1 21緒論 21.1選題意義 21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1.3研究內(nèi)容 32車架結(jié)構(gòu)模型的建立 42.1車架結(jié)構(gòu)參數(shù) 42.2幾何模型的建立 42.3有限元模型建立 52.3.1車架結(jié)構(gòu)材料參數(shù) 52.3.2幾何模型導(dǎo)入 2.3.3單元類型選擇 63車架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 73.2基本載荷確定 3.3彎曲工況 3.4扭轉(zhuǎn)工況 3.5緊急制動工況 3.6緊急轉(zhuǎn)彎工況 4車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 4.1模態(tài)分析理論 4.2自由模態(tài) 2摘要：本文將利用三維軟件繪制出某車架結(jié)構(gòu)的模型，并用AN鄭宇和，李睿琪進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。首先，以某車架結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識，利用三維軟件建立了車架結(jié)構(gòu)幾何模型；其次，將模型轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入到AN鄭宇和，李睿琪軟件中，形成有限元模型文件；再次，利用AN鄭宇和，李睿琪軟件中靜態(tài)結(jié)構(gòu)和模態(tài)模塊對車架結(jié)構(gòu)的靜、模態(tài)特性進(jìn)行求解，對車架結(jié)構(gòu)合理性分析評價，提出合理優(yōu)化，為后續(xù)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞：有限元分析；車架；AN鄭宇和，李睿琪1緒論本題采用有限元方法，對車架進(jìn)行了輔助分析，并對其在各種復(fù)雜工況下的應(yīng)力及變形分布進(jìn)行了研究，以及在特定情況下的動態(tài)特性中共振的問題，從而有效達(dá)到提高各流程效率、減輕車架重量、降低成本的目的。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀2004年，ProdyotKBasua和JuanPabl材料剛體加固問題進(jìn)行研究，為車身整體剛度的強(qiáng)化提供了參考(李嘉和，張佩題，與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了平面應(yīng)變法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，為后續(xù)可制造工藝設(shè)載重卡車進(jìn)行了靜態(tài)分析，并將其與實(shí)測資料進(jìn)行了比較，這在一定程度上印證了對貨車車架在轉(zhuǎn)向、制動過程中的應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，從而推動了有限元方法在卡車車架有限元方法的使用不僅僅是在靜力學(xué)方面，在動態(tài)特性的分析方面的使用也是不可缺少的。2008年，S.J.Kim等人對某型轎車的動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了有限元模擬，從而利用通3修改前后應(yīng)力應(yīng)變問題，在本文的研究視角下這種情況是必但云圖分布一致，因此證明了仿真同樣是有效的產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化方式8。上述結(jié)果為后析參數(shù)，總結(jié)出分析流程及工程應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)振動問題的解決提供參考9。2011年李怡知識，采用三維建模技術(shù)，對車架幾何建模；其次，將模型轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入到AN鄭宇42車架模型的建立本文采用某公司生產(chǎn)的一款SUV,該車架為邊梁式車架，縱、橫梁使用16Mn鋼板沖壓方式進(jìn)行制造，焊接方式聯(lián)接。車身參數(shù)為4697mm/1878mm/1836,軸距2725mm,輪距為1538mm/1541mm,車身重量為1924kg,最小離地間隙為185mm,除此之外該輪胎具體尺寸參數(shù)為245/70R16。由于汽車車架結(jié)構(gòu)是由鋼板制成的空間板材構(gòu)件，對其進(jìn)行全部研究具有復(fù)雜性，所以需要對其進(jìn)行簡化(張睿穎，韓嘉恒，2020)。在建立有限元模型時，只需要對主要研究的部分進(jìn)行模擬，其余部分可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕Ｋ裕瑥倪@些統(tǒng)計中看出在進(jìn)行繪制時，應(yīng)進(jìn)行最大程度地簡化，否者，會對后續(xù)的分析求解增添不少負(fù)擔(dān)，同時電腦運(yùn)行(1)所有的工藝孔都忽略不計；(2)利用直角代替原本倒角和起過渡性作用的圓角雖然車架具有對稱性，這確切地體現(xiàn)出了但局部不能真實(shí)反映整個車架在各個工況在此基礎(chǔ)上，采用SolidWorks軟件對模型進(jìn)行等比例建模，并利用其特征中的拉伸功能，構(gòu)造出了車架的各個部位。這在某種程度上表征了為使車架整體具有良好的穩(wěn)定性，在部分橫梁與縱梁之間增加加強(qiáng)筋，建好的三維模型如圖2-1所示(趙麗娜，李東風(fēng)，2023)。5圖2-1車架三維模型2.3有限元模型建立2.3.1車架材料參數(shù)車架材料參數(shù)如下表2-1所示：密度最小屈服強(qiáng)度泊松比彈性模量a16Mn鋼2.3.2幾何模型導(dǎo)入在SolidWorks建立好模型之后，另存為x_t格式，打開AN鄭宇和，李睿琪Workbench軟件點(diǎn)擊StaticStructural模塊，點(diǎn)擊EngineeringData添加所需材料特性，利用Geometry中ImportGeometry添加之前建立的車架模型，打開Modol查看模型如圖2-2所示(楊逸62.3.3單元類型選擇目前，梁單元是車架有限元分析的常見采用形式，雖然該形式在前期模型簡化、網(wǎng)格劃分階段所需時間少，這在一定程度上印證了劃分的網(wǎng)格數(shù)目少，計算速度快，但是其無法直觀的觀察出車架的截面形狀和求解分析后連接處的應(yīng)力集中問題，這在某種程度上說明所以不能很好地選擇車架橫縱梁連接方案(朱鴻鑫，蔣思遠(yuǎn)，2021)。三維固體結(jié)構(gòu)使用Solid186實(shí)體單元來劃分，這個單元有20個空間節(jié)點(diǎn)，每一個節(jié)點(diǎn)都有3個自由度，其可以在x、y、z方向上平行移動。本文利用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型(魏浩然，黃美玲，2022)。這在某種程度上表達(dá)出在對該模型進(jìn)行有限元計算時，先將整個車架進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)網(wǎng)格大小進(jìn)行調(diào)整，盡量每處結(jié)構(gòu)覆蓋兩層單元，所以調(diào)整網(wǎng)格大小為30mm結(jié)果如圖2-3所示(孫思源，陳佳欣，2022)。每個理論模型都是現(xiàn)實(shí)世界的簡化版，因此必然包含一些假設(shè)和近似處理。這可能會導(dǎo)致模型無法完全反映所有相關(guān)變量及其復(fù)雜互動，從而產(chǎn)生偏差。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，本文不僅借鑒了廣泛認(rèn)可的理論基礎(chǔ)，還融合了最新的研究成果來優(yōu)化本文的分析框架。同時，在解釋研究結(jié)果時，本文特別關(guān)注區(qū)分哪些結(jié)論依賴于特定假設(shè)，哪些具有更廣泛的適73車架靜力學(xué)分析3.1靜力學(xué)基本方程在本文的研究視角下這種情況是必須要考慮的在有限單元法中，靜力分析的基本公上述方程中，{f}表示全部結(jié)構(gòu)載荷列陣，{D}全部結(jié)構(gòu)位移點(diǎn)列陣，{K}表示全部用有限元方法解決靜力問題，其實(shí)就是解方程式(3-1),需要先求某一個節(jié)點(diǎn)的位移，接著利用公式可以求解出該單元應(yīng)力，最后就可以得到整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布(劉子健，郭俊龍，2022)。在推進(jìn)本研究的過程中，本文不可避免地遭遇了一些挑戰(zhàn)和限制，如在采用已有理論框架時，充分考慮到其適用性和局限性，并試圖通過實(shí)證數(shù)據(jù)來進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化，但這仍是一個逐步完善的過程。這在某種程度上暗示了車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下，車架僅承擔(dān)懸掛上部的負(fù)荷，其主要包括車體、車架自身質(zhì)量、車架上的各個部件和輔助部件的質(zhì)量、有效負(fù)載(人員質(zhì)量),這些加起來就是靜態(tài)負(fù)載。由于模型簡化，從這些證據(jù)中可以看出導(dǎo)致車架的自重比實(shí)8該車架滿載質(zhì)量為1924kg,重力加速度為9.8m/s2,所有施加在車架上的載荷應(yīng)為：因?yàn)樗皇浅休d式車身，因此彈簧上部重量和乘客的重量被均勻地施加在車架的縱梁和彎曲工況是車輛在較好的路面上，處于滿載條件下靜態(tài)或勻速行駛的狀態(tài)。在此條件下，由于車架變形和彎曲應(yīng)力的影響，因此，必須對其進(jìn)行剛度、強(qiáng)度的檢驗(yàn)。因車架有波動的情況，需要在此基礎(chǔ)上加載一個動載系數(shù)，并結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)表明，在該狀態(tài)下，最大動載系數(shù)不應(yīng)大于2.5。在本文的研究進(jìn)展中不可避免地遇到了一些挑戰(zhàn)和限制，例如在使用現(xiàn)有理論框架時，本文盡可能考慮其適用范圍和局限，并努力通過實(shí)證數(shù)據(jù)來驗(yàn)證和改進(jìn)這些框架，這仍然是一個不斷發(fā)展的過程。在有限元分析中，為保證車架既不發(fā)生剛體位移，又不脫離現(xiàn)實(shí)情況，所以需要對車架進(jìn)行約束處理：從這些統(tǒng)計中看出在車架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部約束，在左前端支承座施加X、Y方向的平動約束，在右后端支承座施加Y、Z方向平動X代表車架垂直方向，Y代表車架縱向，Z代表車架橫向。約束施加完成后進(jìn)行應(yīng)力和變形求解，求解結(jié)果如下圖3-1和圖3-2所示(周志慧，王彥博，2021)。9圖3-1顯示了該車架在彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力云圖，可見該車架的最大應(yīng)力為37.16MPa,安全系數(shù)為9.69,這表明該彎曲條件下的車架強(qiáng)度滿足要求。最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)副縱梁和副橫梁的連接位置，如此能夠看出是由于連接位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此應(yīng)力最大是合理的。而其它部位的應(yīng)力值普遍偏低，這在某種程度上表征了可考慮將這些部位的厚度適當(dāng)調(diào)小一點(diǎn)。從圖3-2可以看出，在該車架副縱梁上出現(xiàn)最大變形量為0.86mm,可見車架的剛度是足夠的，因?yàn)榕c整個車架長度相比，這個變形量是很小的(葉清羽，薛依萱，2021)。該結(jié)果與理論預(yù)測基本相符，首先表明在給定條件下，實(shí)際情況與理論模型之間高度一致。這不僅加深了本文對相關(guān)機(jī)制的理解，還為后續(xù)研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。此外，這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步支持了領(lǐng)域內(nèi)其他類似研究所得出的結(jié)論，推動了理論框架當(dāng)車輛在行駛的時候，會遇到不平的道路，輪胎會被抬起，或者被壓得很低，車身會變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力，這在一定情況下反映了這對車架是非常不利的。因此，在扭力條件下，還應(yīng)考慮動載荷系數(shù)，最大動載荷系數(shù)不宜大于1.3(何思穎，陳為了模擬這一工況，需要對車架左前輪抬起10mm,右后輪向下調(diào)整10mm。具體約束情況如下：在車架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部約束，在左前端支承座施加Y方向的平動約束，這在一定程度上印證了并施加X方向向上10mm位移，在右后端支承座施加Z方向平動約束，并施加X方向向上10mm位移，在左后端支承座施加X方向的平動約束。約束施加完成后進(jìn)行應(yīng)力和變形求解，求解結(jié)果如下圖3-3和圖3-4所由圖3-2可知，車架的最大應(yīng)力為180.16MPa,安全系數(shù)為2.0,由此可見，車架的強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計的要求(錢亦凡，鄧曉琳，2020)。這在某種程度上說明在第二橫梁與縱梁的連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力，這是由于車架的局部扭力，使連接部位產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，這在某種程度上表達(dá)出這與實(shí)際情況是一致的。由圖3-4顯示出，在這種情況下，在車架右副縱梁后部出現(xiàn)了最大變形量為1.56mm,,這是由車架上部載荷作用及車輪向下陷導(dǎo)致的(邱雨昕，唐宇澄，2022)。車架整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，部分存在彎曲變形。因此，在路況不好的道路上行駛時，速度不宜過快，以免結(jié)構(gòu)遭到破壞。由于車輛在特殊情況下必須進(jìn)行緊急剎車，在這種情況下車輛會承受與車速方向相反的慣性力，從而發(fā)生縱向形變，所以在這種狀態(tài)下，不僅要施加垂向重力載荷，還要施加縱向載荷。具體約束如下(高怡寧，李志鵬，2022):在本文的研究視角下這種情況是必須要考慮的在車架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部約束，在左前端支承座施加X、Y方向的平動約束，在右后端支承座施加X、Z方向平動約束，在左后端支承座施加X方向的平動約束。假定該汽車速度80km/h,制動距離為10m,由計算可知其加速度為24.7m/s2,方向與行駛方向相反。這在某種程度上暗示了因該工況是個減速過程，所以動載系數(shù)取1.5。約束施加完成后進(jìn)行應(yīng)力和變形求解，求解結(jié)果如下圖3-5和圖3-6所示由圖3-5可知，其最大應(yīng)力為41.22MPa,安全系數(shù)為8.73,可以表明車架強(qiáng)度是足夠的，車架縱向上應(yīng)力分布均勻，從這些證據(jù)中可以看出由此可知車架各部分發(fā)揮了充分作用(吳晨曦，王思怡，2023)。由圖3-6可以看出在車架兩側(cè)副縱梁上出現(xiàn)了最大變形量為0.82mm,這是由于制動所帶來的慣性力和車架所受上部載荷所導(dǎo)致的。其余部分當(dāng)車輛緊急轉(zhuǎn)向時，往往會有一個減速過程，并會受到橫向的離心力和縱向慣性力的共同作用。具體約束如下：從這些統(tǒng)計中看出在車架右前端支承座施加X、Y、Z方向全部約束，在左前端支承座施加X、Y方向的平動約束，在后端左右支承座僅施加X方向平動約束。縱向加速度的設(shè)定與緊急制動工況方式一致，這確切地體現(xiàn)出了側(cè)向加速度取0.2g,即為1.96m/s2,動載系數(shù)也取1.5(陳瑤瑤，王子琪，2022)。約束施加完成后進(jìn)行應(yīng)力和變形求解，求解結(jié)果如下圖3-7和圖3-8所示。由圖3-7可知，其最大應(yīng)力為45.52MPa,安全系數(shù)為7.91,可以表明該車架強(qiáng)度是充分的。當(dāng)車輛發(fā)生彎曲和橫向變形時，如此能夠看出副橫梁與縱梁連接位置受到的應(yīng)力最大，其他位置應(yīng)力普遍較小(高宇翔，魏梓怡，2022)。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)力較大部分，減弱應(yīng)力較小的部分，進(jìn)行材料的合理分配。這在某種程度上表征了由圖3-8顯示出，在這種情況下，車架尾部出現(xiàn)了最大變形所以在轉(zhuǎn)彎行駛過程中車速不易過快，以免離心力過大，結(jié)構(gòu)受到破壞(張一鳴，李梓4車架模態(tài)分析對式(4-3)進(jìn)行求導(dǎo)并代入式(4-2)中，并考慮到sin(wt+O)的任意性，可以得若方程(4-4)有解，則存在特征方程：最后，這在某種程度上說明能夠得到方程式(4-5)的根wi(i=1,2,…N),也就是結(jié)構(gòu)的第i階頻率，以及與之相應(yīng)的特征向量{φ}i,也就是第i階振動形式(高昕宇，胡欣怡，2022)。模態(tài)分析采用的是AN鄭宇和，李睿琪Workbench中Modal模塊，其添加材料、模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分三個方面與靜力學(xué)分析方法一樣。因?yàn)檫@次的模態(tài)分析僅對自由模態(tài)進(jìn)行了分析，所以不添加任何約束限制。由于前6階頻率等于0或約等于0,所以不進(jìn)行分析，只分析7~20階模態(tài)。這在某種程度上表達(dá)出最后得到的模態(tài)分析結(jié)果如下表階數(shù)固有頻率振型7整體扭轉(zhuǎn)變形8整體彎曲變形9局部彎曲變形整體扭轉(zhuǎn)變形整體扭轉(zhuǎn)變形局部彎曲變形局部彎曲變形局部彎曲變形整體彎扭組合變形整體彎曲變形整體彎扭組合變形整體彎曲變形局部彎扭組合變形局部彎曲變形車架的7~20階模態(tài)振型如下圖4-1~4.14所示(賴昊天，王家豪，2022):圖4-1七階振型圖4-2八階振型圖4-7十三階振型從上圖4-4~4-14可以看出該車架的的固有頻率值處于比較低的頻段，在0~110Hz之間，這和本論文所要研究的內(nèi)容是一致的(張佳琪，李思雨，2021)。車架變形結(jié)果主要表現(xiàn)為彎曲、扭轉(zhuǎn)和彎扭組合形式，變形最大部分主要存在與車架首部、尾部以及兩側(cè)副縱梁部分，由于這些部分可能會影響駕駛感受，這為避免共振提供參考。本文基于有限元分析理論和流程，以提出某車架合理優(yōu)化建議為目標(biāo)，通過AN鄭宇和，李睿琪軟件對某車架進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析的方法來實(shí)現(xiàn)本文目標(biāo)。首先，選取將模型導(dǎo)入到AN鄭宇和，李睿琪軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析模型，并在四種不同工況下進(jìn)行靜力學(xué)求解分析和不受外部載荷下的模態(tài)分析；最后，從目前的有限元應(yīng)力云圖結(jié)果來看，車架強(qiáng)度符合設(shè)計要求，但接頭處有較大的應(yīng)力，所以，在車架設(shè)計時應(yīng)在連接部位使用屈服極限更大的材料，模態(tài)分析可以看出該車架模態(tài)分配合理，與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果相近。因此，該模型能較好地反映出車架的工作狀態(tài)，為以后的車架改進(jìn)設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)。[1]LiangshengWang,ProdyotKBasua,JuanPabloLeivab.Automobilebodyreibyfiniteelementopt[2]JacquelineEl-Sayed,HakcheenKim,RobertFrutiger.PlanestrainformabilitautomotivebodystructuresusingDYNA2D[J].Technology,2004,147:79-84.[3]ChinnarajK,SathyaPrasadM,LakshmanaRaoC.ExpNumericalIdealizationofDynAssembly[C].AppliedMechanicsandMaterials.2008,13:27