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某车型车架的有限元分析*苏玉珍李成贾红雨杨洁（郑州大学机械工程学院，郑州450001）Finite element analysis of the automobile frameSU Yu-zhen ，LI Cheng ，JIA Hong-yu ，YANG Jie（School of Mechanical Engineering ，Zhengzhou University ，Zhengzhou 450001，China ）文章编号：1001-3997（2009）07-0046-02【摘要】汽车车架静力学分析主要包括弯曲和扭转两种工况，这是评价车架质量最重要的指标。
采用弹性力学理论及有限元原理，利用大型通用有限元分析软件ANSYS 对某车型车架在弯曲、扭转两种工况下进行力学分析，得出了在弯曲和扭转工况下某轿车车架的刚度变化。
并对不同荷载情况下的车架不同部位的应力、位移进行较为全面的数值模拟，为对车架的强度分析提供参考和依据。
关键词：有限元分析；车架；ANSYS ；静力学分析【Abstract 】The most important standard for the quality of car frame is the static analysis which con －tains bending and torsion working conditions.Based on theory of elastic mechanics and finite element ，the mechanical property of the automobile frame is obtained under the conditions of bending and torsion using the ANSYS software.The influence of the two working conditions on this frame ’s stiffness is also ing the ANSYS software ，rounded numerical simulation of stress and displacement under different work －ing conditions is completed.It could be the reference to the intensity analysis of car frame.Key words ：Finite element analysis ；Car frame ；ANSYS ；Static analysis中图分类号：TH12，O241.82文献标识码：A＊来稿日期：2008-10-11＊基金项目：教育部科学技术研究重点项目，河南省教育厅科技攻关项目（2008A460013）1引言在现代社会中，汽车在人们的生产和生活中都起到了越来越重要的作用。
以ANSYS软件为分析工具对从国外引进的某重型车的车架进行了有限元分析、模态分析和以路面谱为输入的随机振动分析，通过用壳单元离散车架及MPC单元模拟铆打传力建立计算模型，研究该车架静、动态性能，了解该车架的优缺点。
车架是汽车的重要组成部分，在汽车整车设计中占据着重要位置，车架结构设计历来为广大汽车厂商所重视。
本文以某汽车公司从欧洲引进的某重型车车架为研究对象，对该车架结构的动、静态特性进行分析计算，消化、吸收欧洲的先进技术并在此基础上进行自主创新设计。
分析手段主要是通过建立正确的有限元分析模型，对车架进行典型工况的静态分析、模态分析和路面不平度引起的随机振动分析，以此了解车架的静态和动态特性，了解该车架的优越性能及其不足之处，为新车架的改型设计提供依据。
1 有限元分析模型的建立该车架为边梁式，由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或焊接方式将纵梁和横梁联接成坚固的刚性结构，纵梁上有鞍座，其结构如图1所示。
由于车架是由一系列薄壁件组成，有限元模型采用壳单元离散能详细分析车架应力集中问题，可以真实反映车架纵、横梁联接情况，是目前常采用的一种模型。
该车架是多层结构，纵梁断面为槽形，各层间用螺栓或铆钉联接，这种结构与具有连续横截面的车架不同，其力的传递是不连续的。
该车架长7m，宽约0.9 m，包括双层纵梁、横梁、外包梁、背靠梁、鞍座、飞机板、铸铁加强板、发动机安装板、三角支撑板和后轴等部分。
考虑到车架几何模型的复杂性，可在三维CAD软件UG里建立车架的面模型，导人到Hypermesh 软件中进行网格划分等前置处理，然后提交到ANSYS解算。
车架各层之间的铆钉联接，可以用Hypermesh-connectors中的bar单元来模拟铆钉联接，对应的是ANSYS的MPC单元，因车架各层间既有拉压应力，又有剪应力，故MPC的类型应选择Rigid Beam方式。
由于该车是多轴车，为超静定结构，为了得到车架结构的真实应力分布，必须考虑悬挂系统的变形情况。
条件的制约，与欧美日等西方国家比较，还存在着一段的差距。
目前，我国有限元法也广泛地应用于航空航天、机械、船舶、土木建筑、机电工业、铁道交通、轻工、地质等领域，许多研究处于世界前列。
在有限元通用程序方面，由于我国计算机发展条件的制约，与欧美日等西方国家比较，还存在着一段的差距。
随着我国经济的增长，科学技术现代化的迫切需要，加之有限元方面的专家和学者不懈努力，这种局面正在逐步改善。
特别是近年来，我国汽车行业引进了一些大型的有限元分析软件和ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ软件用于零部件的设计和计算【２１，２２］，极大地促进了有限元分析技术在汽车行业的运用，但在整车有限元分析方面，国内尚没形成一致的计算方法。
随着社会的进步，特别是７０年代能源危机以来，新的高强度材料、制造工艺和新的结构设计不断地投入使用又要求能及早发现材料、工艺和设计中的弱点，进行优化改进。
从经济上考虑，在产品的开发和试验过程中，尽量降低时间消耗、缩短产品开发周期，使产品及早投放市场也是十分必要的。
如果能够在产品开发的设计初期就能够预测出产品的结构强度和整车稳定性，那么这将在一定程度上促进产品的进一步开发研制，减少时间耗费。
另外，如果仅仅依靠试验后的数据，则需要在不同的加载条件下进行试验，这需要花费很长的一段周期，在经济上和效率上都是不合算的。
所以在设计阶段即能预测出整机的性能是极其必要的。
１．３主要研究内容根据中华人民共和国交通行业制定的汽车举升机标准ＪＴ／Ｔ１５５．２００４，本文利用有限元技术对ＢＬ－２３５０型双柱举升机进行结构分析，主要研究内容包括以下五个方面：（１）利用Ｐｒｏ／Ｅ软件建立双柱举升机三维参数化实体模型：（２）利用Ｐｒｏ／ＭＥｃＨＡＮＩｃＡ软件分别对双柱举升机总成在不同的工况下进行强度分析；（３）对模型的计算结果进行分析，评价其结构性能：（４）利用Ｐｒｏ／ＭＥｃＨＡＮＩｃＡ软件对双柱举升机进行模态分析：（５）根据计算结果对双柱举升机结构进行改进优化设计。
有限元分析在工程设计中的应用案例分析有限元分析，简称FEA（Finite Element Analysis），是一种利用数值计算方法对复杂结构进行力学分析的技术。
它基于物理学原理，利用离散化方法将连续的结构在有限元上分解成多个互相联系但是局部地独立的单元，再通过数学算法进行求解，最终得到整个结构的力学行为。
因为它可以减少试错周期、降低开发成本和提高产品性能，所以有限元分析已经成为当今工程设计和生产领域一项非常重要的技术。
本文将介绍一些有限元分析在工程设计中的具体应用案例。
1.汽车发动机壳体优化汽车发动机壳体是承载引擎所有关键部件的重要结构，其制造复杂度很高。
为了减少开发过程中的试验成本和时间,一家风机厂专门利用有限元分析技术对汽车发动机壳体进行优化设计。
更改前发动机壳体在经过一定的较高频振动时会存在密封性能下降的现象，需要进行加强设计。
利用有限元分析技术，他们对发动机壳体进行了动力学分析，并计算了各部位的振动位移和应力分布，通过不断地修改控制点的位置和形状来提高振动阻尼性能和密封性能。
最终确定了优化方案，成功地减少了振动，提高了发动机壳体的防震性能和密封性能。
2.建筑物钢框架分析建筑物钢框架是建筑结构的重要组成部分，其承载能力和组装结构设计都需要严格控制。
如何选取更好的工艺和材料来设计出更安全可靠的钢框架结构，被许多建筑设计公司所思考。
有限元分析技术的应用可以帮助工程师确定结构的承载能力，最大应力极限和变形情况，进而实现结构的优化。
一家建筑设施的设计公司利用有限元分析技术来优化钢框架的结构，计算具体承载状况，最终确定钢框架结构的有效设计方案。
这一个优化设计方案进一步增强了建筑物钢框架的承载能力，提高了项目的整体优势性。
3.飞机负荷分析航空工业是重要的现代国家产业之一。
飞机设计、测试和生产都需要极高的准确性，而这需要大量的场地、人力和物资投入。
一家工程公司成功地利用有限元分析技术对飞机进行负荷分析并评估整体结构的强度和刚度。
汽车结构有限元分析一：有限单元法的思想：从数学角度看，其基本设想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。
从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限个小单元体，并使他们在有限个节点上相互连接。
在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学特性，整个连续体的力学特性可以认为是这些小单元体的力学特性综合，从而建立起连续体的力的平衡关系。
二：有限元方法的应用：整车及零部件的强度疲劳寿命分析；整车及零部件刚度分析；整车及零部件的模态分析；汽车NVH分析；整车碰撞安全性分析；设计优化分析；气动或者流场分析；热结构耦合分析。
三：汽车结构有限元分析的流程：1、将连续分割成有限大小的区域:，这些小区域即为有限单元，单元之间以节点相连。
2、选择节点的物理量，如位移、温度作为未知量，对每个单元假设一个简单的连续位移函数来近似模拟其唯一分布规律3、利用有限单元法的不同解法，如根据虚功原理建立每个单元的平衡方程，形成单元性质的矩阵方程。
4、将各个单元在组装成原来的整体区域，建立整个物体的平衡方程组，形成整体刚度矩阵。
5、引入边界条件，即约束处理，求解出节点上的未知数。
四：弹性小挠度薄板弯曲基本假设：1、变形前垂直于中面的法线在变形后仍是弹性曲面的法线。
2、板厚方向的位移沿板的厚度是不变的，与中面的ω一致。
五：总刚度矩阵的性质：1、对称性2、稀疏性3、带状分布4、奇异性证明∑X=0∑Y=0结构处于平衡【边界约束前具有1-4的性质约束后有1-3的性质】六：什么叫等参单元等参单元有何优点和特点等参数单元简称等参元就是对单元几何形状和单元内的参变量函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换而设计出的一种新型单元。
优点1、形函数用局部坐标表示2、局部坐标与直角坐标变换通过几何参数表达3、坐标变换几何参数量与形函数节点参数数量相同4、各类等参数单元构造方法相同。
七：什么是模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
版权所有，仅限于学习交流之用第六讲汽车结构有限元分析实例合肥工业大学机械与汽车学院车辆工程系谭继锦编写2010年3月----------------------汽车结构分析实例⏹1、汽车结构设计准则与目标⏹2、汽车结构有限元模型⏹3、汽车结构强度分析⏹4、汽车结构刚度分析⏹5、汽车结构动态分析⏹6、汽车结构疲劳分析⏹7、汽车结构碰撞分析⏹8、汽车结构有限元优化设计1、汽车结构设计准则与目标⏹有限元分析方法是汽车数字化设计的一项核心技术；⏹在产品设计阶段对汽车结构及性能做出预先评估；⏹有限元分析能够提供大量的仿真试验数据和技术参数，进而可以替代部分试验，有利于设计经验的积累和设计技术的提高。
------汽车结构分析的目的主要是解决汽车结构的可靠性、安全性、经济性和舒适性等问题，其分析内容十分广泛，而且相互关联，主要涉及以下内容：⏹可靠性：研究汽车结构强度、刚度和动态特性，以及疲劳寿命等；⏹安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等；⏹经济性：研究结构优化及轻量化等；⏹舒适性：进行结构振动噪声分析等。
汽车结构设计准则与目标⏹结构分析可以划分成几个阶段，各阶段有不同的设计目标。
⏹◇概念设计阶段建立相应的设计目标；⏹◇详细设计阶段达到相应的设计目标；⏹◇样车制作阶段验证整车的性能并且分析设计中存在问题；⏹◇产品制造阶段验证设计和改进产品。
------以下概略汇总了汽车结构分析中在概念设计阶段和详细设计阶段汽车结构部分分析内容及设计目标，这些内容与目标是动态发展的，需要结合工程实际不断调整并发展。
概念设计阶段⏹新车设计目标值包括：⏹1.车身静刚度目标---弯曲刚度：模拟乘客负荷；尾部弯曲刚度：模拟行李负荷；扭转刚度：模拟车轮抬高；⏹ 2.整车NVH目标---车身结构的模态频率应该错开激振频率。
⏹ 3.整车安全性目标---前围挡板重要位置的侵入量;管柱的向后以及向上的侵入量；前碰过程中的冲击力；侧碰中B柱各位置的侵入量；车顶压溃中各位置的刚度值；⏹ 4.零部件及总成寿命目标---车身（驾驶室）疲劳寿命，悬架疲劳耐久性，车桥疲劳寿命；详细设计阶段⏹ 1.车身强度与刚度分析及其灵敏度分析⏹ 2.白车身弯曲刚度和扭转刚度⏹ 3.截面分析与接头刚度分析截面分析：检查截面尺寸的正确性；优化板件的厚度；接头刚度分析：保证接头的刚度达到一定的刚度值；截面特性对刚度的影响：截面特性对扭转刚度的影响；截面特性对弯曲刚度的影响；⏹ 4.开闭件的强度与刚度分析前门、后门、发动机盖、行李箱盖、前翼子板等,使开闭件结构满足一定的设计要求；开闭件抗凹陷分析；开闭件侧向刚度分析；⏹ 5.车身局部强度与刚度分析:仪表盘、管柱、前保险杆、后保险杆、座椅、安全带等；引擎盖铰接处的刚度分析；门铰链和门锁处的刚度分析；油箱盖的刚度分析；刮雨器连接点的刚度分析；仪表盘连接点的刚度分析；行李箱盖的刚度分析；⏹ 6.模态分析以及频率响应分析：模态分析、动刚度分析、传递函数分析、声穴分析、舒适性分析等；低阶模态的灵敏度分析；点导纳；悬置刚度；⏹7.NVH分析:通过低阶频率值的灵敏度分析，调整关键灵敏零件结构的形状与尺寸，使整车的动刚度特性满足设计目标值；⏹8.安全性分析前碰、侧碰、后碰、车顶压溃、头部保护分析、行人保护分析、汽车的乘员安全性分析、乘员安全性以及约束系统模拟分析等；使整车的安全性满足设计目标值。
9.耐久性分析使整车的疲劳特性满足一定的设计要求；道路载荷下车身强度分析；道路载荷下底盘部件疲劳耐久性分析；车身焊点疲劳寿命评估；在先期评估产品的总体设计目标时，要分级分项制订目标，包括整车分级、总成分级及零部件分级。
定义零部件层级目标，定义总成层级目标，定义整车层级目标。
将每个层级目标和分析与测试的结果进行比对，充分掌握各类测试数据，在设计完成量产前，发现设计可能存在的问题，实现产品的结构优化。
汽车结构设计目标值确定方法对竞争样车进行分析:竞争样车的整体刚度分析;目标车的典型截面分析及其优化分析;目标车的接头刚度分析及其优化分析;目标车的白车身静态刚度与模态分析;目标车的安全性设计……方法------CAE方法，试验方法，标准法规等。
建立汽车设计CAE数据库---参考值数据库。
车身模型的确立2、汽车结构有限元模型---汽车结构模型化1》汽车结构模型化技术几何模型—力学模型—计算模型：力学模型起着承上启下的作用，力学模型提供了载荷信息与边界条件。
而几何模型并非就是计算模型。
（1）计算目的不同计算模型不同（2）结构受力不同计算模型不同结构部件可以分为杆、梁、板、壳、块体及平面应力应变等。
其他特殊功能的单元有质量单元、弹簧单元、刚性单元、焊点单元、约束方程等。
了解并用好这些单元，可以更方便地模拟实际结构。
单元选择的准则是基于对结构受力状态分析与单元属性的理解。
2》汽车结构模型化准则（1）用准确的力学组件构造模型⏹杆、梁、板壳与实体是构造模型的主体，要根据结构的受力状况，选择合适的力学组件，既要反映结构受力特点，又不必片面追求高级组件，尤其是不要一切都用三维实体建模。
（2）用适当的规模构造模型⏹计算网格密度、分析精度和分析时间之间的平衡。
（3）施加正确的载荷与边界条件⏹载荷准则；⏹标准载荷，标准载荷使得各分析计算结果具有可比性。
⏹边界条件与支承条件（4）避免结构约束不足形成机构3》汽车结构有限元模型按照不同分析类型分别叙述汽车结构建模与分析的相关问题，或者说按结构分析类型划分成章节，只是为叙述的方便，是教材的一种编排。
由于分析目的不同，要求精度有别，模型规模差异，使得结构分析工作往往需要从综合的角度全面把握。
在利用有限元模型时，首先应当明确分析的目标与要求。
在初步设计阶段，从简单模型做起，分析应放在了解载荷状况和应力水平等整体特性上。
随着设计过程的推进，应力分析越来越细。
一旦结构设计基本确认，就可以进行详细而精确的应力分析，尤其注意应力集中等局部区域，最后确定设计方案。
汽车结构有限元模型3、汽车结构强度分析---静态强度、动态强度及疲劳强度@1汽车桥壳有限元分析@1汽车桥壳有限元分析⏹------关键问题在于驱动桥受力分析和荷载计算；按照驱动桥受力状况，其主要典型载荷工况有三类五种：⏹ 1.垂向载荷工况：按最大轴荷计算，另外考虑汽车通过不平路面的动载系数。
①、汽车满载工况②、冲击载荷作用工况：⏹ 2.纵向载荷工况：按牵引力或制动力最大计算；①、最大牵引力工况：②、紧急制动工况：⏹ 3.侧向载荷工况：按侧向力最大计算。
⏹------关键问题在于载荷与约束施加桥壳计算采用在轮轴处加载，在板簧处约束的方法，这样处理载荷比较准确，与在板簧处加载、在轮轴处约束的另一种方法等效。
轮轴上载荷按余弦曲线分配到半个轮轴上各节点，板簧上约束一个区域。
@2轿车白车身建模与应力分析⏹首先是制订分析方案：包括几何模型简化、单元类型选择、网格密度和质量控制、材料与部件命名体系等原则。
如对该车身建立了模型命名体系：即规则、顺序、编号（留有余量），按照车身、总成、零件与模型中部件、组件、元件相对应。
如地板总成、左右前纵梁总成、前轮罩焊接总成、左右侧围焊接总成、前围焊接总成、顶盖及前后梁、后围焊接总成等。
建立模型系统的部件名称是为了建模、修改方便。
⏹其次是建立了模型简化重构原则，模型规模要适当，该细化要细化，该简化应简化。
在保证计算目的和精度条件下，尽量控制节点规模，最大限度保留零件主要力学特征，删除小孔、面，将小面合并成大面，相邻面共用一条线，点焊连接部位要单独构成组件等。
⏹选用壳单元，以四边形单元为主，辅以三角形单元（过渡区），优先采用四边形单元，尽量采用矩形单元，使网格分布均匀。
⏹在建模前制订网格划分标准白车身有限元模型及计算结果图示@3客车骨架有限元分析---车身骨架+等效悬架系统的有限元模型⏹有限元模型建立：⏹简化原则；⏹分块模建；⏹悬架系统等效有限元模型。
建模过程------经过初步建模，反复检验与多次修改并完善，形成一个实用的计算模型。
随后又将试验结果与有限元分析结果进行对比，部分修改模型，细化模型，完成了由粗到精的几何建模及有限元建模，确保计算结果的可靠性，为结构分析设计奠定基础。
客车骨架几何模型与有限元模型@4车架建模及应力分析问题⏹梁单元模型---模型简单，尤其是直观的内力图，在设计初期分析可用。
⏹板单元模型---比较精确，它避免了梁模型连接处不易模拟的缺点，可以反映纵横梁连接、局部加强板、各种附属支架等情况。
⏹实体单元模型---实体单元模型能够分析纵横梁连接处应力变化情况。
⏹板、梁、实体混合单元的车架计算模型。
⏹悬架系统采用等效方式建模。
轻卡车架模型与中卡车架模型---know-what ---know-how---know-why---以上实例说明，汽车结构有限元强度分析问题，需要完成一系列的工作，并不仅仅是建模本身一项。
首先要了解汽车构造，确定承受载荷，完成约束分析，通过逐步细化建立有限元模型，进而分析结构应力，预测应力分布趋势，同时要使改进设计符合制造工艺要求，帮助确定最终设计方案。
4、汽车结构刚度分析⏹车身静刚度达到了一定值可以保证车身能够承担动态工作载荷，减小车身振动，提高低阶模态频率，增强车身可操纵性等，⏹车身耐久性与车身刚度也有关联。
⏹一般而言，刚度不足会使部件产生变形而破坏零部件之间的相对位置，从而引起应力集中，降低零部件的使用寿命。
⏹除了车身刚度（车身弯曲刚度、扭转刚度）等整体指标外，还有前后风窗对角线、前后门对角线、前围板下部变形、整车纵向弯曲和扭转变形等，都有详尽的指标。
⏹其它如接头刚度分析，局部刚度分析等也是汽车结构分析中的重要方面。
@轿车车身扭转刚度与弯曲刚度分析------刚度是指结构抵抗变形的能力，变形小则刚度好。
⏹车身刚度有两类，静态刚度和动态刚度。
⏹动态刚度一般用车身模态频率来衡量；⏹静态刚度主要指弯曲刚度和扭转刚度。
车身有限元模型，在前后悬挂位置处采用塔形支撑方式连接，前悬挂添加加载梁并施加大小相等方向相反的力，后塔形支撑底部完全约束，前塔形支撑加载梁中部去掉转动约束。
根据车身各节点处的位移，评价车身的刚度性能。
白车身扭转约束与分析扭转工况计算一般模拟试验工况，采用前加载梁后塔形支撑方式。
白车身扭转刚度计算客车车身变形和车身刚度分析----车架变形和刚度分析----⏹一般情况下小型客车的车架要按刚度设计，而载货汽车的车架则按强度设计，除了强度和刚度以外，还要考虑汽车的抗撞能力等。
比如采用箱形纵横梁能大大提高车架的扭转刚度，但刚度过大的横梁会在纵梁上引起很高的扭转应力，容易导致早期损坏，所以不但应比较车架的扭转应力，还应比较车架的扭转刚度。
一般情况下，按刚度设计的车架，其强度或耐久性会有一定的余量，而按强度设计的车架其变形显得偏大，所以要从强度刚度等多方面取得结构设计的协调。
