車架有限元分析

1、v1.0可編輯可修改1前言車架是汽車的主要部件。 深人解車架的承載特性是車架結(jié)構(gòu)設(shè)計改進和優(yōu)化的基礎(chǔ)。過去汽車設(shè)計多用樣車作參考，這種方法不僅費用大，試制周于精確解。因此，正確建立結(jié)構(gòu)的 力學模型，是分析期長，而且也不可能對多種方案進行評價?，F(xiàn)代車架設(shè)計已發(fā)展到包括有限 元法、優(yōu)化、動態(tài)設(shè)計等在內(nèi)的計算機分析、預(yù)測和模擬階段。計算機技術(shù)與現(xiàn)代電子測試技術(shù)相結(jié)合已成為汽車車架研究中十分行之有效的方法。實踐證明，有限元法是一種有效的數(shù)值計算方法，利用有限元法計算得到的結(jié)構(gòu)位移場、應(yīng)力場和低階振動頻率可作為結(jié)構(gòu)設(shè) 計的原始判據(jù)或作為結(jié)構(gòu)改進設(shè)計的基礎(chǔ)。2車架的靜態(tài)分析力學模型的選擇有限元分析的基本思

2、想，是用一組離散化的單元組集，來代替連續(xù)體機構(gòu)進行分析，這種 單元組集體稱之為結(jié)構(gòu)的力學模型；如果已知各個單元體的力和位移（單元的剛度特性），只 需根據(jù)節(jié)點的變形連續(xù)條件與節(jié)點的平衡條件，來推導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)的特性并研究其性能。有限元的特點是始終以矩陣形式來作為數(shù)學表達式，便于程序設(shè)計，大量工作是由電子計算機來完成，只要計算機容量足夠，單元的剖分可以是任意的，對于任何復(fù)雜的幾何形狀，多樣化的 載荷和任意的邊界條件都能適應(yīng)。然而，由于有限元是一種數(shù)值分析方法 ，計算結(jié)果是近似解其精度主要取決于離散化誤差。如果結(jié)構(gòu)離散化恰當，單元位移函數(shù)選取合理，隨著單元逐步縮小，近似解將收斂于精確解。因此 ，正確建立

3、結(jié)構(gòu)的力學模型，是分析工作的第一步目前采用有限元分析模型一般有如下兩種：梁單元模型和組合模型等。梁單元模型是將車架結(jié)構(gòu)簡化為由一組兩節(jié)點的梁單元組成的框架結(jié)構(gòu)，以梁單元的截面特性來反映車架的實際結(jié)構(gòu)特性。其優(yōu)點是：劃分的單元數(shù)目和節(jié)點數(shù)目少 ，計算速度快而且模型前處理工作量 不大，適合初選方案。其缺點是：無法仔細分析車架應(yīng)力集中問題，因而不能為車架縱、橫梁連接方案提供實用的幫助。組合單元模型則是既采用梁單元也采用板殼單元進行離散。在實際工程運用中，由于車架是由一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，且形狀復(fù)雜，宜離散為許多板殼單元的組集，其缺點是前處理工作量大，計算時間長，然而隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，這個問

4、題已得到了較好的解決，而且由于有大型有限元軟件支撐，巨大的前處理工作量絕大部分可由 計算機完成，也不是制約板殼元模型實際運用的困難了。這種模型使得對車架的分析計算更 為精確，能為車架設(shè)計提供更為有利的幫助。車架的計算方法汽車車架的主要結(jié)構(gòu)形式為邊梁式車架，貨車車架縱梁截面多為槽形，橫梁截面可為槽形、閉口矩形或圓管?？v梁和橫梁的連結(jié)方式有焊接、鉚接和螺栓聯(lián)結(jié)等。其連結(jié)接頭幾何形狀各異，應(yīng)力分布復(fù)雜根據(jù)是否考慮接頭的真實形狀，邊梁式車架的結(jié)構(gòu)計算方法可分為兩大類不考慮接頭形狀有：最小變形能法、Erz法、傳遞矩陣法和空間梁有限元法。其不足之 處，一是忽略了接頭的柔度，而它對車架變形和桿端力矩的計算卻

5、很有影響。二是無法確切計算接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而這對于車架的設(shè)計和優(yōu)化卻很重要。三是只用梁單元，不能反映設(shè)計的修改，如接頭形狀和連接形式的改變考慮接頭形狀有：完全法和混合法。完全法用板殼單元來離散整個車架，可用于縱梁并不均勻平直的剛架，缺點是用的單元和自由度數(shù)目龐大，且計算的前后處理工作量大；混合法是交替使用了有限元和矩陣立法。為比較完全法和混合法的計算精度，德國學者做了一個基礎(chǔ)試驗:對一段僅有一格兩根橫梁的車架模型，分別用兩種算法進行扭轉(zhuǎn)工況的對比計算，將結(jié)果與試驗相比，混合法的誤差僅為 3%，而完全法則大得多在進行車架有限元分析時必須考慮接頭形狀。例如對于一個長5” smm含5根橫梁的貨車

6、車架，用一般梁單元計算的扭轉(zhuǎn)剛度僅為測值的1/3,車架水平彎曲時，該法求出的與考慮接頭形狀的相比，縱梁上最大彎矩誤差達50%，第三和第四根橫梁彎矩誤差甚至高達100腸2j。內(nèi)力誤差大，就很難設(shè)想會求得準確的應(yīng)力 ，不考慮接頭形狀的傳統(tǒng)算法將接頭看作剛 性的特點，而各種車架接頭的柔度相差幾十甚至JL百倍等效載荷的簡化計算結(jié)果的真實值和可信度與模型的建立和載荷的簡化有直接的關(guān)系。早期的車架強度計算是將車架簡化為簡支梁，只做彎曲強度的校核，隨著有限元的發(fā)展和推廣，國內(nèi)汽車行業(yè) 已將有限元法應(yīng)用于車架的強度計算，但貨箱與車架相連的部分，應(yīng)力的計算值與貨箱和車架之間等效載荷以及相互剛度關(guān)系簡化模型有關(guān)，

7、直接影響計算結(jié)果。通過分析可得出以下幾點結(jié)論a貨車貨箱和車架之間的作用力是以集中力的形式傳遞的。b.貨箱和車架共同承受彎曲載荷 ，貨箱承受能力與貨箱剛度有關(guān)。因此在車架應(yīng)力的有限元計算中考慮貨箱的剛度貢獻。“貨箱的結(jié)構(gòu)形式對車架的受力影響顯著5j。3車架的動態(tài)分析對車架進行強度分析的同時還要考慮其合理的動態(tài)特性 以達到控制振動與噪聲的目的。國外從70年代開始，對汽車結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性研究迅速開展并卓有成效。SAEPapor近年來刊登了大量的文章 ,并由SAE在1974年和1977年召開了兩 次車輛結(jié)構(gòu)力學的國際會議 ，出版了文集，車架的動力學分析也是在1971年剛剛開始的，計算頻率與試驗誤差達 2

8、0%國外一般采用等大型計算程序并研制專用程序，自由度數(shù)少則幾百多則上萬。車架結(jié)構(gòu)一般采用梁單元，車身采用板單元或只承受剪力的板單元和梁單元的組合。對于整車結(jié)構(gòu)的動力學分析由于自由度過高，計算很不經(jīng)濟，因此近年來發(fā)展了子結(jié)構(gòu)的方法，分析各子結(jié)構(gòu)而后進行模態(tài)綜合。國內(nèi)已應(yīng)用有限元法對汽車車架進行了靜力計算。 在文獻【6中應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)軟件對貨車車架進行了動態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析。在進行模態(tài) 分析時，因結(jié)構(gòu)阻尼較小，對固有頻率和振形影響甚微 ，故忽略不計。而汽車車架一般只需要 計算較低的幾階頻率（高階振形對結(jié)構(gòu)的動力特性影響很?。⒖芍苯訉Y(jié)構(gòu)設(shè)計進行評價 其評價指標為：a. 車架低階頻率（即一階扭轉(zhuǎn)

9、和彎曲頻率的值 ）應(yīng)高于懸架下結(jié)構(gòu)的固有頻率 ，而又低于 發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)頻率，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象。b. 車架彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動機經(jīng)常工作的頻率范圍。c. 車架振形應(yīng)盡量光滑，避免有突變。通過分析提供的信息，對該車在使用中發(fā)生的故障進行了診斷，提出了相應(yīng)的改進措施，從而使該車具有更好的動態(tài)特性。4車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)元件參數(shù)的優(yōu)化通過對汽車車架性能特點的分析，提出邊梁式車架結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化數(shù)學模型，討論車架在一定的約束條件下，采用復(fù)合形法、混合罰函數(shù)法尋求各梁截面參 數(shù)的最佳值，達到合理利用材料、減輕車架自重的目的。在保證車架強度的同時還要保證具 有一定的扭轉(zhuǎn)剛度。過大的扭轉(zhuǎn)剛度將增大

10、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，并使平順性變差（武田信之：載貨汽車設(shè)計）。從早期通過試驗所得出的一些結(jié)論可以看出，若加大橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度，可以提高整個車架的扭轉(zhuǎn)剛度，但與該橫梁連接處的縱梁的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力會加大；如果不加大橫梁，而是在兩根橫梁間再增加橫梁，其結(jié)果是增強了車架的扭轉(zhuǎn)剛度，同時還降低了與橫梁連接處的縱梁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。據(jù)此，國外所采用的輕而密的橫梁，顯然對于車架的應(yīng)力狀態(tài)十分有利。有限元計算也表明了這一結(jié)論的正確性7j。在對車架進行強度分析過程中，車架與橫梁之間的連接對其分析結(jié)果有很大的影響。采用較柔軟的接頭一般使對強度起決定作用的扇形正應(yīng)力降低 但同時也降低了扭轉(zhuǎn)剛度。當扭轉(zhuǎn)剛度一定時，提高接頭柔度和增加橫梁數(shù)目有

11、利于改善強度，但使車架質(zhì)量增加。車架質(zhì)量一定時，使用數(shù)目較少的、截面尺寸較大的橫梁對強度有利。 當然,車架優(yōu)化還要考慮接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，觀察車架的橫向彎曲等考慮車架整體布局進行優(yōu)化以往較為成熟的研究工作幾乎都集中在結(jié)構(gòu)截面尺寸及形狀優(yōu)化方面，這是在結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)決定的情況下進行的。優(yōu)化設(shè)計能產(chǎn)生的效果也限定在布局之內(nèi)?，F(xiàn)在，許多專家認為，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計的初步設(shè)計階段引人結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即在應(yīng)力約束下車架的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計。它是在給定外力及支撐的條件下，確定連續(xù)體的布局，同時滿足各種設(shè)計要求，在確定拓撲的同時確定了結(jié)構(gòu)的形狀。該種方法是根據(jù)汽車車架的結(jié)構(gòu)和受力特點，用薄板結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法的數(shù)學模型來描

12、述，建立了汽車車架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型，利用滿應(yīng)力法對汽車車架進行 拓撲優(yōu)化設(shè)計。它是屬于靜力優(yōu)化問題，而動態(tài)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)最優(yōu)布局僅靠經(jīng)驗是無法解決的。從實用角度看，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計只是一種概念性設(shè)計，實際設(shè)計時需進行一些修改，因此，實際工作中的車架和優(yōu)化結(jié)果不一定完全一致，那么修改后會有什么影響這就要求對優(yōu)化結(jié)果進行研究，尋求穩(wěn)定性好的結(jié)果。5結(jié)論通過對車架有限元分析技術(shù)的全面概括，可得出以下結(jié)論：采用板殼單元離散車架、加載 方式以集中力的形式、計算方法為混合法的有限元分析模型能克服其他模型的弊病，使車架分析系統(tǒng)的可信度和可操作性加強。通過對車架的動態(tài)分析，找出其低階振動頻率，避開發(fā)動機經(jīng)常工作

13、的頻率范圍，達到控制振動和噪聲的目的。在縱梁之間增加橫梁，即增加了車架的扭轉(zhuǎn)剛度，同時還降低了與橫梁連接處的縱梁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力參考文獻1. 莊繼德汽車車架計算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量綜述汽車工程，1996(6)2.，歷輝.貨車車架的等效載荷簡化汽車工程，194(5)3. 鄭兆晶.汽車車架的固有頻率和振型計算.汽車技術(shù)，1982(2)4. 肖專文.有限元應(yīng)力計算結(jié)果改善處理的一種實用方法.計算力學學報.19995. 曲昌榮，郝玉蓮，戚洪濤.汽車車架有限元分析J.輕型汽車技術(shù)，2007,6. 石常青，丁厚明，楊勝梅.貨車車架的有限元分析及車廂對其性能的影響J.汽車技術(shù)，20047. 郭立群，潘淑華.中重型汽車車架結(jié)構(gòu)強度有限元建模與分析方法研究J.汽車技術(shù)，2008,8. 尹輝俊，韋志林，黃昶春等.面向設(shè)計的微型車車