4．0m车架的有限元分析

2013-04-10孟素各福建农林大学机电工程学院福建福州350000

长江大学学报(自科版) 2013年28期

孟素各（福建农林大学机电工程学院，福建福州350000）

车架作为车身的一部分具有重要的意义，车架的设计水平是汽车多项性能充分发挥的重要前提条件。由于车架受到来自路面及装载的各种载荷作用，成为一个承受复杂空间力系的框架结构，变形主要表现为弯曲和扭曲2种状态。为保证汽车性能，车架必须具有足够的强度、刚度。早期的车架设计较少进行有限元分析，计算也比较粗略。下面，笔者应用Pro／E进行三维实体，并应用ANSYS软件进行有限元计算校核，使车架设计更趋于合理。为校核4．0m车架的强度、刚度和模态，应用Pro／E对车架进行三维实体建模，利用ANSYS软件对车架进行有限元分析，以期对车架做出评价和轻量化改进。

1 三维设计软件概述

Pro／Engineer Wildfire软件的主要技术特点如下：基于特征的参数化造型；全相关特性，Pro／Engineer软件的所有模块都是全相关的，设计中在任何一个模块中进行的修改，系统会自动更新所有的相关文档，这大大缩短了修改的时间；全尺寸约束，将修改的形状与尺寸结合起来，通过尺寸约束实现集合形状的控制；尺寸驱动设计修改，通过修改尺寸参数可以很容易的进行多次设计迭代。

2 计算方法

选用有限元计算方法和ANSYS软件对车架结构进行分析。

2．1 计算软件选择

ANSYS有限元程序是美国ANSYS公司研制的大型通用有限分析软件，是第1个通过ISO9001质量认证的分析设计软件。由于ANSYS软件具有建模简单快速方便等特点。它能够与多数CAD软件接口实现数据的共享和交换，如Pro／Engineer，NASTRAN，CATIA，UG，AutoCAD等，因而成为大型通用有限元程序的代表。因此，设计选择ANSYS作为有限元分析软件。

2．2 单元选择

车架的纵梁、横梁是薄壁构件，所以把车架看成是板壳单元，设计采用板壳单元来建立有限元计算模型。采用板壳单元的原则是每块面板的表面尺寸一般不低于其厚度的10倍。SHELL63单元综合了平面膜单元和弯曲作用的板单元的共性特性，可以受垂直于板中面的载荷。常用的板壳单元类型有3节点三角形单元，4节点四边形单元和5节点单元。

2．3 有限元模型的建立方案

方案1：直接在ANSYS建立模型；方案2：在Pro／E内建立模型，然后通过IGES格式导入ANSYS进行分析计算。由于ANSYS的建模功能较差，采用方案1，周期太长，在短时间内要建好，难度较大。所以选择方案2，建模省时有方便，关键是模型是否能顺利导入到ANSYS。

3 汽车车架三维实体设计

3．1 测绘

所测的车架是吉普车车架，是边梁式车架。边梁式车架由2根纵梁及6根横梁焊接成型，车架总长4．0m，总宽0．7m，纵梁主要承受弯曲载荷，采用具有较大抗弯强度的闭口矩形钢管。边梁式车架结构简单，工艺要求低，制造容易，实用广泛，发动机位于前轴之后下方。

3．2 设计方案选择

采用部分零件直接以主要零件为基准创建，部分单独完成，然后进行装配。由此确定方案流程：纵梁实体建模-横梁实体建模-发动机支架的实体建模-钢板弹簧吊耳的实体建模-车架其他附属部件的实体建模-车架的装配-完成车架的实体建模。

3．3 建模步骤

首先利用软件Pro／E进行货车车架的三维实体建模，纵梁建模部分在特征操控面板上设置深度为120mm，并选择纵梁未抽壳的面为基准面，往里平移偏距350mm，在基准平面对抽壳特征的厚度定为3mm，完成车架纵梁的三维实体设计。在横梁建模部分，选择TOP为草绘面，RIGHT为参照面，进入草绘器绘制草绘图，在特征操控面板上设置深度为120mm，完成拉伸特征的创建，输入抽壳特征的厚度3mm，完成抽壳特征的创建，这样就完成车架横梁的三维实体设计。钢板弹簧能够提高货车在形式的平顺性，建模的具体步骤与前面所述相似。对于车架的装配，通过限制其自由度的方法，把各个部件添加到装配模式进行装配。

4 车架有限元计算

采用有限元方法进行计算，首先进行车架模型简化，再把模型离散化，然后在ANSYS环境下进行分析计算。车架采用闭口矩形钢管焊接而成。选择车架材料为16Mn，该材料的弹性模量为210000N／mm2，泊松比u为0．3，屈服极限为350MPa，强度极限为550MPa。模型建立之后可以依据省略非承载件原则进行简化。根据模型简化原则，建立模型图。（1）创建纵梁的简化模型图，步骤与纵梁的建模类似。选择菜单管理器，自动创建中间曲面，完成曲面的建立。打开模型，图形窗口出现纵梁的中间曲面。（2）创建横梁和发动机支架的简化模型图，打开拉伸操作控制面板，选择纵梁槽形面为草绘面，纵梁地面为参考面，使用草绘器草绘横梁中间曲面。在特征操控面板上设置深度为120mm，完成拉伸特征的创建。在纵梁基础上创建横梁曲面。重复上述建立横梁曲面的步骤，参考三维实体图和简化模型图简化原则，完成车架简化模型图（见图1）。

图1 车架简化模

图2 菜单管理器

4．1 模型转换

在Pro／E标准模式下所建立的简化车架模型经下列步骤转换为ANSYS的CAD模型。左键单击菜单栏的应用程序，选择下拉菜单的Mecghania（M）单击左键，进入PRO／EMECHNIA Structure中，定义曲面，左键单击菜单栏的插入，选择中间曲面菜单管理器（见图2），选择完成模型，保存为IGES格式。打开ANSYS，选择刚才创建的IGES文件，成功将Pro／E下创建的三维实体模型导入ANSYS。首先运用Pro／E软件对车架进行建模，针对该车架的结构特点，采用表面模型方法，以面代替体，保证其特征的同时进行局部简化，另存为IGES格式，将完成的模型导入ANSYS软件下，并对模型进行修正及完善。

图3 网格划分完后的车架

4．2 离散化

智能网格划分是一种比较高效的自由网格划分方法，它考虑到几何图形的曲率以及线与线的接近程度，自动划分网格，根据壳单元的特点并经过几次网格划分，确定划分后的单元边长为25mm。网格划分后整个车架离散化为有8964个节点，8652个壳单元的有限元模型（见图3）。

4．3 约束和加载

车架载荷施加按照部件的安装位置和其重量的大小进行处理，多处定位的部件基本参考其重量对该位置的贡献大小而分配（动载系数Kv=3．0）。

1）车身自重和载客的重力按均布载荷q加到车架进行计算P身=1500N（车身总成重量，如地板、前骨架、后骨架及前围后围顶盖门槛等外附件），P人=5×65×10=3250N（包括驾驶员在内为5人，每人按65kg计算）。分别赋予动载系数Kv=3．0，则P′身=4500N，P′人=9750N，q= （P′身＋P′人）／S=0．01128N／mm2（S为车架的上表面面积）。

2）发动机反力变速器反力计算（每个支撑节点反力R3）发动机型号设计为单缸卧式四冲程水冷蒸发式S1100柴油机，柴油机净重约为168．5kg，机油2．5kg，柴油20kg，水箱注入10kg软水。变速器的型号为参考NJ130，重量约为460N，所以P发=P柴净＋P油＋P水=（168．5＋22．5＋10）×10=2010N，P总=P发＋P变速器=2470N，赋予动载系数Kv=3．0，则P′总=7410N。将其加载于模型相应位置的27个节点上，故R3=274N。

4．4 结果分析

1）计算结果如图4所示，弯曲工况下，模型的最大变形量为0．257mm，最大米塞斯应力为243．971MPa。由图4可以看出：①有支撑部位与无支撑部位相差很大，最大变形出现在第5根横梁处；②发动机和变速器支架与纵梁的焊接处应力较大。但应力远远小于屈服极限，固强度足够，而且可以轻量化；③约束处得应力较大，这是由于模拟时将钢板弹簧吊耳与车架的连接堪称点连接，从而造成的应力集中（而实际中吊耳与车架是面接触）。

2）强度校核车架材料为16Mn，属于塑性材料，其安全系数为1．2～2．5，车架在弯曲工况下所受到的最大应力为243．971MPa。安全系数n=350／243．971=1．43在1．2～2．5之间满足要求，车架有足够强度。

4．5 刚度分析

将单位载荷1000N加在车架2纵梁的中部2个节点上（分别是节点3931和节点2930）然后进行求解，结果如图5。由图5可以看出，最大变形量出现在车架中部加载的节点处，查看结果可知节点3931的变形量为0．146555mm （即最大变形量），节点2960的变形量为0．146478mm，所以单位载荷产生的变形量为0．146555＋0．146478=0．293033mm，即车架在单位载荷1000N的变形量为0．293033mm／2=0．1465165mm。刚度计算公式Q=F／L′，L′为单位形变，即刚度为产生单位形变所需的力，刚度Q=1000／0．1465165=6825．17N／mm，车架刚度足够。

图4 求解图（单位MPa）

图5 求解图

4．6 模态分析

1）建模直接采用静态有限元模型，采用自由边界条件，不施加载荷和约束。

2）加载和求解设定选项操作：由solution-analysis type-new analysis-modal，再由analysis options进入选项框，在No．of node to extract中输入模态提取的阶数16，在勾选框expand mode shapes，elcalc calculate elem results和use lumped mass approx中均选择yes，在弹出block lanczos method对话框按默认选项即可，及不设定最大和最小频率。在设定选项完成后，即可进入计算模式。注意：计算结束后，用finish离开求解模式。

3）扩展模态在模态分析中，必须用扩展模态将阵型写入结果文件，以便在后处理器中查看阵型。操作如下：再次进入solution-analysis type-expansion pass on-激活扩展处理，有soolution-load step opts-expassionpass进入expand modes对话框，在No．of modes to expand中输入阶数16，再由load step opts-output ctrls-solu printout和db／result file输出控制指定hevery substep，最后用求解器进行扩展处理，即可输出扩展的振型。

4）查看结果列表 main menu-solution-general postproc-results summary，弹出结果列表如表1所示。

5）查看第7、8、9、10阶振型在通过设置KUND item to be plotted项为，绘制第7阶振型图，如图6。第8、9、10阶步骤同上，如图7～图9所示。

表1 结果列表

图6 第7阶振型图

图7 第8阶振型图

图8 第9阶振型图

图9 第10阶振型图

6）结果由于低阶模态对振动系统的影响较大，因此笔者仅计算了车架的前16阶固有频率和振型。第1阶为刚体模态，频率为0，第2～6阶的车架也基本没有变形，第7～10阶的振型如上，固有频率比对如表1所示。整个车架所有振型连续圆滑且振幅小，说明车架整体结构设计合理。而10阶模态以后，模态偏多且振幅较大，说明此处刚度较弱，易造成疲劳破坏，有待改进。