域之中，能夠分析各種繁瑣復(fù)雜且人工無法計(jì)算的問題，提高了求解速度與精度，成為一種高效實(shí)用的分析方法。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程是

59、依靠經(jīng)驗(yàn)和公式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)的分析計(jì)算求證，直到符合包括各種重要性能在內(nèi)的使用要求，然后再由工程師依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，接著依托工廠按CAD模型進(jìn)行加工處理制造，最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，這種方法從計(jì)算到研制出產(chǎn)品，周期長，耗費(fèi)較多的人力財(cái)力且產(chǎn)品不一定符合使用要求，具有不確定性。現(xiàn)在CAE 技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，有限元分析方法得到了廣泛應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)信息測試技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元分析的能力也有了很大的提高，汽車企業(yè)降低制造分析成本，提高了資源利用率，縮短了生產(chǎn)周期，提高了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的反應(yīng)市場能力和市場競爭力。 通過本論文得到以下結(jié)論。 （1） 文中運(yùn)用CATIA對(duì)車架進(jìn)行了建模與簡化

60、，建立幾何模型，并利用ANSYS 14.0軟件對(duì)某型號(hào)的運(yùn)油車的車架進(jìn)行了參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分、自由度約束、載荷施加，建立能夠用于解析的有限元模型。 （2） 利用ANSYS對(duì)車架進(jìn)行了包括彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、急減速工況、急轉(zhuǎn)彎工況在內(nèi)的靜態(tài)分析，求解得出位移圖與應(yīng)力圖，通過分析可得四種工況的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足工況要求，其中彎曲工況下，車架的變形量最大。通過位移圖與應(yīng)力圖可以適當(dāng)?shù)膶?duì)薄弱的位置增加鋼板厚度和鋼板的形狀等，在連接處可以改進(jìn)曲率與連接方式以減少應(yīng)力集中與變形量。對(duì)應(yīng)力與變形較小的地方可以適當(dāng)?shù)臏p少材料，減少資源浪費(fèi)，提高資源利用率，提高汽車的輕量化設(shè)計(jì)與節(jié)能研究。當(dāng)

61、然修改后要進(jìn)行再一次的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，保證車架整體的安全性能。 （3） 對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，得出了前七階振型與固有頻率。由表4.1可以看出，車架的固有頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界激勵(lì)的頻率，所以不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。 雖然本文對(duì)車架進(jìn)行了靜態(tài)分析與模態(tài)分析，但考慮到與實(shí)際情況的差異，在建模時(shí)進(jìn)行了簡化處理，所以在有限元進(jìn)行分析時(shí)，分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果必然存在一定的差異。所以，在今后的建模中注重與實(shí)際相結(jié)合，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為設(shè)計(jì)人員提供更有價(jià)值的理論參考。 本文只對(duì)車架做了靜態(tài)分析與模態(tài)分析，沒對(duì)車架做疲勞分析。汽車運(yùn)輸過程中，車架受到的力是變應(yīng)力，容易引起疲勞破壞，疲勞破壞是車架研究的重要內(nèi)容之一。

62、雖然車架滿足強(qiáng)度要求，但在車架設(shè)計(jì)中仍要避免應(yīng)力集中，選用疲勞強(qiáng)度高的材料以及提高疲勞強(qiáng)度的熱處理工藝，盡量提高車架的表面質(zhì)量。 車架的設(shè)計(jì)要與節(jié)能、輕量化以及減少噪聲等方面做更進(jìn)一步的研究。對(duì)車架進(jìn)行全面的分析，提高車架的求解精度，使結(jié)果盡量與實(shí)際相符合。要注重與整車設(shè)計(jì)相聯(lián)系，提高整車的設(shè)計(jì)水平，使汽車的各方面的性能達(dá)到最優(yōu)化。 現(xiàn)實(shí)的汽車結(jié)構(gòu)材料各不相同，部件形式變化多端，連接方式多種多樣，激勵(lì)載荷紛繁復(fù)雜。所以，在今后的分析中，即保障汽車安全、舒適、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等要求，解決汽車整車及零部件的剛度和強(qiáng)度問題，振動(dòng)和噪聲控制成為汽車設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。 致 謝 本畢業(yè)設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師-

63、-老師的精心指導(dǎo)下完成的，從論文選題到完成，導(dǎo)師都給予我很大的幫助。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神、科學(xué)的思維方式、敏銳的創(chuàng)新思維、認(rèn)真工作的作風(fēng)使我受益匪淺。同時(shí)，在學(xué)習(xí)過程中，導(dǎo)師無微不至的關(guān)懷令我深深感動(dòng)，在今后的學(xué)習(xí)、生活和工作中我將切實(shí)銘記導(dǎo)師的教誨。在此，衷心的感謝--對(duì)我的培養(yǎng)、教育、關(guān)心和支持。 感謝所有在學(xué)習(xí)、生活和工作中給予我關(guān)心、支持和幫助的老師、同學(xué)和朋友們，同時(shí)衷心的感謝參與評(píng)閱論文的各位專家、教授。 參考文獻(xiàn) [1] 張紅松，胡仁喜，康士延等.ANSYS13.0有限元分析從入門到精通.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011. [2] 李正網(wǎng).基于

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