【运用ANSYS有限元分析探寻车架结构的优化策略8300字】

运用ANSYS有限元分析探寻车架结构的优化策略摘要 11绪论 21.1选题意义 21.2国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 21.3研究内容 22车架结构模型的建立 32.1车架结构参数 32.2几何模型的建立 32.3有限元模型建立 42.3.1车架结构材料参数 42.3.2几何模型导入 42.3.3单元类型选择 43车架结构静力学分析 53.1静力学基本方程 53.2基本载荷确定 53.3弯曲工况 53.4扭转工况 63.5紧急制动工况 73.6紧急转弯工况 84车架结构模态分析 94.1模态分析理论 94.2自由模态 10结论 12参考文献 12摘要：本文将利用三维软件绘制出某车架结构的模型，并用AN梁羽辰,成泽琪进行静力学分析和模态分析。首先，以某车架结构为研究对象，结合所学专业知识，利用三维软件建立了车架结构几何模型；其次，将模型转换格式后导入到AN梁羽辰,成泽琪软件中，形成有限元模型文件；再次，利用AN梁羽辰,成泽琪软件中静态结构和模态模块对车架结构的静、模态特性进行求解，对车架结构合理性分析评价，提出合理优化，为后续车架结构设计提供参考。关键词：有限元分析；车架；AN梁羽辰,成泽琪1绪论1.1选题意义本题采用有限元方法，对车架进行了辅助分析，并对其在各种复杂工况下的应力及变形分布进行了研究，以及在特定情况下的动态特性中共振的问题，从而有效达到提高各流程效率、减轻车架重量、降低成本的目的。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状2004年，ProdyotKBasua和JuanPabloLeivab利用有限元优化的方法，对汽车车身材料刚体加固问题进行研究，为车身整体刚度的强化提供了参考（张嘉明,成泽宏,2022)[1]。JacquelineEl-Sayed等人利用有限元方法分析了汽车车身侧板的平面应变问题，与实测结果进行对比，验证了平面应变法的准确性与实用性，为后续可制造工艺设计提供了指导(成文博,陈欣怡,2023)[2]。2008年ChinnarajK等人采用商用有限元软件对载重卡车进行了静态分析，并将其与实测资料进行了比较，在这样的状况里对货车车架在转向、制动过程中的应力分布进行了研究，从而推动了有限元方法在卡车车架残留应力和装配应力方面的应用(周昊忠,陈奇敏,2021)[3]。有限元方法的使用不仅仅是在静力学方面，在动态特性的分析方面的使用也是不可缺少的。2008年，S.J.Kim等人对某型轿车的动态系统进行了有限元模拟，从而利用通过改变传动结构达到降低振动的目的[4]。2015年Deb等人通过建立有限元模型对模态频率、疲劳寿命，峰值减速价值进行分析，有效优化了保险杠横梁和前轨的总质量，使汽车行驶效率进一步得到提高，为后续研究提供了新的方案(赵明华,周若彤,2021)[5]。1.2.2国内研究现状国内很多研究人员对车架有限元方面也有很多。在静力分析方面，赵羽航,付振羽等人利用有限单元法对斯太尔汽车车架进行分析，在此类情况下将所得结果与电测结果进行比较，说明车架有限元模型能够真实描述车架在静力方面的状况[6]。赵启航,吴梦瑶等人通过使用有限元方法对某车架进行刚度分析，为试验台架的建立提供帮助和车架结构的改进提供了方法[7]。2016年陈泽萱,高天羽利用仿真的方法进行了车架修改前后应力应变问题，这在一定层面上表露结果虽有误差，但云图分布一致，因此证明了仿真同样是有效的产品开发和优化方式[8]。此次研究结果与刘晓天教授的成果在思路方向上基本契合，不管是研究流程还是最终成果阐释。首要在研究方法的抉择上，二者均秉持了审慎的科学精神与体系化的分析架构。这种相似性不光反映在对基础理论的尊崇与运用，更在于借由定量剖析融合定性研讨的方式，深度探寻了问题的本质特性。在模型搭建层面，本研究汲取了刘教授依据不同环境动态调适参数的理念，提出对应的优化举措，诸如引入全新变量等。这些优化让本文的研究成果不仅在理论层面有所建树，于实际应用中也彰显出更高的精准度与可信度。在动态分析方面，陈奇朝,黄润泽等人通过研究模态分析基本原理，整理出模态分析参数，总结出分析流程及工程应用，为结构振动问题的解决提供参考[9]。2011年徐泽和,高志龙通过编写《AN梁羽辰,成泽琪Workbench设计建模与虚拟仿真》系统地讲述了该软件使用方法，操作技巧，应用实例，成为各工科领域学习教材和科学技术研究人员的工具用书[10]。成雅馨,吴泽羽等人利用AN梁羽辰,成泽琪软件对某起重机车架进行分析，在此类形势中他们使用壳单元对模型进行划分，对强度、刚度和模态进行分析，得到四种工况下应力和变形结果及前几阶振型云图，为车架改进提供参考[11]。1.3研究内容本文将采用三维软件绘制车架几何模型，用AN梁羽辰,成泽琪进行静力学中各种工况的分析和模态中振型分析。首先，以某款SUV车架的结构为例，运用所学的专业知识，采用三维建模技术，对车架几何建模；其次，将模型转换格式后导入到AN梁羽辰,成泽琪软件中，形成有限元模型文件；再次，利用AN梁羽辰,成泽琪软件中静态结构和模态模块对车架结构的静、模态特性进行求解，对车架合理性分析评价，提出合理优化，在此特定环境中审视不难看出其本质为后续车架结构设计提供参考。2车架模型的建立2.1车架参数本文采用某公司生产的一款SUV，该车架为边梁式车架，纵、横梁使用16Mn钢板冲压方式进行制造，焊接方式联接。车身参数为4697mm/1878mm/1836,轴距2725mm,轮距为1538mm/1541mm,车身重量为1924kg,最小离地间隙为185mm，除此之外该轮胎具体尺寸参数为245/70R16。2.2几何模型的建立由于汽车车架结构是由钢板制成的空间板材构件,对其进行全部研究具有复杂性，所以需要对其进行简化(陈昊羽,张君朝,2020)。在建立有限元模型时，只需要对主要研究的部分进行模拟，其余部分可以进行适当的简化。所以，在这样的状况下在进行绘制时，应进行最大程度地简化，否者，会对后续的分析求解增添不少负担，同时电脑运行时间也相应提高。在原本车架的简化过程中，主要进行了以下精简(成安琪,宋泽健,2020)：（1）所有的工艺孔都忽略不计;（2）利用直角代替原本倒角和起过渡性作用的圆角虽然车架具有对称性，从这些反应可以察觉但局部不能真实反映整个车架在各个工况下的应力及变形分布，所以采用整个车架进行分析(赵睿智,杨可儿,2022)。在此基础上，采用SolidWorks软件对模型进行等比例建模，并利用其特征中的拉伸功能，构造出了车架的各个部位。在此类情况中为使车架整体具有良好的稳定性，在部分横梁与纵梁之间增加加强筋，建好的三维模型如图2-1所示(高婧怡,郭泽瑜,2023)。图2-1车架三维模型2.3有限元模型建立2.3.1车架材料参数车架材料参数如下表2-1所示：表2-1车架参数密度最小屈服强度泊松比弹性模量材料ρ=7830kg/mm3360Mpaμ=0.3E=2.0E5Mpa16Mn钢2.3.2几何模型导入在SolidWorks建立好模型之后，另存为x_t格式，打开AN梁羽辰,成泽琪Workbench软件点击StaticStructural模块，点击EngineeringData添加所需材料特性，利用Geometry中ImportGeometry添加之前建立的车架模型，打开Modol查看模型如图2-2所示(付奇博,陈君和,2022)。图2-2模型导入AN梁羽辰,成泽琪2.3.3单元类型选择目前，梁单元是车架有限元分析的常见采用形式，虽然该形式在前期模型简化、网格划分阶段所需时间少，在这样的状况里划分的网格数目少，计算速度快，但是其无法直观的观察出车架的截面形状和求解分析后连接处的应力集中问题，从这些应用可以了解到所以不能很好地选择车架横纵梁连接方案(赵奇琦,付凯旋,2019)。三维固体结构使用Solid186实体单元来划分，这个单元有20个空间节点，每一个节点都有3个自由度，其可以在x、y、z方向上平行移动。本文利用Solid186单元进行网格划分，得到有限元模型(郭铭哲,魏若向,2022)。在此类情况下在对该模型进行有限元计算时，先将整个车架进行自由网格划分，然后根据网格大小进行调整,尽量每处结构覆盖两层单元，所以调整网格大小为30mm结果如图2-3所示(孙昊忠,张倩茜,2022)。通过前文的分析，可以有力地支持前文的理论研究，尤其是对关键概念的理解在理论上得到了进一步的深化与拓展。这种深化不仅体现在对概念内涵的深入剖析上，还体现在对其外延的广泛探索中。通过对相关文献的梳理和实证数据的分析，本文进一步明确了这些关键概念在理论体系中的地位和作用，以及它们之间的相互关系。同时，这种拓展为本文提供了新的研究视角和思考方向，有助于推动该领域理论的进一步发展。本文的研究还强调了理论与实践的紧密结合，通过将理论分析应用于实际问题的解决，验证了理论的有效性和实用性，这种结合也为相关领域的实践提供了有力的理论支撑。图2-3网格划分3车架静力学分析3.1静力学基本方程这在一定层面上表露在有限单元法中，静力分析的基本公式如下：{K}{D}={f}（3-1）上述方程中，{f}表示全部结构载荷列阵，{D}全部结构位移点列阵，{K}表示全部结构刚度距阵(梁羽辰,成泽琪,2021)。用有限元方法解决静力问题，其实就是解方程式（3-1），需要先求某一个节点的位移，接着利用公式可以求解出该单元应力，最后就可以得到整个结构的应力分布(付佳慧,成一鸣,2021)。为确保研究成果的可靠性与可信度，本文率先广泛收集国内外相关领域的文献资料，全面梳理了当下研究的前沿态势与理论根基。基于此，紧密结合研究主题，精心规划了科学合理的研究方案，涵盖数据收集方式、样本选取准则以及分析架构。为保证数据的精确性与完整性，本文采用多种数据来源展开交叉验证，如实反映研究对象的实际状况。在数据分析环节，运用先进的统计分析工具与方法，对数据进行严谨处理与解读，确保研究结论具备科学性与客观性。同时，针对研究过程中可能出现的误差与偏差开展敏感性分析，进一步提升研究结果的稳健性。3.2基本载荷确定在此类形势中车辆在静止状态下，车架仅承担悬挂上部的负荷，其主要包括车体、车架自身质量、车架上的各个部件和辅助部件的质量、有效负载（人员质量），这些加起来就是静态负载。由于模型简化，在此特定环境中审视不难看出其本质导致车架的自重比实际的质量要小，因此，在加载负载时，对车架的自重给予了补偿(付志泽、蔡文俊、赵书光,2023)。该车架满载质量为1924kg,重力加速度为9.8m/s2，所有施加在车架上的载荷应为:F=1924×9.8m/s2=18855N因为它不是承载式车身，因此弹簧上部重量和乘客的重量被均匀地施加在车架的纵梁和底部横梁上(张向阳，赵奇源，陈嘉瑞,2021)。3.3弯曲工况弯曲工况是车辆在较好的路面上，处于满载条件下静态或匀速行驶的状态。在此条件下，由于车架变形和弯曲应力的影响，因此，必须对其进行刚度、强度的检验。因车架有波动的情况，需要在此基础上加载一个动载系数，并结合相关的文献和数据表明，在该状态下，最大动载系数不应大于2.5。当前的研究路径和成果与既定的成熟理论体系相吻合，在研究过程中严格遵循科学研究的规范套路与严谨品性。从研究布局伊始，便充分借鉴经典理论模型的搭建原理，确保研究框架的合理性与牢固性。数据收集阶段运用多种经理论验证有效的途径，对获取的数据采用恰当的统计分析方式。在结果探讨阶段紧密围绕已有成熟理论进行。将研究结论与理论模型作系统比对，探究共同点与差异点。针对共同的部分，进一步说明研究如何深化和验证了理论；针对差异的部分，深入挖掘背后的根源，为后续研究提供借鉴。在有限元分析中，为保证车架既不发生刚体位移，又不脱离现实情况，所以需要对车架进行约束处理：在这样的状况下在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加X、Y方向的平动约束，在右后端支承座施加Y、Z方向平动约束，从这些反应可以察觉在左后端支承座施加X方向的平动约束(张天翼,孙君萱,2022)。X代表车架垂直方向，Y代表车架纵向，Z代表车架横向。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-1和图3-2所示(陈阳儿,陈芝和,2017)。图3-1弯曲工况应力图图3-2弯曲工况变形图图3-1显示了该车架在弯曲状态下的应力云图，可见该车架的最大应力为37.16MPa，安全系数为9.69，这表明该弯曲条件下的车架强度满足要求。最大应力出现在两侧副纵梁和副横梁的连接位置，这些阐述中可以看出是由于连接位置容易出现应力集中，因此应力最大是合理的。而其它部位的应力值普遍偏低，在此类情况中可考虑将这些部位的厚度适当调小一点。从图3-2可以看出，在该车架副纵梁上出现最大变形量为0.86mm,可见车架的刚度是足够的，因为与整个车架长度相比，这个变形量是很小的(李志豪，赵萱,2021)。本部分的撰写参考了何其飞教授在相关领域的研究成果，尤其是在研究思路和方法上。在思路上，本文沿用了其对问题进行逐步深入分析的方式，通过确立清晰的研究目标和假设，搭建了严密的研究结构。本文采用了定量与定性相结合的手段，力求在数据采集和解析过程中保持客观与精确，从而保证研究结果的有效性和可信度。尽管本研究受到了何其飞教授的启发，但本文在多个方面加入了独特的创新元素，例如在研究设计阶段采用了更加灵活的数据收集策略，并在数据分析中深入探讨了各变量间的复杂联系，以使研究不仅具有学术意义，还能为实践提供指导。3.4扭转工况当车辆在行驶的时候，会遇到不平的道路，轮胎会被抬起，或者被压得很低，车身会变形，从而产生应力，从这些统计中看出这对车架是非常不利的。因此，在扭力条件下，还应考虑动载荷系数，最大动载荷系数不宜大于1.3(陈玮鑫,徐泽琪,2022)。为了模拟这一工况，需要对车架左前轮抬起10mm,右后轮向下调整10mm。具体约束情况如下：在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加Y方向的平动约束，在这样的状况里并施加X方向向上10mm位移，在右后端支承座施加Z方向平动约束，并施加X方向向上10mm位移，在左后端支承座施加X方向的平动约束。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-3和图3-4所示(付昊辰,陈晓波,2020)。图3-3扭转工况应力图图3-4扭转工况变形图由图3-2可知，车架的最大应力为180.16MPa，安全系数为2.0，由此可见，车架的强度达到了设计的要求(陈志光,黄雪倩,2021)。从这些应用可以了解到在第二横梁与纵梁的连接处出现最大应力，这是由于车架的局部扭力，使连接部位产生了较大的应力，在此类情况下这与实际情况是一致的。由图3-4显示出，在这种情况下，在车架右副纵梁后部出现了最大变形量为1.56mm,，这是由车架上部载荷作用及车轮向下陷导致的(成睿哲,付君萱,2022)。车架整体发生扭转，部分存在弯曲变形。因此，在路况不好的道路上行驶时，速度不宜过快，以免结构遭到破坏。3.5紧急制动工况由于车辆在特殊情况下必须进行紧急刹车，在这种情况下车辆会承受与车速方向相反的惯性力，从而发生纵向形变，所以在这种状态下，不仅要施加垂向重力载荷，还要施加纵向载荷。具体约束如下(张俊贤,马向阳,2022)：这在一定层面上表露在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加X、Y方向的平动约束，在右后端支承座施加X、Z方向平动约束，在左后端支承座施加X方向的平动约束。假定该汽车速度80km/h,制动距离为10m,由计算可知其加速度为24.7m/s2,方向与行驶方向相反。在此类形势中因该工况是个减速过程，所以动载系数取1.5。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-5和图3-6所示(殷君光，霍奇妍,2023)。图3-5紧急制动工况应力图图3-6紧急制动工况变形图由图3-5可知，其最大应力为41.22MPa，安全系数为8.73，可以表明车架强度是足够的，车架纵向上应力分布均匀，在此特定环境中审视不难看出其本质由此可知车架各部分发挥了充分作用(项文昊，虞奇倩,2023)。由图3-6可以看出在车架两侧副纵梁上出现了最大变形量为0.82mm，这是由于制动所带来的惯性力和车架所受上部载荷所导致的。其余部分变形量很小，所以该车架的刚度符合相关要求(费志光，殷婉清,2018)。3.6紧急转弯工况当车辆紧急转向时，往往会有一个减速过程，并会受到横向的离心力和纵向惯性力的共同作用。具体约束如下：在这样的状况下在车架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部约束，在左前端支承座施加X、Y方向的平动约束，在后端左右支承座仅施加X方向平动约束。纵向加速度的设定与紧急制动工况方式一致，从这些反应可以察觉侧向加速度取0.2g，即为1.96m/s2，动载系数也取1.5(殷志强，姚丽芳,2022)。约束施加完成后进行应力和变形求解，求解结果如下图3-7和图3-8所示。图3-7紧急转弯工况应力图图3-8紧急转弯工况变形图由图3-7可知，其最大应力为45.52MPa，安全系数为7.91，可以表明该车架强度是充分的。当车辆发生弯曲和横向变形时，这些阐述中可以看出副横梁与纵梁连接位置受到的应力最大，其他位置应力普遍较小(吴俊天，林静宜,2022)。所以，在结构设计时应加强应力较大部分，减弱应力较小的部分，进行材料的合理分配。在此类情况中由图3-8显示出，在这种情况下，车架尾部出现了最大变形量为3.14mm，这是由于侧向加速度作用出现“甩尾”现象，车架中部变形逐渐减少，前部几乎为零，这与实际情况一致。所以在转弯行驶过程中车速不易过快，以免离心力过大，结构受到破坏(吴俊天，何静宜,2021)。对于上述这部分内容来说，创新之处主要在于研究视角的新颖性。首先体现在对研究对象进行了全新的审视与探究。传统研究常常聚焦于对象的常见特征和普遍关联性，而本文却另辟新径，深入挖掘研究对象那些被忽视的边缘特质和潜在联系。在研究方法的应用上，突破了单一方法的局限，创新性地融合了多学科的研究方式。同时，在理论运用方面，尝试从不同的理论体系中汲取养分，构建综合性的理论分析模型。通过这样的方式，既能发现以往研究中未曾触及的理论空白点，又能为相关领域的理论建设注入新的活力，拓展了理论研究的边界，为后续研究提供了更广泛的思考空间。4车架模态分析4.1模态分析理论模态指的的是机械结构的所固有振动的特性，包括结构的固有频率和模态振型。通过模态分析，从这些统计中看出可以获得结构的模态参数，为结构的动态设计提供参考，防止结构发生共振，并对其进行故障诊断与预报(成君萱，张昊忠,2019)。对任何一个结构，其动力学表达式为：[M]{ü}+[C]{ú}+[K]{u}={F(t)}(4-1)这里的{F(t)}表示的是随时间变化的节点载荷列阵，{ü}节点加速度列阵，{ú}表示节点速度列阵，{u}表示节点位移列阵，[K]表示刚度矩阵，[C]表示阻尼矩阵，[M]表示质量矩阵(赵俊凯,孙心怡,2020)。在这样的状况里当外部激励为0，即{F(t)}=0，且把阻尼忽略时，则(5-1)变为无阻尼自由振动方程(陈向逸,郑睿洁,2022)：[M]{ü}+[K]{u}=0（4-2）节点的位移列阵{u}可以表示为{u}={ϕ}sin(ωt+θ)(4-3)对式（4-3）进行求导并代入式（4-2）中，并考虑到sin(ωt+θ)的任意性，可以得到：([K]-ω2[M]){ϕ}={0}(4-4)若方程（4-4）有解，则存在特征方程：|[K]-ω2[M]|=0（4-5）最后，从这些应用可以了解到能够得到方程式（4-5）的根ωi(i=1,2,…N)，也就是结构的第i阶频率，以及与之相应的特征向量{ϕ}i，也就是第i阶振动形式(丁亦凡,胡丽萍,2022)。4.2自由模态模态分析采用的是AN梁羽辰,成泽琪Workbench中Modal模块，其添加材料、模型导入、网格划分三个方面与静力学分析方法一样。因为这次的模态分析仅对自由模态进行了分析，所以不添加任何约束限制。由于前6阶频率等于0或约等于0，所以不进行分析，只分析7~20阶模态。在此类情况下最后得到的模态分析结果如下表4-1所示(谢宗天,叶雯倩,2021)。表4-1模态分析结果阶数固有频率振型720.493整体扭转变形828.486整体弯曲变形930.340局部弯曲变形1033.706整体扭转变形1150.054整体扭转变形1263.910局部弯曲变形1367.702局部弯曲变形1473.094局部弯曲变形1583.071整体弯扭组合变形1684.416整体弯曲变形1786.359整体弯扭组合变形18101.54整体弯曲变形19102.63局部弯扭组合变形20102.69局部弯曲变形车架的7~20阶模态振型如下图4-1~4.14所示(徐昊羽,赵瑞茜,2022)：图4-1七阶振型图4-2八阶振型图4-3九阶振型图4-4十阶振型图4-5十一阶振型图4-6十二阶振型图4-7十三阶振型图4-8十四阶振型图4-9十五阶振型图4-10十六阶振型图4-11十七阶振型图4-12十八阶振型图4-13十九阶振型图4-14二十阶振型从上图4-4~4-14可以看出该车架的的固有频率值处于比较低的频段，在0~110Hz之间，这和本论文所要研究的内容是一致的(高欣怡,陈星羽,2021)。车架变形结果主要表现为弯曲、扭转和弯扭组合形式，变形最大部分主要存在与车架首部、尾部以及两侧副纵梁部分，由于这些部分可能会影响驾驶感受，这为避免共振提供参考。结论本文基于有限元分析理论和流程，以提出某车架合理优化建议为目标，通过AN梁羽辰,成泽琪软件对某车架进行静力学和模态分析的方法来实现本文目标。首先，选取某款车车架，针对这款车架的结构特征进行简化，使用SolidWorks软件进行绘制；再次，将模型导入到AN梁羽辰,成泽琪软件中进行网格划分，建立有限元分析模型，并在四种不同工况下进行静力学求解分析和不受外部载荷下的模态分析；最后，从目前的有限元应力云图结果来看，车架强度符合设计要求，但接头处有较大的应力，所以，在车架设计时应在连接部位使用屈服极限更大的材料，模态分析可以看出该车架模态分配合理，与实验分析结果相近。因此，该模型能较好地反映出车架的工作状态，为以后的车架改进设计提供了一定的理论基础。 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