（光学工程专业论文）ybl6100c43ah客车车架有限元分析与试验研究.pdf

摘要 摘要 本文利用i - d e a s 软件对亚星奔驰公司的y b l 6 1 0 0 c 4 3a h 客车车架进行了 有限元分析和试验研究。分别讨论了该车架静态强度、刚度、模态特性，同时对该车 架的动态特性进行了分析研究，包括响应分析和疲劳寿命分析。将理论分析结果数据 与试验结果相比较，结果表明，该车架能够满足新车型的要求，但强度和刚度都偏大， 经济性较差。根据y b l 6 1 0 0 c 4 3a l l 客车车架的这一特点，论文对该车架进行了改进 优化设计，优化设计结果使y b l 6 l o o c 4 3a h 客车车架重量减小5 6 7 ，降低了生产 成本，提高了汽车的燃油经济性。 关键词：车架，有限元，静态分析，动态分析，优化 第1 页 竺! ! 坠! ! 一 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n b yt h es o f t w a r ei - d e a s8 0 ，t h e f l a m e3 dm o d e l ， f e mm o d e lo fy b l 6 1 0 0 c 4 3 a h ，o n e o ft h ep a s s e n g e rc a r so f y a x i n g - b e n z l i m i t e dc o m p a n yw e r es e tu p ，a n dt h e na n a l y z e da n de x p e r i m e n ts t u d i e d t h es t a t i cs t r e s s ，r i g i d i t y , m o d ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev e h i c l ef r a m ew e r e d i s c u s s e d ，a tt h es a m et i m e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e da n d s t u d i e di n c l u d i n gr e s p o n s ea n a l y z e da n df a t i g u el i f ea n a l y z e d ，t h e s ed a t a w e r e c o m p a r e d w i t ht h e e x p e r i m e n t r e s u l t s i tw a s p r o v e db y t h e c o m p a r i s o nt h a t t h i sv e h i c l ef l a m em e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，b u tt h e s t r e s sa n d r i g i d i t yw e r eb i g g e ra n d f u e le c o n o m yw a sw o r s e a c c o r d i n gt o t h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ev e h i c l ef l a m ed e s i g nw a st h e n i m p r o v e da n do p t i m i z e d a sar e s u l t ，t h em a s so f t h ev e h i c l ef r a m ew a s d e c r e a s e db y5 6 7p e r c e n t t h ec o s to f p r o d u c ta n d t h ef u e le c o n o m yo ft h e a u t o m o b i l ew e r e i m p r o v e d k e y w o r d s ：f r a m e ，f e m ，s t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n 堡圭堕苎翌些! ! ! 竺! ! 坚查兰主苤塑堕垂坌堑量苎丝翌塞 一 1 绪论 1 1 论文选题背景 汽车工业随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速发展。汽车 车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路及装载的各种复杂载荷作用，而且汽车 上许多重要总成件都是以车架为载体，因而，车架的强度和刚度在汽车总体设计中显 得非常重要。根据市场对开发新产品的需求，亚星一奔驰公司在原有车架上新装配了 奔驰发动机，并相应在车架上做了局部改动，成为新车型y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 。厂方认为 由于新发动机质量较原发动机质量重5 0 蚝左右，发动机支架或车架本体可能会产生 强度不足，因此根据亚星一奔驰公司的要求需对车架进行理论分析，并对车架整体进 行优化设计。 1 2 论文的研究目的和意义 本课题采用s d r c 公司的集成设计分析软件i - d e a s 对y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车 架结构进行静态和动态有限元分析计算。由于y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车身为半承载式， 车架为分段式结构，受力构件较多且复杂，以往设计时大多采用经验公式进行验算， 或以样车为参考待试验后根据试验结果进行修正，不能准确地计算出各部件的受力情 况。利用有限元方法，计算得到的结构位移场、应力场和低阶振动频率，可精确地分 析车架构件在静态和动态载荷作用下的应力分布情况，找出薄弱环节，估算车架寿命， 优化车架结构，为车架设计提供理论依据。 1 3 有限元发展与现状 有限元法是随着计算机的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方法，它能对工 程实际中几何形状不规则、载荷和支承情况复杂的各种结构及零部件进行变形计算和 应力分析，而车身、车架不论是形状，还是载荷都相当复杂，所以有限元法是计算车 身、车架的一种有效而实用的工具。 就有限元法来说，近3 0 多年来，它的应用范围已从杆、梁类结构分析扩展到了 对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题分析，由分析静态问题扩展到分析动态 问题、波动问题和稳定问题，分析对象也从弹性介质材料扩展到粘弹性、塑性等复合 材料。由此可见，有限元法已获得了前所未有的巨大发展i ”。 在工程实践当中，有限元可对几何形状不规则、载荷和支承情况复杂的各种结构 及零部件进行变形计算和应力分析，这是经典力学所不能及的。由于有限元这一无可 比拟的优越性有限元法在飞机、船舶、汽车和拖拉机等机械产品的设计中都得到了 广泛的应用。 第1 页 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3 ah 客车车架有限元分析与试验研究 有限元法给车架设计提供了先进的设计手段。通过有限元计算可以使我们对车 架的受力情况有较精确的了解。在设计初期对车架进行有限元计算，可以找出设计中 存在的问题，为今后的车架设计提供重要的理论依据。由于车架结构的复杂性和载荷 复杂性，优化技术与有限元分析程序相结合，将会获得更好的效果，这也是我们今后 进行车架设计的方向3 】【4 1 。 1 4 车架有限元法的研究现状 早期的车架强度计算是将车架简化为简支梁，只作车架弯曲状态下的强度校核。 随着有限元的发展和推广，国内汽车行业已将有限元法应用于汽车车架的动静态计 算，但采用梁单元模拟车架建立车架结构强度分析的有限元模型，对于一些低合金钢 板冲压成形或槽钢，工字铜等型材制作的车架，这种模拟方法存在许多不足之处吲， 例如，每一个单元内，截面尺寸不变，因而梁单元模拟变截面形状的构件时，计算精 度较低。仅采用梁单元，无法反映车架纵梁和横梁的连接情况，难以准确计算车架构 件结合部的应力，计算结果只是各节点的应力情况，不能得到构件截面应力分布，因 而不能为截面形状设计提供依据1 5 1 。 在进行有限元分析时，传统的客车结构分析将杆连接作为刚性的节点处理。承载 式客车空间骨架是由截面尺寸不同的型钢焊接而成的，可视为一个空间杆系结构。承 载后，高压力产生于杆连接处f 6 i 。计算分析时，将杆连接作为点状的和刚性( 个别情 况下甚至作为铰支) 的节点来处理，优点是简便，对于少数问题可获得相当准确的结 果，但不足之处在于：( 1 ) 忽略了影响结构变形和杆端力矩的连接点柔度；( 2 ) 不能 准确计算对设计至关重要的杆连接区域的应力分布。在计算时可以以矩阵位移法的子 结构理论为基础，在离散时，将杆连接区域视为子结构并用平面壳单元细化。桁架用 空间梁单元进行离散化。这些空间梁与连接区域之间的过渡采用8 根特别设计的梁单 元。在进行有限元设计时，汽车车架结构可简化为纵梁箱形框架计算模型 6 1 。将纵梁 箱形框架离散为板单元的组合，讨论在轴向冲击下的大变形问题，采用弹塑性大变形 动力有限元方法，对其进行数值计算与数值模拟，将提供比较可信的数值解。 1 5 课题的研究内容 根据课题的基本要求，本文主要在以下几个方面开展了工作： ( 1 ) 对有限元法的基本理论、基本方法以及有限元软件的特点进行了分析。 ( 2 ) 对y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架结构特点进行了分析讨论。 ( 3 ) 利用i - d e a sm a s t e rs e r i e s8 0 软件，建立y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架的有限 元模型，包括选择有限单元的类型，确定载荷、选择计算工况、确定边界 约束条件等。 第2 页 堡主遣奎兰里! ! ! 婴! 竺! 旦查圭兰塑壹堡歪坌堑量苎整婴壅 一一 ( 4 ) 对y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架结构进行了静态分析。车架结构的静态分析包 括两方面：结构的刚度分析和强度分析。剐度分析包括弯曲刚度和扭转刚 度分析：强度分析主要从整体出发，对车架不同部位的强度进行了计算。 讨论了车架的应力分布以及位移，并与车架的静力强度试验结果进行了分 析比较。 ( 5 ) 对y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架进行了动态分析。动态分析包括模态分析与响 应分析两个方面。通过对y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架的模态分析，从宏观的 角度来分析该车的刚度和强度。而通过响应分析可以确定该车在通过某些 典型路况时局部应力随时间历程的变化情况，这样则从另一个角度对 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架强度进行分析检验。 ( 6 ) 对车架进行了疲劳寿命分析。通过疲劳分析，找出车架危险截面，提出改 进措施，克服疲劳，消除隐患。 ( 7 ) 根据静力强度分析结果对车架进行了结构优化。找出对整个结构性能影响 敏感的参数，利用i - d e a s 软件建立车架优化模型，通过调整敏感参数值， 达到优化车架结构的目的。 第3 页 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架有限元分析与试验研究 2 车架有限元模型的建立 2 1 有限元法的基本原理与方法 2 1 1 有限元法基本原理 有限元法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体划分为有限个微小的单元 体，这些微小的单元体称为“单元”，两相邻单元间只通过节点相连接。将作用在结 构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量，以这些单元体的集合替代 原来的连续结构实体，这一过程称为连续体的离散化。 离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程，因此也称为 模型化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的连续弹性体上分析的问 题转化为在离散化的模型上解一个多元代数方程。有限元方法的求解过程简单，方法 成熟，但计算工作量大，这特别适合于计算机计算，避免了人工在连续体上求分析解 的数学困难，这就是有限元方法广泛应用于复杂结构力学分析的原因【7 】。 有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法、应力法和混合法。应用最多的是 位移法。 在位移法中，通常选取多项式函数近似地表达单元体内位移分量的分布，这一 通过节点位移表达单元内部位移规律的函数称为插值函数，不同单元形式可以有不同 类型插值函数。有了插值函数，即可利用变分原理建立单元节点力向量和节点位移向 量之间的关系，即单元刚度矩阵。应用节点力平衡条件和协调条件，将所有单元刚度 矩阵方程扩展后叠加，建立结构整体节点力和节点位移的关系方程结构总刚度方 程，结构总刚度方程是一个以节点向量为基本未知数的代数方程组。引入约束条件后 即可用计算机求解结构节点位移，代入单元刚度方程后即可求得节点力和各单元内部 应力和应变分量t ”。 2 1 2 有限元方法与步骤 有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用c a d 软件建立三维实体几何模 型，将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后 求出各单元体节点力和位移。 有限元分析的具体步骤是：( 1 ) 离散化，即划分单元或网格；( 2 ) 施加载荷，描 述约束；( 3 ) 计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程：( 4 ) 求解结构整体刚度 矩阵，建立结构整体平衡方程：( 5 ) 求解线性代数方程组，得出各节点位移，由节点 位移求各单元节点力；( 6 ) 显示处理计算结果。 在上述各步骤中，第一、二步可以划入前处理过程，第六步可以称为后处理，其 余几步则是主要的计算过程。因此上述步骤也可以归纳为如下流程： 第4 页 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3 ah 客车车架有限元分析与试验研究 ( 1 ) 离散化 将原来连续的单元体假想地分割成为一个离散的结构，这一离散化的结构由有限 多个形状简单的构件组成，这些有限大小的构件称为有限单元或简称单元，相邻单元 在节点处连接在一起，因此有限元法的计算模型实际上是一个仅在节点处连接，仅靠 节点传力的有限个单元的集合体。单元的形状和数目可以根据计算精度的要求和使用 的计算机的性能等合理选择。 ( 2 ) 单元分析 单元分析的主要目的是建立单元两n 度矩阵l | j ：r ，根据刚度矩阵便可进步得出 单元节点力和节点位移的关系。单元刚度方程的矩阵形式可表示如下： f p = k h 妒 ( 2 1 1 ) 其中：护p 单元节点力矩阵 k 】【。) 单元刚度矩阵 彷y 单元节点位移矩阵 由此可见，单元刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之间的关系。下面以平面 单元为例简要叙述单元刚度矩阵建立的具体过程。 确定位移模式 单元分析的第一步，对连续介质来说也是最关键的一步是由单元的节点位移来表 示单元内任一点的位移。为求单元内任一点( 工，y ) 的位移( u ，v ) ，可以先把”、v 假设为x 、y 的某种函数，这种作法称为选取位移模式。以三角形单元为例，单元内 任一点( x ，y ) 的位移可表示为： “? 1 2 a l 佃2 h q y ( 2 1 2 ) i v ( z ，1 y ) = b l + b 2 x + b 3 y 在选取位移模式后，经过交换便有关系式： 万b ，y ) ) = b ，y ) p ( 墨y ) ) i 。 ( 2 1 3 ) 其中： p g ，j ，) 单元内任一点位移矩阵 协g ，y ) 形状函数矩阵，由位移模式得出 占 ，力节点位移矩阵 由节点位移求应变 在弹性力学问题中，节点内任一点位移与应变之间的关系可由如下几何方程来确 定： 第5 页 硕士论文y b l 6 1 0 0 c 4 3 ah 客车车架有限元分析与试验研究 ( 2 1 4 ) 其中： t “方向的节点应变 q v 方向的节点应变 y 。垂直于“向平面且与v 向平行的切应变 而节点内任一点位移又可由单元节点位移来确定( 见式2 1 3 ) ，代入式( 2 1 4 ) 后，便 可得单元内任一点应变与单元节点位移之间的关系，简化成矩阵方程为： 埘= 陋弦( 2 1 5 ) 其中： 占 单元内任一点应变 陋j 几何矩阵，其中各元素均为只与单元性质有关的常量 p 忙单元节点位移 由应变求应力 利用弹性力学中的弹性方程就可由单元应变求出单元节点内应力，写成矩阵方程 形式如下： 纠= 眯 其中：p ) 单元内任一点应力 【d 】弹性矩阵 占卜一节点内任一点位移 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 6 ) 则得： p ) = d i b 弦= p 弦) “) 其中：p 卜号垣阵陋】与弹性矩阵【d 】的点乘，为一常量矩阵 由应力求节点力 由虚功原理可求得单元节点力与单元内任一点应力间的关系为： 护y = 陋】7 扫沁 其中：扩弘单元节点力矩阵 陋j 。几何矩阵的转置 p ) 单元内任一点应力 f 单元厚度 单元面积 将式( 2 1 6 ) 代入( 2 1 8 ) 可得： ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 加一缸 旦钞啄钞 勺 = 硕士论文y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架有限元坌塑兰堕墼堡塞 即：妒y = k p p y 至此，便得到了单元节点力与单元节点位移之间的关系，也得出了平面三角形单元在 此位移模式下的单元刚度矩阵表达式： k r = b y d i b 弘 ( 2 ，1 1 0 ) ( 3 ) 整体分析 相应的，整体分析的目的就是将单元刚度矩阵组合为整体刚度矩阵，组合整体刚 度矩阵一般使用刚度集成法。首先，把单元刚度矩阵扩大成单元的贡献矩阵，然后， 把各单元的贡献矩阵迭加，即可得到整体刚度矩阵。事实上，在用计算机实现上述过 程时，为节省存储容量，两个步骤是交叉进行的。 代入：妒 = 区弦 ( 2 1 1 1 ) 式中 f 整体载荷列阵，其元素为各节点上的载荷； l 足i 整体刚度矩阵； p 整体节点位移列阵 ( 4 ) 计算求解 ， 引入支承条件，便可对上式进行求解，得出各节点位移，再由节点位移求得各 节点应力，从而完成应力分析工作【i 】【2 】【”。 2 2 | - d e a s 软件简介 商用有限元分析软件种类繁多，其中最具代表性的有：a n s y s 、s a p 系列、 m s c n a s t r a n 、a d i n a 、a s k a 以及i _ d e a s 等等，这些有限元分析软件功能强 大，不仅可以分析线性问题而且可以分析非线性问题的动静态特性，不仅可以分析单 个实体，同时也可以分析多个实体的组合体。但部分有限元分析软件还存在一些不足， 比如，三维实体造型功能较弱，有限元分析的数模完全来自于其它造型软件，在其它 c a d 软件中完成三维实体造型，然后经过通用接口( 如i g e s 、d x f 等) 将三维实体 模型传递给专业有限元分析软件，再由这些有限元分析软件分析研究对象的相关特 性。几乎所有的c a d 软件都可输出i g e s 格式的几何模型文件，但该格式的文件中 只包含线和面的信息，而没有体的信息，而且i g e s 格式文件中会丢失掉部分信息， 甚至产生错误信息。而i - d e a s 集成软件系统不仅可以构造复杂的三维实体模型，而 且可以对所建模型进行有限元分析，并对最终结果进行处理与显示。 i - d e a s 是美国s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ) 公司开发的 集成工程分析与设计软件系统。i - d e a s 软件可在众多的工程工作站上运行，如s u n 、 h p 、i b m 、s g i 等工作站上都有运行版本【8 j 。另外，s d r c 公司为推广i - d e a s 的使 用范围，还推出了微机版。 由于s d r c 公司早期是以工程与结构分析为主逐步发展起来的，所以工程分析 第7 页 堡主堡苎望堑! 竺坐! ! 坚查主兰塑蔓里垂坌堑兰堡竺堡查 是该公司的特长，如i - d e a s 软件拥有多种解算器及优化设计组件。由于解算器是 i - d e a s 集成化软件的一个组成部分，所以对分析计算无需附加输入文件，这样就减 少了大量的计算准备工作，并保证了建模、解算和结果显示之间的数据统一性和正确 性，这就是本课题选用i - d e a s 软件作为有限元分析工具的重要原因之一。另外， i - d e a s 还以其强大的前、后处理功能闻名，在前处理方面，它可以直接利用i - d e a s 零件主模型、装配体主模型或其它c a d 系统生成的主模型自动生成有限元网格。生 成网格的方法有：自由网格生成、自适应网格生成、任选区域网格生成及人工划分网 格等多种方法。软件支持的单元包括有梁单元、杆单元、壳单元、实体单元、质量单 元、弹簧单元、刚体单元、问隙单元等近6 0 多种单元。在后处理方面，它能以多种 不同的显示形式表现分析结果，如几何变形图、应力等位线图、各种曲线图等，另外， 软件还提供了二维曲线与三维曲线的显示方式，在利用图形显示的同时，用户可以根 据需要进行相关或单独的数据结果输出1 9 1 1 1 0 j j 1 1 2 l 【l ”。总结起来，i - d e a s 具有以下优 点【1 4 】： ( 1 ) 直接从i - d e a s 零件主模型、装配体主模型或从其它c a d 系绞模型自动 生成有限元网格。 ( 2 ) 单元库提供约6 0 种单元，多种有限元建模方式。 ( 3 ) 多种载荷与边界条件定义方式。 ， ( 4 ) 提供丰富的图形和数据工具用于检查有限元模型的正确性和网格优化，并 提供分析结果的观察和后处理。 ( 5 ) 能与2 0 多个专业有限元分析软件集成。 另外，卜d e a s 软件中的“产品仿真”模块包括下列功能选项： ( 1 ) 仿真建模( s i m u l a t i o nm o d e l i n g ) 有限元建模是有限元分析的第一步，它是通过m a s t e rm o d e l e r 功能模块完成的。 ( 2 ) 高级f e m ( e x t e n d e df e i v l ) 该模块用于非线性有限元分析，提供自由网格、映射网格、人工网格等多种网格 划分功能。 ( 3 ) 粱建模( b e a mm o d e l i n g ) 专门用于各种梁的有限元建模，任意梁横截面造型、分析及后处理。 ( 4 ) 仿真解算( s i m u l a t i o n s o l u t i o ns e t ) 直接对有限元模型进行求解与优化的综合系统，以仿真建模为先决模组 ( 5 ) 仿真顾问( s i m u l a t i o na d v i s o o 指导用户完成有限元建模、求解和对计算结果解释的内置专家系统。 ( 6 ) 线性求解器a ( m o d e ls o l u t i o nl i n e a r ) 用于求解线性热场和流场有限元分析的模块，以多种固定形式给出求解参数和输 第8 页 堡主堡奎 翌坚! 竺坐! ! 坚查圭兰墨塑里垂坌堑皇苎叁翌塞一 出结果，使运行简化。 ( 7 ) 模型响应( m o d e lr e s p o n s e ) 线性求解器的扩展，预测有限元模型的动态响应能力。 ( 8 ) 优化( o p t i m i z a t i o n ) 对结构作改进设计，包括设计目标和几何形状的优化，各种物理属性和材料的优 化。 ( 9 ) 变量化分析( v a r i a t i o n a la n a l y s i s ) 一次迭代( 一次网格划分和一次解算) 计算，变量化分析即可提供针对相应设计参 数的重复变化的分析结果。实现一次解算，便得到多种方案的最佳效果。 ( 1 0 ) 非线性求解器( m o d e ls o l u t i o nn o n - l i n e a r ) 用于载荷、材料特性、接触条件或结构刚度随位移变化的非线性条件下的有限元 分析。非线性求解器支持几何非线性、材料非线性、面面接触及它们综合的分析，还 支持加载自动步长控制和弯曲分析等复杂问题”“。 2 3y b l 6 1o o c 4 3 a h 客车车架结构特点分析 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车是亚星奔驰公司根据市场要求在原有车型上改装奔驰发动 机而成。由于该发动机比原有发动机重5 0k g ，并对车架局部进行了相关改动，故必 须对该车架重新进行校核。 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车身为半承载式车身，结构复杂，各构件应力分布也很复杂。 该车架为三段式，前后为分段纵梁，中间为桁架( 如下图2 3 1 ，2 3 2 ) ，桁架与车身 蒙皮及覆盖件相连，与车架骨架、左侧围骨架、右侧围骨架、顶盖骨架及前、后围骨 架等构成车身骨架，各骨架主要采用型钢焊接而成。车身骨架在车辆行驶时承受弯矩 和扭矩载荷。这种半承载式是一种过渡型的结构，车身下部仍保留有“车架”，但其 强度和刚度可稍低于非承载式的车架。半承载式的车身也分担部分载荷，以此来减轻 车架的自重力。由于车身下部和车架组合成为一整体，车身也能分担部分弯曲和扭转 载荷。但由于这种车身结构型式还保留有车架，因此其轻量化受到一定程度的限制。 第9 页 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架有限元分析与试验研究 图2 3 1y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架 图2 3 2y b l 6 1 0 0 c 4 3 a t t 客车底盘 2 4y b l 6 1o o c 4 3 a h 客车车架技术参数 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车总体及车架主要技术性能指标如下：( 含义如图2 4 1 所示) 车辆满载质量( k 曲： 前轴负载( k g ) ： 后轴负载( k g ) ： 质心位置( 咖n ) ： 整备质量( k 曲： 1 3 2 0 0 4 2 0 0 9 0 0 0 x = 3 5 7 9 5 ，吃= 1 3 2 5 5 8 8 3 5 质心位置( 衄n ) ：x = 1 7 9 7 5 ，h ：= 1 6 7 2 堡主笙苎 翌望! ! ! 竺! ! 坚查主主墨互堡垄坌堑曼堕竺旦垄- - 一 车架质量( k ) ： 9 4 0 油箱质量( k g ) ： 2 0 0 电瓶质量( k g ) ： 1 4 0 发动机质量( k g ) ( q m 9 0 6 l a ) ： 5 3 0 轴距( 删： 5 2 5 0 最高车速( k i r 汕) ： 1 2 5 前悬弹簧刚度q ) ： 1 8 5 0 0 0 后悬弹簧刚度( n m ) ： 3 6 2 6 0 0 图2 4 i 整车参数示意图 2 5y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架有限元建模 2 5 1 车架几何模型的建立 现代有限元分析法中，有限元模型大多基于c a d 图形的几何基础建成，也有 直接形成有限元网格来模拟，如果有精确的几何数据点，采用后一种方法，也是 可以的，但其工程很大，尤其对于大件、复杂件工作量更大。在y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架的建模过程中，基本采用基于几何的有限元分析方法。 汽车及其所有的零部件都是三维实体。为了使计算机能准确地再现这些物体， 就需要采用精确的描述方法。三维几何实体的基本组成元素是点、线、面和体。 一般有下面几种形式：1 2 1 线架模型线架模型是用一系列空间直线和圆弧来表示的轮廓线，从而绘出立 第1 1 页 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3 ah 客车车架有限元分析与试验研究 体图。这样的三维实体模型所含的数据量少，数据结构简单，算法上处理方便， 可以存储直线的始点和终点坐标，可以存储一段空间圆弧的起点和终点、圆心位 置和圆弧走向，也可以用三次参数曲线逼近圆弧段，存储埃米尔特插值形式的两 点两斜数或b e z i e r 曲线的特征多边形顶点。单纯的线架模型由于不包含面的信息， 无法在程序处理中自动消除隐藏线，也不可能自动生成物体的剖视图，计算体积、 惯性矩等几何特征和物理属性。 表面模型对于一些外形复杂的产品，多用一组曲面表示物体的外形，曲面表 达式从经典的解析二次曲面和多项式样条函数过渡到参数矢量方程。 立体造型( 实物造型)立体模型的建立通常采用“显式的边界表示法 ( b 砌p ) ”。通过对物体边界的描述来达到表示物体的目的。在这里，边界是 物体的一部分，边界将物体的内部点和外部点划分开来。在y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车 车架的建模过程中，原来采用实体造型，后来由于客观条件的限制，车架造型很 难用实体完全显示出来，故改用表面造型。 特征参数造型 这种技术是将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成 特征的几何。每个特征通常以属性来描述，以说明形成特征的工序类别及特征的 形状、长、宽、直径、角度等来满足特征要求。 在y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架的实际建模过程中，以面代替体，在其特征属性 中，定义各实体的参数，在保证特性的同时，不拘泥于形似，进行局部的简化， 对纵梁上的非关键点迸行抑制，在减少建模规模的同时，确保网格划分顺利进行。 车架简化几何模型如下图所示： 图2 5 1 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架几何模型 硕士论文y b m l o ( ! 坠塑坚查主奎! 堕堕! 堂兰苎! ! ! 堕 2 。5 2 模型的网格划分 汽车的车架大多数由薄壁型钢焊接和铆接而成，其中槽钢就是最常用的一种型 钢，y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车也采用槽钢。由于载荷常常不通过这些薄壁截面的弯曲中 心，由材料力学可知，这些杆件不但要发生弯曲变形，而且还要发生扭转变形。薄 壁杆件的抗扭能力较差，当汽车在高低不平的路面上行驶时，必须考虑到杆件的扭 转变形。 在车架有限元分析中根据不同的计算目的，可选用不同的计算模型，常用的计 算模型一般有粱单元模型，板单元模型和组合单元模型等。梁单元的优点是建模工 作量相对较少，缩短了计算时间，同时在动态分析时精度较好，但应力的计算结果 比板单元的精度差，连接的处理也需要大量的经验和试验数据作参考。板单元描述 模型比较详细，因而精度相对较好一些，连接情况的处理也比较详细，而且对于 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a f i 客车车架，面临着大量的薄壁结构，如纵梁、横粱等，相对于槽钢 的壁厚而言，其长度很大，非常适合使用板单元进行建模。因而本文在车架分析过 程中采用精度较高的板单元模型。 在建立板单元刚度矩阵时，板单元有三节点、四节点、六节点j 八节点等几种 类型的单元，由于y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车的车架纵粱为平直的槽钢，故可以采用四 节点或八节点单元，而八节点单元精度较高。对于高次单元由于内部应力不是常量， 可以较好地适应结构变化的应力场，用较少的单元可以得到较好的结果。但高次单 元的刚度矩阵比较复杂，形成结构刚度矩阵要花费较多的计算时间。 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架中运用四节点单元已能满足要求。在分析过程中单元的长 度分别取7 0 m m 、3 5 m m 、2 5 m m ，并进行分析比较。 对于长度为7 0 m m 的单元而言，单元的质量不是很高，在建模过程中，由于采 用自适应网格划分，软件为了保证最小的单元畸变，所形成的单元有1 9 5 0 6 个，单 元数目反比3 5 r a m 的多。而且容易造成刚度矩阵奇异，不利于结果向真实值的收敛。 而长度为2 5 m m 的单元，划分单元质量比较高，划分完后，共有3 1 5 0 1 个单元， 车架的变形与实际情况相符。 长度为3 5 r a m 的单元精度基本与前一种情况相同，但划分完后有1 7 0 6 3 个单元， 计算速度有所提高。故在后面的分析过程中，有限元单元长度取3 5 m m ，既满足精 度要求，计算速度也比较快。 单元具有物理属性和材料属性两种属性，对于材料属性可根据实际情况赋以不 同的数值，材料属性包括弹性模量、剪切模量、密度等属性，而对于物理属性在计 算中主要关心其厚度属性。 车架可分成以下各个独立组件，各模块板单元相应材料属性和物理属性如下 ( 表2 5 1 ) ： 第j 3 页 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架有限元分析与试验研究 表2 5 ，1 车架材料属性表 左右后下左右后上左右内腹 左右外 前纵梁 第一第二第三 纵梁纵粱板腹板横粱 横梁 横粱 钢板钢板钢板钢板 钢板钢板钢板钢板 6 。06 o5 o6 o8 o5 o5 o5 0 1 6 胁止1 6 舭1 6 如上1 6 m n l1 6 西正1 6 卉正1 6 j j l 锄1 6 胁正 第五第六 发动机左发动机下 后上后下 发动机后 横梁横梁 右支架支架支架支架下横梁 钢板钢板钢板钢板钢板钢板钢板 5 o5 0 8 08 o8 06 04 o 1 6 如1 6 m n l1 6 m n l1 6 靠此 1 6 砌1 6 肋正1 6 m n l 这些组件材料规格如上表所示，密度均为7 9 0 0 k g m 3 ，泊松比为0 1 3 ，剪切弹性 模量7 9 4 g p a ，杨氏弹性模量2 0 6 g p a 。 由于车架焊点和铆接点强度和刚度都较大，不须进行校核，对于划分完的各部分 网格，用没有任何属性的刚节点对焊点和铆接点进行模拟。对于车架的桁架部分采用 梁单元进行模拟，梁单元与板壳单元用刚单元进行连接。 2 5 3 边界条件的模拟 2 。5 3 1 车架受力情况模拟 车架载荷按作用形式可分为动载荷和静载荷。 ( 1 ) 静载荷 汽车静止时，车架只承受钢板弹簧以上部分的载荷，它由车身和车架的自身质量、 车架上各总成与附属件质量及有效载荷( 乘客与行李的总质量) 组成，其总和称之为 静载荷。对于y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架静载荷分布按照部件的安装位置和其重量的 大小进行处理，多处定位的部件参考其重量对该位置进行载荷的分配【1 6 i 。 车身重量和载荷按照集中载荷在其支架上进行平均分配； 发动机重量按其支承位置进行分配，并按集中载荷处理； 油箱、方向机、蓄电池等按集中载荷进行加载； 车架重量简化为均布载荷，对每个节点施加自身重量。 ( 2 ) 动载荷 行驶中的汽车主要受动载荷作用，动载荷又可分为对称的动载荷和非对称的动 载荷。当汽车在平坦的道路上，以较高车速行驶时，产生对称的动载荷，它的大小不 仅取决于作用在车架上的静载荷及其在车架上的分布，还取决于静载荷作用处的垂直 加速度，受这种载荷作用。车架会产生弯曲变形。当汽车行驶在崎岖不平的路面上时， 第1 4 页 硕士论文 y b l 6 t 0 0 c 4 3 ah 客车车架有限元分析与试验研究 前后几个车轮可能不在同一平面，因而产生非对称动载荷，它的大小取决于道路不平 程度，以及车身、车架和悬架的刚度，受这种载荷作用，车架会产生扭转变形。车架 除受纯弯曲、纯扭转外，还受弯曲和扭转的复合变形。 动载荷和静载荷对车架的作用不相同，在以后的分析中，会采用不同的简化形 式，但作用力的分布与静载荷相同。 2 5 3 2 约束条件的模拟 在建立有限元分析模型时，还必须考虑到载荷和约束的影响。车架通过悬架系 统、车桥和车轮支承在路面上。轮胎的刚度比悬架的冈0 度大得多，为此，将与车架 连接的钢板弹簧及车轮轴简化为两个弹簧和一个刚度较大的实心梁结构。简化后的钢 板弹簧和车轮轴模型见图2 5 2 【”。 图2 5 2 钢板弹簧简化模型 图中c 。为钢板弹簧的刚度； a 板簧下支点到前吊耳的水平距离； b 板簧下支点到后吊耳的水平距离。 在强度和刚度校核过程中，为了便于进行模拟，在边界条件中将四个车轮的所有 移动和转动六个自由度全部约束掉，这样完全消除结构刚体运动的可能性，从而求得 在载荷作用下，结构变形的精确解。 综合以上分析得车架有限元模型如图2 5 3 ： 堕主堡奎! 里垡! 旦! 竺竺! 望查圭兰垫壹堕垂坌塑兰蔓竺翌塑一 图2 5 3 车架边界条件 在完成了上面各步之后，可以对车架进行强度的校核。 2 6 本章小结 本章以有限元的基本理论为基础，利用i - d e a s 软件对y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架 进行了有限元建模。在建模过程中，对车架进行了必要的简化，用四节点板单元对车 架进行离散，采用自适应法对车架进行网格划分，边界条件和作用载荷与车架的实际 工况相同，为下一步的分析做好准备。 第1 6 页 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3a h 客车车架有限元分析与试验研究 3y b l 6 1o o c 4 3 a h 客车车架静态分析 依据上一章所建的有限元模型，本章将对y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架进行静态有 限元分析。车架结构的静态分析方法有两种：试验分析和计算机仿真分析。本章将首 先利用有限元方法进行计算机仿真分析，并在下一章中对所得结果与试验结果进行分 析比较。 车架结构的静态分析包括两个方面的内容：刚度分析和强度分析。 3 1 强度分析 强度是机械零件正常工作必须满足的最基本的要求。机械零件在工作时，不容许 出现结构断裂或塑性变形，也不容许发生表面损坏。强度是指零件抵抗这类失效的能 力 1 7 1 。零件的强度分体积强度和表面强度，前者是拉伸、压缩、剪切、扭转等涉及 零件整个体积的强度，后者是指挤压、接触等涉及零件表面层的强度。在体积强度和 接触强度中，又可以各自分为静强度和动强度。 3 1 1 静强度分析 静强度是指在静应力时的强度，在有限元分析过程中，利用前一章所锝的有限元 模型和i - d e a s 仿真模块中的s o l v e r 功能进行计算，经处理得车架总体应力、位移分 布云图如图3 1 1 、图3 1 2 所示： 图3 1 1 车架应力分布云图 第1 7 页 堡主堡奎 翌竖! 旦堕塑塑查主圭茎宣里型堑量苎矍塑堕r _ 一 图3 1 ，2 车架位移图 由应力、应变分布云图可看出：y b l 6 1 0 0 c 4 3 a h 客车车架总体应力偏小，只是在 力的施加点处应力值稍大，但仍然比材料的强度极限小得多。应力分布中的极值点出 现在钢板弹簧与车架的连接点，该值大于车架材料的屈服极限，这与建模过程中车架 及钢板弹簧的简化有关，简化时将钢板弹簧直接与车架固接，实际的车架与钢板弹簧 通过板簧支座连接，并未直接接触，不会在某一点产生破坏。车架位移图中最大的位 移出现在右后纵粱伸出的支架外端，数值偏大，主要是由于位移图中以板簧支点为约 束点，故图中位移包括板簧变形、车架变形以及由车架弯曲及后悬引起的车架刚体位 移，其中最大的车架变形只有2 m m 左右。 在后处理中，取与下一章试验分析中对应的点，应力值列表如下( 铡点分布图见 42 2 ) ： 表3 1 1 相关点理论应力值 测点 l2345678 序号 应力值 + 3 1 3 50 9 1 4 一1 9 4 5 0 4 0 13 7 3 + 7 7 2 l + 1 8 5 9+ 9 9 3 l ( n 田a ) 测点 9l ol l1 21 31 41 5 序号 应力值 + 8 4 5 1- 1 2 4 41 5 4 35 0 5 67 4 5 9+ 1 7 5 8+ 2 9 2 ( 田a ) 表中所得结果，“+ ”表示该点所受应力值为拉应力，“”表示该点所受应力为 压应力。 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3a h 客车车架有限元分析与试验研究 该车架材料为1 6 m n l ，根据材料性质可知，其屈服极限为：o ，= 3 4 5 m p a ，抗拉 强度极限o 。= 5 1 0 6 6 0 m p a ，根据计算所得结果可知：该车架所受静强度远远低于材 料的强度极限，满足车架的性能要求。 同时由表中所得数据可知，测点7 、1 0 所受的静应力相对较大，点1 2 位于左纵 梁方向机支架处，测点1 4 位于右纵梁在发动机支架开口处，比较关键，在下一章将 会将其取出作响应分析。 3 1 2 动强度分析 上面所做的分析只是在车辆静态，四轮位于同一平面时的应力应变情况，而汽车 在实际行驶过程中，车架主要受动载荷的作用。而动载荷大小主要通过动载系数衡量， 动载荷系数决定于三个因素：道路条件，汽车行驶状况( 如车速) 和汽车的结构参数 ( 如悬架弹性元件的刚度，车轮刚度，汽车的质量分布等) 。如前所述，由于这些因 素很复杂。因此，在分析时往往分别对某些简单的路面情况进行研究，动载荷系数则 取一些理论研究与试验相结合的半经验数值 1 5 1 ”】。 3 1 2 1 对称垂直动载工况 垂直作用力t ，可按下式来确定：1 1 9 耻+ 警i i + v - 与i 小等穗“2 8 7 式中：c l 前悬架刚度，c l = 1 8 5n m m g 后悬架刚度，c 2 = 3 6 2 5 n m m 瓯自重，g 。= 1 3 2 0 0 0n 五经验系数，根据有关资料，取z = l o o o ( 七搠h ) 2 屹车速，对于该客车取v 口= 8 0 k m h h 路面不平度，对于客车取矗= 8 0 棚删 硕士论文y b l 6 1 0 0 c 4 3a h 客车车架有限元分析与试验研究 根据上述计算取保守值k z s22 0 ，丽经验中轿车和客车 k 。= 2 0 2 5 ， 即以上取值符合常规设计的要求。 在实际加载时，可将车身自重、附件及装载重量乘以动载系数所得的垂直载荷 f 。施加在相应的节点上。重新进行解算，得应力分布云图如下 图3 1 3 对称垂直动载作用下应力云图 硕士论文 y b l 6 1 0 0 c 4 3a h 客车车架有限元分析与试验研究 相应各测点应力值如下：