4．0m車架的有限元分析

孟素各 （福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州350000）

車架作為車身的一部分具有重要的意義，車架的設(shè)計水平是汽車多項性能充分發(fā)揮的重要前提條件。由于車架受到來自路面及裝載的各種載荷作用，成為一個承受復(fù)雜空間力系的框架結(jié)構(gòu)，變形主要表現(xiàn)為彎曲和扭曲2種狀態(tài)。為保證汽車性能，車架必須具有足夠的強度、剛度。早期的車架設(shè)計較少進行有限元分析，計算也比較粗略。下面，筆者應(yīng)用Pro／E進行三維實體，并應(yīng)用ANSYS軟件進行有限元計算校核，使車架設(shè)計更趨于合理。為校核4．0m車架的強度、剛度和模態(tài)，應(yīng)用Pro／E對車架進行三維實體建模，利用ANSYS軟件對車架進行有限元分析，以期對車架做出評價和輕量化改進。

1 三維設(shè)計軟件概述

Pro／Engineer Wildfire軟件的主要技術(shù)特點如下：基于特征的參數(shù)化造型；全相關(guān)特性，Pro／Engineer軟件的所有模塊都是全相關(guān)的，設(shè)計中在任何一個模塊中進行的修改，系統(tǒng)會自動更新所有的相關(guān)文檔，這大大縮短了修改的時間；全尺寸約束，將修改的形狀與尺寸結(jié)合起來，通過尺寸約束實現(xiàn)集合形狀的控制；尺寸驅(qū)動設(shè)計修改，通過修改尺寸參數(shù)可以很容易的進行多次設(shè)計迭代。

2 計算方法

選用有限元計算方法和ANSYS軟件對車架結(jié)構(gòu)進行分析。

2．1 計算軟件選擇

ANSYS有限元程序是美國ANSYS公司研制的大型通用有限分析軟件，是第1個通過ISO9001質(zhì)量認證的分析設(shè)計軟件。由于ANSYS軟件具有建模簡單快速方便等特點。它能夠與多數(shù)CAD軟件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro／Engineer，NASTRAN，CATIA，UG，AutoCAD等，因而成為大型通用有限元程序的代表。因此，設(shè)計選擇ANSYS作為有限元分析軟件。

2．2 單元選擇

車架的縱梁、橫梁是薄壁構(gòu)件，所以把車架看成是板殼單元，設(shè)計采用板殼單元來建立有限元計算模型。采用板殼單元的原則是每塊面板的表面尺寸一般不低于其厚度的10倍。SHELL63單元綜合了平面膜單元和彎曲作用的板單元的共性特性，可以受垂直于板中面的載荷。常用的板殼單元類型有3節(jié)點三角形單元，4節(jié)點四邊形單元和5節(jié)點單元。

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內(nèi)建立模型，然后通過IGES格式導(dǎo)入ANSYS進行分析計算。由于ANSYS的建模功能較差，采用方案1，周期太長，在短時間內(nèi)要建好，難度較大。所以選擇方案2，建模省時有方便，關(guān)鍵是模型是否能順利導(dǎo)入到ANSYS。

3 汽車車架三維實體設(shè)計

3．1 測繪

所測的車架是吉普車車架，是邊梁式車架。邊梁式車架由2根縱梁及6根橫梁焊接成型，車架總長4．0m，總寬0．7m，縱梁主要承受彎曲載荷，采用具有較大抗彎強度的閉口矩形鋼管。邊梁式車架結(jié)構(gòu)簡單，工藝要求低，制造容易，實用廣泛，發(fā)動機位于前軸之后下方。

3．2 設(shè)計方案選擇

采用部分零件直接以主要零件為基準(zhǔn)創(chuàng)建，部分單獨完成，然后進行裝配。由此確定方案流程：縱梁實體建模-橫梁實體建模-發(fā)動機支架的實體建模-鋼板彈簧吊耳的實體建模-車架其他附屬部件的實體建模-車架的裝配-完成車架的實體建模。

3．3 建模步驟

首先利用軟件Pro／E進行貨車車架的三維實體建模，縱梁建模部分在特征操控面板上設(shè)置深度為120mm，并選擇縱梁未抽殼的面為基準(zhǔn)面，往里平移偏距350mm，在基準(zhǔn)平面對抽殼特征的厚度定為3mm，完成車架縱梁的三維實體設(shè)計。在橫梁建模部分，選擇TOP為草繪面，RIGHT為參照面，進入草繪器繪制草繪圖，在特征操控面板上設(shè)置深度為120mm，完成拉伸特征的創(chuàng)建，輸入抽殼特征的厚度3mm，完成抽殼特征的創(chuàng)建，這樣就完成車架橫梁的三維實體設(shè)計。鋼板彈簧能夠提高貨車在形式的平順性，建模的具體步驟與前面所述相似。對于車架的裝配，通過限制其自由度的方法，把各個部件添加到裝配模式進行裝配。

4 車架有限元計算

采用有限元方法進行計算，首先進行車架模型簡化，再把模型離散化，然后在ANSYS環(huán)境下進行分析計算。車架采用閉口矩形鋼管焊接而成。選擇車架材料為16Mn，該材料的彈性模量為210000N／mm2，泊松比u為0．3，屈服極限為350MPa，強度極限為550MPa。模型建立之后可以依據(jù)省略非承載件原則進行簡化。根據(jù)模型簡化原則，建立模型圖。（1）創(chuàng)建縱梁的簡化模型圖，步驟與縱梁的建模類似。選擇菜單管理器，自動創(chuàng)建中間曲面，完成曲面的建立。打開模型，圖形窗口出現(xiàn)縱梁的中間曲面。（2）創(chuàng)建橫梁和發(fā)動機支架的簡化模型圖，打開拉伸操作控制面板，選擇縱梁槽形面為草繪面，縱梁地面為參考面，使用草繪器草繪橫梁中間曲面。在特征操控面板上設(shè)置深度為120mm，完成拉伸特征的創(chuàng)建。在縱梁基礎(chǔ)上創(chuàng)建橫梁曲面。重復(fù)上述建立橫梁曲面的步驟，參考三維實體圖和簡化模型圖簡化原則，完成車架簡化模型圖 （見圖1）。

圖1 車架簡化模

圖2 菜單管理器

4．1 模型轉(zhuǎn)換

在Pro／E標(biāo)準(zhǔn)模式下所建立的簡化車架模型經(jīng)下列步驟轉(zhuǎn)換為ANSYS的CAD模型。左鍵單擊菜單欄的應(yīng)用程序，選擇下拉菜單的Mecghania（M）單擊左鍵，進入PRO／EMECHNIA Structure中，定義曲面，左鍵單擊菜單欄的插入，選擇中間曲面菜單管理器 （見圖2），選擇完成模型，保存為IGES格式。打開ANSYS，選擇剛才創(chuàng)建的IGES文件，成功將Pro／E下創(chuàng)建的三維實體模型導(dǎo)入ANSYS。首先運用Pro／E軟件對車架進行建模，針對該車架的結(jié)構(gòu)特點，采用表面模型方法，以面代替體，保證其特征的同時進行局部簡化，另存為IGES格式，將完成的模型導(dǎo)入ANSYS軟件下，并對模型進行修正及完善。

圖3 網(wǎng)格劃分完后的車架

4．2 離散化

智能網(wǎng)格劃分是一種比較高效的自由網(wǎng)格劃分方法，它考慮到幾何圖形的曲率以及線與線的接近程度，自動劃分網(wǎng)格，根據(jù)殼單元的特點并經(jīng)過幾次網(wǎng)格劃分，確定劃分后的單元邊長為25mm。網(wǎng)格劃分后整個車架離散化為有8964個節(jié)點，8652個殼單元的有限元模型 （見圖3）。

4．3 約束和加載

車架載荷施加按照部件的安裝位置和其重量的大小進行處理，多處定位的部件基本參考其重量對該位置的貢獻大小而分配 （動載系數(shù)Kv=3．0）。

1）車身自重和載客的重力按均布載荷q加到車架進行計算P身=1500N（車身總成重量，如地板、前骨架、后骨架及前圍后圍頂蓋門檻等外附件），P人=5×65×10=3250N（包括駕駛員在內(nèi)為5人，每人按65kg計算）。分別賦予動載系數(shù)Kv=3．0，則P′身=4500N，P′人=9750N，q= （P′身＋P′人）／S=0．01128N／mm2（S為車架的上表面面積）。

2）發(fā)動機反力變速器反力計算 （每個支撐節(jié)點反力R3） 發(fā)動機型號設(shè)計為單缸臥式四沖程水冷蒸發(fā)式S1100柴油機，柴油機凈重約為168．5kg，機油2．5kg，柴油20kg，水箱注入10kg軟水。變速器的型號為參考NJ130，重量約為460N，所以P發(fā)=P柴凈＋P油＋P水=（168．5＋22．5＋10）×10=2010N，P總=P發(fā)＋P變速器=2470N，賦予動載系數(shù)Kv=3．0，則P′總=7410N。將其加載于模型相應(yīng)位置的27個節(jié)點上，故R3=274N。

4．4 結(jié)果分析

1）計算結(jié)果 如圖4所示，彎曲工況下，模型的最大變形量為0．257mm，最大米塞斯應(yīng)力為243．971MPa。由圖4可以看出：①有支撐部位與無支撐部位相差很大，最大變形出現(xiàn)在第5根橫梁處；②發(fā)動機和變速器支架與縱梁的焊接處應(yīng)力較大。但應(yīng)力遠遠小于屈服極限，固強度足夠，而且可以輕量化；③約束處得應(yīng)力較大，這是由于模擬時將鋼板彈簧吊耳與車架的連接堪稱點連接，從而造成的應(yīng)力集中 （而實際中吊耳與車架是面接觸）。

2）強度校核 車架材料為16Mn，屬于塑性材料，其安全系數(shù)為1．2～2．5，車架在彎曲工況下所受到的最大應(yīng)力為243．971MPa。安全系數(shù)n=350／243．971=1．43在1．2～2．5之間滿足要求，車架有足夠強度。

4．5 剛度分析

將單位載荷1000N加在車架2縱梁的中部2個節(jié)點上 （分別是節(jié)點3931和節(jié)點2930）然后進行求解，結(jié)果如圖5。由圖5可以看出，最大變形量出現(xiàn)在車架中部加載的節(jié)點處，查看結(jié)果可知節(jié)點3931的變形量為0．146555mm （即最大變形量），節(jié)點2960的變形量為0．146478mm，所以單位載荷產(chǎn)生的變形量為0．146555＋0．146478=0．293033mm，即車架在單位載荷1000N的變形量為0．293033mm／2=0．1465165mm。剛度計算公式Q=F／L′，L′為單位形變，即剛度為產(chǎn)生單位形變所需的力，剛度Q=1000／0．1465165=6825．17N／mm，車架剛度足夠。

圖4 求解圖 （單位MPa）

圖5 求解圖

4．6 模態(tài)分析

1）建模 直接采用靜態(tài)有限元模型，采用自由邊界條件，不施加載荷和約束。

2）加載和求解 設(shè)定選項操作：由solution-analysis type-new analysis-modal，再由analysis options進入選項框，在No．of node to extract中輸入模態(tài)提取的階數(shù)16，在勾選框expand mode shapes，elcalc calculate elem results和use lumped mass approx中均選擇yes，在彈出block lanczos method對話框按默認選項即可，及不設(shè)定最大和最小頻率。在設(shè)定選項完成后，即可進入計算模式。注意：計算結(jié)束后，用finish離開求解模式。

3）擴展模態(tài) 在模態(tài)分析中，必須用擴展模態(tài)將陣型寫入結(jié)果文件，以便在后處理器中查看陣型。操作如下：再次進入solution-analysis type-expansion pass on-激活擴展處理，有soolution-load step opts-expassionpass進入expand modes對話框，在No．of modes to expand中輸入階數(shù)16，再由load step opts-output ctrls-solu printout和db／result file輸出控制指定hevery substep，最后用求解器進行擴展處理，即可輸出擴展的振型。

4）查看結(jié)果列表 main menu-solution-general postproc-results summary，彈出結(jié)果列表如表1所示。

5）查看第7、8、9、10階振型 在通過設(shè)置KUND item to be plotted項為，繪制第7階振型圖，如圖6。第8、9、10階步驟同上，如圖7～圖9所示。

表1 結(jié)果列表

圖6 第7階振型圖

圖7 第8階振型圖

圖8 第9階振型圖

圖9 第10階振型圖

6）結(jié)果 由于低階模態(tài)對振動系統(tǒng)的影響較大，因此筆者僅計算了車架的前16階固有頻率和振型。第1階為剛體模態(tài)，頻率為0，第2～6階的車架也基本沒有變形，第7～10階的振型如上，固有頻率比對如表1所示。整個車架所有振型連續(xù)圓滑且振幅小，說明車架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。而10階模態(tài)以后，模態(tài)偏多且振幅較大，說明此處剛度較弱，易造成疲勞破壞，有待改進。

5 結(jié) 語

先通過車架的測繪再應(yīng)用Pro／E對繪制了車架的三維模型圖，對車架進行抽中面處理，再將模型導(dǎo)入到ANSYS中進行彎曲強度、剛度和模態(tài)分析，經(jīng)過計算分析，車架的強度、剛度均滿足材料屬性的要求。

［1］金松 ．簡明機械設(shè)計手冊 ［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1992：72-73．

［2］吳權(quán)威，王凈瑩．Pro／ENGINEER Wildfire中文版實例教程 ［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

［3］張勝蘭．Pro／Engineer Wildfire實用培訓(xùn)教程 ［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：3-7．

［4］Moaveni S．有限元分析-ANSYS理論與應(yīng)用 ［M］．王菘等譯 ．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［5］謝里陽 ．現(xiàn)代機械設(shè)計方法 ［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2005：45-83．

［6］黃天澤，黃金陵 ．汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計 ［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2005：160-166．

［7］陳銘年 ．汽車車架計算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量綜述 ［J］．汽車工程，1996（5）：285-290．

［8］白葳，喻海良 ．通用有限元分析ANSYS8．0基礎(chǔ)教程 ［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005：1-5．