本科學生畢業(yè)設計 輕型貨車車架設計及有限元分析 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級： 車輛工程 B05-17班 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 助理實驗師 / The Graduation Design for Bachelors DegreeLight Truck Frame Design and Finite Element Analysis Candidate：WangWenxin Specialty：Vehicle Engineering Class： B05-17 Supervisor：Assistant Experimentalist. SunYuantaoHeilongjiang Institute of Technology 2009-06HarBin27 / 33文檔可自由編輯打印摘 要車架作為汽車的承載集體，安裝著發(fā)動機、轉向系、懸架、駕駛室、貨廂等有關部件和總成，承受著傳遞給它的各種力和力矩。車架工作狀態(tài)十分復雜，根本無法用簡單的數(shù)學方法對其進行準確的分析計算,而采用有限元方法可以對車架的靜態(tài)特征進行較為準確的分析，從而經驗設計進入到科學設計階段。本文對該輕型貨車車架進行結構設計，并運用有限元方法對其進行靜態(tài)分析。首先通過計算，對車架的材料、主要參數(shù)、結構形式等進行選擇，并根據(jù)車架的主要技術參數(shù)，計算車架的剛度、撓度、扭轉角等。其次，針對該車架運用Pro/E軟件進行有限元模型的建立。在忠于主要力學特性的前提下，對車架結構進行必要的簡化。建立有限元模型時考慮了若干問題，比如：結構簡化的處理，單元的選取，單元數(shù)量的控制，單元質量的檢查，網格的布局，還有連接方式的模擬等。對車架有限元模型進行靜態(tài)分析，并從中得出結論。文中闡述了車架結構設計的基本方法及建立車架有限元模型的基本原則。通過對車架進行結構設計、有限元分析，從而使車架的承載能力提高，實現(xiàn)結構輕量化。關鍵詞：車架；結構設計；Pro/E；有限元模型；有限元分析ABSTRACTThe frame ,as a most important part of carrier car,supports some accessories such as engine,drive line,running geer,body,and withstands all kinds of force.In addition ,the work condition of carrier car is extremely bad,and stress condition is also complex ,it is unable to use simple mathermatical method for accurate analysis of the calculation，and the finite element method can be used to analyse the staic and dynamic performance of the frame more accurately,so that the design of frame will go from the experience design into the scientific design stage.This article carries on the structural design to this pickup truck frame, and carries on the static analysis using the finite element method to it. First the computation that it is in order to complete the frame material, the main parameter, the structural style which carry on the choice, and according to the frame main technical parameter, calculates the frame the rigidity, the amount of deflection, the angle of torsion and so on.Next, carries on the finite element model in view of this frame using the Pro/E software the establishment.In is loyal to under the main mechanics characteristic premise, carries on the essential simplification to the frame structure.When establishment finite element model has considered certain questions, for instance: The structure simplifies processing, unit selection, unit quantity control, unit quality inspection, grid layout, but also has the connection way simulation and so on.Carries on the static analysis to the frame finite element model, and draws the conclusion.At last the paper introduced the basic method of frame structure design and finite element model is established the basic principles of the frame. Through the frame structure design and finite element analysis, so as to improve the bearing capacity of the frame structure, realize the lightweight.Key words: Frame；Physical design；Pro/E；Finite element model；Finite element analysis目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究背景11.2 貨車研究的目的和意義11.3 車架國內外研究狀況21.4 主要研究內容3第2章 輕型貨車的車架設計42.1 車架概述42.1.1 車架的設計要求42.1.2 車架的類型42.1.3 車架的制造工藝及材料72.2 車架的結構設計82.2.1 車架的撓度計算92.2.2 車架的彎矩及彎應力計算102.2.3 車架的扭矩及扭轉角計算122.3 本章小結13第3章 車架三維模型的建立143.1 Pro/E軟件介紹143.2 三維模型的建立153.3 本章小結20第4章 車架有限元分析214.1 ANSYS軟件介紹214.2 輕型貨車有限元模型的處理264.2.1 車架幾何數(shù)據(jù)處理274.2.2 網格劃分的基本原則274.2.3 網格的質量控制274.3 車架彎曲工況分析294.3.1 彎曲工況下的約束與載荷294.3.2 彎曲工況結果分析294.4 車架扭轉工況分析314.4.1 扭轉工況下約束與載荷314.4.2 扭轉工況結果分析314.5 車架制動工況分析324.5.1 車架制動工況下約束與載荷324.5.2 制動工況結果分析324.6 本章小結33結論34參考文獻35致謝36附錄37第1章 緒 論1.1 研究背景汽車作為交通運輸工具之一,發(fā)揮著非常重要的作用。隨著國民經濟的快速發(fā)展,汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展,因此要求提供更多更好的結構輕、性能好、質量高、用途廣、安全可靠的汽車。車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支承著發(fā)動機、離合器、變速器、轉向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質量的有關機件，承受著傳給它的各種力和力矩1。因而,車架的強度和剛度在汽車總體設計中顯得非常重要。但同時也應該考慮以下幾點：（1）機構之間的相對位置及車身變形；（2）可靠性和使用壽命；（3）振動和噪聲；（4）乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和通過性2。車架工作狀態(tài)十分復雜，根本無法用簡單的數(shù)學方法對其進行準確的分析計算，以往設計時大多采用經驗公式進行驗算,不能準確地計算出車架各個部件的應力和變形,而以樣車進行試驗并根據(jù)試驗結果進行修正成本較高。隨著計算機的出現(xiàn)與飛速發(fā)展，車架作為一個大型復雜結構對其進行有限元分析計算已廣為應用。有限元法的基本思路就是將復雜結構視為由簡單的基本的有限元單元所組成，是一種離散化數(shù)值計算方法，借助于矩陣方法與計算機相結合，可以進行復雜結構的應力分析3?，F(xiàn)今階段多采用Pro/E軟件進行模型建立，再通過ANSYS軟件對其進行分析，這樣大大的節(jié)省了車架設計所需要的時間，方便了車架設計者。采用有限元方法可以對車架靜態(tài)特性進行較為準確的分析，因而使車架設計提升到了一個新的高度，從經驗設計進入到科學設計階段。1.2 貨車研究的目的和意義車架是一種復雜的超靜定結構。車架不僅要承擔安裝在其上面的部件和運載貨物的載荷，而且還要承受行駛時路面不平帶來的隨機激勵，以及動力傳動系扭轉振動的影響，這給車架的結構分析帶來很大的困難。而對于載貨汽車來說，增大車輛承載能力，實現(xiàn)結構輕量化，提高車輛的使用壽命，是載貨車輛設計的首要任務4。車架作為整個車輛的核心總成，其結構性能對車輛的整體性能有著很大的影響。早在五六十年代，車架剛強度設計是經驗設計方法，即利用材料力學、結構力學和彈性力學的經驗公式對簡化的車架結構進行分析設計。這種根據(jù)組合梁的剛強度理論來實現(xiàn)的方法簡單易行但是對結構做了大量的簡化。因此不可避免的會造成車架各部分強度不合理的現(xiàn)象。隨著現(xiàn)代汽車設計要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在：（1）運用有限元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設計、分析和制造的效能和車架的性能；（2）車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉和整體扭轉等變形。傳統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法能夠很好的解決這一問題；（3）通過對車架結構的優(yōu)化設計，可以進一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義5。綜上所述，有限元法已經成為現(xiàn)代汽車設計的重要工具之一，在汽車產品更新速度快，設計成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產品的質量、降低產品開發(fā)與生產制造成本，提高汽車產品在市場上的競爭能力具有重要意義6。1.3 車架國內外研究狀況 在國外，從60年代起就開始運用有限元法進行汽車車架結構強度和剛度的計算。1970年美國宇航局將NASTRAN有限元分析程序引入汽車結構分析中，對車架結構進行了靜強度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進行車架輕量化的分析。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進行車架結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術已非常成熟，其工作重心已轉向瞬態(tài)響應分析、噪聲分析、碰撞分析等領域。特別是隨機激勵響應分析備受青睞，主要是因為它可用來進行車的強度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析7。國外將有限元法引入到車架強度計算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應用于車架的結構強度設計分析中。在有限元法對汽車車架結構的分析中，早期多采用梁單元進行結構離散化。分析的初步結果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結構較為復雜的車架結構，不能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應力分布，而且它還忽略了扭轉時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強度預測手段。近十年來，由于計算機軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應用到汽車車架結構分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段8。隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，特別是微機性能的大幅提高及普及，在微機上進行有限元分析已不再是很困難的事，同時有限元分析的應用得以向廣度和深度發(fā)展。綜合分析這些文獻可知，當前國內對于有限元法應用于車架結構分析的研究只是限于對車架或車架結構在靜態(tài)扭轉、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結構的靜態(tài)應力分布，并對其進行了局部的修改，由于軟硬件對計算模型規(guī)模的限制，模型的細化程度不夠，因而結構的剛度、強度分析的結構還比較粗略，計算結果多用來進行結構的方案比較，離虛擬試驗的要求還有相當大的差距。1.4 主要研究內容結合相關參考文獻和實際設計要求，再參考以往的研究成果以及國內外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究內容如下：（1）針對輕型貨車車架為研究對象，進行簡單的結構設計，以及剛度、撓度、扭轉角等校核計算；（2）研究應用有限元法靜態(tài)分析所用軟件基礎；（3）以該輕型貨車車架為研究對象利用Pro/E軟件建立車架有限元模型；（4）以該車架有限元模型為研究對象導入ANSYS，利用ANSYS軟件對車架有限元模型進行靜態(tài)有限元分析。第2章 輕型貨車的車架設計2.1 車架概述車架是汽車各總成的安裝基體，它將發(fā)動機和車身等總成連成一個有機的整體，即將各總成組成一輛完整的汽車。同時，還承受汽車各總成的質量和有效載荷，并承受汽車行駛時所產生的各種力和力矩，以及各種靜載荷和動載荷4。2.1.1 車架的設計要求（1）有足夠的強度。保證在各種復雜受力的情況下車架不受破壞。要求有足夠的疲勞強度，保證汽車大修里程內，不至于有嚴重的疲勞損傷；（2）有足夠的彎曲剛度。保證汽車在各種復雜受力的使用條件下，固定在車架上的各總成不至因為變形而早期損壞或失去正常的工作能力；（3）有適當?shù)呐まD剛度。當汽車行駛于不平路面時，為了保證汽車對路面的不平度的適應性，提高汽車的平順性和通過能力，要求具有合適的扭轉剛度。通常要求車架兩端的扭轉剛度大些，而中間部分的扭轉剛度適當小些；（4）盡量減輕質量。由于車架較重，對于鋼板的消耗量相當大。因此，車架應該按照等強度的原則進行設計，以減輕汽車的自重和降低材料消耗量。在保證強度的條件下，盡量減輕車架的質量。2.1.2 車架的類型車架是按照結構的不同來分類的，主要結構型式有框式、脊梁式和綜合式。其中框式又可分為周邊式、x形和邊梁式。1、周邊式車架這種車架是從邊梁式車架派生出來的，前后兩端縱梁變窄，中部縱梁加寬。中部寬度取決于車門檻梁的內壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉角；后端寬度則由后輪距確定。左右相關縱梁由橫梁連接。其最大特點是前后兩段縱梁系經所謂的緩沖臂或抗扭盒與中部縱梁焊接相連。前緩沖臂位于車廂前圍板下部傾斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。其結構形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可吸收來自不平路面的沖擊和降低車內噪聲。此外車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又減短了車架縱梁外側裝置件的懸伸長度。在前后車輪縱梁向上彎曲以讓出前后獨立懸架或非斷開式后橋的運動空間。采用這種車架時車身地板上的傳動軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬，因此多用于中級以上的轎車。2、X形車架這種車架為一些轎車所采用。車架的中部位于汽車縱向對稱平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成X形狀。前端的叉形梁用于支承動力-傳動總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經過中部管梁向后方。中部管梁的扭轉剛度很大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后這還用于加強前、后懸架的支承。管梁部分位于乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側的車身地板的降低，但地板中間有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大。3、邊梁式車架又稱梯形車架，是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。其彎曲剛度較大，而當承受扭矩時，各部分同時產生彎曲和扭轉，其特點是便于安裝車身、車箱和布置其他總成，易于汽車的改裝和變形，因此被廣泛應用在載貨汽車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車上。載貨汽車梯形車架有兩根相互平行開口朝內、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下表面則可根據(jù)應力情況，適當?shù)南蛏鲜湛s。即縱梁中部相當長的范圍內具有最大高度和寬度，而兩端可根據(jù)應力情況相應的縮小。車架寬度多為全長等寬。4、脊梁式車架這種車架主要由一根位于中央且貫穿汽車全長的較粗縱梁和若干根懸伸托架組成。中央縱梁可以是圓管狀，也可以是箱形斷面。這種車架的扭轉剛度合適，容許車輪跳動的空間大，適合采用獨立懸架，但制造工藝復雜。 (a) 周邊式車架 （b）X形車架 (c) 梯形車架 圖2.1 車架 圖2.2 載貨汽車的梯形車架5、綜合式車架這種車架的前后部分相似于邊梁式車架，以便分別安裝發(fā)動機和驅動橋，中部為一短脊梁管，傳動軸從短管內通過。是邊梁式和脊梁式9的綜合，中部的抗扭剛度合適，但中部地板凸包較大，制造工藝復雜。 圖2.3 脊梁式車架 圖2.4 綜合式車架2.1.3 車架的制造工藝及材料 車架縱橫梁的其他零件的制造，多采用鋼板的冷沖壓工藝在大型壓力機上沖孔及成型，也有采用槽鋼、工字鋼、管料等型材制造的。貨車車架的組裝多采用冷鉚工藝，必要時也可采用特制的防松螺栓連接。為保證車架的裝配尺寸，組裝時必須有可靠的定位和夾緊，特別應保證有關總成在車架上的定位尺寸及支承點的相對位置的精度。車架材料應具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應力集中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳低合金鋼能滿足這些要求。車架材料與所選定的制造工藝密切相關。拉伸尺寸較大或形狀復雜的沖壓件需采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼08，09MnL，09MnREL等鋼板制造；拉伸尺寸不大、形狀又不復雜的沖壓件常采用強度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等鋼板制造。強度更高的鋼板在冷沖壓時易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。有的重型貨車、自卸車、越野車為了提高車架強度，減小質量而采用中碳合金鋼熱壓成形，再經熱處理，例如采用30Ti鋼板的縱梁經正火后抗拉強度即由450Mpa(HBl56)提高到480620Mpa(HBl70)。用30Ti鋼板制造縱橫梁也可采用冷沖壓工藝。鋼板經冷沖成形后，其疲勞強度要降低，靜強度高、延伸率小的材料的降低幅度更大。常用的車架材料在成形后的疲勞強度約為140160Mpa。貨車根據(jù)其裝載質量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為5070mm，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為7090mm。槽型斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的3540。2.2 車架的結構設計車架應有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關機構之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最??；車架也應有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性與壽命，縱梁等主要零件在使用期內不應有嚴重變形和開裂10?？v梁作為車架的主要承載元件，也是車架中最大的加工件，其形狀應力求簡單。其中載貨汽車的車架縱梁延全長多取平直且斷面也不變或少變，以簡化工藝。因此載貨汽車的斷面多采用開口朝內的槽形，槽形斷面梁的彎曲剛度大、強度高、工藝性好，零件的安裝與緊固方便。同時由若干根橫梁將左右縱梁聯(lián)在一起，構成一完整的車架，其中橫梁起支承某些總成，保證車架有足夠的扭轉剛度，限制其變形和降低某些部位的應力的作用11。（1）垂直載荷 車身、車架的自重、裝在車架上個總成的載重和有效載荷（乘員和貨物），該載荷使車架產生彎曲變形。 （2）對稱垂直動載荷車輛在水平道路上高速行使時產生，其值取決于垂直靜載荷和加速度，使車架產生彎曲變形。 （3）斜對稱動載荷在不平道路上行使時產生的。前后車輪不在同一平面上，車架和車身一起歪斜，使車架發(fā)生扭轉變形。其大小與道路情況，車身、車架及車架的剛度有關。因此這些因素都應該考慮在內，盡量使其都滿足條件。根據(jù)前面部分所述，選擇等寬的梯形車架，車架寬度主要由前后輪距確定的，確定車架寬度按以下原則進行：（1）車架前部寬度主要考慮前輪的最大轉角，選用成型的發(fā)動機要考慮發(fā)動機的安裝，有時結合駕駛室的安裝統(tǒng)一考慮；（2）車架中部的寬度要考慮發(fā)動機及發(fā)動機附件（排氣管、變速操縱桿）的安裝；（3）為考慮高速車的穩(wěn)定性，希望增加車架后部寬度，以便能加大后簧托距；（4）對雙胎車，車架后部寬度取決于輪胎、板簧、車架三者的間隙；（5）從簡化工藝的角度看，最好做成前后等寬，對低價位的產品，這一點很重要；（6）考慮標準的要求，我國汽車專業(yè)標準規(guī)定輕型載貨車邊梁式車架的寬度為7405m。因此確定車架寬度為740mm，并根據(jù)現(xiàn)有資料參考確定軸距3800mm，車架長度為6200mm，縱梁采用槽型鋼結構，槽型鋼型號：12 *（），橫梁鋼板厚度都采用5.5mm，車架材料采用DL510。 根據(jù)現(xiàn)有資料參考確定車架第一橫梁的位置，選取槽型鋼結構。根據(jù)所選取的發(fā)動機（云內4100QBZL）的外型尺寸及同類車型的參考，確定發(fā)動機安裝孔位置。同時根據(jù)發(fā)動機安裝位置到油底殼的距離確定車架第二橫梁的位置，第二橫梁下凹，鋼板厚度5.5mm。根據(jù)發(fā)動機（長800mm）、離合器（長230mm）和變速器（GC520T24長300mm）外型尺寸以及傳動軸長度和駕駛室外型尺寸確定車架第三橫梁的位置和車架第四橫梁的位置，為了便于變速器安裝及各種總成的布置，第三和第四橫梁采用帽型結構（上凸），寬度200mm，其中傳動軸采用兩根。根據(jù)發(fā)動機安裝位置及現(xiàn)有資料，確定前橋鋼板彈簧位置，再根據(jù)軸距（3800mm）和備胎安裝位置（第六橫梁中部）及尺寸（外徑810mm），確定后驅動橋和鋼板彈簧位置，繼而確定車架第五和第六橫梁的位置，第五和第六橫梁采用槽型鋼結構。第七橫梁位于車架末端，采用槽型鋼結構。所有槽型鋼結構的橫梁寬度均為53mm。油箱位置位于車架左側第三橫梁稍后一點，油箱支架型號JYTJ-1101080，尺寸（油箱代號：1101R271-010，尺寸）。蓄電池位于車架右側第三橫梁稍后一點，蓄電池安裝架尺寸（蓄電池型號：6-QA-100，尺寸）。由于條件和自身水平的限制，根據(jù)前面確定的車架的具體結構如下： 圖2.5 車架結構圖2.2.1 車架的撓度計算 為了保證整車及有關機機件的正常工作，對縱梁的最大撓度應予以限制。這就要求對縱梁的彎曲剛度進行校核。如果把縱梁看成支承跨度為軸距的簡支梁，根據(jù)材料力學給出的截面極慣性矩的簡支梁在其跨度的中間承受集中載荷時，撓度與剛度的關系式如下： （2.1）可知 （2.2） 根據(jù)德國對各種汽車車架的實驗結果表明，當軸距的單位為m，的單位為cm4，為使縱梁在滿載時的撓度在容許值以內，則應使，或應使。大多數(shù)汽車的值在20-30間，日本一些4t平頭載貨汽車甚至達到58.3。 由此，取值為30 ，已知汽車整備質量3300kg,滿載質量6000kg，載貨重量2500kg，軸距為3730mm，彈性模量為Mpa。因此跨度的中間承受的集中載荷如下： （2.3） =48020N由公式2.1得 同時得知 cm42.2.2 車架的彎矩及彎應力計算 作用在貨車梯形車架上的彎曲力矩主要由車架縱梁承受。由于條件限制，為了計算彎曲力矩，將車架縱梁承受載荷簡化為均布載荷，當車架縱梁承受的是均布載荷（見圖2.6）時，車架的簡化計算可按下述進行，但需要一定的假設。即認為縱梁為支承在前、后軸上的簡支梁；空車是簧上負荷(貨車可取，為汽車整備質量)均布在左、右縱梁的全長上，滿載時有效載荷則均布在車廂長度范圍內的縱梁上；忽略不計局部扭矩的影響。 圖2.6 貨車車架上均布載荷的分布情況已知=5020mm，=2950mm,=2070mm,=700mm,6200mm,3730mm， 1770mm.將其簡化為均布載荷簡化計算如下：=N （2.4）N在圖2.6中，為一根縱梁的前支承反力，由該圖可求的： （2.5）N在駕駛室的長度范圍內這一段縱梁的彎矩為 （2.6）駕駛室后端至后周這一段縱梁的彎矩為： （2.7）顯然，最大彎矩就發(fā)生在這一段縱梁內，可用對上式中求導數(shù)并令其為零的方法求出最大彎矩發(fā)生的位置，即， 由此求得： （2.8） =m將上式代入公式（2.7），即可求出縱梁承受的最大彎矩。 =N如果考慮到動載荷系數(shù)及疲勞安全系數(shù)，并將它們代入式（2.9），（2.10），則可求出縱梁的最大彎應力。 （2.9） （2.10）其中縱梁在計算斷面處的彎曲截面系數(shù)，對于槽型斷面系數(shù)，對于槽型斷面縱梁 （2.11）式中：槽型斷面的腹板高； 翼緣寬； 梁斷面的厚度。m3因此最大彎應力為：N/m2161.48Mpa<2.2.3 車架的扭矩及扭轉角計算車架所受最大扭矩的最大扭矩： （2.12）式中：橫梁數(shù) 兩橫梁之間的縱梁區(qū)間數(shù) 車架寬即由于扭轉角與扭矩、扭轉剛度存在下述關系： （2.13）式中：車架元件所受的扭矩，； 車架元件的長度，mm； 材料的剪切彈性模量12，Mpa； 車架元件的橫斷面的極慣性矩，mm4。其中（注：） （2.14） 即MPa 將前面幾節(jié)得出的數(shù)據(jù)帶入式2.13得，2.3 本章小結 本章詳細介紹了汽車車架的設計要求，車架的具體類型，通過分析，綜合考慮確定車架具體結構。并通過對其校核計算，進一步檢驗車架設計合乎要求與否。為以后的章節(jié)進行有限元模型的建立和有限元分析打下了一個良好的基礎。第3章 車架三維模型的建立3.1 Pro/E軟件介紹隨著計算機技術的不斷發(fā)展，為有限元等數(shù)值計算方法在工程實際中的應用提供了條件。涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的CAD/CAE專業(yè)軟件，本文中采用的軟件主要是Pro/ENGINEER，下面介紹一下該軟件的基本情況。Pro/ENGINEER軟件自1988年推出以來，廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。該軟件由于強大的功能，很快被廣大用戶所接受，目前該軟件已經成為應用最廣泛的，CAD/CAE/CAM軟件之一。Pro/ENGINEER軟件的功能非常強大，它可以完成從產品設計到制造的全程，為工業(yè)產品設計提供了完整的解決方案。該軟件主要包括三維實體建模、裝配模擬、加工仿真、NC自動編程、有限元分析等常用功能模塊，還包括模具設計、鈑金設計、電路布線、裝配管路設計等專用模塊。Pro/ENGINEER也是最先基于特征、全參數(shù)化、全相關、單一數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)再利用等概念改變了傳統(tǒng)MDA(機械設計自動化MechanicalDesignAutomation)觀念。這種全新的已成觀念為當今世界機械設計自動化領域的新標準，并指明了機械CADCAECAM軟件的發(fā)展趨勢。利用此概念開發(fā)的Pro/ENGINEER軟件實行了并行工程，能夠讓多用戶同時進行同一產品的設計、制造。這大大縮短了產品開發(fā)的周期，降低了產品設計、生產、產品測試等環(huán)節(jié)的生產成本。Pro/ENGINEER軟件的主要技術特點如下：（1）基于特征的參數(shù)化造型將一些具有代表性的幾何形體定義為特征，并將其所有尺寸作為可變參數(shù)，例如倒圓角特征、倒直角特征等，并以此為基礎進行更為復雜的幾何形體構造。產品的生成過程其實就是多個特征的疊加過程。（2）全相關特性Pro/ENGINEER軟件的所有模塊都是全相關的，使用同一個數(shù)據(jù)庫產品開發(fā)過程中在任何一個模塊中進行的修改，都會擴展到整個設計過程，系統(tǒng)會自動更新所有的相關文檔，這大大縮短了修改的時間。（3）全尺寸約束將特征的形狀與尺寸結合起來，通過尺寸約束實現(xiàn)對幾何形狀的控制，造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點，不能欠約束，也不能過約束。（4）尺寸驅動設計修改通過修改尺寸參數(shù)可以很容易地進行多次設計迭代，實現(xiàn)產品開發(fā)。3.2 三維模型的建立車架三維模型，主要采用拉伸命令，通過在各面上的草繪，繪制出截面形狀并標記尺寸，進而一步步拉伸得到所需要的模型。建立模型之前首先要了解其結構，第一、第五、第六、第七橫梁都采用槽型結構，第二橫梁為凹梁，第三、第四橫梁為凸梁，并根據(jù)其相應特點進行三維模型的建立。（1）在FRONT面上根據(jù)縱梁的尺寸草繪出縱梁槽型結構并進行拉伸，拉伸長度為6200mm。（見圖3.1） 圖3.1拉伸車架縱梁 （2）根據(jù)第一橫梁位置及尺寸，拉伸出半個第一橫梁，長度為370mm。（見圖3.2） 圖3.2拉伸半個第一橫梁（3）創(chuàng)建基準面DTM1，在該面上根據(jù)第二橫梁的尺寸和位置拉伸出半個（凹梁）第二橫梁。（見圖3.3） 圖3.3拉伸半個第二橫梁（4）創(chuàng)建基準面DTM3，在該面上根據(jù)第三橫梁尺寸及位置拉伸出半個（凸梁）第三橫梁。（見圖3.4）圖3.4拉伸半個第三橫梁（5）創(chuàng)建基準面DTM4，在該面上根據(jù)第四橫梁位置及尺寸草繪并拉伸出半個第四橫梁。（見圖3.5） 圖3.5拉伸半個第四橫梁（6）根據(jù)第七橫梁尺寸及位置，拉伸半個第七橫梁，長度為370mm。（見圖3.6）圖3.6拉伸半個第七橫梁（7）根據(jù)第六橫梁尺寸及位置，拉伸半個第六橫梁，長度為370mm。（見圖3.7）圖3.7拉伸半個第六橫梁（8）根據(jù)第五橫梁尺寸及位置，拉伸半個第五橫梁，長度為370mm。（見圖3.8）圖3.8拉伸半個第五橫梁（9）建立基準平面DTM5，并以DTM5平面為基準面將畫好各橫梁和縱梁的半個車架模型做鏡像，得到整個成形的車架。（見圖3.9）圖3.9半個車架進行鏡像（10）根據(jù)所確定的發(fā)動機安裝位置，打發(fā)動機安裝孔，孔的直徑為20mm。（見圖3.10）圖3.10在發(fā)動機左側縱梁上打發(fā)動機安裝孔（11）將2個左側發(fā)動機安裝孔鏡像到右側，得到完整的4個發(fā)動安裝孔，發(fā)動機安裝位置一目了然。（見圖3.11）圖3.11發(fā)動機安裝孔鏡像（12）根據(jù)鋼板彈簧支承的位置，拉伸出4個鋼板彈簧支承，長度為76mm。（見圖3.12）圖3.12拉伸左側鋼板彈簧支承（13）以DTM5為基準平面，將左面4個鋼板彈簧支承鏡像。（見圖3.13）圖3.13鋼板彈簧支承鏡像（14）根據(jù)油箱支架尺寸位置和尺寸（）拉伸出油箱支架。（見圖3.14） 圖3.14拉伸油箱支架（15）根據(jù)蓄電池支架位置和尺寸（）拉伸出蓄電池支架。（見圖3.15）圖3.15拉伸蓄電池支架（16）根據(jù)備胎安裝位置，在第六橫梁中間處打孔，孔的直徑20mm。（見圖3.16）圖3.16打備胎安裝孔 該模型真實有效地反映了已經確定的車架的結構，使其一目了然，突出了車架的特點。但該模型本身也存在一些不足，為了方便后面的有限元分析，應省略掉部分結構，便于提高后面有限元分析的質量，太復雜的模型會對結果有一定影響。3.3 本章小結 本章介紹了Pro/E軟件的發(fā)展、功能、特點，并運用Pro/E軟件通過草繪、拉伸、打孔、鏡像等操作進行車架三維模型的建立，并與實際情況相比較從而完善模型得到可信的結果，為下一步有限元模型的建立打下了良好的基礎。 第4章 車架有限元分析4.1 ANSYS軟件介紹ANSYS由世界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件結合使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是現(xiàn)代產品設計中的高級CAD工具之一。ANSYS軟件提供了一個不斷改進的功能清單，具體包括：結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設計優(yōu)化、接觸分析、自適應網格劃分、大應變有限轉動功能，以及利用ANSYS參數(shù)設計語言（APDL）的擴展宏命令功能?；贛otif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對話框、下拉式菜單和子菜單進行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶使用ANSYS提供“導航”。ANSYS軟件是融合結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日常家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件可用在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中進行，從PC到工作站再到巨型計算機，ANSYS文件在其所有的產品系列和工作平臺上均兼容。ANSYS多物理耦合的功能，允許在同一模型上進行各種各樣的耦合計算成本，如熱結構耦合、磁結構耦合、以及電-磁-流體-熱耦合，在PC上生成的模型同樣可運行于巨型機上，這樣就確保了ANSYS對多領域多變工程問題的求解。ANSYS包括以下主要功能模塊： 結構分析 熱分析 電磁分析 流體分析（CFD） 耦合場分析多物理場 結構分析包括以下類型。 （1）靜力分析用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結構的線性及非線性行為。例如，大變形、大應變、應力剛化接觸、塑性、超彈性及蠕變等。 （2）模態(tài)分析計算線性結構的自振頻率及振形，譜分析是模態(tài)分析的擴展，用于計算由隨機振動引起的結構應力和應變（也叫做響應譜或PSD )。 （3）諧響應分析確定線性結構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應。 （4）瞬態(tài)動力學分析確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應?？梢钥紤]與靜力分析相同的結構非線性行為。 （5）特征屈曲分析用于計算線性屈曲載荷，并確定屈曲模態(tài)形狀（結合瞬態(tài)動力學分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析）。 （6）專項分析斷裂分析、復合材料分析、疲勞分析。 專項分析用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為。 它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法。今天ANSYS軟件更加趨于完善，功能更加強大，使用更加便捷。ANSYS公司最新版本的工程仿真軟件ANSYS 11.0，將ANSYS與WORKBENCH整合在一起，同時引入了新的工具和技術，幫助用戶更高效地完成工作，有效地將基于仿真的設計推到更廣泛的應用領域。這個版本在CAE功能上引領現(xiàn)代產品研發(fā)科技，涉及的內容包括高級分析、網格劃分、優(yōu)化、多物理場和多體動力學。 立足于擁有世界上最多的用戶，ANSYS 11.0不僅為當前的商業(yè)應用提供了新技術，而且在以下方面取得了顯著進步。 （1）繼續(xù)開發(fā)和提供世界一流的求解器技術； （2) 提供了針對復雜仿真的多物理場耦合解決方法； （3）整合了ANSYS的網格技術并產生統(tǒng)一的網格環(huán)境； （4）通過對先進的軟硬件平臺的支持來實現(xiàn)對大規(guī)模問題的高效求解； （5）繼續(xù)改進最好的CAE集成環(huán)境-ANSYS WORKBENCH； （6）繼續(xù)融合先進的計算流體動力學技術。ANSYS軟件開發(fā)的核心目標就是提供給用戶最高級和最可靠的適用于各行各業(yè)的仿真解決方案。下面的亮點展示了ANSYS 11.0的某些關鍵新技術，可以提高用戶的效率，幫助各大企業(yè)用戶繼續(xù)拓展仿真在產品開發(fā)過程中的角色。 （1）加速多步求解 ANSYSVT加速器，基于ANSYS變分技術，是通過減少迭代總步數(shù)以加速多步分析的數(shù)學方法。這包括了收斂迭代和時間步迭代或二者的綜合。收斂迭代的例子是非線性靜態(tài)分析，不涉及接觸或塑性，而時間步迭代指的是線性瞬態(tài)結構分析，二者組合的例子有非線性結構瞬態(tài)或熱瞬態(tài)分析。 ANSYSVT加速器提供了2-10X的加速比，允許用戶快速重新運行模型。具體的加速比受到硬件、模型和分析類型的影響。而且，這個工具在非線性或瞬態(tài)分析的參數(shù)研究中可以獲得5-30X的加速。在使用ANSYS VT加速器之前，用戶可以進行下列類型的改進。 修改、增加或移除載荷（約束不能更改，但是數(shù)值可以修改）； 材料和材料模型； 截面常數(shù)和實常數(shù)。 ANSYS VT加速器軟件，使用ANSYS MECHANICAL HPC13的授權，可以應用于結構循環(huán)對稱模態(tài)分析，以及高頻電磁諧分析。ANSYS VT加速器可以結合ANSYS DESIGNXPLORER VT技術，實現(xiàn)更快速的參數(shù)化研究。 （2）網格變形和優(yōu)化 對于很多單位，進行優(yōu)化分析的最大障礙是CAD模型不能重新生成，特征參數(shù)不能反映那些修改研究的幾何改變。通過與ANSYS WORKBENCH的結合，ANSYS MESH MORPHER（FE-MODELER的新增加模塊）可以實現(xiàn)這個功能，甚至更多。 通過網格操作而不是實體模型，ANSYS MESH MORPHER對于來自于CAD的非參數(shù)幾何數(shù)據(jù)，如IGES或STEP，以及來自于ANSYS CDB文件的網格數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模型參數(shù)化。將網格讀入FEMODELER，并且產生對應于該網格的“綜合幾何”的初次配置。在ANSYS 11.0中，ANSYS MESH MORPHER提供了4種不同的轉換：面平移、面偏置、邊平移和邊偏置。更多樣的配置可以通過以上轉換的組合實現(xiàn)。例如，一個圓柱表面的面偏置就等效于變更其半徑。 這些轉換決定了目標配置并自動定義轉換參數(shù)。一旦確定，這些轉換參數(shù)可以通過ANSYS DESIGNXPLORER VT14擬合方法來擬合，如KRIGING算法、非參數(shù)化退火算法和神經網絡算法等。一旦擬合完成，可以使用 ANSYS DESIGNXPLORER VT中的能量優(yōu)化技術找到最優(yōu)值或者執(zhí)行6 SIGMA分析設計。ANSYS MESH MORPHER為仿真驅動的產品開發(fā)打破了優(yōu)化障礙。（3）流固耦合 在ANSYS WORKBENCH中，ANSYS和ANSYSCFX技術的集成取得了更大的進步。在ANSYS 11.0的ANSYS WORKBENCH環(huán)境中，用戶可以完整地建立、求解和后處理雙向流固禍合仿真。最新的版本也提供了單一后處理工具，可以用更少的時間解決更復雜的物理問題，并且擴展了仿真的應用領域。 利用ANSYS CFX軟件的統(tǒng)一網格接口可以在ANSYS和ANSYS CFX之間傳遞FSI載荷，所有流固耦合問題的結果的魯棒性和精度都獲得了改進。界面載荷傳遞技術的突破，很明顯的好處就在于讓同一團隊的FEA和CFD專家共享信息更方便。在ANSYS 11.0中流固禍合的領域也得到了擴展。 （4）渦輪系統(tǒng)一體化解決方案ANSYS WORKBENCH環(huán)境提供了旋轉機械設計過程所需的幾何設計和分析的集成系統(tǒng)。ANSYS WORKBENCH作為高級物理問題的集成平臺，能夠讓設計人員建立旋轉機械的模型，如水泵、壓縮機、風扇、吹風機、渦輪、膨脹器、渦輪增壓器和鼓風機。ANSYS解決方案集成到設計過程中，從而消除了中性文件傳輸、結果變換和重分析，使得CAE過程幾周內就可完成了。 渦輪機械設計過程的第一步就是使用初始尺寸以獲得概要設計，指定性能準則和尺寸約束。在ANSYS 11.0中，ANSYSBLADEMODELER中集成了PCA工程有限公司的專用于離心壓縮機和水泵的初始尺寸軟件。VISTA-CC是一個快速主干設計程序，它只需要壓縮機的質量流量、壓力比和幾何約束，就可以獲得壓縮機草圖、葉片和出口角度、速度三角形。它也提供了無量綱的性能參數(shù)，如設計決策所依賴的額定轉速和額定流率。 1-D尺寸工具、自動網格、流線工具和自動報告生成器的引入，可幫助用戶開發(fā)更好的旋轉機械。 ANSYS承諾將持續(xù)為特定工業(yè)需求開發(fā)更強大的解決方案，以上的具體集成就是一個例子。 （5）統(tǒng)一網格技術 ANSYS 11.0提供給用戶新的統(tǒng)一分網環(huán)境，幫助用戶實現(xiàn)基于物理的網格劃分解決方案，如機械、電磁、CFD或顯式仿真。來自于ANSYS、ANSYS ICEM CFD和ANSYS CFX的一流網格幾乎已經延伸到ANSYS WORKBENCH中，綜合多種算法的優(yōu)勢，提供一個智能、靈活且魯棒的網格劃分能力。 基于預定義的物理過濾器，各種控制自動定義了，如網格尺寸、網格過渡、網格均勻性、劃分速度、網格質量和曲率的細化控制等。如果必要，高級用戶控制選項可用來使用。劃網的智能特性提供了靈活的附加控制，幫助初級用戶為了改進求解速度或精度而得到適合于物理問題的良好網格。多重網格控制方法及高級選項，提供了備份網格劃分方法；以改善網格劃分的整體魯棒性。 在ANSYS 11.0中，共同網格對象已經實現(xiàn)了為多個應用之間的交互提供附加的靈活性，這為求解器（FSI、隱式顯式等）之間的交互提供了增強的雙向通信，同時也提供了網格劃分的統(tǒng)一方法。這個共同網格對象保證了在ANSYS WORKBENCH框架中集成第三方的劃網功能。 ANSYS ICEM CFD和AI ENVIRONMENT 11.0中的創(chuàng)新在于多區(qū)域體網格劃分工具，它可用于空氣動力學中。新的網格劃分方法提供了對塊（結構網格方法）的靈活控制，是易于使用的自動（非結構化）網格方法。半自動多區(qū)網格算法允許用戶在面和體上對網格進行總體控制，邊界上通過映射或掃描塊提供了純六面體網格，而內部過渡到四面體或六面體為主的網格。映射、掃描和自由劃分技術為模型中最重要區(qū)域的結構化六面體網格劃分提供了自由，可以保證用較少的精力得到高質量的自動化網格。 ANSYS ICEM CFD和AI ENVIRONMENT 11.0產品也回答了古老的問題：“我應該用四面體劃網還是花更多的時間用六面體劃網”。相對于傳統(tǒng)的四面體網格算法，新的體一擬合笛卡兒劃網方法可以用更少的時間劃分純六面體網格。包含四面體和金字塔形狀的混合網格劃分方法減少了限制，并且提供了更容易的方法編輯網格。這個方法產生的六面體網格的統(tǒng)一性更適合于顯式碰撞分析，或者任何六面體網格更適合的分析。 （6）線性和非線性動力學 在ANSYS 11.0中，ANSYS鞏固了它的高級動力學分析能力，并擴展到ANSYS WORKBENCH中。線性和非線性結構動力學和應力分析，現(xiàn)在已經無縫地集成到了ANSYS WORKBENCH仿真環(huán)境中，使得剛體和柔體的頻率響應和時間歷程動力學集成在了一起。在一次設置中，用戶現(xiàn)在能夠選擇一系列的力學行為，如線性、高級非線性、完全剛體和完全柔體，以及它們的組合。其他特征包括支持簡單和復雜的連接和約束，基于幾何的自動連接偵測，非線性材料和接觸、運動學分析，以及與CAD系統(tǒng)的相關性。擴展的ANSYS動力學使得以下分析更為理想。 交互式的零件和裝配體連接的定義和驗證； 純剛體假設下的裝配體動力學響應； 純剛體假設的潛在缺陷的識別。 （7）顯式動力學ANSYSAUTODYN軟件是與眾不同的通用顯式分析工具，適合于固體、流體和氣體及其交互的非線性動力學模擬。在ANSYS 11.0中，ANS