基于ANSYS的车架结构优化设计

基于ANSYS的车架结构优化设计OptimizationDesignofFrameStructureBasedonANSYS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。Abstract:Theautomobilewhichhasdevelopedfor130years,securityandenergysavinghasbecometheleadingcontentforautomobiledeign.Amongthemanycomplexstructuresinautomobile,theframeofthevehicleisthebasicpartandthemainbearingpart.Ithasthefunctionofconnectingallpartsofthevehicletogetherandsubjectingvariousloadsfrominsideandoutsidethevehicle.Theperformanceofframestructureaffectswhethertheautomobilepropertyisgoodornot.Inthispaper,theframeofafueltankerisstudied.WesimplifyandestablishthemodelofframebyCATIA.Theparameteroftheframeisdefined.ThemodelofframeismeshedbyANSYS.AddtheforceandfreedomofthemodelofframebyANSYS.Thestaticanalysisoftheframeincludesthesituationofbending,torsion,barkingandswervebyANSYS.Accordingtothefigureofdisplacementandstress,itprovidetheoreticalsupportfortheautomobiledesignofsecurityandenergysaving.Atthesametime,themodalanalysisoftheframeisalsostudied.Basedontheframeofnaturalfrequencyandvibrationmode,itprovidetheoreticalbasisforavoidingresonanceandimprovingridecomfortandimprovethelevelofvehicledesign.关键词：车架,有限元，ANSYS,静态分析，模态分析Keywords:Frame,Finiteelement,ANSYS,Staticanalysis,Modalanalysis1绪论1.1概述最初汽车的发展，通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。这种方法不仅浪费财力人力，而且生产周期长，研发效率低，不能适应现代产品高效开发的要求，且只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助相关人员了解问题的实质[1]。随着计算机信息技术与相关学科和方法的迅速发展极大地促进了相关行业和科学研究地进步，出现了新兴的综合延伸高效的学科。CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术[1]，逐渐应用到更为广阔的科学研究领域中。在某种意义上数值模拟比传统方法对问题的认识更加深刻，更为严谨，不仅可以分析问题的结果，而且还可以动态地、随时连续地观察事物的发展，细致地了解整体与局部的发展过程[1]。其中，近年发展起来的各种数值模拟仿真方法如有限元、多体动力学、计算流体力学等技术在产品结构分析设计中得到大量应用，可以解决以往手工计算无法解决的许多问题，提高了行业竞争力，为企业带来了巨大的经济效益和社会效益[2]。作为汽车总成的一部分，车架承受着汽车内外各种复杂激励的作用，而且汽车上许多重要零部件都以车架为基体[3]，因此，设计出包括安全节能在内的各方面性能良好的车架是重要的工作。1.2研究背景有限元法已成为汽车设计研制中的一个重要环节，在汽车研究的过程中，包括如车架、车桥、车身、悬架、发动机箱体、曲轴、离合器等总成以及NVH分析都要通过有限元进行校核和优化，大大的提高了汽车设计的水平和研发能力。目前，车架进行设计时，设计研究人员通常会简化车架。但是，简化车架容易导致两个问题：车架简化过多导致求解精度不够，容易使车架产生安全问题，同时为避免安全问题而使汽车设计过于安全，使资源耗费较多，增加了成本，不利于实现汽车轻量化和节能减排的设计理念；车架的设计与计算不同步，造成设计人员与制造人员沟通不顺畅，很难达到技术目标的质量和设计的要求，不利于提高车架设计人员的设计水平和生产效率。现代车架设计已发展到包括动态仿真分析、优化设计等在内的计算机分析、优化和仿真阶段[4]。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架重要的研究方法。本文用ANSYS软件对某型运油车的车架进行静态与动态分析，对进一步研究设计提供了有效的理论依据。1.3本文的主要研究内容本文以某运油车的车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS对车架进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束。对车架进行包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，对位移图与应力图进行分析，为提高车架与整车的设计水平提供了理论基础，对提高安全性与节能提供了理论价值。同时也对车架进行了模态分析，得出固有频率与振型图，提高整车的设计水平，对提高乘坐舒适性与避免共振提供了理论支持。2基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模2.1有限元法简介有限元分析分为三个阶段，即前处理是对几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型；处理是施加作用力，进行自由度约束，建立边界条件进行求解的过程；后处理是使用户查看求解分析结果，分析计算问题的实质，方便后期研究分析。（1）有限元法的分析步骤有限元求解问题的基本步骤包括：①结构离散化。②选择位移模式。③分析单元的力学特性。④把所有离散单元的平衡方程整合成一个整体平衡方程。⑤由平衡方程求解节点位移。⑥计算单元应变和应力。（2）有限元法的特点①对复杂几何构形的适应性单元具有良好的空间性，并且具有不同的形状与连接方式，在实际的应用领域中许多繁琐复杂不规则的结构都可以进行网格划分建立有限元模型。②对各种物理问题的适用性由于场函数形式并未受到限制，因此适用于各种力学，电磁学等有关问题，而且还可以用于相互耦合的各种物理有关的问题[7]。（3）ANSYS单元库体系ANSYS单元库体系中有对各种问题分析时所需的单元类型，每种单元类型都有一个特定的标识，例如，SOLID45，SHELL28，BEAM24等单元类型，其数字表示编号，数字前面的是表示单元类型的前缀[9]，SOLID表示实体单元，SHELL表示壳单元，BEAM表示板单元。主要类型见表2.1。表2.1ANSYS单元库体系Tab.2.1CelllibrarysystemofANSYS单元类别单元维数单元名称结构点单元---MASS21结构线单元2DLINK13DLINK31、LINK160、LINK167结构梁单元2DBEAM3、BEAM233DBEAM4、BEAM161、BEAM188结构实体单元2DPLANE55、PLANE121、PLANE2303DSOLID70、SOLID97、SOLID123、SOLID168、SOLID231结构壳单元2DSHELL61、SSHELL2093DSHELL163、SHELL281结构管单元3DPIPE288、PIPE289结构界面---INTER202、INTER204结构多点约束单元---MPC184联接单元---COMBIN165、COMBIN2142.2车架几何模型建立2.2.1车架几何模型简化使用CATIA建立几何模型，简化结构的思路是：（1）尽可能使建模简化如果不对复杂结构进行简化，则划分的节点与单元数量庞大，分析时耗费的资源就越多，严重时导致分析计算崩溃。所以建立几何模型时，由于纵梁与横梁的连结为焊接和铆接，所以将纵梁与横梁简化为整个刚体，另外忽略车架结构中得一些配件安装的辅助结构，例如吊耳等，既有利于简化几何建模，也有利于对几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型。（2）忽略细节特征在建立几何模型时，忽略对整体结构分析产生较小影响的局部特征，将一些过渡结构简化为原来的结构形状，同时将小孔以及倒角等特征简化为原实体，避免分析时出现错误。3车架有限元静态分析3.1车架载荷分类与处理3.1.1静载荷汽车静止时，车架只承受簧以上的负荷，它是由车骨架结构自身产生的重量、车架上各零部件总成的重量及有效负荷组成，这些负荷的总和叫做静载荷。对负荷进行处理，发动机、变速箱、油箱、水箱等总成零部件，其作用力作用在车架的节点上，把他们作为集中力来处理。而对于货物和驾驶室来说，由于他们在车架上的分布较为均匀，所以把货物和驾驶室的作用力，处理为他们作用面的平均力。车架的自身重量用重力加速度来表示，人的重量按每人65Kg进行计算，按乘坐3人考虑。考虑到与实际情况的差异以及分析计算时的难度等，主要考虑以下作用力，发动机4510N，变速器1460N，轮胎225.4N，油箱1626.8N，货物46354N，驾驶室6321N。3.2车架工况的有限元分析通常路况与车况具有很大的随机不确定性，则车架受到的汽车内外各种激励也就充满复杂性。车架受到的载荷按作用表现形式主要有以下几种，包括货物在内的汽车各总成零部件在重力作用下所产生的载荷称为弯曲载荷；由于路面粗糙度以及汽车行驶速度的影响，汽车在行驶过程中通常会有某一车轮处于悬空状态，致使车轮支撑不均衡，这就容易导致车架受力不均匀而产生扭转载荷；由于路况的随机性，会导致汽车在良好路面频繁加速以及在状况不好的路面频频制动减速，另外还有爬坡与下坡等状况，致使车架在惯性力的作用下产生纵向载荷；由于路况的变化，汽车需要急转弯等转弯状况时，由于存在向心加速度，会使车架产生横向的力，通常称为侧向载荷。我们通常把引起上述四种载荷的工况为汽车行驶时的典型工况，即弯曲工况、扭转工况、紧急制动和紧急转弯工况。在各个工况的分析中，要保证车架的使用要求，即车架的性能参数均应满足材料的性能参数，以保证汽车各方面的性能。其中，车架所采用材料为Q235钢，其屈服强度为235Mpa，抗拉强度为375—460Mpa。3.3.1满载扭转工况利用ANSYS软件对车架施加作用力与重力加速度，计算时约束右前轮UX、UY，约束右后轮UX、UY、UZ，约束左前轮UY,移动量为0.1，约束左后轮UY、UZ；释放其他自由度（横向：X，垂直：Y，纵向：Z）。扭转工况分析与弯曲工况类似，只需按照步骤（2）添加自由度约束即可。计算得出满载扭转位移图（如图3.5所示）和应力图（如图3.6所示）。图3.5扭转工况位移图Fig.3.5Workingconditionoftorsiondisplacementdiagram图3.6扭转工况应力图Fig.3.6Workingconditionoftorsionstressdiagram由图3.5可以看出，车架整体变形量比较小，发动机的两点支撑处变形量较大，可能与汽车在扭转工况下，车轮与地面接触不好，使车架受力较大，造成发动机的支撑点变