基于ANSYS的货车车架的有限元静态分析

1、第35卷第2期拖拉机与农用运输车Vol.35No.22008年4月Tractor&FarmTransporterApr.,2008基于ANSYS的货车车架的有限元静态分析钟佩思,孙雪颜,赵丹,魏群,苏超(山东科技大学机电学院,山东青岛266510)摘要:对某汽车公司货车车架有限元模型进行了静态强度分析。运用三维绘图软件PROE建立了车架结构的CAD模型,并通过工程分析软件ANSYS10.0进行了分网和静态强度分析,获得了货车在不同工况下车架的变形量和强度载荷,校核该车架强度是否满足要求。关键词:静态强度分析;有限元;ANSYS中图分类号:U463.32文献标识码:A文章编号:1006-

2、(2008)FEMStaticAnalysisofonANSYSZHONGPei2si,SUNXueEIQun,SUChao(MelectrQingdao266510,China)AbstrastaticofthetruckframeFEMmodelofanautomobilecompanyisdiscussedinthisarticle.Atfirst,theCADfringe2beamframeissetupbythreedimensionsplotsoftwarePROE.Thenthemodelismeshedandthestaticstrengthanalysisismadebyen

3、gineeringanalysissoftwareANSYS10.0.Finally,gettingthedeformationvalueandstrengthenloadofwagonframeindifferentconditionsandcheckingthestrengthofframeissatisfiedwithrequireornot.Keywords:Staticstrengthenanalysis;FEM;ANSYS汽车是用车架把发动机、底盘和车身中各主要总成连成一体的。车架的功用是做这些总成的安装基体,承受这些总成的重量及其传给车架各种力,因此车架的可靠性关系到整车能否正常

4、运行,甚至关系到人的生命安全,设计过程中必须保证车架的刚度强度符合要求1优点是:模型前处理工作量小,划分的单元数目和节点数目少,计算速度快。其缺点是:不能正确地反映车架纵横梁的截面形状,无法仔细分析车架的应力集中问题,所以不能为车架纵横梁的连接方案提供实用的帮助。solid45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力2。本文采用8节点的退化的solid45单元进行有限元网格划分,得到该边梁式车架有限元模型。在有限元模型中,整个车架采用自由网格划分,尺寸控制选择9。划分网格后共计31767个

5、节点,86170个单元。以往的设计方法多通过经验与类比来确定参数,计算量大且结果的可靠性不高。随着计算机应用技术的不断发展,现已普遍采用有限元分析来解决这类问题。有限元分析软件ANSYS10.0在车架结构分析中显示了它的优势。本文在此基础上对某型农用货车车架进行了研究。1车架的CAD模型及有限元模型货车车架结构复杂,为了简化计算在建立有限元模型时,在不失对主要因素研究的前提下,略去那些为了满足结构或使用上的要求而设置的次要构件。某货车车架是边梁式车架,由左右分开的两根纵梁和若干横梁组成。该车架所有薄壁型槽钢铆接而成,材料为10TiL。车架全长6520mm,最大宽度为800mm,前后等高,高度为

6、200mm。为了减少单元数量,缩短后续网格划分工作,简化计算过2边界条件的处理本文研究的车架所对应的汽车为前悬钢板弹簧后悬主副钢板弹簧的结构。为便于计算,静力分析采用刚性支撑。整个车架上共安装了8个用于连接钢板弹簧的固定支座和吊耳,因此在每个纵梁底面建立了4个关键点。左纵梁前端关键点处完全固定,施加x,y,z三个方向的全部约束;左纵梁末端关键点处允许纵梁方向的位移限制横梁即x方向位移,因此施加x,y两个方向的约束;右纵梁前端关键点处必须限制整个车架在纵梁方向上的位移,因此施加y,z两个方向的约束,其余5个关键点处之约束y方向即垂直方向的位移,以消除车架的位移。对于所有铆接处,以刚性连接考虑。程

7、,对车架的部分细节进行了简化。本文应用PRO/E进行实体建模。车架CAD模型如图1所示。3加载及求解货车的实际工况复杂,故作用在车架上的载荷变化也很大。油箱、驾驶室等部件均依照实际安装位置进行加载,并根据其具体结构选择以均布载荷方式加载。根据实际工作情况不同分为以下3种图1车架CAD模型Fig.1TruckFrameCADModel工况。3.1满载时的静态分析(工况一)将生成的CAD模型以“.igs”格式中性文件导入ANSYS软件,生成“.db”文件格式。目前,对车架的有限元分析一般采用梁单元,其收稿日期:2007-03-30;收修改稿日期:2007-04-21货车额定载荷为11t。所有载荷均

8、看作均布,施加在纵梁的上表面上。货箱的载荷施加位置为17706520mm处(z坐标,下89拖拉机与农用运输车第2期2008年4月同),载荷值为0.1729MPa;驾驶室载荷施加位置为1551720mm处,载荷值为0.0456MPa;发动机载荷施加位置为2001000mm处,载荷值为0.1099MPa;油箱载荷施加位置为14502050mm,载荷值为0.0233MPa。加载情况如图2所示。图6满载应力云图Fig.6StressFigofFullLoad图2工况一载荷云图Fig.2LoadFigof1stWorkStatus3.2前侧偏载的静态分析(工况二)货车在实际工作中,货物所在位置可能位于车

9、厢前侧,车厢的后侧处于空载状态。这样在偏载状态下所加载荷施加位置为17704145mm处,大小为0.1271MPa。偏载一位移云图.7DisplaceFigof1stPartLoad的重量,载荷施加位置为17706520mm,大小为载情况如图3所示。图8偏载一应力云图Fig.8StressFigof1stPartLoad图3工况二载荷云图Fig.3LoadFigof2ndWorkStatus3.3单侧偏载的静态分析(工况三)货车在实际工作中,货物所在位置可能位于车厢单侧,车厢另一侧部分处于空载状态。假设载荷施加位置为车厢的左侧,载荷施加位置为17705000mm处,载荷大小仍为满载时的0.12

10、71MPa,右侧车厢只承受车厢重量,即整个车厢承受载荷为0.0508MPa。具体加载情况如图4所示。图9偏载二位移云图Fig.9DisplaceFigof2ndPartLoad图10偏载二应力云图Fig.10StressFigof2ndPartLoad分析车架变形云图可以看出,在3种情况下车架最前端部分变图4工况三载荷云图Fig.4LoadFigof3rdWorkStatus形均较小,中部变形较大。这是由于中部承载货箱,载荷较大;前部承载发动机、驾驶室等,载荷较小的缘故。因此分析结果与实际情况相符。车架前部与前桥以及转向梯形等转向机构连接,较小的变形可以有效地减小车架变形对汽车转向几何特性的影

11、响;第4与第5横梁之间安装后轴,较小的变形有利于后轴的轴转向和保证整车的行驶稳定性。车架中部较大的变形则有利于改善车架整体的应力状况,并起到一定的缓冲作用。各工况计算结果如表1所示。表13种工况下的计算结果工况一工况二1982.73072773777.3261980.981121323258.4223.4求解由于模型尺寸较大,节点及单元数较多,并通过分析比较,又考虑到计算规模,最终选择预条件共轭梯度法,精度定为1级,相当于公差1.0×10-4mm3。4后处理及结果分析通过后处理对计算结果的分析得到各工况下的位移和应力云图如图5图10所示。工况最大位移节点最大位移值/mm最大应力节点最

12、大应力值/MPa工况三285670.856162770951.573由表1可知,车架在3种工况下应力最大值为77.326MPa。小于车架所用材料10TiL的屈服极限355MPa,则车架结构的强度安全图5满载位移云图Fig.5DisplaceFigofFullLoad系数为(下转第93页)90张勇等:基于图像识别的润滑油磨粒监测技术参考文献:1王国庆.润滑油液监测技术现状与发展J.润滑油,2004(10):611.2涂群章,左洪福.基于计算机视觉技术的液压油污染度在线检测J.润滑油与密封,2004(5):564620.3何斌,马天予,王运坚,等.VisualC+数字图像处理M.第2版.北京:人民

13、邮电出版社,2001:459500.4黄绍川.基于数据挖掘的图像分割技术研究与应用J.微电子学与计算机,2006(7):174176.5赵荣春,赵忠明,崔更生.数字图像处理导论M.西安:西北工业大学出版社,1995:104132.(编辑郭聚臣)图5磨粒数据处理流程图Fig.5ProcessionofDebrisData:1979-,男,;朱瑞祥(1956-),男,(1981-),女,湖南攸县人,助教,硕士;-,硕士研究生。磨粒的图像识别内容进一步细化,可将机器故障的监测趋势分析引向更深的领域。(上接第88页)4结论及展望从大量仿真过程及试验结果来看,可得到以下结论:1)采样间隔与模型阶数K的取

14、值关系:当采样间隔t<1/f2时,模型超过一定阶数就会不稳定;当采样间隔t>1/f2时,虽然模型不会发散,但会产生频率混迭。应根据实际取适当的采样间隔值。2)K值一般越大分辨率越好,但较大时会使自回归模型的预测结果不稳定,而且计算量也会增大,所以应该选取合适的模型阶数。3)结果表明,通过建立的AR模型拟合出的功率谱密度基本与理论值吻合,为车辆性能的动态模拟与控制研究奠定了基础。参考文献:1GB7031-1986,车辆振动输入路面平度表示方法S.2余志生.汽车理论M.第二版.北京:机械工业出版社,2000.图2AR模型B级路面生成的路面不平度及理论和实际功率谱对比Fig.2Theor

15、yandReal(RoadSpectrum)onBGradewithARModel3张玲华.随机信号处理M.北京:清华大学出版社,2003.4赵淑清.随机信号分析M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.5谢伟东.随机信号在路面不平度仿真中的应用J.振动、测试与诊断,2005,25(2):4549.6唐光武.路面不平度的数学模型及计算机模拟研究J.中国公路学报,2000,13(1):117120.(编辑姜洪君)由图2可以看出,AR模型能在不同车速情况下生成时域路面不平度随机激励,并且所生成的随机激励的功率谱密度与理论值基本一致。同时,也表明了AR模型阶数对模型精度的影响,模型阶数K=20时高频部分出现振荡较大,K=30时高频部分较为平稳,说明随着K的增加,模拟精度也越高。(上接第90页)n=s/max参考文献:1马迅,盛勇生.车架刚度与模态的有限元分析与优化J.客车技术与研当n>1时,说明在该工况下,车架结构强度是符合要求的;否则,则说明车架结构强度不符合要求,将会发生强度破坏。本文研究的车架的安全系数n=4.59,该车架的结构强度满足要求。究,2004(4):811.2博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解M.北京:中国5总结本文对边梁式车架进行了有限元建模及静态强度分析。通过对不同工况下车架的