基于ANSYS的车架结构优化设计

1、基于ANSYS的车架结构优化设计Optimization Design of Frame Structure Based on ANSYS 摘要：汽车经过130多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要内容。在汽车结构中，车架作为整车的基体和主要承载部件，具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车内、外各种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。本文以某运油车车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为汽车安全

2、与节能设计提供了理论支持。同时对车架也进行了模态分析，得出车架的固有频率与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。 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 pa

3、rt and the main bearing 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 s

4、tudied. We simplify and 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 AN

5、SYS. According to the 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

6、 for avoiding resonance and improving ride comfort and improve the level of vehicle design. 关键词：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析Key words: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis1 绪论1.1 概述最初汽车的发展，通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。这种方法不仅浪费财力人力，而且生产周期长，研发效率低，不能适应现代产品高效开发的要求，且只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无

7、法帮助相关人员了解问题的实质Error! Reference source not found.。随着计算机信息技术与相关学科和方法的迅速发展极大地促进了相关行业和科学研究地进步，出现了新兴的综合延伸高效的学科。CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术Error! Reference source not found.，逐渐应用到更为广阔的科学研究领域中。在某种意义上数值模拟比传统方法对问题的认识更加深刻，更为严谨，不仅可以分析问题的结果，而且还可以动态地、随时连续地观察事物的发展，细致地了解整体与局部的发展过程Error! Reference source not found.。其中，近年发展起

8、来的各种数值模拟仿真方法如有限元、多体动力学、计算流体力学等技术在产品结构分析设计中得到大量应用，可以解决以往手工计算无法解决的许多问题，提高了行业竞争力，为企业带来了巨大的经济效益和社会效益Error! Reference source not found.。作为汽车总成的一部分，车架承受着汽车内外各种复杂激励的作用，而且汽车上许多重要零部件都以车架为基体Error! Reference source not found.，因此，设计出包括安全节能在内的各方面性能良好的车架是重要的工作。1.2 研究背景有限元法已成为汽车设计研制中的一个重要环节，在汽车研究的过程中，包括如车架、车桥、车身、悬

9、架、发动机箱体、曲轴、离合器等总成以及NVH分析都要通过有限元进行校核和优化，大大的提高了汽车设计的水平和研发能力。目前，车架进行设计时，设计研究人员通常会简化车架。但是，简化车架容易导致两个问题：车架简化过多导致求解精度不够，容易使车架产生安全问题，同时为避免安全问题而使汽车设计过于安全，使资源耗费较多，增加了成本，不利于实现汽车轻量化和节能减排的设计理念；车架的设计与计算不同步，造成设计人员与制造人员沟通不顺畅，很难达到技术目标的质量和设计的要求，不利于提高车架设计人员的设计水平和生产效率。现代车架设计已发展到包括动态仿真分析、优化设计等在内的计算机分析、优化和仿真阶段Error! Ref

10、erence source not found.。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架重要的研究方法。本文用ANSYS软件对某型运油车的车架进行静态与动态分析，对进一步研究设计提供了有效的理论依据。1.3 本文的主要研究内容本文以某运油车的车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS对车架进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束。对车架进行包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，对位移图与应力图进行分析，为提高车架与整车的设计水平提供了理论基础，对提高安全性与节能提供了理论价值。同时也对车架进行了模态分析，得出固有频率与振型图，

11、提高整车的设计水平，对提高乘坐舒适性与避免共振提供了理论支持。2 基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模2.1 有限元法简介有限元分析分为三个阶段，即前处理是对几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型；处理是施加作用力，进行自由度约束，建立边界条件进行求解的过程；后处理是使用户查看求解分析结果，分析计算问题的实质，方便后期研究分析。（1） 有限元法的分析步骤有限元求解问题的基本步骤包括： 结构离散化。 选择位移模式。 分析单元的力学特性。 把所有离散单元的平衡方程整合成一个整体平衡方程。 由平衡方程求解节点位移。 计算单元应变和应力。（2） 有限元法的特点 对复杂几何构形的适应性单元具有

12、良好的空间性，并且具有不同的形状与连接方式，在实际的应用领域中许多繁琐复杂不规则的结构都可以进行网格划分建立有限元模型。 对各种物理问题的适用性由于场函数形式并未受到限制，因此适用于各种力学，电磁学等有关问题，而且还可以用于相互耦合的各种物理有关的问题Error! Reference source not found.。（3） ANSYS单元库体系ANSYS单元库体系中有对各种问题分析时所需的单元类型，每种单元类型都有一个特定的标识，例如，SOLID45，SHELL28，BEAM24等单元类型，其数字表示编号，数字前面的是表示单元类型的前缀Error! Reference source not

13、 found.，SOLID表示实体单元，SHELL表示壳单元，BEAM表示板单元。主要类型见表2.1。表2.1 ANSYS单元库体系Tab. 2.1 Cell library system of ANSYS单元类别单元维数单元名称结构点单元-MASS21结构线单元2DLINK13DLINK31、LINK160、LINK167结构梁单元2DBEAM3、BEAM233DBEAM4、BEAM161、BEAM188结构实体单元2DPLANE55、PLANE121、PLANE2303DSOLID70、SOLID97、SOLID123、SOLID168、SOLID231结构壳单元2DSHELL61、SSH

14、ELL2093DSHELL163、SHELL281结构管单元3DPIPE288、PIPE289结构界面-INTER202、INTER204结构多点约束单元-MPC184联接单元-COMBIN165、COMBIN2142.2 车架几何模型建立2.2.1车架几何模型简化使用CATIA建立几何模型，简化结构的思路是：（1） 尽可能使建模简化如果不对复杂结构进行简化，则划分的节点与单元数量庞大，分析时耗费的资源就越多，严重时导致分析计算崩溃。所以建立几何模型时，由于纵梁与横梁的连结为焊接和铆接，所以将纵梁与横梁简化为整个刚体，另外忽略车架结构中得一些配件安装的辅助结构，例如吊耳等，既有利于简化几何建模

15、，也有利于对几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型。（2） 忽略细节特征在建立几何模型时，忽略对整体结构分析产生较小影响的局部特征，将一些过渡结构简化为原来的结构形状，同时将小孔以及倒角等特征简化为原实体，避免分析时出现错误。3 车架有限元静态分析3.1 车架载荷分类与处理3.1.1 静载荷汽车静止时，车架只承受簧以上的负荷，它是由车骨架结构自身产生的重量、车架上各零部件总成的重量及有效负荷组成，这些负荷的总和叫做静载荷。对负荷进行处理，发动机、变速箱、油箱、水箱等总成零部件，其作用力作用在车架的节点上，把他们作为集中力来处理。而对于货物和驾驶室来说，由于他们在车架上的分布较为均匀，所以把

16、货物和驾驶室的作用力，处理为他们作用面的平均力。车架的自身重量用重力加速度来表示，人的重量按每人65Kg进行计算，按乘坐3人考虑。考虑到与实际情况的差异以及分析计算时的难度等，主要考虑以下作用力，发动机4510N，变速器1460N，轮胎225.4N，油箱1626.8N，货物46354N，驾驶室6321N。3.2 车架工况的有限元分析通常路况与车况具有很大的随机不确定性，则车架受到的汽车内外各种激励也就充满复杂性。车架受到的载荷按作用表现形式主要有以下几种，包括货物在内的汽车各总成零部件在重力作用下所产生的载荷称为弯曲载荷；由于路面粗糙度以及汽车行驶速度的影响，汽车在行驶过程中通常会有某一车轮处

17、于悬空状态，致使车轮支撑不均衡，这就容易导致车架受力不均匀而产生扭转载荷；由于路况的随机性，会导致汽车在良好路面频繁加速以及在状况不好的路面频频制动减速，另外还有爬坡与下坡等状况，致使车架在惯性力的作用下产生纵向载荷；由于路况的变化，汽车需要急转弯等转弯状况时，由于存在向心加速度，会使车架产生横向的力，通常称为侧向载荷。我们通常把引起上述四种载荷的工况为汽车行驶时的典型工况，即弯曲工况、扭转工况、紧急制动和紧急转弯工况。在各个工况的分析中，要保证车架的使用要求，即车架的性能参数均应满足材料的性能参数，以保证汽车各方面的性能。其中，车架所采用材料为Q235钢，其屈服强度为235Mpa，抗拉强度为

18、375460Mpa。3.3.1 满载扭转工况利用ANSYS软件对车架施加作用力与重力加速度，计算时约束右前轮UX、UY，约束右后轮UX、UY、UZ，约束左前轮UY,移动量为0.1，约束左后轮UY、UZ；释放其他自由度（横向：X，垂直：Y，纵向：Z）。扭转工况分析与弯曲工况类似，只需按照步骤（2）添加自由度约束即可。计算得出满载扭转位移图（如图3.5所示）和应力图（如图3.6所示）。图3.5 扭转工况位移图Fig.3.5 Working condition of torsion displacement diagram图3.6 扭转工况应力图Fig.3.6 Working condition o

19、f torsion stress diagram由图3.5可以看出，车架整体变形量比较小，发动机的两点支撑处变形量较大，可能与汽车在扭转工况下，车轮与地面接触不好，使车架受力较大，造成发动机的支撑点变形较大。由图3.6可以看出，车架整体应力变化较小，总体受力较均匀，但发动机的支撑点处，应力最大，但仍小于车架的屈服强度，所以车架在扭转工况下满足使用要求。3.3.2 紧急转弯工况利用ANSYS软件对车架施加作用力与加速度，计算时约束右前轮UY、UZ，约束右后轮UY，约束左前轮UX、UY、UZ，约束左后轮UY；释放其他自由度（横向：X，垂直：Y，纵向：Z）。扭转工况分析与弯曲工况类似，需要按照步骤（

20、2）添加自由度约束，因为汽车在转弯时有纵向制动减速度与向心加速度，取值分别为4.9和3.92。分析结果查看紧急转弯位移图（如图3.9所示）和应力图（如图3.10所示）。图3.9 转弯工况位移图Fig.3.9 Working condition of swerve displacement diagram图3.10 转弯工况应力图Fig.3.10 Working condition of swerve stress diagram由图3.9可以看出，车架的位移量整体相差不大，其中轮胎处变形量较大，可能与轮胎和车架的连接方式有关，改进轮胎与车架的连接方式。由图3.10可以看出，车架的整体应力远小于

21、车架的屈服强度，满足要求。4 车架有限元模态分析4.1 模态分析简介模态振型是结构本身固有的、整体的性质。对车架进行模态分析可以了解车架的振动情况，分析车架的固有频率，从而对车架固有频率与汽车各零部件以及外部激励频率进行全面的分析研究，研究设计人员可以获得车架在对应情况下的振动情况，从而了解车架的位移、应力以及应变的变化状况。模态分析在结构性能评价、机构动态设计、机械的故障诊断与状态监测以及声控方面有着重要的应用Error! Reference source not found.。模态分析是找出主要模态，了解结构振动的实质，并用一系列简单独立的振动来表示复杂的振动，并用一系列固有频率、振型、阻

22、尼等模态参数表示的分析过程。通过模态分析来分析和研究车架的固有性质，并且通过分析一系列的车架模态参数对车架进行动态分析和仿真设计。车架与外界发生共振时，其表现的系统振动位移的一种形态称为固有振型，通过振型方程求解出的一系列特征值称为固有频率，当激励频率和固有频率相等时，就会产生共振Error! Reference source not found.，系统会产生较大变形量和振动噪声，使车架的可靠性和使用寿命大大降低。因此对车架进行模态分析是检验车架是否共振的有效方法。4.2 车架模态分析结果评价由于汽车结构复杂，各部分结构的固有频率均不同，所以汽车在行驶中常因路面粗糙度和汽车的各系统以及各零部件

23、激励作用而容易使整车与局部产生变形和振动噪声，影响可靠性，降低寿命。其中，发动机的悬置方式的不同会引起传动系统在传动过程中产生振动，振动会引起车身以及已车架为基体安装的各总成零部件等产生变形和振动噪声，影响汽车的耐久性与舒适性。车架所受到的随机激励主要取决于道路粗糙度,而路面的状况又有很大的随机性；其次道路的激励通过车轮等弹性元件传递到车架上，由于激励的随机复杂性，导致传递到车架上的作用力具有随机不确定性；再者不同的汽车在同样的路面激励下，车架所受的激励也是不同的。车架的固有频率如果与外界激励的频率相同时，会产生共振，引起较大的振幅与噪声,共振现象使汽车的动力性得不到充分的发挥，经济性变差。同

24、时，还会影响汽车的使用性能和行驶性能，使乘员产生不舒服和疲乏的感觉，损坏汽车的零部件与货物，严重时甚至产生安全问题，降低汽车的可靠性、稳定性和使用寿命。外界激励的频率可通过以下经验与公式来考虑：发动机的怠速转速频率与发动机怠速转速、发动机气缸数、发动机冲程数有关，则计算公式为f=2nz60r （4.5）式中： n-发动机的转速； Z-发动机的气缸数； r-发动机的冲程数。本运油车所采用的发动机型号为CA4DF3-13E3U为四冲程四缸直列柴油发动机，怠速转速为750r/min,所以发动机的怠速转速频率为25Hz；另外，该运油车限速为79Km/h,可知发动机的转速频率在90Hz左右。由模态分析结

25、果可知，图4.3所示的二阶振型为一阶扭转，图4.4第所示的三阶振型为一阶弯曲，图4.5所示的四阶振型为一阶扭转和一阶弯曲变形的组合，图4.6所示的五阶振型为二阶扭转，图4.7所示的六阶振型为二阶弯曲，图4.8所示的七阶振型为三阶弯曲。其中在第三阶振型中，从前数第四根横梁位置的附近，变形较大，可适当的在此位置添加加强版，提高其刚度。在第六阶振型中，第五根横梁附近变形最大，需要进行改进。在第七阶振型中，第四根与第六跟横梁变形最大，可对这两个位置做适当改进。由表4.1可知，在前七阶振型中，第四阶振型的最大变形量为145.113mm，在前七阶振型中变形量最大，最大的变形量位于车架的右支撑处，同时在左后

26、支撑处变形也较大，可以适当的改进此位置的支撑方式，来提高其刚度。同时，由表4.1可知，前七阶振型的固有频率均远远大于发动机的怠速转速频率，所以避免了在怠速状况下的共振现象。同时，在运油车行驶过程中，由于限速为79km/h，发动机的转速频率在90Hz左右，通过表4.1可以看出车架的固有频率均在150Hz以上，所以在运输过程中不会出现共振。另外，道路的激振频率一般在25Hz以下，由表4.1可以看出运油车的车架的固有频率在100Hz以上，故不处于道路激振频率范围之内，不容易发生共振现象。从图4.2至4.8和表4.1中，可以看出，车架的横梁振动幅度较大，对于驾驶室来说，会影响驾驶员的乘坐舒适性，容易引

27、起驾驶疲劳，容易产生安全问题，对与运输的货物来说，容易造成货物的损坏甚至发生意想不到的危险，所以通过阻尼材料减小振动时的振幅，提高整车的性能，也可通过改变发动机的悬置形式和调整传动系统的传动方式，降低对车架的激励。结 论随着计算机信息技术的发展，各种数值仿真方法广泛应用到科学研究领域中，在计算机辅助设计中完成的实体模型可通过这种方法，初步得到模型的应力分布、作用力的作用过程以及检验产品的有效寿命和工作可靠性和稳定性。其中数值分析方法中有限元方法从最初的飞机结构强度计算分析迅速发展到广泛的工程研究领域中，受到了研究人员的普遍关注，延伸到各种科学领域之中，能够分析各种繁琐复杂且人工无法计算的问题，

28、提高了求解速度与精度，成为一种高效实用的分析方法。传统的产品设计流程是依靠经验和公式对产品进行反复的分析计算求证，直到符合包括各种重要性能在内的使用要求，然后再由工程师依据计算结果进行产品设计，接着依托工厂按CAD模型进行加工处理制造，最后对产品进行实物试验，这种方法从计算到研制出产品，周期长，耗费较多的人力财力且产品不一定符合使用要求，具有不确定性。现在CAE 技术广泛应用于汽车行业，有限元分析方法得到了广泛应用，随着计算机信息测试技术的迅速发展，有限元分析的能力也有了很大的提高，汽车企业降低制造分析成本，提高了资源利用率，缩短了生产周期，提高了实时动态的反应市场能力和市场竞争力。通过本论文

29、得到以下结论。（1） 文中运用CATIA对车架进行了建模与简化，建立几何模型，并利用ANSYS 14.0软件对某型号的运油车的车架进行了参数定义、网格划分、自由度约束、载荷施加，建立能够用于解析的有限元模型。（2） 利用ANSYS对车架进行了包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况在内的静态分析，求解得出位移图与应力图，通过分析可得四种工况的最大应力均远小于材料的屈服强度，满足工况要求，其中弯曲工况下，车架的变形量最大。通过位移图与应力图可以适当的对薄弱的位置增加钢板厚度和钢板的形状等，在连接处可以改进曲率与连接方式以减少应力集中与变形量。对应力与变形较小的地方可以适当的减少材料，减少资

30、源浪费，提高资源利用率，提高汽车的轻量化设计与节能研究。当然修改后要进行再一次的计算和实验，保证车架整体的安全性能。（3） 对车架进行模态分析，得出了前七阶振型与固有频率。由表4.1可以看出，车架的固有频率都远远大于外界激励的频率，所以不会发生共振现象。虽然本文对车架进行了静态分析与模态分析，但考虑到与实际情况的差异，在建模时进行了简化处理，所以在有限元进行分析时，分析结果与实际结果必然存在一定的差异。所以，在今后的建模中注重与实际相结合，提高分析结果的准确性，为设计人员提供更有价值的理论参考。本文只对车架做了静态分析与模态分析，没对车架做疲劳分析。汽车运输过程中，车架受到的力是变应力，容易引

31、起疲劳破坏，疲劳破坏是车架研究的重要内容之一。虽然车架满足强度要求，但在车架设计中仍要避免应力集中，选用疲劳强度高的材料以及提高疲劳强度的热处理工艺，尽量提高车架的表面质量。车架的设计要与节能、轻量化以及减少噪声等方面做更进一步的研究。对车架进行全面的分析，提高车架的求解精度，使结果尽量与实际相符合。要注重与整车设计相联系，提高整车的设计水平，使汽车的各方面的性能达到最优化。现实的汽车结构材料各不相同，部件形式变化多端，连接方式多种多样，激励载荷纷繁复杂。所以，在今后的分析中，即保障汽车安全、舒适、可靠、经济、环保等要求，解决汽车整车及零部件的刚度和强度问题，振动和噪声控制成为汽车设计的重要内

32、容。致 谢本毕业设计是在导师-老师的精心指导下完成的，从论文选题到完成，导师都给予我很大的帮助。在毕业设计期间，导师渊博的学识、严谨求实的科学精神、科学的思维方式、敏锐的创新思维、认真工作的作风使我受益匪浅。同时，在学习过程中，导师无微不至的关怀令我深深感动，在今后的学习、生活和工作中我将切实铭记导师的教诲。在此，衷心的感谢-对我的培养、教育、关心和支持。感谢所有在学习、生活和工作中给予我关心、支持和帮助的老师、同学和朋友们，同时衷心的感谢参与评阅论文的各位专家、教授。参考文献1 张红松，胡仁喜，康士延等.ANSYS13.0有限元分析从入门到精通.北京：机械工业出版社，2011.2 李正网.基于ANSYS的重型货车车架结构分析和