副车架有限元仿真分析

1、某轿车副车架有限元仿真分析摘要：副车架的碰撞性能以及疲劳寿命是副车架安全性能的主要影响因素。本文 运用三维软件 Pro/E 建立某款轿车副车架的几何模型，然后将几何模型导入有限 元分析软件 Ansys 中进行仿真分析。通过对该副车架的正面、侧面碰撞性能的分 析，检测该副车架的碰撞性能。由于交变载荷的影响，疲劳损坏成为导致副车架 损坏的主要原因。本文同时对副车架进行疲劳寿命有限元分析，并根据分析判断 副车架是否满足其使用要求。关键词 ： 副车架；有限元；碰撞分析；疲劳寿命汽车主动安全性和被动安全性是组成汽车安全性能的两大部分。 汽车主动安 全性是指在交通事故发生之前汽车能够判断出隐藏的危险， 并

2、且能够自行进行减 速，或者在突发情况出现时候， 在驾驶员的操纵下汽车能够果断的采取安全措施， 最大限度上的防止发生交通事故的发生。 而汽车被动安全性是指发生交通事故之 后，最大程度的减少司机和乘员在交通事故当中所受到的伤害。 通过以预防交通 事故发生为主的汽车主动安全性能只能减少 5%的交通事故的发生，因此，汽车 被动安全性的提升就显得十分的有必要。本文对副车架碰撞与疲劳的分析是基于 ANSY软件的有限元分析。通过有限 元分析，得出副车架在正面以及侧面碰撞过程中的变形以及应力分布。 通过分析 结论，检测副车架结构是否合理以及其碰撞性能是否满足要求。 而对副车架疲劳 寿命分析， 得出副车架的疲劳

3、寿命。 对疲劳损伤点加强， 从而整体的提高副车架 的疲劳寿命。1 副车架有限元模型建立1.1 建立三维模型利用三维建模软件 Pro/E 建立副车架几何模型。副车架前横梁由前横梁上板（图 1.1 ）和前横梁下板（图 1.2 ）组成图1.1前横梁上板几何模型图1.2前横梁下板几何模型副车架后横梁由后横梁上板（图1.3）和后横梁下板（图1.4）组成1.图1.3后横梁上板几何模型-_L 二一、图1.4后横梁下板几何模型由于时间关系，简化了副车架左右纵梁，将其左右纵梁模型简化成相同的模 型。副车架左（右）纵梁由左（右）纵梁上板（图1.5）和左（右）纵梁下板（图 1.6）组成。图1.5左（右）纵梁上板几何

4、模型图1.6左（右）纵梁下板几何模型将副车架以上各部件通过焊接工艺形成副车架总成（图 1.7）图1.7副车架焊接总成几何模型1.2几何模型清理1.2.1几何模型修复当副车架总成几何模型导入有限元分析软件 ANSYS勺过程中，由于几何模型 的自身的缺陷或在转换的过程中数据的失真等因素出现部分线面的丢失，导致几何模型出现间歇、重叠、缺失等情况。这种情况会影响网格划分的质量。因此， 需要对导入的几何模型的间歇和缺损曲面进行修补以及对重复线和重叠面等进 行删除。1.2.2几何模型简化作为一个复杂的薄壁结构，副车架若要全部反映到有限元模型中是比较困难 的。因此，我们需要对其模型进行简化。模型简化主要就是

5、去除模型中对分析影 响不大的细节从而使得模型几何形状更加简化便于分析。对于本文来说，在几何模型建立过程中已经对模型进行了简化，但模型中还存在一些过小的倒角。这种结构对于分析影响不大，而且降低网格质量，不利于 划分网格。利用ANSYS软件中的工具对过小的倒角进行删除，将过渡圆角转化 为直角。1.3单元类型的定义以及材料属性的赋予由于副车架总成结构复杂，是由薄壁梁结构组成中空的板壳结构， 根据其结 构特点，考虑分析内容，选用ANSYSS节点板壳单元（Structural Shell : Elastic 4node 63），应用自由网格的四边形单元。副车架是由钢板焊接而成，其材料属性如表1.1所示。

6、表1.1副车架材料性能表抗拉强度屈服强度弹性模量密度（RHO）泊松比（MPa）(MPa)（MPa）(t/mm3)60042052.1X 10-97.8 X 100.31.4副车架系统有限元模型由于副车架总成结构复杂，是由薄壁梁结构组成中空的板壳结构，根据其结构特点，考虑分析内容，选用ANSYS3节点板壳单元（Structural Shell : Elastic 4node 63），应用自由网格的四边形单元，然后再对承载摇臂橡胶支撑中心和导 向摇臂橡胶支撑中心等关键部位进行网格细分，这样该零件划分为11250个节点，23513个单元，网格化后的副车架总成如图1.8所示。图1.8副车架有限元模型2

7、副车架碰撞分析2.1副车架正面碰撞分析将有限元模型导入ANSYS/LS-DYNA中。定义单元类型，通过菜单Preprocessor中的Element Type命令选择Shell 63 单元类型。定义材料属性，图2.4副车架正面碰撞变形通过菜单Preprocessor中的Material Models命令，弹出对话框，在EX和PRXY 文本中输入2.1E5和0.3。定义实常数，通过Preprocessor中的Real Constants 命令，弹出对话框，在 TK文本框中输入实常数2。完成定义后，对有限模型进 行划分网格，完成网格划分。之后对副车架与下控制臂的连接点进行全约束（约束6个自由度）。

8、由于分析的简化，施加载荷只需对副车架与车身相连的部位施 加静力载荷。完成之后的有限元模型如图2.3所示。图2.3正面碰撞约束载荷元成以上步骤之后，选择菜单 Solutions中的Current LS进行求解，直至程序求解运算完成。通过菜单 Ge neral Postproc中的Nodal Solu命令调出副车架正面碰撞变形结果图。其副车架正面碰撞变形图如图2.4和图25所示。1HQDAL- SCLOTIONSTEPlSVSi EHX W-220E-D67N IMAY 9 2D1Z I5&B653B7,97117 3DF3-987331E102.642131.9SB图2.5副车架正面碰撞变形 2

9、由以上结果分析可知，副车架在正面碰撞中变形主要集中在副车架前横梁的 转角处，该处也是应力集中地主要地方。 因此，在副车架设计过程可对该处适当 加厚处理或者增加一个加强肋板，以加强副车架在正面碰撞性能以及强度。 2.2副车架侧面碰撞导入有限元模型后，对有限元模型进行定义，其定义方式和数值与副车架正 面碰撞分析相同。定义完成之后，进行网格划分。网格划分完成之后，对模型进 行约束，其约束方式与正面碰撞分析一样。由于侧面碰撞与正面碰撞的撞击方向 不同，因此，在侧面碰撞中，载荷施加的方向有所不同。完成以上步骤的有限元模型如图2.6所示图2.6副车架侧面碰撞约束载荷完成约束和载荷的施加之后，便可进行有限元

10、分析。分析完成后，通过菜单调出副车架侧面碰撞的变形图，如图 2.7和图2.8所示ANSYS1D7.S0111.701215.601盹S51134 1188.ESI242.f cj fxJLNOEAL SOLUTION3T1EP-L SUB -1 TIME=LDMX5HX -Z42,552图2.7 副车架侧面碰撞变形图2.8副车架侧面碰撞变形 2通过有限元分析我们可知，在侧面碰撞过程中，副车架的变形主要集中在受 到撞击一侧的纵梁的后端，由此可见，在副车架的设计中可对纵梁的后端增加加 强板或者增加钢板厚度，能够提高副车架的侧面碰撞性能与强度。3副车架疲劳寿命分析本文采用的材料对应的疲劳循环次数与应

11、力强度可见表3.1,如下:表3.1材料对应疲劳循环次数与应力强度循环次数交变应力循环次数交变应力循环次数交变应力100250100001952000009020024015000190250000805002303000017030000060100022060000150350000501500210100000130400000302000200150000100450000253.1有限兀疲劳寿命分析将有限元模型导入ANSYS中，选用 ANSYS四节点板壳单元（StructuralShell: Elastic 4node 63,设置实常数为2,之后对有限元模型进行划分网格。网 格划分完成

12、之后对副车架进行约束。约束副车架与车身相连的部位，其约束类型 为全约束。由于时间关系对其进行静力加载，对副车架与摇臂相连的四个节点以 及与发动机相连的三个节点加上静力载荷。约束及加载完成后的有限元模型如图 3.1所示。图3.1约束加载完有限元模型约束加载完成之后，在 ANSYS界面中选择菜单路径Solve中的Current LS命令，进行求解，ANSYS程序会自动进行运运算，直至运算完成。查看副车架 应力图，本文分析的副车架受载荷应力图如图3.2所示。图3.2副车架应力图副车架分析完成之后，定义材料的疲劳性质，选择Ge neral Postproc菜单中 的S-N Table命令，在其中N1、

13、N2栏中输入表5.1中的循环次数，在S1、S2 栏中输入表5.1中循环次数所对应的应力值。完成以上步骤之后便可进行疲劳 求解。求解完成后，输出福车架损伤云图，如图3.5所示。19 2012NODAL 3OLUTIOHSTEP-1 SUB !图3.5副车架损伤云图由副车架的损伤云图可知， 副车架的危险截面在副车架与发动机相连接的地 方，其容易出现疲劳损伤， 从而导致疲劳损坏。 因此可对该区域在结构细节上做 修改或者在工艺上做一些特别处理，使副车架整体疲劳寿命得到提高。5 结论本文在有限元分析方法的基础上， 通过三维软件 Pro/E 建立了副车架有限元 模型，分析该副车架正面碰撞和侧面碰撞的性能和

14、强度以及副车架的疲劳损伤。 本文主要工作以及取得出结论如下：运用 Pro/E 软件建立了副车架几何模型。 在保证分析结果精度的前提下， 对 副车架进行了简化设计。从而提高了分析效率以及计算经济性。运用ANSY歎件对副车架进行了正面以及侧面碰撞分析。由分析结果可知： 在正面碰撞中，副车架前横梁转角处受力变形最大， ；在侧面碰撞中，其纵梁后 部变形较大。在以上两个变形比较大的区域可增加加强板或者增加钢板厚度分析了副车架的疲劳寿命。 由分析得出的损伤云图可知， 副车架在交变载荷 的影响下， 其与发动机相连的部位损伤较大， 是危险截面， 可对构细节上做修改 或者在工艺上做一些特别处理，从而提高副车架的

15、整体寿命。参考文献顾力强，林忠钦. 国内外汽车碰撞计算机模拟研究的现状及趋势 J. 汽车工程， 1999， 01： 1-9 .宛银生 . 副车架及其对车辆性能的影响 J. 中国城市经济， 2010， 08： 183-184 .蒋玮 . 副车架有限元分析及优化设计 J. 北京汽车， 2010， 02： 13-15 .李书福，杨建，赵福全等 .汽车上的前副车架 P. 中国， 200720192778，2008-12-14 .陈宇晖，翁德国 . 汽车后副车架总成结构 P. 中国， 200720108069，2008-03-12 . 田晶.周曼宇.捷达轿车副车架总成有限元计算分析 A. Eddy Ma

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