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基于ANSYS Workbench的边梁式车架有限元分析

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内燃机与配件0引言汽车绝大多数部件和总成（如发动机、传动系统、悬架、转向系统、驾驶室、货箱和有关操纵机构）均是通过车架固定位置，并承受来自车内外的各种载荷，直接关系到乘车人员的安全性，以及汽车是否能够发挥其性能，在车架设计过程中采用有限元法对车架进行仿真分析，可以提前预判车架的性能缺陷，极大的缩短车架的开发周期。国内很多学者利用有限元法对车架进行了分析，本文首先利用CATIA构建了某小型货车用边梁式车架，再利用ANSYSWorkbench对一个典型的边梁式车架进行了模态分析和弯曲、扭转、紧急制动三种典型工况下的应力分析。1车架模型建立车架长度为5690mm，宽为800mm，整车装备质量：1640kg；整车总质量：1965kg；车架材料为510L结构钢，屈服强度为510-630Mpa，抗拉强度355Mpa，弹性模量212000Mpa，密度7850kg/立方米，泊松比0.3。该车架包含左右纵梁、五个横梁、前后附加横梁、加强板件和支架共40个零件。前钢板弹簧吊耳支架总成、后钢板弹簧支架总成、后钢板弹簧吊耳支架总成均焊接在左右纵梁上，用来安装减震器与板簧。利用CATIA构建三维图如图1所示。2模态分析2.1模态分析简介模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析是最基本的动力学分析，也是其他动力学分析的基础，例如响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等均是在模态分析的基础上进行的。模态分析可以求解结构的固有频率和振型，从而在结构设计时可以通过避免结构固有频率与激励频率相同，而避免结构发生共振。无阻尼模态分析是经典的特征值问题，动力学问题的运动方程为：（1）结构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数：（2）2.2网格划分采用ANSYSWorkbench中的Modal模块，把车架三维模型导入Modal模块进行网格划分时，对车架左右纵梁上的100多个装置用孔进行简化处理，进行自动网格划分，得到的网格效果如图2所示。2.3模态分析结果通过分析振型可以发现，车架左右纵梁、横梁以及各个加强板件振幅集中在0至5mm。车架的前六阶模态与各阶最大变形量与变形位置整理如表1所示。3车架动载荷分析3.1动载荷分析简介由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程为：（3）式中，[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x忆}是速度矢量；{x义}是要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院胡瑞雪（1981-），女，河北邢台人，讲师，硕士（研究生），研究方向为汽车工程；张玉泉（通讯作者）（1983-），男，河北邢台人，讲师，硕士（研究生），研究方向为汽车工程。基于ANSYSWorkbench的边梁式车架有限元分析FiniteElementAnalysisofSide-beamFramebasedonANSYSWorkbench胡瑞雪淤HURui-xue曰张玉泉淤ZHANGYu-quan曰赵占良于ZHAOZhan-liang曰贾万波于JIAWan-bo（淤河北交通职业技术学院汽车工程系，石家庄050035；于北方工程设计研究院有限公司，石家庄050000）（淤DepartmentofAutomobileEngineering，HebeiJiaotongVocational&TechnicalCollege，Shijiazhuang050035，China；于NorendarInternationalLtd.，Shijiazhuang050000，China）摘要院车架承载着车内外的各种载荷，其性能至关重要，为了获得车架的动态特性，运用CATIA建立了某小型货车边梁式车架三维模型，并在ANSYSWorkbench中对车架做了模态、动载荷分析。在分析的基础上为车架的结构改进提供了理论依据。Abstract:Inordertoobtainthedynamiccharacteristicsoftheframe,athree-dimensionalmodeloftheside-beamframeofaminivanwasbuiltwithCatia,andthemodalanddynamicloadoftheframewereanalyzedinANSYSWorkbench.Onthebasisofanalysis,thetheoreticalbasisisprovidedfortheimprovementofframestructure.关键词院车架；模态分析；动载荷；ANSYSKeywords:frame；modalanalysis；dynamicload；ANSYS图1车架三维模型图·22·InternalCombustionEngine&Parts加速度矢量。本文中以紧急制动工况下为例进行分析。3.2紧急制动工况分析在汽车进行制动时模拟前轮抱死，后轮对Y方向与Z方向进行约束。取动态系数为2.0，得到载荷为39300N。均匀加载在五个横梁上表面。得到以下计算结果：车架最大应力发生在车架左前钢板弹簧支架体上，为71Mpa，横梁与纵梁以及加强板件接触位置应力在15Mpa左右，均满足510L结构钢的力学性能。在紧急制动工况下汽车车架不会破坏。如图3-图5所示。综上所述，车架在承受动载荷时，通过对满载弯曲、满载扭转与紧急制动三个典型工况的分析得到车架最大受力部位发生在左前钢板弹簧支架体上为236Mpa可以满足车架力学性能要求。4结论本文对车架三种典型工况下的动载荷进行了应力分析，对车架产生的应力，均满足材料力学性能，但在扭转工况下，车架横梁上的喇叭支架由于横梁的微变形其产生约5mm的位置偏移。通过ANSYSWorkbench对车架进行了模态分析和三种典型工况下的动载荷分析得到了下述两点结论与建议。淤应用ANSYSWorkbench19.0的Modal模块进行了车架的模态分析得到了车架的六阶固有频率，进行了路面激励频率与发动机激励频率和车架固有频率的对比。得到车架不会发生共振的结论。由六阶模态下的车架变形云图可知，其最大变形多

发生在左右纵梁与横梁的连接位置，建议通过对加固板件的设计来减小车架的变形，在不改变加固支撑板件的厚度条件下可以加大这些板件的长度与宽度，使他们能够承受更多的力，增加加固板件与左右纵梁的接触面积降低左右纵梁以及横梁所受到的压强进而降低车架的变形。于应用ANSYSWorkbench19.0的StaticStructural模块对车架进行了静态分析得到了车架的受力云图，可以直观的得到车架最大受力位置，得到车架在最大受力位置仍然满足510L结构钢的力学性能。参考文献院[1]李亚坤，旅游电动车车架的静态分析[J].内燃机与配件，2019（24）：42-44.[2]刘丙晓.基于ANSYSWorkbench的货车车架有限元分析[J].汽车实用技术，2017，12（52）：157-159.[3]黄志新.ANSYSWorkbench16.0超级学习手册[M].人民邮电电出版社，2016.[4]李丽援货车CAE工程应用研究[D].华中科技大学硕士论文，2008.图2网格模型阶数固有频率振型描述最大变形位置变形量（mm）12345613.23526.4727.25729.47554.63655.298横向转动扭转垂直弯曲水平扭转水平扭转弯扭组合第三横梁与钢板弹簧支架连接位置右纵梁与前附加横梁的连接位置左纵梁与前附加横梁的连接位置传动轴中间支撑横梁第二横梁的加固板部件右纵梁尾部位置3.485.45.23.13.55.3表1车架前六阶振型与变形量

图3紧急制动应力云图图5紧急制动变形云图图4局部应力云图·23·

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基于ANSYS的车架有限元分析

基于ANSYS的车架有限元分析

摘 要

汽车经过130多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要内容。在汽车结构中，车架作为整车的基体和主要承载部件，具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车内、外各种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。

本文以某运油车车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为汽车安全与节能设计提供了理论支持。同时对车架也进行了模态分析，得出车架的固有频率与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。

关键字：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析

Abstract

The automobile which has developed for 130 years, security and energy

saving has become the leading content for automobile deign. Among the

many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic

part and the main bearing part. It has the function of connecting all parts of

the vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the

vehicle. The performance of frame structure affects whether the automobile

property is good or not.

载重货车车架设计及有限元分析

载重货车车架设计及有限元分析

I 摘要

汽车车架是整个汽车的基体，是汽车设计中一个重要的环节。车架支撑着发动机离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的重要机件，承受着传给它的各种力和力矩。因此，车架必须要有足够的弯曲刚度，也要有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命。同时，随着现在汽车的发展，载重货车的乘坐舒适性，操控性能也在不断提高，因此车架的设计还应同时兼顾舒适性和操控性。

本文以商用载重货车为研究目标，结合货车的各项参数，对车架进行设计。确定了车架总成以及纵梁横梁的各项参数。运用solidworks软件做出了车架的三维模型图。同时利用ANSYS WORKBENCH有限元分析软件对车架的四种典型工况做出静力分析，得到各种工况下的变形情况和应力分布情况，同时对车架进行了模态分析。最后根据分析结果对车架做出优化建议。

关键词: 载重货车；车架；结构设计；有限元分析

II ABSTRACT

The vehicle frame is the base of the car, is one of the most important

parts in the automobile design. Frame supports the engine clutch, transmission,

steering gear, non bearing body and the container all spring quality the

important parts, bear and pass it on to all kinds of force and moment. Therefore,

the frame must have enough bending stiffness, also want to have enough

strength, to ensure sufficient reliability and life. At the same time, with now the

基于ANSYS的车架结构优化设计

基于ANSYS的车架结构优化设计

基于ANSYS的车架结构优化设计

车架结构在汽车工程中起着至关重要的作用，它是支撑整个车辆的骨架，承受着来自地面、悬挂系统和动力系统的力和扭矩。为了满足车辆的性能要求，提高安全性和降低噪音振动，车架结构需要进行优化设计。本文将通过使用ANSYS软件进行车架结构优化设计，并详细介绍整个优化设计过程。

第一步是建立车架的有限元模型。有限元分析是一种以离散化方法来近似连续物体的一种数学方法。在车架结构的有限元建模中，可以使用SOLID186单元来模拟车架的实体结构。同时，还需要将汽车的质量、车轮的载荷等加载到有限元模型中。

第二步是进行静态结构分析。静态结构分析是车架结构优化设计的基础，可以评估车架在不同载荷情况下的应力和变形情况。在进行静态结构分析之前，需要根据汽车设计标准和车辆使用条件来确定适当的载荷情况。采用ANSYS软件进行静态结构分析，可以得到车架的应力和变形分布情况。

第三步是进行优化设计。优化设计是车架结构设计中的重要环节，可以通过调整车架的材料、形状和尺寸等参数来改善车架的性能。在ANSYS中，可以使用自动优化工具进行优化设计。首先，需要定义优化目标函数和约束条件，例如最小化最大应力、最小化车架的质量等。然后，可以选择不同的优化算法，如遗传算法、粒子群优化等，来最优解。通过多次迭代和分析，可以逐步得到最优的车架结构。

第四步是验证优化结果。在优化设计完成后，需要进行验证来确认优化结果的可行性和有效性。可以对优化后的车架结构进行静态结构分析、模态分析和疲劳寿命分析等，来评估车架的性能和可靠性。如果结果满足要求，就可以进行后续的制造和测试。

总之，基于ANSYS的车架结构优化设计可以帮助工程师更好地理解和改善车架的性能。通过使用ANSYS软件进行有限元建模、静态结构分析、优化设计和验证，可以得到最优的车架结构，提高汽车的性能和安全性。同时，车架结构优化设计还可以减少材料的使用和降低成本，对环境也有积极的意义。然而，需要指出的是，车架结构优化设计涉及到许多工程和数学问题，需要工程师具备相关的知识和经验，才能够进行有效的设计和分析。

基于ANSYS Workbench的某卡车车架轻量化设计

基于ANSYS Workbench的某卡车车架轻量化设计

基于ANSYS Workbench的某卡车车架轻量化设计

作者：黄立君 万明军 高志刚

来源：《科技风》2021年第19期

關键词：轻量化设计;有限元分析;卡车车架;静力分析

车架作为车辆的主要承载部件，一直以来是车辆轻量化的主要目标之一。但在车辆行驶过程中车架受力十分复杂，在经过轻量化设计之后必须保证其仍然具有足够的强度以及刚度。王霄峰等人介绍了车架的具体理论与设计方法，如车架性能、参数设定、刚度强度的运算方式及载荷的确定等，为车架的设计提供了最基本的研究方案。近年来由于对节能减排的要求越来越高，不少学者对汽车轻量化进行研究。马迅、盛勇以车架总体积最小为目标函数对车架进行弯曲、扭转刚度和一阶扭转频率等综合性能方面优化，减重12.5%。杜发荣利用HyperWorks软件对高速发动机活塞进行拓扑优化，在满足活塞裙部变形稳定性的条件下，减重30%。盛建、戴作强对纯电动客车车架进行参数优化及静力学分析，表面在保证车架整体性能的前提下，车架质量降低5%，力学性能得到较大程度提升。于志新、曹全德对车架进行自由模态分析和静力分析基础上对车架进行尺寸优化，使得车架结构性能明提高，刚度提高8%。本文利用AN-SYS Workbench对某卡车车架进行静态分析，根据分析结果对车架进行拓扑优化减少车架重量的同时仍然使得车架满足强度与刚度的要求。

1车架有限元模型的建立

本文以某卡车的车架为研究对象，该卡车的车架为边梁式车架，用SolidWorks建立车架的三维模型，三维模型建立过程中忽略圆角和小孔特征以及不重要区域和细小结构，其余部分对车架进行1：1建模，将建立好的三维模型导入到ANSYS Workbench中建立车架的有限元模型，如图1所示。该车架全长4050mm，车架第1根横梁与第2根横梁相距895mm，第2根横梁与第3根横梁相距600mm，第3根横梁与第4根横梁相距880mm，第4根横梁与第5根横梁水平间距为490mm，第5根横梁与第6根横梁相距1010mm，车架前段宽400mm，尾端宽1000mm。