汽车车架静态及动态特性的分析与研究

范文编号:LX004 字数:17849,页数:38

1 绪论
1.1前言
汽车作为交通运输工具之一，发挥着非常重要的作用。随着国民经济的快速发展，汽车工业得到了飞速发展，因此要求提供更多更好的结构轻、性能好、质量高、用途广、安全可靠的汽车。汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路及各种复杂载荷的作用，而且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体，因而，车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得非常重要。
1.2 车架有限元建模与分析的发展
早期，车架的结构分析采用试验方法，设计和试验交叉进行是串行组织的。在车架设计过程中，在定型之前往往经过多轮设计，通过样品制造——试验——修改——再设计的往复，周期长,人力，物力消耗大；设计面对的对象是实物。后来，随着经验的积累，人们开始逐渐将计算技术应用于汽车车架的结构分析及设计。初期的车架分析计算是通过将车架简化成两根纵梁，进行弯曲强度校核的。这种计算方法至今还在沿用，但它显然满足不了汽车车架的设计要求。后来提出的车架扭转强度计算方法，认为车架抗弯曲刚度比抗扭转刚度大很多，进而假设车架在扭转整个结构都不发生弯曲。这种方法避免了求解车架高次超静定方程的困难。但只能计算纯扭转，不能考虑车架的实际工况，计算和试验结果的对比分析表明，这种认为车架工作时只扭转不弯曲的理论是有失偏颇的。并且，这种计算方法比较复杂，计算量大，在当时的实际运用中也存在着很大的困难。
随着计算机技术的高速发展，汽车车架的结构设计逐渐由传统的经验设计方法，转向了现代设计方法。例如模态试验方法，有限元方法等。其中有限元方法已经成为建立有限元模型并模拟车架的主要分析途径，且慢慢走向成熟[1]。
1.3 国内外发展状况
早在上世纪七十年代，欧美国家就己经在车架结构分析中采用有限元方法，并能较好地模拟、分析车架动态特性。随着有限元模拟方法的不断完善和发展，欧、美、日、韩等国家的汽车生产周期不断缩短，一种新车型从概念到批量生产由6年，5年，4年发展到目前的2年甚至更短的时间，而且产品性能越来越高。随着计算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限元系统，如ANSYS、NASTRAN、I-DEAS等，使得车架静态分析、动态分析等成为可能。国外己能够用有限元对结构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了重大成果。经过三十多年的积累和发展，国外许多大公司建立了高性能的车架计算机辅助工程系统，形成了完整的设计、分析方法和实验程序。目前，国外车型开发周期已经缩短到24至36个月，这与采用现代车架结构设计方法是分不开的。现代车架结构设计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。
国内起步较晚，在80年代才开始有限元方面的研究，但经过众多学者的研究和探索，己经积累了大量的经验。长春汽车研究所的谷安淘和常国振首先采用杆系有限元法求解了车架结构分析问题。他们将汽车车架结构简化为一组离散单元的集合体.这些单元通过各自的端点连接起来，用以代替真实的车架。随后，吉林工业大学的黄金陵进一步研究和完善了汽车车架杆系有限元法在车架静力学方面的计算理论。后来，应用有限元法对车架进行结构分析的研究越来越多，运用有限元法对车架结构分析的计算不再局限于静力分析，还开始考虑动态特性分析。同时，随着大量有限元软件的引进，车架的有限元法不仅由杆系理论上升到连续体的理论，而且计算模型的建立也越来越复杂，相应的计算精度也越来越高。目前，采用有限元法对汽车的车架结构进行分析正在成为车架设计的主流手段。今后，可以预计运用有限元法对汽车结构进行仿真计算将成为汽车设计的主流。目前国内对重型车架的分析一般仅限于强度和刚度的静态分析，在动态分析上起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算软、硬件条件的制约，另一方面车架建模过程涉及因素多而且结构复杂，还有待于进一步的研究和探索[2]。
1.4 选题的目的和意义
汽车工业属于高技术产业，要设计出性能优越，安全可靠的汽车，不利用计算机辅助设计分析是根本无法实现的。我国汽车工业采用CAD技术，从无到有，已经有近30年的历史了。尽管大多数的厂家采用一定的CAD技术应用于车架设计，如常见的AUTOCAD等辅助设计软件，但是这些软件一般并不具有结构分析的功能。另外，我国的汽车工业还有自己的特殊性：一是引进国外设计，国产化生产；二是仿制或改装设计，自己独立开发设计的新产品很少。而国内许多厂家在汽车的设计，制造和改装过程中仍主要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而造成产品存在缺陷或结构设计的不合理，主要表现在两个方面：一是局部材料强度余量较大，无法及早判断，造成材料的浪费；二是在车辆实际使用过程中往往出现强度、寿命、振动、噪声等方面的问题。这些都给我国汽车产品质量的提高带来困难，也造成使用中的安全隐患。由于一系列客观条件的限制，我国汽车制造厂家对有问题又往往采用局部加强的方法，这不但需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性，而且会导致车重的不断增加；另外，对一些结构上的改进和优化，由于缺少一定的理论依据，往往得不到很好的实施。在汽车结构设计中采用有限元法进行分析，是近几十年发展起来的新的计算方法和技术。有限元的独特优点是能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题。早期由于有限元法所要求解的问题计算规模都比较大，而计算机的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性。现在这些都不再是主要矛盾，只要注意所建有限元模型中各种支承，连接关系尽量与实际结构相符。汽车结构的静、动态分析的主要目的是查明车架的应力分布和变形状况。
随着有限元技术的成熟和高速计算机的出现，各种通用程序、专用程序的求解功能都很齐全，前后处理也很方便，汽车结构中绝大部分部件甚至整车的有限元静、动态分析和固有特性分析等都可应用这些通用程序或专用程序来分析计算。
现在，利用有限元法进行汽车结构的静、动态特性分析己经成为一种趋势。在西方发达国家的汽车企业中，有限元分析己经成为其产品设计链中必需的常规。基于我国汽车工业的总体水平仍然落后的现实，在汽车的设计、制造和改进过程中，引入有限元分析是必要而有意义的，有大量的工作需要去做。车架作为汽车的承载基体，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、货厢等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。为此，车架应有足够的弯曲强度，以使装在其上有关机构之间的相对位置在汽车行使过程中保持不变并使车身的变形最小：车架也应有足够的刚度，以保证其有足够的可靠性和寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘座舒适性，操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏[1]。
车架作为汽车的基础部件，受力状况、结构较复杂，无法用简单的数学方法对其各部分的应力状况进行分析计算，而采用有限元分析即可对车架的静强度、振动模态进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计到科学设计阶段。
随着科学技术的发展，汽车的设计和开发日益向智能化、环保化、低排放、轻污染、安全化、以及结构设计轻量化的方向发展。产品的类型和结构也越来越复杂，对汽车的产品开发的要求也越来越高[3]。同时，对产品的可靠性，安全性的要求也越来越高。汽车作为目前我们国家的主要的城乡交通工具，对其刚度强度，安全性能的研究具有重要的意义[4]。

目录
1 绪论..............................................................................1
1.1前言 ............................................................................1
1.2 车架有限元建模与分析的发展......................................................1
1.3 国内外发展状况 .................................................................1
1.4 选题的目的和意义................................................................2
1.5 课题主要研究内容................................................................3
2 有限元法与ANSYS软件...............................................................4
2.1 有限元法 .......................................................................4
2.1.1 有限元法概述..................................................................4
2.1.2 有限元法的要点和特性 .........................................................5
2.2 ANSYS软件简介 ..................................................................6
2.2.1 ANSYS软件的分析步骤 ..........................................................7
2.2.2 ANSYS软件的基本功能...........................................................7
3 车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  车架几何实体模型的建立.........................................................9
3.3 车架结构有限元模型基本单元的选择...............................................10
3.3.1 单元属性的确定及基本单元的选择 ..............................................10
3.3.2 单元的划分...................................................................12
3.3.3 弹簧单元 ....................................................................13
3.4 荷载处理 ......................................................................13
4 车架静态特性分析 ................................................................14
4.1 工况一弯曲工况.................................................................14
4.2 工况二弯扭工况 ................................................................17
4.3 工况三弯扭工况.................................................................19
5 车架的有限元模态分析 ............................................................23
5.1 车架模态分析理论基础和步骤.....................................................23
5.2 车架的模态分析 ................................................................24
5.2.1 约束模态分析.................................................................25
5.2.2 自由模态分析 ................................................................29
总结...............................................................................34
致谢 ..............................................................................35
参考文献 ..........................................................................36

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