车架的有限元分析及优化

!技朮iE lE M n u o d e N H O W J .消防车副车架有限元分析及扭刚度优化研究Finite Element A nalysis and Torsion Stiffness Optimization Researchof Subframe of Fire Truck黄开李乡安蒋旭欧涛HUANG Kai etal长沙中联消防机械有限公司湖南长沙410200摘要:针对某款消防车在稳定试验过程中出现活动支腿离地高度过大的问题进行了研究，运用ANSYS有限元分析软件，建立了消防车的副车架、底盘和活动支腿的装配体有限元模型,对消防车作业平台进行了全工况分析，找到了离地高度最大工况及导致活动支腿离地高度过大的原因。

针对副车架设计上的不足，对副车架结构进行了优化,在不增加副车架质量的基础上,使250。

工况的离地高度降低了30%关键词:消防车副车架有限元分析离地高度Abstract This article focuses on the problem of excessive stabilizer's groundclearance of a certain fire truck during the stability test.An assembly finite elementmodel of the subframe,chassis and stabilizer of fire truck was created by the finiteelement software ANSYS.The maximum ground clearance loadcase of stabilizer isobtained through full working condition analysis.The reason for the excessive groundclearance is founded.A optimization for torsion stif&ess of subframe is performedand the ground clearance is reduced by30%without increasing the weight ofsubframe.Key words fire truck;subframe;finite element analysis;height above ground第一作者r黄开，男，1983年生，工程师，现从事消防车辆设中圈分类号:U469.60文献标识码:A文章编号：1004-0226(2020)12-0086-041前言随着市场对消防车的作业高度需求不断提升,消防车的整车质量也随之增大。

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。

基于有限元法的车架轻量化设计和仿真分析有限元法在车架轻量化设计和仿真分析中是一种常用的工具。

该方法基于数学模型，将结构划分成一系列小的单元，通过计算每个单元的应力、变形等物理量，反推得到整个结构的力学性能。

在车架轻量化方面，有限元法可以帮助我们快速地找到轻量化的设计方案，并通过仿真分析验证其性能，从而提高车架的安全性和可靠性。

首先，在轻量化设计中，我们需要寻找轻量化的潜在方案。

有限元法可以帮助我们划分车架结构，并计算不同部件的受力情况。

通过对受力情况的分析，我们可以找到那些不必要的部件或重量过剩的区域，从而进行删减。

例如，我们可以尝试使用高强度材料或降低材料使用量等方式来达到轻量化的目的。

其次，在设计轻量化方案后，需要通过仿真分析来验证其性能。

在有限元法中，我们可以将车架结构的物理特性输入到数学模型中，并通过计算得出其应力分布、变形情况等。

通过这种方式，我们可以在实际试验之前，快速地评估轻量化方案的性能，并进行修改和优化。

最后，有限元法还可以帮助我们改进设计方案，以进一步提高车架的性能。

例如，在仿真分析中，我们可以调整材料的类型和厚度，以达到更好的性能。

我们还可以通过优化部件的形状和尺寸，来减少结构的应力集中和变形等问题。

总之，有限元法在车架轻量化设计和仿真分析中是一种非常有效的工具。

通过使用该方法，我们可以快速地找到轻量化方案，并通过性能仿真进行验证和优化，最终提高车架的安全性和可靠性。

为了能更清楚地了解车架轻量化设计和仿真分析的数据，我们可以以一辆小型轿车为例，尝试列出相关数据并进行分析。

首先，我们需要了解该汽车原始的车架结构的总重量、尺寸和材料类型及数量等情况。

假设该汽车的车架总重量为1000千克，尺寸为4000毫米长、1500毫米宽和1500毫米高，使用的材料为钢材和铝材，其中钢材使用量为80%。

我们可以看到，该车架的重量相对较高，需要进行轻量化设计。

接下来，我们可以通过有限元法对该车架进行轻量化设计。

汽车结构的常规有限元分析本文介绍了与产品研发同步的5个有限元分析阶段，阐述了有限元模型建立过程中应注意的问题，简单介绍了汽车产品的4种常规分析方法，建立汽车设计标准的方法，以及3个强度分析范例。

范例1说明了有限元分析应注意的内容，范例2和3介绍了“应力幅值法”在解决汽车车轮轮辐开裂和汽车发动机汽缸体水套底板开裂问题的应用。

汽车是艺术和技术的结合。

一辆好车的主要特点是造型美观、有时代感、结构设计合理、轻量化、材料利用率高，车辆性能先进并且满足国家法规、标准和环保的要求，质量可靠、保养方便、低成本、用户满意、满足市场需求等。

在竞争日益激烈的汽车市场，汽车性价比已经成为市场竞争的焦点。

采用有限元的常规分析技术，用计算机辅助设计代替经验设计，预测结构性能、实现结构优化，提高产品研发水平、降低产品成本，加快新产品上市。

1. 与产品研发同步的5个有限元分析阶段在汽车产品研发流程中，一般有如下5个同步的有限元分析阶段：第0阶段：对样车进行试验和分析；第1阶段：概念设计阶段的分析；第2阶段：详细设计阶段的分析；第3阶段：确认设计阶段的分析；第4阶段：产品批量生产后改进设计的分析。

有限元分析在产品研发的不同阶段有不同的分析目的和分析内容。

有限元分析和试验分析是互相结合和验证的。

在详细设计阶段，有些汽车公司对白车身和成品车车身都进行有限元分析，有些汽车公司只对白车身进行有限元分析。

2. 有限元分析的关键环节――建立合理的有限元模型有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。

通过力学分析，把实际工程问题简化为有限元分析的问题，提出建立有限元模型的具体意见和方法，确定载荷和位移边界条件，使得有限元分析有较好的模拟（仿真）效果。

前处理自动生成的网格可能存在问题。

建立有限元模型的好坏直接影响计算结果的误差和分析结论的正确性。

在结构的几何图形上，划分有限元网格是建立有限元模型的主要内容之一。

在用有限元分析的前处理自动生成网格时，特别是用常应变单元自动生成有限元网格时要非常注意，有可能存在问题，应引起注意，必要时加以改进。

毕业设计（论文）任务书学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级指导教师姓名职称教授从事专业车辆工程是否外聘□是√否题目名称中型载货汽车车架有限元静力学分析一、设计（论文）目的、意义汽车作为交通运输工具之一，在人们的日常生活中发挥着非常重要的作用。

随着国民经济的快速发展，汽车工业也得到了飞速发展，在现代化发展的今天，生产出结构轻、性能好、质量高、用途广、安全可靠的汽车，成为了汽车厂家和客户共同关注的焦点。

作为汽车总成的一部分，车架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都是以车架为载体，因此设计出重量轻而各方面性能达到要求的车架结构是一项重要的工作。

传统的车架结构设计是采用类比的思想进行经验设计，设计出的车架结构除了个别部位的应力水平较高外，大部分部位的应力水平较低。

因此，有必要采用有限元法对车架结构进行优化设计，以降低车架的重量，减小汽车的制造成本，提高市场竞争力。

二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）设计内容：1.选题的背景、目的及意义；2.Pro/E、ANSYS软件研究；3.车架设计的方法步骤研究；4.用Pro/E软件建立车架整体模型，然后导入ANSYS软件进行网络划分；5.假定汽车满载情况下，对车架进行弯曲、扭转、紧急刹车、急转弯四种工况下的受力和变形情况的静态有限元分析。

技术要求：1.研究中型载货汽车车架；2.有限元模型、载荷建立正确；3.生产纲领：成批生产。

三、设计（论文）完成后应提交的成果中型载货汽车车架有限元静力学分析程序一份；设计说明书（20000字以上）一份。

四、设计（论文）进度安排（1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告第1～2周（2.28～3.11）（2）整理资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、熟悉Pro/E、ANSYS软件的使用第3～5周（3.14～4.1）（3）理论联系实际分析问题、解决问题，使用Pro/E、ANSYS软件完成中型载货汽车车架的三维设计、强度分析等部分设计内容，中期检查第6～8周（4.4～4.22）（4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改第9～12周(4.25～5.20) （5）评阅教师评阅、学生修改第13周（5.23～5.27）（6）毕业设计预答辩第14周（5.30～6.3）（7）毕业设计修改第15～16周（6.6～6.17）（8）毕业设计答辩第17周（6.20～6.24）五、主要参考资料1.刘惟信．汽车设计．北京：清华大学出版社2.张洪信．有限元基础理论与ANSYS应用．北京：机械工业出版社，2006.13.段进，倪栋，王国业．ANSYS10.0结构分析从入门到精通．北京：兵器工业出版社，2006.104.姜勇，张波．ANSYS7.0实例精解．北京：清华大学出版社5.汽车车身结构与设计．北京：机械工业出版社6.余传文．重型载货汽车车架结构的有限元仿真及优化．吉林大学硕士学位论文，20057.黄华，茹丽妙．重型运输车车架动力学分析．车辆与动力技术8.刘新田，黄虎，刘长虹等．基于有限元的汽车车架静态分析．上海工程技术大学学报，2007，6：112～1169.中型载货汽车车架设计资料10.网络资源，超星数字图书馆11.近几年相关专业CNKI网络期刊等六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日。

基于ANSYS自行车车架静强度有限元分析摘要车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。

车架部件同时也是自行车上重要的承载部件，自行车所受到的各种载荷最终都传递给车架，因此，车架结构性能的好坏直接关系到骑乘者的安全和整车设计的成败。

通过有限元法对车架结构进行性能分析，在设计时考虑车架结构的优化，对提高整车的各种性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。

大型通用有限元软件ANSYS凭借其强大的分析功能和高度可靠性，在结构静力分析和优化设计等方面具有无可比拟的优越性。

本文以某自行车车架结构为研究对象，通过对PROE和ANSYS软件的学习、消化与吸收，采用实体单元，对车架结构的有限元建模、车架结构的静态特性分析问题进行了研究。

以车架的静强度校核为研究载体，以车架结构的最优化为目标，以节约材料和减轻重量为最终目的，阐述了应用ANSYS进行结构优化设计的基本指导思想及方法步骤。

通过对某自行车车架结构的有限元仿真及结构优化，了解了有限元分析的思路和方法，阐述了有限元在自行车结构分析和优化中的重要意义，对车架的设计开发也具有重要的借鉴意义。

关键词：自行车车架；有限元分析；ANSYS；静强度Finite element analysis of the static strength bicycle framebased on ANSYSAbstractFrame constitute the basic components of bicycle structure, but also the skeleton and subject, the bicycle in other parts are directly or indirectly installed in the frame. Chassis parts are also important parts of the bicycle, bicycle was carrying loads were eventually to frame; therefore, the frame structure is directly related to the safety of riding and the success or failure of the whole design. Through the method of finite element analysis frame structure, performance in the design of optimized frame structure, to improve the performance of vehicle design and reduce manufacturing cost, strengthens the market competition has the extremely vital significance. The universal finite element software ANSYS relies on its strong analysis function and high reliability, in static structure analysis and optimization design has incomparable advantage. Based on a bicycle frame structure as the research object, by the learning ,digestion and absorption of ANSYS and PROE software, with solid element, the finite element modeling of frame structure , static characteristic analysis are discussed. In the frame of static intensity for research, based on the frame structure optimization for target, to save material and reduce weight as the final purpose, this expounds ANSYS for structure optimization design method and the basic guiding thought of the steps.Based on a bicycle frame structure finite element simulation and optimization of the structure ,this paper understands the thoughts and methods of the finite element analysis, describes the significance of finite element analysis in bicycle structure analysis and optimization, on frame design and development also has important significance.Keywords: Bicycle frame; Finite element; ANSYS; Static strength目录第一章绪论...............................................................................................................................- 1 -1.1研究背景与意义 (1)1.2研究的内容和方法 (2)1.3本章小结 (3)第二章自行车车架有限元分析模型的建立...........................................................................- 4 -2.1三维实体模型的建立 (4)2.1.1 PROE简介.............................................................................................................- 4 -2.1.2 车架三维模型分析.................................................................................................- 5 -2.1.3 车架三维实体模型的建立与修改............................................................................- 5 -2.2有限元分析理论简介 (6)2.2.1 有限元的基本概念和原理 ......................................................................................- 6 -2.2.2 有限元方法的特点.................................................................................................- 7 -2.3ANSYS软件介绍 (8)2.3.1 ANSYS在有限元软件中的地位............................................................................- 8 -2.3.2 ANSYS的发展和特点..........................................................................................- 8 -2.3.3 ANSYS的分析步骤 .............................................................................................- 9 -2.4车架有限元模型的建立 (10)2.4.1 PROE和ANSYS接口的连接.............................................................................- 10 -2.4.2 单元类型的选择 ..................................................................................................- 15 -2.4.3 定义材料属性......................................................................................................- 15 -2.4.4划分网格..............................................................................................................- 16 -2.5有限元模型建立的步骤 (16)2.6本章小结 (21)第三章车架的加载和求解.....................................................................................................- 22 -3.1设定位移边界条件 (22)3.2设定载荷 (23)3.3求解 (24)3.4本章小结 (25)第四章车架有限元结果分析.................................................................................................- 26 -4.1查看分析结果 (26)4.2结果的分析 (28)4.3不同约束条件的对比 (29)4.4本章小结 (32)第五章全文总结.....................................................................................................................- 33 -致谢...........................................................................................................................................- 34 -参考文献：...............................................................................................................................- 35 -附录1：英文文献....................................................................................................................- 36 -附录2: 中文文献 ....................................................................................................................- 43 -第一章绪论第一章绪论1.1 研究背景与意义众所周知，我国是世界上自行车生产量和持有量最多的国家，是名副其实的自行车王国。

基于电动车车架的有限元分析及优化设计摘要：电动车车架是电动车在实际运行过程中主要元件之一，更是提高其设计质量的关键。

尤其是在半承载式车身的电动货车上，其车架不仅承载着动力总成，还承载着路面所传递过来的各种静载荷。

因此，为了进一步提高电动车车架的稳定性，本文对电动车车架的有限元分析及优化设计进行了研究，希望能够给相关的学者提供帮助。

关键词：电动车车架；有限元分析；优化设计前言：在对电动车车架进行分析和设计的时候，对车架的动静态性能等进行了研究，发现其对结构的影响并不大，所以对车架进行了适当的简化，这样不仅可以节省大量的时间，还能不断增强电动车车架结构的稳定性。

同时，为了对电动汽车车架进行更加稳定的设计，还对它的固有振型进行了分析，从而进一步完善了电动车车架的设计模式。

1 电动车车架的有限元分析1.1 车架的静态分析在对电动车车架的有限元分析过程中，由于车架的材料采用的是市场流通的车架，最常用材料是Q195,所以电动车车架的固定点与外部载荷之间具有很大的联系[1]。

其中固定点是电动车车架有限元分析过程中的关键，它主要是载荷采用普通电动车在满载的情况下，所受力的情况。

在对其进行分析的过程中，发现车架的应力变化规律在集中部位，应力集中力对电动车车架中的零件材料强度造成了一定的影响。

因此，要想提高电动车车架的稳定性，可以通过车架疲劳强度的改进等，减小集中应力，为电动车的稳定运行提供基础。

1.2 路面激励对常用车架的共振分析在电动车实际的运行过程中，由于客观因素的影响，其车架会出现共振等情况。

在常用车架模态出发，分析常用车架在水平方向和竖直方向与扭转力的关系。

在电动车运行的过程中，如果路面的高低不平以及行驶过程中遇到障碍物，都会导致车架产生振动，长时间这样下去就会对电动车车架的稳定性造成严重的影响。

因此，在这样的背景下，为了进一步加强对电动车车架的有限元分析，工作人员要按照路面振动激励来源的不同，将其简单的分为离散激励事件与随机激励事件。

摘要现代汽车绝大多数都有作为整车骨架的车架，车架是整个汽车的基体。

汽车绝大多数部件和总成（如发动机、传动系统、悬架、转向、驾驶室、货箱及有关操纵机构）都是通过车架来固定其位置的。

车架的功用是支撑连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。

因此，车架的静、动态特性是其结构设计、改进和优化的依据，是确保整车性能优良的关键因素之一。

本文以6470型SUV车架作为研究对象，分析论证了CAD/CAE技术在汽车车架设计中的应用，主要内容如下：（1）选取一个SUV车型，通过查找和测量得到其主要的车型参数。

（2）运用CAD软件Unigraphics（简称UG）建立车架的三维模型。

（3）通过UG软件和ANSYS件的无缝连接将车架的三维模型导入ANSYS软件中。

（4）运用ANSYS软件的强大的有限元分析功能对该车架进行网格划分，施加适当的约束和载荷，对车架进行有限元静态分析，从而校核了该车架的强度和刚度，分析结果，校核该车架的强度和刚度能否满足要求。

在建模和有限元分析过程中，就CAD三维实体的建模方法、有限元理论的数学基础、有限元软件ANSYS、CAD软件与有限元接口技术、有限元分析方法的前期后期处理等方面做了研究工作，为后续工作做了较好的技术准备。

关键词：车架；CAD/CAE；ANSYS；有限元分析；静力分析AbstractMost modern cars are used as vehicle skeleton frame, which is through the matrix. Most parts and assemblies of a vehicle（such as engine, transmission, suspension, steering, cab, containers and related control mechanism and so on）are all over the frame to a fixed location. The function of a vehicle frame is to support the connection parts, and to take from inside and outside the vehicle loads. So, the static and dynamic analysis characteristics of frame is not only the base of its structure design, improvement and optimization, but also one of the key factors to ensure that vehicle performance.Finite element analysis has become an essential technology in the design of vehicle structure. As for compute-intensive and the analysis step，intuitive linear analysis of frame is very difficult. And ANSYS Finite element analysis software program can discrete elements into countless units to facilitate analysis, calculation and optimized results.On this article, 6,470 SUV frame is the objects to be researched to analyze and demonstrate CAD/CAE technique and its application in the design of automobile frame. Mainly as follows:(1) Select a SUV models，Find and measure its main parameters;(2)Establish the three dimensional model of the frame by UG;(3) Import the three dimensional frame model in UG into ANSYS through the seamless connection between UG and ANSYS;(4) Use the powerful finite element analysis for the frame element mesh, impose the appropriate constraints and loads and make the finite element static analysis of frame to check the strength and rigidity of the frame，During the modeling and finite element analysis，a lot of research work about the three-dimension solid modeling method, mathematical basis of finite element theory, interface technology of finite element, late and early processing of finite element analysis method is done, preparing for the follow-up work to be done better.Keywords: Frame, CAD/CAE; ANSYS; Finite Element Analysis; Static Analysis目录摘要 (I)Abstract (II)第1章前言 (5)1.1汽车车架介绍 (5)1.2国内外研究现状 (6)1.3研究意义及目的 (7)第2章软件介绍 (9)2.1 UG简介 (9)2.1.1 UG发展综述 (9)2.1.2 UG软件的优势 (9)2.2 ANSYS简介 (10)2.2.1有限元软件ANSYS发展综述 (10)2.2.2 ANSYS的技术特点 (10)2.2.3 ANSYS的功能 (11)第3章车架的建模 (13)3.1车架结构的简化 (13)3.2实体车架模型的建立 (13)第4章车架的有限元分析 (17)4.1 静力分析基础 (17)4.2车架静力学分析模型的建立 (18)4.3 悬架的模拟 (22)4.4 载荷的处理 (23)4.5车架静力分析工况及约束处理 (24)4.5.1 满载弯曲工况分析 (25)4.5.2 满载扭转工况分析 (30)4.5.3 满载制动工况分析 (33)4．5.4满载转弯工况分析 (34)第5章传统车架计算方法与有限元法比较 (37)第6章论文总结 (41)致谢........................................................ 错误!未定义书签。

车架有限元分析摘要车架是车辆的重要组成部分之一，是整个汽车的基体，承受着车辆所传递的包括来自路面与发动机的振动激励等车辆总成部件的多种复杂载荷。

因此，车架的优劣直接会影响到整个汽车性能的好坏，对其进行必要的研究和数据分析也就显得分外重要了。

而随着科学技术的进步，数据时代的到来，为车架的分析也带来了新的技术变化。

本文主要以有限元分析为主体，运用ANSYS软件对某车型的车架进行数据分析，施加适当的约束和载荷，校核该车架的强度和刚度，查看该车架的强、刚度能否满足要求。

在建模与数据分析阶段，分别运用两种不同的软件进行。

首先运用PRO/E[1]软件进行三维几何实体建模，然后运用ANSYS软件进行数据分析。

主要内容有：（1）选用某车型的小型汽车的车架，寻找和测量其主要的车型参数。

（2）运用PRO/E软件绘制该车架的三维模型。

（3）将PRO/E软件中的三维模型数据导入到需要进行数据分析的ANSYS软件中。

（4）运用ANSYS软件的有限元分析对该车架进行几何清理、网格划分、静态分析。

（5）分析得出结论，查看是否满足要求。

准备工作：因为要运用PRO/E软件建模和ANSYS软件进行有限元数据分析，所以PRO/E的建模方法、有限元理论及分析方法、ANSYS使用方法、PRO/E与ANSYS软件的无缝连接等都需要进行必要的技术掌握。

关键词：车架；PRO/E；有限元分析；ANSYS；静态分析Frame finite element analysisAbstractFrame is one of the important part of vehicle, is the base of the car, under the vehicle passing by including vibration excitation from road and engine components such as vehicle assembly of a variety of complex load. As a result, the merits of the frame will directly affect the entire car performance is good or bad, the necessary research and data analysis also appears particularly important. But with the progress of science and technology, the arrival of the age of the data, the analysis for the frame also brings new technology changes.In this paper, finite element analysis for the main, using ANSYS software for a certain kechuang frame for data analysis in project, applying the appropriate constraints and load, check the strength and stiffness of the frame, see the strong, the stiffness of the frame can meet the requirements.In modeling and data analysis phase, respectively using two different types of software. First using PRO/E software for 3 d geometry entity model, and then using ANSYS software for data analysis. The main contents are:(1) choose a kechuang small car frame of the project, to find and measuring of the models of its main parameters.(2) using PRO/E software rendering 3 d model of the frame.(3) the PRO/E software in the 3 d model data is imported into the need for data analysis in the ANSYS software.(4) using ANSYS software of finite element analysis of the frame geometry cleanup, meshing, static analysis.(5) the analysis conclusion, see whether meet the requirements.Preparation: because of using PRO/E software modeling and ANSYS software for finite element analysis of data, so the modeling method, the finite element theory and analysis method of PRO/E, ANSYS using method, using PRO/E seamless connection with ANSYS software and so on all need to master the necessary technology.Key words: frame; PRO/E; The finite element analysis; ANSYS; Static analysis目录第一章引言...............................................................................................................................................- 1 -1.1车架介绍......................................................................................................................................- 1 -1.2有限元分析法在车架中的研究应用以及研究现状 ..................................................................- 3 -1.3课题研究的意义和目的..............................................................................................................- 3 -1.4主要研究内容..............................................................................................................................- 4 - 第二章有限元分析软件介绍...................................................................................................................- 4 -2.1PRO/E简介....................................................................................................................................- 4 -2.1.1PRO/E主要特性................................................................................................................- 4 -2.2ANSYS简介....................................................................................................................................- 5 -2.2.1ANSYS技术种类................................................................................................................- 6 -2.2.2软件优势..........................................................................................................................- 6 -2.2.3ANSYS功能........................................................................................................................- 7 - 第三章车架有限元建模...........................................................................................................................- 8 -3.1 车架简化形式的建模................................................................................................................- 8 -3.2建立有限元车架模型..................................................................................................................- 9 - 第四章有限元分析.................................................................................................................................- 10 -4.1静力分析....................................................................................................................................- 10 -4.1.1静力分析基础................................................................................................................ - 11 -4.1.2建立车架静力学分析模型............................................................................................- 12 -4.1.3对导入到ANSYS后的车架模型进行网格划分 ............................................................- 12 -4.2载荷的处理................................................................................................................................- 15 -4.3悬架与部件连接的模拟............................................................................................................- 16 -4.3.1悬架的处理....................................................................................................................- 16 -4.3.2部件连接及相互作用的模拟 ........................................................................................- 17 -4.4静力分析工况及约束处理........................................................................................................- 17 -4.4.1满载弯曲工况加载........................................................................................................- 17 -4.4.2满载制动工况分析........................................................................................................- 23 -4.4.3满载转弯工况分析........................................................................................................- 25 - 第五章结束语.........................................................................................................................................- 27 - 附录.........................................................................................................................................................- 29 - 参考文献...................................................................................................................................................- 46 - 致谢.........................................................................................................................................................- 47 -引言- 1 -第一章 引言1.1车架介绍车架也称大梁，是汽车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上。

DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.09.001内燃叉车车架静动特性有限元分析及优化童水光1，苗嘉智1，童哲铭1，何顺1，相曙锋2，帅向辉2(1. 浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310027；2. 杭叉集团股份有限公司，浙江 杭州 311305)摘 要：为校验某高新企业研发的3 t 内燃叉车车架可靠性并进一步改善其综合性能，采用有限元法分析其静动特性.计算车架在临界工况下的受力情况；进行模态分析，得到前6阶固有频率和振型；以模态分析结果为基础对车架进行谐响应分析；利用M2052高阻尼合金垫片对车架振动性能进行优化. 结果表明：车架在临界工况下的最大应力达到141.75 MPa ，低于车架材料的许用应力，具有较高安全性；车架前端板在一阶固有频率附近的振幅较大，改用M2052高阻尼合金垫片使其振幅峰值最大下降了20%，振动性能得到了明显改善.关键词： 叉车车架；动静特性；有限元分析；M2052高阻尼合金垫片；减震性能中图分类号： TH 242 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2019）09−1637−10Finite element analysis and optimization for static and dynamiccharacteristics of diesel forklift frameTONG Shui-guang 1, MIAO Jia-zhi 1, TONG Zhe-ming 1, HE Shun 1,XIANG Shu-feng 2, SHUAI Xiang-hui 2(1. College of Mechanical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ;2. Hang Fork Group Co. Ltd , Hangzhou 311305, China )Abstract: To verify the reliability of the 3-ton diesel forklift frame developed by a high-tech enterprise and to further improve its comprehensive performance, static and dynamic characteristics of the frame were analyzed by finite element method. The situation of forced frame under the critical condition was calculated. The preceding six-order natural frequencies and shapes were obtained by modal analysis. The harmonic response of the frame was analyzed based on the results of modal analysis. Finally, the high damping M2052 alloy gasket was used to optimize the vibration performance of the frame. Results show that the maximum stress of the frame was 141.75 MPa under the critical condition, which was lower than the allowable stress of the frame material. Therefore, the frame has high safety performance. The front-end plate of the frame has a large amplitude near the first order natural frequency. The frame amplitude peak decreased up to 20% by using the high damping M2052 alloy gasket, and its vibration performance is improved obviously.Key words: forklift frame; static and dynamic characteristics; finite element analysis (FEA); high damping M2052 alloy gasket; aseismic performance叉车作为一种工业搬运车辆，具有体积小、机动性好、载荷范围大的特点[1]，被广泛用于仓库、货场、车间等场所的货物调度和运输.近年来，机械、航空航天、汽车工业等行业迅速发展[2]，市场对叉车的需求也不断增加，其中2017年叉车的世界总销量达133.37万台，与2016年相比增加了15.69%[3].收稿日期：2018−07−12. 网址：/eng/article/2019/1008-973X/201909001.shtml基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（LR19E050002）；浙江省重点研发计划资助项目（2014C01064，2018C01020，2018C01060，2019C01057）.作者简介：童水光（1960—），男，教授，从事重大机械装备设计及优化. /0000-0001-5908-7401. E-mail ：****************.cn通信联系人：童哲铭，研究员. /0000-0003-1129-7439. E-mail ：***********.cn第 53 卷第 9 期 2019 年 9 月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.53 No.9Sep. 2019车架是叉车非常重要的组成部分和承载基体[4]，发动机、配重、门架、护顶架以及货物等的重力都直接或间接作用在车架上. 此外，在叉车行驶过程中，路面的颠簸以及发动机不平衡力矩引起的振动激励（内燃叉车）都可能使车架产生共振现象，导致结构的变形和损伤，降低其使用寿命. 因此，车架的强度和固有频率特性对叉车的安全性及工作性能具有十分重要的影响.随着工程机械的不断复杂化，传统计算方法已经逐渐不能满足工程分析的需求. 计算机技术和软件的快速发展使得各种复杂的数值分析方法得以实现，同时促进了新理论方法的诞生. 在众多数值分析方法中，有限元方法因其本身对工程问题的求解效果较好，被广泛应用在结构力学、流体力学、热力学等领域[5]. 其中ANSYS软件是以有限元方法为基础的大型通用分析软件，其与多数计算机辅助设计软件的数据交互性较好，适合多个领域的工程问题求解.目前，对于车辆系统的研究主要包括车体和零部件的动静特性分析、结构的拓扑优化和轻量化以及不同工况下的振动性能分析和优化等[1,4,6-16,21-23]，其中，车架结构的优化分析是研究重点之一[1,4,7-9,11-16,21-23]. 国外相关研究主要集中在汽车车架结构的分析和优化，而对叉车的研究主要以无人驾驶[17]、能量回收[18]、安全性[19]以及叉车对驾驶员身体健康的影响[20]等问题为主，对叉车这种特种车辆及其零部件的结构分析和优化研究较少[21]. 国内学者利用有限元分析软件（例如AN-SYS）对叉车车架进行了一些相关研究[1,4,15,21-23].李甲[1]利用Solidworks软件对叉车车架进行建模，并利用ANSYS软件对车架的振动性能进行了评估和优化. 许畅[4]分别针对叉车护顶架和车架进行了模态分析，确定了造成2种结构振动的主要原因，并设计了一种新的减振方法.卫良保等[15]考察了路况和发动机怠速下对车架振动性能的影响. 邹志华[21]通过对叉车重要部件的有限元分析优化和改善了驾驶室的振动问题. 戚海勇[22]利用ANSYS软件对叉车车架进行了强度分析和模态分析，并针对振动问题优化了车架的板件厚度.为了校验叉车车架的可靠性并进一步改善叉车的综合性能，本文对某高新企业研发的3 t内燃叉车车架的静动特性进行有限元分析. 目前，国内对叉车车架的研究集中在静力学分析和模态分析，对发动机引起的振动问题研究较少，因此本文针对内燃叉车发动机引起车架振动的问题进行谐响应分析，并结合工程机械的实际需求和限制因素进行优化.1 车架模型的简化及预处理1.1 结构简化处理在对叉车车架进行动、静特性有限元分析前，在不影响计算精度的前提下，为了提高网格划分的质量，首先对车架模型进行简化处理，在Solidworks软件中对模型上不直接受力并且对整体受力情况影响可忽略不计的细小部件（螺栓、垫片等）进行删除处理，删除后车架整体结构不变. 车架模型简化前、后的结构如图1所示.1.2 接触关系的检查和处理结构模型接触关系的正确与否对静动力学分0500 1 000 mm2507500500 1 000 mm250750(a) 简化前车架模型(b) 简化后车架模型图 1 叉车车架模型简化前、后示意图Fig.1 Diagram of forklift truck frame model before and after simplification1638浙江大学学报（工学版）第 53 卷析结果具有十分重要的影响，因此需要对每项接触关系进行仔细检查和修正. 在Solidworks软件中将简化后的模型保存为后缀为“.xt”的工业标准格式文件，并将其导入到ANSYS软件中，通过Geometry模块生成有限元分析模型，之后建立与之相连的Static Structural模块，打开Model项对车架各部分之间的接触进行检查，检查发现AN-SYS软件自动生成的接触关系是基于参数化的检测结果，车架由大量钢板焊接而成，部分钢板的厚度较小，因此容易检测出错误的接触关系，对这部分接触关系（共7项）进行删除处理；此外，由于局部结构的接触情况较为复杂，2个构件之间可能存在若干项面-面接触，有部分表面间的接触未被检测到，为此修正14项接触关系并新建8项接触关系. 在对车架进行动力学分析前，采取同样的处理方式.1.3 网格划分网格质量对计算结果有十分重要的影响，实验时还须考虑计算的效率问题. 综上，确定对车架的网格划分原则如下：1）细化直接受力位置和应力集中位置的网格；2）对生成网格质量较差的位置进行网格细化或改变划分方法；3）网格密度根据结构的特征和变化情况自动变化；4）网格划分过程中软件未给出警告信息，否则说明存在结构网格划分失败或不合理的情况. 除上述原则外，制定如图2所示的网格优化流程，整个过程共包含2种网格质量的判断：第一种判断方式（图2左侧）根据生成网格的平均质量和局部结构的网格质量分布情况进行判断，在采用ANSYS默认设置自动生成网格的情况下，网格平均质量为0.45；调整全局网格的最大尺寸为15 mm后，网格平均质量为0.48. 目前对网格质量的评价尚未给出统一标准，因此本文以0.48为平均网格质量的最低标准；第二种判断方式（图2右侧）根据误差出现的位置与最大应力的位置是否一致判断，若一致，则说明最大应力值具有较大误差，因此需重新划分网格.经上述方法对网格进行优化后，得到如表1和图3所示的网格划分方案.限于文章篇幅，省略对网格划分优化过程的描述. 车架结构在划分网格后共包括1 698 210个节点和906 950个单元，网格平均质量为0.81，可以看出与ANSYS软件默认生成的网格相比质量有明显改善. 划分后的网格如图4所示.2 车架的静力学特性分析2.1 车架的受力分析车架作为叉车的重要承载基体，受力情况较为复杂，本文分析叉车在最大额定载荷为3 t的情况下车架的静力学特性. 表2给出了车架的受力来源，通过实际观察和测量(表中m为质量)，确定如图5所示的车架的受力情况并依照表2标号，其中灰色面代表远程载荷的作用面，不同序号相加的标注代表不同力的方向和作用面相同. 其中驾驶员的质量根据已有的研究确定[22]，来自倾斜液压缸的拉力需要通过对门架的受力分析得到（如图6所示）. 其中，液压缸质量为1.4 kg，其对车架受力的影响可忽略不计.表 1 叉车车架整体网格划分方案Tab.1 Global mesh division scheme of forklift frame 选项设置选项设置尺寸函数曲率跨度中心角中等相关性中心细化最大面尺寸15.0 mm平滑度中−−图 2 网格划分方案优化流程图Fig.2 Optimization flow chart of mesh division scheme第 9 期童水光, 等：内燃叉车车架静动特性有限元分析及优化[J]. 浙江大学学报：工学版,2019, 53(9): 1637–1646.1639如图6所示，在静止状态下，门架整体在3个力（货物的重力F L=30 000 N、门架自重G=7 900 N 以及倾斜液压缸的拉力F T）的作用下，以铰接孔圆心O为中心达到力矩平衡状态. 力矩平衡公式如下：式中：M1为使门架具有顺时针转动趋势的力矩之和，M2为使门架具有逆时针转动趋势的力矩之和，L T、L L、L G分别为倾斜液压缸拉力、货物重力、门架重力到转轴中心的距离.联立式（1）~（3）并求解得到F T=63 804 N. 因F T1=F T2= F T3=F T4=F T/4=15951N此作用在车架铰接孔的4个拉力分别为.根据测量得出液压缸与水平方向呈26.6°夹角. 由于液压缸为杆状结构，只受2个拉力，作用表 2 叉车车架的受力情况Tab.2 Working condition of forklift frame 序号受力来源m/kg加载力的类型A配重 1 802集中力B发动机260远程载荷C变速箱200远程载荷D护顶架74远程载荷E仪表架21集中力F机罩24远程载荷G驾驶员75远程载荷H、I、J、K倾斜液压缸−集中力L车架本身−重力加速度(d)尺寸控制(a) 扫掠法(b) 六面体法(c) 四面体法图 3 叉车车架局部结构网格划分方案Fig.3 Mesh division scheme for local structure of forklift frame0500 1 000 mm250750图 4 叉车车架网格划分结果Fig.4 Mesh division results of forklift frame固定约束固定约束J、KH、IEB+CDLF+GA图 5 叉车车架受到的载荷和约束Fig.5 Loads and constraints on forklift frameFL981 mm51mm321 mmGOFT图 6 叉车门架受力示意图Fig.6 Force diagram for forklift mask1640浙江大学学报（工学版）第 53 卷在车架铰接孔的4个拉力与水平方向呈26.6°夹角. 此外，结合叉车车架的实际受力情况，对车架前部的8个圆孔面（与驱动桥的连接位置）设置x、y、z向的位移约束，对车架后部的底面（与传动桥的连接位置）设置z向（竖直方向）的位移约束（如图5所示）.2.2 车架静力学分析结果静力学求解时间为34 min. 图7为等效应力云图，可以看出，应力主要集中在车架铰接座的附近，最大应力达到了141.75 MPa，出现在车架铰接座根部的焊接位置，即该处存在应力集中的现象.该车架的材料为Q235普通碳素结构钢，屈服强度为235 MPa，材料的安全系数为1.5，因此许用应力为156.67 MPa. 由此可见，车架的强度具有足够的安全性. 此外，车架前部2块侧板的相交处也出现了应力集中的现象，通过计算误差云图（见图8）判断，该处的实际应力应小于计算值. 如图8所示，结构误差云图表明应力计算的误差较小，应力变化情况较为连续，计算结果具有较高精度.车架在多个力作用下的变形情况如图9所示.最大变形量为0.47 mm，最大变形出现在两侧铰接座外侧的受力处. 此外，可以看到与铰接座相连的钢板与其他位置相比变形程度较大，且从外侧至内侧变形逐渐减小. 车架中后部的变形较小，说明各部件的重力没有对车架结构产生较大影响.结合图7和图9可以看出，铰接座是车架结构中应力最大、变形最大的位置，其力学性能对叉车的综合性能具有重要影响. 在下一步研究中，可以通过改变铰接座的结构来消除应力集中现象，利用肋板等结构对与铰接座相连的钢板进行强化.3 车架的动力学特性分析3.1 车架的模态分析利用ANSYS软件默认的求解器对车架的固有频率进行求解，求解前对车架施加与静力学分析时相同的约束. 计算结果如图10和表3所示.图10给出了车架第1~6阶的振型图，其中，与其他振型相比，第3、4阶振型下的最大变形量最大，分别为16.34和15.92 mm，且均位于车架最前侧的钢板上. 表3给出了车架的前6阶固有频率，并对前6阶振型进行了描述. 可以看出，车架的固有频率在低频率范围内并不连续，从第1阶到第2阶振型，固有频率从29.14 Hz变化至99.68 Hz；而从第2阶到第6阶振型，车架固有频率的分布较为均匀.根据已有的研究文献，拟定对车模态分析结果的评价原则[24-25]如下：1）车架振型图应较为平滑，没有突变情况；2）车架低阶频率应避开发动机常用工作下的频率范围，同时应低于发动机怠速下的频率，并高于车辆非簧载质量的固有频率.其中，车辆非簧载质量的固有频率范围一般为6~15 Hz.发动机的工作频率计算公式如下：n aτ式中：为发动机转速，为发动机气缸数，为发141.75 Max126.00110.2594.49778.74762.99847.24831.49915.7491.6225e-5 MinB: Static structuralEquivalent stressType: Equivalent (von-Mises) StressUnit: MPaTime: 12018/5/18 13:40图 7 叉车车架等效应力云图Fig.7 Equivalent stress cloud map of forklift frame6.502 8 Max5.780 35.057 84.335 23.612 72.890 12.167 61.445 10.722 541.961 9e-16 MinB: Static structuralStructural errorType: Structural errorUnit: mJTime: 12018/5/18 13:57图8 叉车车架结构误差云图Fig.8 Structural error cloud map of forklift frame0.469 27 Max0.417 130.364 990.312 850.260 710.208 560.156 520.104 280.052 1410 MinB: Static structuralTotal deformationType: Total deformationUnit: mmTime: 12018/5/18 14:18图 9 叉车车架总位移云图Fig.9 Total deformation cloud map of forklift frame第 9 期童水光, 等：内燃叉车车架静动特性有限元分析及优化[J]. 浙江大学学报：工学版,2019, 53(9): 1637–1646.1641τ=1τ=2动机冲程系数，二冲程发动机，四冲程发动机.本文所研究的内燃叉车配载新柴4D32XG30直列式4缸4冲程内燃发动机，其主要技术参数如表5所示. 将表4中的最大扭矩转速和低怠速转速数据代入式（4）计算可得：发动机的怠速频率范围为23.33~25.00 Hz ，常用工作频率范围（最大扭矩转速下）为33.33~66.67 Hz. 由上述数据可知：固有频率从第1阶至第2阶发生了突变，越过了发动机的常用工作频率范围；第1阶固有频率高于车辆非簧载质量的固有频率，且低于常用工作频率，但接近发动机的怠速频率；第2阶至第6阶固有频率均高于发动机的常用工作频率，因此叉车在怠速运行或正常工作时车架不会发生共振现象. 分析认为该型号发动机的怠速频率与常用工作频率之间的间隔较小，因此从第1阶到第2阶固有频率的突变能够避免车架发生共振现象，有效地改善了其振动性能. 但第1阶固有频率较低，当叉车怠速起动时可能产生共振.3.2 车架的谐响应分析通过实际调查发现，叉车在怠速起动时车架前端的振动情况较为明显，并通过仪表架传递至方向盘，严重影响驾驶员的工作，为此针对发动机的振动激励进行分析.本研究中4缸4冲程发动机的曲拐布置如图11(a)所示，其中1号缸和4号缸、2号缸和3号缸的曲拐角度均相差0°，1号缸和2号缸的曲拐角度相差180°. 图11(b)给出了各缸的一阶和二阶往复惯性力的平衡情况. 气缸一阶惯性力和二阶惯[26]表 3 叉车车架前6阶固有频率及振型描述Tab.3 Natural frequencies and vibration mode descrip-tion for first six orders of forklift frame阶数f /Hz 振型描述129.14绕 z 轴摆动299.68绕 y 轴摆动弯曲3102.45局部弯曲和翘曲4103.87局部弯曲5112.90两侧绕 Y 轴弯曲6127.61局部弯曲变形2.3708 Max 2.10741.84401.58051.31711.05370.790270.526840.263420 MinB: DSPL modal Total deformationType: Total deformation Frequency: 29.141 Hz 2018/5/19 15:3616.34 Max 14.52412.70910.8939.077 87.262 25.446 73.631 11.815 60 MinB: DSPL modal Total deformation 3Type: Total deformation Frequency: 102.45 Hz 2018/5/19 15:4510.513 Max 9.345 38.177 17.009 05.840 84.672 73.504 52.336 31.168 20 MinB: DSPL modal Total deformation 5Type: Total deformation Frequency: 112.9 Hz 2018/5/19 15:4810.109 Max 8.98617.86286.73965.61634.4933.36982.24651.12330 MinTotal deformation 2Type: Total deformation Frequency: 99.682 Hz 15.924 Max 14.15512.38610.6168.84697.07755.30823.53881.76940 MinB: DSPL modal Total deformation 4Type: Total deformation Frequency: 103.87 Hz 13.701 Max 12.17910.6569.13397.61166.08934.56693.04461.52230 MinB: DSPL modal Total deformation 6Type: Total deformation Frequency: 127.61 Hz xyz图 10 叉车车架前6阶振型图Fig.10 Vibration mode diagram for first six orders of forklift frame1642浙 江 大 学 学 报（工学版）第 53 卷Pr x F F 式中：为矢量在x 轴上的投影，i 为气缸数，k 为气缸号.可以看出，4缸4冲程发动机的一阶往复惯性力合力为0，产生的惯性力矩也为0；而二阶往复惯性力合力不为0，但产生的惯性力矩为0. 表5给出了几种常见发动机的固有平衡特性.T k 曲柄连杆机构中力的传递情况[26]如图12所示，其中，AB 代表连杆，长度为l ，BO 代表曲柄,长度为r . 单缸倾覆力矩的计算公式[26]如下：λ=r /l βλ式中：，为连杆摆角，为曲柄连杆比.F ≈F j F j 由于活塞上气体作用力较小，且属于发动机内力[26]，. 往复惯性力的计算公式[26]如下：m j α=ωt ω=πn /30ω式中：为往复惯性质量，，，为角速度.由此得到怠速起动工况（n =700 r/min ）时发动机产生的倾覆力矩随时间的变化情况，如图13所示. 图中，M 为力矩，t 为时间.计算总倾覆力矩的正弦函数如下：总倾覆力矩的幅值为52.634 N·m ，将力矩信号加载到发动机的2个支座上（见图14），进行谐响应分析，分析范围为0~200 Hz ，间隔为1 Hz. 车架前端横板是车架与仪表架和方向盘相连接的唯一结表 4 新柴4D32XG30发动机主要技术参数Tab.4 Main technical parameters of 4D32XG30 Xin-chai engine参数数值单位缸径×冲程98×105mm×mm活塞排量 3.17L 气缸数4−冲程数4−点火顺序1-3-4-2−最大扭矩转速 1 000~2 000r/min 额定转速 2 500r/min 低怠速转速700~750r/min表 5 几种常见发动机的固有平衡特性Tab.5 Inherent balance characteristics of several com-mon engines发动机类型直列3缸直列4缸直列6缸惯性力一阶平衡平衡平衡二阶平衡不平衡平衡惯性力矩一阶不平衡平衡平衡二阶不平衡平衡平衡1234OxyOxyzO x yzF +I1F +I4F +II1F +II4F +I2F +I3F +II2F +II3(b) 往复惯性力的平衡图 11 直列4缸机往复惯性力平衡性分析Fig.11 Balance analysis of reciprocating inertia force ofin-line four-cylinder engineOαβBTwhAFT kF cF 1F nF tF t ″F n ′F 1′F t ′F c ′F ′图 12 曲柄连杆机构中力的传递Fig.12 Force transmission in crank and connecting rodmechanism第 9 期童水光, 等：内燃叉车车架静动特性有限元分析及优化[J]. 浙江大学学报：工学版,2019, 53(9): 1637–1646.1643构，因此其振动性能对仪表架和方向盘的振动情况具有十分重要的影响，图15给出了叉车车架前端横板在发动机倾覆力矩激励下的响应情况. 图中，A 为加速度，f 为频率.可以看出，该结构在25~30 Hz 的频率范围内产生了较为明显的振动情况，其中x 轴、y 轴和z 轴方向的振幅分别达到了0.10、0.86和3.11 m/s 2. 此外，在90 Hz 附近，x 轴的振幅达到了峰值0.79 m/s 2.4 车架前端振动性能优化综合考虑叉车各零件的装备需求、车架的重量以及生产成本，选择保留原车架的结构设计，改变车架前端板与车架之间垫片的材料(如图16所示)，从而改善车架前端板的振动性能. 通过调查发现，M2052高阻尼合金（Mn-20Cu-5Ni-2Fe ）具有较好的减震性能[27]，该合金的力学性能参数如表6所示. 表中，ρ为密度，E 为弹性模量，σb 为抗拉强度，σs 为屈服强度，δ为延伸率，c 为阻尼系数.改变垫片材料后，重新进行模态分析，得到的固有频率结果与表5相同，之后进行谐响应分析，参数设置保持不变，得到车架前端板的振动情况如图17所示. 可以看出，该结构振幅的变化趋势与优化前相似. 其中x 轴、y 轴和z 轴方向的振幅峰值分别为0.76、0.69和2.49 m/s 2，与优化前相比分别下降了3.80%、19.77%和19.94%. 结果表明，通过改变少量的垫片材料能够有效提高车架前端表 6 M2052合金的力学性能参数Tab.6 Mechanical property parameters of M2052 alloy材料ρ/(kg·m −3)E /GPa σb /MPa σs /MPa δ/%cM20527.31×10358±2638±3337±634±20.2总倾覆力矩1号、4号缸倾覆力矩2号、3号缸倾覆力矩6040200−20−40−600.020.040.060.080.100.120.14t / s图 13 发动机倾覆力矩随时间的变化情况Fig.13 Time-dependent change of engine overturning moment图 14 叉车车架倾覆力矩的加载位置Fig.14 Loading position of overturning moment of forkliftframex 轴方向y 轴方向z 轴方向3 000 2 5002 0001 5001 0005000图 15 叉车怠速起动时车架前端板的加速度响应Fig.15 Acceleration response of frame’s front-end plate whenforklift starting at idle conditionM2052Q235车架前端板垫片图 16 车架前端板及垫片材料Fig.16 Material of frame’s front-end plate and gasketx 轴方向y 轴方向z 轴方向2 5002 0001 5001 0005000图 17 改变垫片材料后车架前端板的加速度响应Fig.17 Acceleration response of frame’s front-end plate aftergasket material being changed1644浙 江 大 学 学 报（工学版）第 53 卷板的振动性能，从而使仪表架和方向盘的振动情况得到改善.5 结　论（1）该叉车车架在临界工况下最大应力为141.75 MPa ，低于车架材料的许用应力，出现在车架铰接座根部的焊接位置.（2）该叉车车架的固有频率较为平缓，其中一阶固有频率与叉车怠速起动的频率接近，容易发生共振现象，从而产生明显的激励. 固有频率是影响叉车振动性能的关键因素.（3）叉车在怠速起动时仪表架和方向盘的振动情况较为严重，对驾驶员的工作环境和身体有很大影响，降低车架前端板的振幅峰值能够有效改善仪表架和方向盘的振动. 为此，本研究采用了M2052高阻尼合金垫片，使车架前端板的振动性能得到了明显改善，并且使车架固有频率不变，优化成本较低. 合理地应用新型材料是进一步优化工程机械的关键手段.（4）发动机运行中产生的倾覆力矩是叉车工作过程中振动的重要激励源，下一步将研究其在叉车不同行驶工况下所产生的影响.参考文献(References):李甲. 某型3吨叉车结构有限元分析及减振研究[D].山西: 太原科技大学, 2011: 1.LI Jia. 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毕业设计（论文）开题报告
分析，可看到构件在各个载荷状况下的变形情况，可以得到刚度、强度等各种力学性能。

之后可将这些结果返回到设计过程中，修改其中不合理的参数，经过反复的优化，使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高汽车设计的可靠性、经济性、适用性的方法之一。

因此，为了保证其设计的精确性和缩短设计周期，基于有限元分析，研究它的静、动态力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。

二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题
设计的主要内容：
（1）研究汽车车架的组成、结构与设计；
（2）建立有限元计算模型；
（3）研究汽车车架的载荷；
（4）加载进行静、动态分析；
（5）对汽车车架的结构参数进行优化设计。

拟解决的主要问题：
ANSYS分析主要步骤：
（1）运用ANSYS进行有限元静、动态分析，重点进行强度分析。

（2）应用ANSYS的参数化语言实现汽车车架参数的优化设计。

三、技术路线（研究方法）。

有限元分析强度分析(自行车车架力学实验关键承力结构)机械1202 马也 3120301052引言：自行车的车身主要有前车架和后车车架组成，为了对已经制造出来的自行车进行承受能力实验，设计师专门针对这个分析设计了一套夹具(工装)，以便于自行车车架受力试验的进行。

试验中关键的部位是两个轴（图1中A和C两个位置），这两根曲轴是车架的受压试验直接着力点，设计要求前后支架载荷比例满足：1:1.43，并且要求前后轴受力在1000N以上。

设计师在设计时根据设计经验设计了一套架子（图1），但是不能确保两根轴的强度是否满足要求，因此采用有限元ANSYS对车架进行了力学分析和强度计算，对这个设计方案的可靠性验证具有重要参考意义。

图1 自行车受力架三维图分析思路：整个支架主要有前支架和后支架构成，分析对象为支架上的两根不同跨距的支杆，而支杆的强度只与杆上的载荷和接触有关，从图上也可以看出杆才是整个结构强度最弱的部位。

两根支杆和整个支架均采用普通不锈钢材料。

影响计算精度的最大影响因素为材料、网格、接触和约束。

在网格达到一定数量后，由于有限元的网格无关系，这时可以不用考虑网格的影响了，同种材料下的强度计算时，杆的接触设置是关键，这里采用No separation进行接触设置。

载荷以坐标分量的形式在Y轴（重力方向）分别施加不同的载荷，直至达到材料的屈服强度位置（材料一旦进入屈服，就会发生永久性的变形，此处为杆的弯曲）。

为了计算出结构的最大安全载荷，也就结果从弹性变形过渡到塑性变形的临界载荷，下面对两杆和支架分别进行了载荷计算，因为试算的次数比较多，因此工作量非常大。

在分别求出各杆的最大临界载荷后在整个支架模型上分别添加最大临界载荷，最后考察总体受力情况。

具体实现步骤如下“1双击ANSYS workbench启动按钮，启动ANSYS workbench如下图所示：2.ANSYS WORKBENCH启动后弹出工具栏如下图，双击Static Structural3. 双击Engineering Data设定材料属性,从通用材料库中选择不锈钢(Stainless Steel)，材料参数结果如下图所示。