基于ANSYS的车架强度和刚度分析_刘灵芝

1、第23卷第3期2008年6月宿州学院学报JournalofSuzhouUniversityVol.23,No.3Jun.2008基于ANSYS的车架强度和刚度分析刘灵芝,黄智勇(安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系,安徽合肥230051)摘要:以某轻型货车车架为例,对车架的结构特点进行分析,利用ANSYS软件建立了车架的力学模型。对车架的约束和所受载荷进行处理,通过车架强度和刚度进行分析计算,可以找到车架的薄弱部位,为以后设计和优化车架提供了一定的参考。关键词:车架;强度;刚度;优化中图分类号:TH114文献标识码:A文章编号:1673-2006(2008)03-0092-041引言车架是汽车

2、的承载基体,支承着发动机、离合器、变速器、转向器、货厢等,承受着传给它的各种力和力矩。因此,车架应有足够的强度,以保证足够的可靠性和寿命,纵梁等主要部件在使用期内不应有严重的变形和开裂。另外,车架还应有足够的弯曲刚度,以使装在其上的有关机构的相对位置在汽车行驶中保持不变并使车身的变形最小;车架刚度不足会引起振动和噪声,也使汽车的乘座舒适性、操纵稳定性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大,否则会使车架和悬架系统的载荷增大导致汽车轮胎的接地性变差。因而,车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得尤为重要。本文采用ANSYS软件对某轻型货车车架的静强度及刚度进行分析计算,利用有限元法准确地分析车架在静态载荷下

3、的应力分布状况和变形状况,方便找出薄弱环节,为车架设计及优化提供理论依据。1梁通常用低合金钢板冲压而成,端面形状一般是槽型。横梁不仅是用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷,而且还可以支撑汽车上主要部件2。本设计所采用的车架长为3800mm,宽为960mm,整个车架由两根纵梁和六根横梁组成,其结构有以下几个特点。2.1结构和载荷较对称结构几乎完全对称;只有几个总成的集中载荷不对称,如油箱、电池、发动机等,其他均对称。2.2结构型钢焊接而成由于结构型钢为焊接,所以可以认为其是刚性连接。3车架模型建立及载荷处理3.1车架模型建立首先在ANSYS中要选择分析模块,因为本例是对车架的静态强度及刚度进行分

4、析计算,所以可以选择结构分析模块,即在PREFERENCES的菜单中选择STRUCTUAL即完成分析模块的选择。接着需要定义两种单元类型,梁单元和弹簧单元,其中梁单元选择BEAM2NODE188,弹簧单元选择定义梁的COMBINATIONSPRING-DAMPER14。3弹性模量、泊凇比以及弹簧的刚度,各参数值见表1。弹簧参数2车架的结构特点分析及结构参数本设计所分析的车架是边梁式车架,所谓边梁式车架就是由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成,用铆接法或焊接法将纵梁和横梁连接成坚固的刚性构架。车架由钢板弹簧连接在前后车桥上。纵梁的参数弹性模量(Pa)2.1×1011泊凇比0.27表1梁

5、和弹簧的参数前钢板弹簧刚度(N/m)31000后钢板弹簧刚度(N/m)91000在ANSYS中建立关键点,利用线段生成功能生成线段,但要注意的是,在受集中载荷的点以及在收稿日期:2007-10-22作者简介:刘灵芝(1971-),女,安徽砀山人,硕士,讲师,主要从事汽车结构方面的研究。有约束的点不能在某个线段上,而要是某线段的端点。然后进行网格划分,具体进行网格划分是考虑了以下因素,单元划分要适度,对于结构受力比较大的部位,单元的网格尽量要密一些;对于受力比较平缓的部位,单元可以划分的大些,同时确定适当的节点和单元数目4。在实际中车架是与钢板弹簧相连接,因此在建立车架模型时也要考虑到弹簧的作用

6、,所以此时还要再建立一些关键点以及生成线段,然后再进行网格划分,建立出弹簧单元。对于弹簧单元只需要划分成一个单元即可,而对于其他部分则还是按照10mm一个单元来划分,图1为加了弹簧之后的车架模型。图1加弹簧后的车架模型图3.2车架载荷处理车架静载荷包括汽车悬挂着的自身载荷和车身有效载荷。前者是指由悬架的弹性元件所承受的那些部件,如车架以及固定在车架上的所有总成及设备的重力;后者系指额定装载时,乘员及行李或货物的重力。左右这些力都按照集中载荷(或均布载荷)分布在车身、车架的适当位置上5。由于有限元法中认为内力或外力均有结点来传递,在整体刚度方程中的载荷项均为结点载荷。因此当梁单元受有均布载荷或其

7、他非结点载荷时,必须将其向结点移置,即将非结点载荷换算成作用在结点效果相当的集中载荷。在车架强度计算过程中,有一个必须要注意的问题是约束的处理,在约束的处理上,如果约束的自由度少了的话,就会造成刚体位移,但是也不能过约束,即不能约束的自由度过多,这样也会造成计算不准确。在实际约束下下,即有弹簧的作用时,可以将弹簧的上端的自由度全部约束住,而将弹簧的下端与车架相连的点的UX,UY,RotX,RotY,RotZ自由度给约束住,在加上约束过后,利用ANSYS的求解模块,对该车架的静强度进行分析,找出应力最大的点,说明这点容易产生强度失效,可以在ANSYS所分析的位移图以及应力图中清晰的看到应力最大的

8、点以及位移最大的点。通过图2车架位移图,可以很清楚的看到车架的最大变形处,这可以为我们在设计车架或者车架4车架静强度和刚度分析4.1车架强度分析图2车架位移图图3车架应力图的优化时候,在设计时就需要注意这些地方。通过图3车架应力图,根据下面的颜色条知道在车架上面红色的地方是车架应力最大的地方,而在车架图上也可以清晰的看到在所标注的点上的应力颜色显示为红色,也就是说在这几个点的地方应力最大,可以通过倒角及圆弧过度来解决这问题。4.2车架刚度分析计算对车架的弯曲刚度进行分析的时候首先要确定车架的约束和所受的载荷,如前所述,在对车架进行弯曲刚度分析的时候,需要在车架上加上一个对称垂直载荷,以形成一个

9、弯矩,另外还需要在车架上与钢板弹簧连接处的中间的四个点的6个自由度进行全部约束,这样就是建好了进行弯曲刚度分析时所需要的车架模型(包括载荷和约束)6车架的中间加上垂直对称载荷200N、400N、600N、800N、1000N、1200N,通过ANSYS算出在各种载荷下的挠度值,然后根据公式(1)计算出其刚度。在图4中看到的是在载荷为200N时的车架变形图。y=(1)48EI式中:F为纵梁中点受到的集中载荷;L是汽车的轴距;E为弹性模量;J为纵梁的抗弯刚度系数。可以很清晰的看到在车架的中央部分变形最大,车架的变形挠度为0.58×10mm,可以得到在不同的载荷时的车架挠度值,计算得到刚度

10、值,如表2所示。可以分别在表2车架挠度F/N /mmEI2005.78E-055.71E+084001.17E-045.77E+086001.75E-045.73E+08828002.33E-045.72E+0810002.91E-045.76E+0812003.49E-045.79E+08由上表可知,该车架的弯曲刚度值为5.75×10Nm。图4车架弯曲变形图图5车架扭转变形图在分析车架的扭转刚度的时候,车架所需要加的载荷是反对称载荷,并且其约束也和弯曲刚度时不同。可以在车架的两端的三个点约束住所有自由度,载荷加在前面一个弹簧的中间。在图5中我们可以清晰的看到车架变形最大的地方,并且

11、能够得到在受不同载荷时的变形挠度值,具体结果如表3所示。表3车架扭转刚度表F(N)20040060080010001200(m)3.38E-106.67E-101.01E-091.35E-091.70E-092.03E-09Z(m)6.76E-101.33E-092.03E-092.70E-093.40E-094.06E-09B(m)0.960.960.960.960.960.96(rad) 7.04167E-101.38958E-092.1125E-092.81667E-093.54167E-094.225E-09T(Nm)1923845767689601152L(m)2.092.092.0

12、92.092.092.09GJ(/rad)5.69865E+115.77554E+115.69865E+115.69865E+115.66513E+115.69865E+11由上表可以得到该车架的扭转刚度值约为5.70×1011Nm2/rad。(下转第148页)入及交际活动是不够的,为了让课堂教授的交际策略得到运用,增强学生对不同交际场景的应变能力,还应该多开展课外语言实践活动,如成立英语学习俱乐部,举办英语晚会、英语角、英语演讲比赛等。而在条件有限的情况下,和年龄、水平相仿的同学一起练习口语同样能够达到很好的口语提高效果,因为彼此间有相似的背景、经历、爱好,这使交谈的空间无限量地增

13、大,不仅可以共享谈话的内容带来的乐趣,更有较好的理解基础,从而有效地避免文化背景与知识水平差异过大带来的交际困难。总之,要最大限度地创造可以进行语言口头交际活动的环境与空间。(4)调动学生积极性,构建学习者的主动角色。学习者的动机和学习环境决定外语教学的成败与效率,而学习者的E.Q更起了关键的作用。口语学习是学习者认知因素和情感因素相互作用的过程。在学习过程中,只有当认知因素与情感因素相互作用才可能产生积极的学习效果。传统的语言学习是大量模仿和训练的结果,忽视了学生学习英语的主动性、积极性、创造性等情感因素。心理学研究表明,情感因素在人们的学习中发挥着80%的作用,美国著名语言学家克拉申继承和

14、发展了“情感过滤”学说。他指出,如果语言学习者动机水平高,自信心强,焦虑程度低,即使他们的情感过滤程度低,他们的语言输入量就大,效果也好。反之,如果这些情感因素低则对语言输入大脑中的语言习得器官起着阻碍或促(上接第94页)进作用4。鼓励学生敢于说,肯定其优点,缓解其压力,消除焦虑情绪,激发和保持动机是成功地进行英语口语学习的关键。4结语建构主义学习理论认为学习是一种认知结构建构的过程,强调学习者的主动性、构建性,倡导协作学习和真实环境的体验。它的知识观、学习观和教学观为传统的教学思想注入了新的内容,为大学英语口语教学提供了新的模式。教师在教学实践中要注意运用建构主义的学习理论和教学理念来组织课

15、堂教学,利用各种教学资源和手段,创造逼真的课堂教学场景,充分发挥学生的自主性,激发学生自觉学习的潜能,加强课堂讨论、协作与交流,从而促进学生语用能力的正迁移,自主建构自己的英语口语交际能力。参考文献:2Nunan,D.DesigningTasksfortheCommunicativeClassroomM.Cambridge:CambridgeUniversityPress,1989.3Piaget,J.ThePrinciplesofGeneticEpistemologyM.W.Mays(trans.)London:Routledge&KeganPaul.1972.4何克抗.建构主义革新

16、传统教学的理论基础J.教育技术研究,1999,(1).5吴玲英.大学英语学习者的E.Q研究A.大学英语教学与学习策略的科学研究C.北京:北京气象出版社,1998.5结论在本论文中对所需要分析的车架进行了结构特点的分析,并且对车架结构进行简化处理。通过分析单元类型,进行单元选择,利用ANSYS建立车架的力学模型,并进行网格划分形成有限元计算模型。通过对车架的约束和所受载荷进行一定处理,对车架静强度及刚度进行分析计算,利用有限元法准确地分析车架在静态载荷下的应力分布状况和变形状况,方便找出薄弱环节,为车架设计及优化提供了一定的理论依据。参考文献:1黄天泽,黄金陵.汽车车身结构与设计M.北京:机械工

17、业出版社,1989:227-232.2陈家瑞.汽车构造第2版(下册)M.北京:机械工业出版社,2004:161-168.3杨伯源.材料力学M.北京:机械工业出版社,2001:11-32.4张亚欧,谷志飞.ANSYS7.0有限元分析实用教程M.北京:清华大学出版社,2004:42-46.5赵晖,白羽.斜交桥桥面板的有限元分析A.第十届全国结构工程学术会议论文集C.北京:清华大学出版社,2001:827-832.6黄贵东,沈光烈等.汽车车架有限元分析模型的改进J.机械设计,2007,24(12)AnalysisonIntensityandStiffnessofFrameBasedonANSYSLIULing-zhi,HUANGZhi-yong(AnhuiCollegeofVocationalTechnologyofCornmunieations,Hefei230051,China)Abstract:Referencingtotheframeoftargetlight-truck,throughtheanalysisofitsstructurecharacteris-tic,themechanicsmodelofframewasb