汽車車架靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的分析與研究

論文編號(hào):LX004 字?jǐn)?shù):17849,頁(yè)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(guó)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(lái)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(guò)程中，在定型之前往往經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)，通過(guò)樣品制造——試驗(yàn)——修改——再設(shè)計(jì)的往復(fù)，周期長(zhǎng),人力，物力消耗大；設(shè)計(jì)面對(duì)的對(duì)象是實(shí)物。后來(lái)，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(guò)將車架簡(jiǎn)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(lái)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(duì)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(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
早在上世紀(jì)七十年代，歐美國(guó)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(dòng)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(guó)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(lái)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(dòng)態(tài)分析等成為可能。國(guó)外己能夠用有限元對(duì)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(guò)三十多年的積累和發(fā)展，國(guó)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(guó)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�，F(xiàn)代車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由原來(lái)的經(jīng)驗(yàn)、類比、靜態(tài)設(shè)計(jì)，向建模、靜動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)優(yōu)化及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。
國(guó)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(guò)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(zhǎng)春汽車研究所的谷安淘和常國(guó)振首先采用桿系有限元法求解了車架結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題。他們將汽車車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一組離散單元的集合體.這些單元通過(guò)各自的端點(diǎn)連接起來(lái)，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(lái)，應(yīng)用有限元法對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的研究越來(lái)越多，運(yùn)用有限元法對(duì)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(dòng)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(lái)越復(fù)雜，相應(yīng)的計(jì)算精度也越來(lái)越高。目前，采用有限元法對(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)對(duì)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(dòng)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(guò)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。我國(guó)汽車工業(yè)采用CAD技術(shù)，從無(wú)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(guó)的汽車工業(yè)還有自己的特殊性：一是引進(jìn)國(guó)外設(shè)計(jì)，國(guó)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(guó)內(nèi)許多廠家在汽車的設(shè)計(jì)，制造和改裝過(guò)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(wú)法及早判斷，造成材料的浪費(fèi)；二是在車輛實(shí)際使用過(guò)程中往往出現(xiàn)強(qiáng)度、壽命、振動(dòng)、噪聲等方面的問(wèn)題。這些都給我國(guó)汽車產(chǎn)品質(zhì)量的提高帶來(lái)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(guó)汽車制造廠家對(duì)有問(wèn)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(huì)導(dǎo)致車重的不斷增加；另外，對(duì)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(lái)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(wèn)題。早期由于有限元法所要求解的問(wèn)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�，F(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(dòng)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(dòng)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?lái)分析計(jì)算。
現(xiàn)在，利用有限元法進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析己經(jīng)成為一種趨勢(shì)。在西方發(fā)達(dá)國(guó)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)�；�于我國(guó)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(guò)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(dòng)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(duì)位置在汽車行使過(guò)程中保持不變并使車身的變形最�。很嚰芤矐�(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(huì)引起振動(dòng)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(guò)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(guò)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(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法對(duì)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(duì)車架的靜強(qiáng)度、振動(dòng)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(lái)越復(fù)雜，對(duì)汽車的產(chǎn)品開發(fā)的要求也越來(lái)越高[3]。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的可靠性，安全性的要求也越來(lái)越高。汽車作為目前我們國(guó)家的主要的城鄉(xiāng)交通工具，對(duì)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(guó)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?jī)?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(jiǎn)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