論文編號:LX004 字?jǐn)?shù):17849,頁數(shù):38

1 緒論
1.1前言
汽車作為交通運(yùn)輸工具之一，發(fā)揮著非常重要的作用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展，因此要求提供更多更好的結(jié)構(gòu)輕、性能好、質(zhì)量高、用途廣、安全可靠的汽車。汽車車架作為汽車總成的一部分，承受著來自道路及各種復(fù)雜載荷的作用，而且汽車上許多重要總成件都是以車架為載體，因而，車架的強(qiáng)度和剛度在汽車總體設(shè)計(jì)中顯得非常重要。
1.2 車架有限元建模與分析的發(fā)展
早期，車架的結(jié)構(gòu)分析采用試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)交叉進(jìn)行是串行組織的。在車架設(shè)計(jì)過程中，在定型之前往往經(jīng)過多輪設(shè)計(jì)，通過樣品制造——試驗(yàn)——修改——再設(shè)計(jì)的往復(fù)，周期長,人力，物力消耗大；設(shè)計(jì)面對的對象是實(shí)物。后來，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，人們開始逐漸將計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于汽車車架的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)。初期的車架分析計(jì)算是通過將車架簡化成兩根縱梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核的。這種計(jì)算方法至今還在沿用，但它顯然滿足不了汽車車架的設(shè)計(jì)要求。后來提出的車架扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法，認(rèn)為車架抗彎曲剛度比抗扭轉(zhuǎn)剛度大很多，進(jìn)而假設(shè)車架在扭轉(zhuǎn)整個(gè)結(jié)構(gòu)都不發(fā)生彎曲。這種方法避免了求解車架高次超靜定方程的困難。但只能計(jì)算純扭轉(zhuǎn)，不能考慮車架的實(shí)際工況，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的對比分析表明，這種認(rèn)為車架工作時(shí)只扭轉(zhuǎn)不彎曲的理論是有失偏頗的。并且，這種計(jì)算方法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，在當(dāng)時(shí)的實(shí)際運(yùn)用中也存在著很大的困難。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，汽車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。例如模態(tài)試驗(yàn)方法，有限元方法等。其中有限元方法已經(jīng)成為建立有限元模型并模擬車架的主要分析途徑，且慢慢走向成熟[1]。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
早在上世紀(jì)七十年代，歐美國家就己經(jīng)在車架結(jié)構(gòu)分析中采用有限元方法，并能較好地模擬、分析車架動態(tài)特性。隨著有限元模擬方法的不斷完善和發(fā)展，歐、美、日、韓等國家的汽車生產(chǎn)周期不斷縮短，一種新車型從概念到批量生產(chǎn)由6年，5年，4年發(fā)展到目前的2年甚至更短的時(shí)間，而且產(chǎn)品性能越來越高。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件水平的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的有限元系統(tǒng)，如ANSYS、NASTRAN、I-DEAS等，使得車架靜態(tài)分析、動態(tài)分析等成為可能。國外己能夠用有限元對結(jié)構(gòu)、材料和形狀參數(shù)等進(jìn)行靈敏度分析，并取得了重大成果。經(jīng)過三十多年的積累和發(fā)展，國外許多大公司建立了高性能的車架計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)，形成了完整的設(shè)計(jì)、分析方法和實(shí)驗(yàn)程序。目前，國外車型開發(fā)周期已經(jīng)縮短到24至36個(gè)月，這與采用現(xiàn)代車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是分不開的。現(xiàn)代車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由原來的經(jīng)驗(yàn)、類比、靜態(tài)設(shè)計(jì)，向建模、靜動態(tài)分析、動態(tài)優(yōu)化及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。
國內(nèi)起步較晚，在80年代才開始有限元方面的研究，但經(jīng)過眾多學(xué)者的研究和探索，己經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。長春汽車研究所的谷安淘和常國振首先采用桿系有限元法求解了車架結(jié)構(gòu)分析問題。他們將汽車車架結(jié)構(gòu)簡化為一組離散單元的集合體.這些單元通過各自的端點(diǎn)連接起來，用以代替真實(shí)的車架。隨后，吉林工業(yè)大學(xué)的黃金陵進(jìn)一步研究和完善了汽車車架桿系有限元法在車架靜力學(xué)方面的計(jì)算理論。后來，應(yīng)用有限元法對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的研究越來越多，運(yùn)用有限元法對車架結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算不再局限于靜力分析，還開始考慮動態(tài)特性分析。同時(shí)，隨著大量有限元軟件的引進(jìn)，車架的有限元法不僅由桿系理論上升到連續(xù)體的理論，而且計(jì)算模型的建立也越來越復(fù)雜，相應(yīng)的計(jì)算精度也越來越高。目前，采用有限元法對汽車的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析正在成為車架設(shè)計(jì)的主流手段。今后，可以預(yù)計(jì)運(yùn)用有限元法對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算將成為汽車設(shè)計(jì)的主流。目前國內(nèi)對重型車架的分析一般僅限于強(qiáng)度和剛度的靜態(tài)分析，在動態(tài)分析上起步較晚。這一方面是由于受到所具備的計(jì)算軟、硬件條件的制約，另一方面車架建模過程涉及因素多而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有待于進(jìn)一步的研究和探索[2]。
1.4 選題的目的和意義
汽車工業(yè)屬于高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，要設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越，安全可靠的汽車，不利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析是根本無法實(shí)現(xiàn)的。我國汽車工業(yè)采用CAD技術(shù)，從無到有，已經(jīng)有近30年的歷史了。盡管大多數(shù)的廠家采用一定的CAD技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)，如常見的AUTOCAD等輔助設(shè)計(jì)軟件，但是這些軟件一般并不具有結(jié)構(gòu)分析的功能。另外，我國的汽車工業(yè)還有自己的特殊性：一是引進(jìn)國外設(shè)計(jì)，國產(chǎn)化生產(chǎn)；二是仿制或改裝設(shè)計(jì)，自己獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品很少。而國內(nèi)許多廠家在汽車的設(shè)計(jì)，制造和改裝過程中仍主要依靠和沿用傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，從而造成產(chǎn)品存在缺陷或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是局部材料強(qiáng)度余量較大，無法及早判斷，造成材料的浪費(fèi)；二是在車輛實(shí)際使用過程中往往出現(xiàn)強(qiáng)度、壽命、振動、噪聲等方面的問題。這些都給我國汽車產(chǎn)品質(zhì)量的提高帶來困難，也造成使用中的安全隱患。由于一系列客觀條件的限制，我國汽車制造廠家對有問題又往往采用局部加強(qiáng)的方法，這不但需要進(jìn)行多次全面的實(shí)車試驗(yàn)才能確定其有效性，而且會導(dǎo)致車重的不斷增加；另外，對一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據(jù)，往往得不到很好的實(shí)施。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用有限元法進(jìn)行分析，是近幾十年發(fā)展起來的新的計(jì)算方法和技術(shù)。有限元的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學(xué)問題。早期由于有限元法所要求解的問題計(jì)算規(guī)模都比較大，而計(jì)算機(jī)的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性。現(xiàn)在這些都不再是主要矛盾，只要注意所建有限元模型中各種支承，連接關(guān)系盡量與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符。汽車結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)分析的主要目的是查明車架的應(yīng)力分布和變形狀況。
隨著有限元技術(shù)的成熟和高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，各種通用程序、專用程序的求解功能都很齊全，前后處理也很方便，汽車結(jié)構(gòu)中絕大部分部件甚至整車的有限元靜、動態(tài)分析和固有特性分析等都可應(yīng)用這些通用程序或?qū)Ｓ贸绦騺矸治鲇?jì)算。
現(xiàn)在，利用有限元法進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析己經(jīng)成為一種趨勢。在西方發(fā)達(dá)國家的汽車企業(yè)中，有限元分析己經(jīng)成為其產(chǎn)品設(shè)計(jì)鏈中必需的常規(guī)。基于我國汽車工業(yè)的總體水平仍然落后的現(xiàn)實(shí)，在汽車的設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)過程中，引入有限元分析是必要而有意義的，有大量的工作需要去做。車架作為汽車的承載基體，支承著發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、貨廂等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應(yīng)有足夠的彎曲強(qiáng)度，以使裝在其上有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對位置在汽車行使過程中保持不變并使車身的變形最小：車架也應(yīng)有足夠的剛度，以保證其有足夠的可靠性和壽命，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘座舒適性，操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。但車架的扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差，使通過性變壞[1]。
車架作為汽車的基礎(chǔ)部件，受力狀況、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無法用簡單的數(shù)學(xué)方法對其各部分的應(yīng)力狀況進(jìn)行分析計(jì)算，而采用有限元分析即可對車架的靜強(qiáng)度、振動模態(tài)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，從而使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到科學(xué)設(shè)計(jì)階段。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車的設(shè)計(jì)和開發(fā)日益向智能化、環(huán)保化、低排放、輕污染、安全化、以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化的方向發(fā)展。產(chǎn)品的類型和結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，對汽車的產(chǎn)品開發(fā)的要求也越來越高[3]。同時(shí)，對產(chǎn)品的可靠性，安全性的要求也越來越高。汽車作為目前我們國家的主要的城鄉(xiāng)交通工具，對其剛度強(qiáng)度，安全性能的研究具有重要的意義[4]。

目錄
1 緒論..............................................................................1
1.1前言 ............................................................................1
1.2 車架有限元建模與分析的發(fā)展......................................................1
1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r .................................................................1
1.4 選題的目的和意義................................................................2
1.5 課題主要研究內(nèi)容................................................................3
2 有限元法與ANSYS軟件...............................................................4
2.1 有限元法 .......................................................................4
2.1.1 有限元法概述..................................................................4
2.1.2 有限元法的要點(diǎn)和特性 .........................................................5
2.2 ANSYS軟件簡介 ..................................................................6
2.2.1 ANSYS軟件的分析步驟 ..........................................................7
2.2.2 ANSYS軟件的基本功能...........................................................7
3 車架有限元模型的建立..............................................................9
3.1  有限元模型建立的方法 ..........................................................9
3.2  車架幾何實(shí)體模型的建立.........................................................9
3.3 車架結(jié)構(gòu)有限元模型基本單元的選擇...............................................10
3.3.1 單元屬性的確定及基本單元的選擇 ..............................................10
3.3.2 單元的劃分...................................................................12
3.3.3 彈簧單元 ....................................................................13
3.4 荷載處理 ......................................................................13
4 車架靜態(tài)特性分析 ................................................................14
4.1 工況一彎曲工況.................................................................14
4.2 工況二彎扭工況 ................................................................17
4.3 工況三彎扭工況.................................................................19
5 車架的有限元模態(tài)分析 ............................................................23
5.1 車架模態(tài)分析理論基礎(chǔ)和步驟.....................................................23
5.2 車架的模態(tài)分析 ................................................................24
5.2.1 約束模態(tài)分析.................................................................25
5.2.2 自由模態(tài)分析 ................................................................29
總結(jié)...............................................................................34
致謝 ..............................................................................35
參考文獻(xiàn) ..........................................................................36