車架縱梁的有限元分析論文 羅文昭

《車架縱梁的有限元分析論文 羅文昭》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《車架縱梁的有限元分析論文 羅文昭（27頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、汽車工程學院 湖北汽車工業(yè)學院 HUBEI UNIVERSITY OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY 課 程 設 計 說 明 書 課程名稱 汽車專業(yè)課程設計 設計題目 車架縱梁簡化模型的有限元分析 班級 T1043-5 專業(yè) 熱能與動力工程 學生姓名 羅文昭 學號 20100430522 指導教師（簽字） 起止日期： 2013 年 12 月 23 日- 20

2、14 年 1月 10 日 2014 年 2 月 24 日- 2014 年 2 月 28 日 目錄 第一章 概論 2 第二章 分析結果比較 3 2.1 靜力分析的比較 3 2.1.1 一維模型的靜力分析 3 2.1.2 二維模型的靜力分析 4 2.1.3 三維模型的靜力分析 6 2.2 約束模態(tài)分析的比較 7 2.2.1 一維約束模態(tài)分析 7 2.2.1 二維約束模態(tài)分析 10 2.2.1 三維約束模態(tài)分析 12 第三章 車架縱梁的優(yōu)化 15 第四章 ansys經(jīng)典界面的一維梁分析 17 第五章 關于車架縱梁的理論計算 18

3、5.1 車架縱梁最大撓度的計算 18 5.5 車架縱梁最大應力的計算 18 文獻閱讀 20 心得體會 22 參考文獻 23 第一章 概論 這次課程設計的任務是： ①對車架縱梁分別采用一維、二維和三維模型計算在圖示的載荷和約束下結構的應力、變形與安全系數(shù)；比較各模型的計算結果； ②對車架縱梁的三維實體模型計算縱梁簡化模型的前四階約束模態(tài)； ③對車架縱梁的一維模型利用載荷步和工況組合功能分別計算各種載荷對縱梁簡化模型組合應力、彎曲應力和變形的影響； ④對車架縱梁的三維簡化模型進行參數(shù)化研究及目標驅(qū)動的優(yōu)化設計。 分析所需要的數(shù)據(jù)為： ①車架縱梁簡化模型的形狀、尺寸和約束

4、方式如下圖⑴所示； 圖⑴ 車架縱梁的簡化模型 ②車架縱梁采用的材料彈性模量為211GPa，泊松比為0.3，密度為：7.8g/cm3； ③均布載荷作用在縱梁中部距離為1000mm范圍內(nèi)，大小為2N／mm；在距離左右兩端支撐為500mm的位置上，還受到兩個大小為1000N的集中力作用；考慮縱梁的自重。 第二章 分析結果比較 2.1 靜力分析的比較 2.1.1 一維模型的靜力分析 采用概念建模的方法來構建一維模型，如下圖所示： 圖1 一維實體模型 將一維模型導入DS模塊中，網(wǎng)格劃分大小為5mm，節(jié)點數(shù)為721，單元數(shù)為360。 圖2 一維網(wǎng)格模型 在DS模塊中加

5、載，分析得到如下結果： 圖3 車架縱梁沿z軸的變形 圖4 組合應力 圖5 彎曲應力 一維模型的最大變形為0.622mm，最大組合應力為19.109MPa，彎曲應力為19.109MPa，左端約束力為2275.4N，右段約束力為2275.4N。 若網(wǎng)格劃分大小為10mm，則節(jié)點數(shù)為361，單元數(shù)為180。 一維模型的最大變形為0.622mm，最大組合應力為19.109MPa，彎曲應力為19.109MPa，左端約束力為2275.4N，右段約束力為2275.4N。 2.1.2 二維模型的靜力分析 繪制一個二維平面，如下所示： 圖6 二維實體模型 將二維模型導入DS模

6、塊時，輸入厚度為40mm，網(wǎng)格劃分大小為5mm，節(jié)點數(shù)為7581，單元數(shù)為7200。 圖7 二維網(wǎng)格模型 加載后，分析、計算后得到： 圖8 沿y軸方向的變形 圖9 車架縱梁的等效應力 二維模型的最大變形為0.62144mm，最大等效應力為19.113MPa，左端約束力為2275.4N，右段約束力為2275.4N。 若網(wǎng)格劃分大小為10mm，則節(jié)點數(shù)為1991，單元數(shù)為1800。 二維模型的最大變形為0.62109mm，最大等效應力為19.103MPa，左端約束力為2275.4N，右段約束力為2275.4N。 2.1.3 三維模型的靜力分析 在DM模塊中建模，如下所

7、示： 圖10 三維實體模型 將三維實體模型導入DS模塊中，網(wǎng)格劃分大小為5mm，節(jié)點數(shù)為261897，單元數(shù)為57600。 圖11 三維網(wǎng)格模型 在DS模塊中約束后加載，分析得到： 圖12 車架縱梁沿y軸的變形 圖13 等效應力 三維模型的最大變形為0.62178mm，最大等效應力為19.121MPa，左端約束力為2275.4N，右段約束力為2275.4N。 若網(wǎng)格劃分大小為10mm，則節(jié)點數(shù)為36869，單元數(shù)為7200。 三維模型的最大變形為0.62178mm，最大等效應力為19.12MPa，左端約束力為2275.4N，右段約束力為2275.4N。 靜力

8、分析： 網(wǎng)格劃分大小 節(jié)點數(shù) 單元數(shù) 最大變形 最大等效應力 最大組合應力 彎曲應力 左端約束力 右端約束力 一維 5 721 360 0.622 19.109 19.109 2275.4 2275.4 一維 10 361 180 0.622 19.109 19.109 2275.4 2275.4 二維 5 781 7200 0.62144 19.113 2275.4 2275.4 二維 10 1991 1800 0.62109 19.103 2275.4 2275.4 三維

9、5 261897 57600 0.62178 19.121 2275.4 2275.4 三維 10 36869 7200 0.62178 19.12 2275.4 2275.4 2.2 約束模態(tài)分析的比較 2.2.1 一維約束模態(tài)分析 對于一維模型的約束模態(tài)分析，網(wǎng)格劃分大小為5mm，節(jié)點數(shù)為721，單元數(shù)為360； 一階模態(tài)最大變形為6.6959mm，頻率為65.767Hz； 圖14 一階約束模態(tài) 二階模態(tài)最大變形為5.9602mm，頻率為72.417Hz； 圖15 二階約束模態(tài) 三階模態(tài)最大變形為6.3563mm，頻率為1

10、80.49Hz； 圖16 三階約束模態(tài) 四階模態(tài)最大變形為5.9393mm，頻率為285.34Hz； 圖17 四階約束模態(tài) 五階模態(tài)最大變形為6.3646mm，頻率為351.76Hz； 圖18 五階約束模態(tài) 六階模態(tài)最大變形為6.358mm，頻率為577.19Hz。 圖19 六階約束模態(tài) 若網(wǎng)格劃分大小為10mm，節(jié)點數(shù)為361，單元數(shù)為180； 一階模態(tài)最大變形為6.6959mm，頻率為65.767Hz； 二階模態(tài)最大變形為5.9602mm，頻率為72.417Hz； 三階模態(tài)最大變形為6.3563mm，頻率為180.49Hz； 四階模態(tài)最大變形為5.9

11、393mm，頻率為285.34Hz； 五階模態(tài)最大變形為6.3644mm，頻率為351.76Hz； 六階模態(tài)最大變形為6.358mm，頻率為577.19Hz。 2.2.2 二維約束模態(tài)分析 對于二維模型的約束模態(tài)分析，網(wǎng)格劃分大小為5mm，節(jié)點數(shù)為7581，單元數(shù)為7200； 一階模態(tài)最大變形為6.5002mm，頻率為57.339Hz； 圖20 一階約束模態(tài) 二階模態(tài)最大變形為5.9625mm，頻率為72.437Hz； 圖21 二階約束模態(tài) 三階模態(tài)最大變形為6.2203mm，頻率為160.26Hz； 圖22 三階約束模態(tài) 四階模態(tài)最大變形為5.9483mm，

12、頻率為285.84Hz； 圖23 四階約束模態(tài) 五階模態(tài)最大變形為6.2603mm，頻率為317.15Hz； 圖24 五階約束模態(tài) 六階模態(tài)最大變形為6.2826mm，頻率為527.34Hz。 圖25 六階約束模態(tài) 若網(wǎng)格劃分大小為10mm，節(jié)點數(shù)為1991，單元數(shù)為1800； 一階模態(tài)最大變形為6.6062mm，頻率為61.719Hz； 二階模態(tài)最大變形為5.9628mm，頻率為72.443Hz； 三階模態(tài)最大變形為6.3013mm，頻率為170.56Hz； 四階模態(tài)最大變形為5.9492mm，頻率為285.64Hz； 五階模態(tài)最大變形為6.3376mm，頻

13、率為334.57Hz； 六階模態(tài)最大變形為6.3582mm，頻率為552.44Hz。 2.2.3 三維約束模態(tài)分析 對于三維模型的約束模態(tài)分析，網(wǎng)格劃分大小為10mm，節(jié)點數(shù)為36869，單元數(shù)為7200。 一階模態(tài)最大變形為6.7051mm，頻率為65.768Hz； 圖26 一階模態(tài)約束 二階模態(tài)最大變形為5.9631mm，頻率為72.424Hz； 圖27 二階約束模態(tài) 三階模態(tài)最大變形為6.3839mm，頻率為180.59Hz； 圖28 三階約束模態(tài) 四階模態(tài)最大變形為5.9506mm，頻率為285.45Hz； 圖29 四階約束模態(tài) 五階模態(tài)最大變形

14、為6.4171mm，頻率為352.17Hz； 圖30 五階約束模態(tài) 六階模態(tài)最大變形為10.28mm，頻率為569.67Hz。 圖31 六階約束模態(tài) 對于三維模型的約束模態(tài)分析，網(wǎng)格劃分大小為15mm，節(jié)點數(shù)為14236，單元數(shù)為2562。 一階模態(tài)最大變形為6.7024mm，頻率為65.664Hz； 二階模態(tài)最大變形為5.963mm，頻率為72.424Hz； 三階模態(tài)最大變形為6.3813mm，頻率為180.3Hz； 四階模態(tài)最大變形為5.9506mm，頻率為285.45Hz； 五階模態(tài)最大變形為6.4149mm，頻率為351.63Hz； 六階模態(tài)最大變形為10.

15、28mm，頻率為569.73Hz。 模態(tài)分析： 網(wǎng)格劃分大小 節(jié)點數(shù) 單元數(shù) 一階最大變形 一階頻率 二階最大變形 二階頻率 三階最大變形 三階頻率 四階最大變形 四階頻率 一維 5 721 360 6.6959 65.767 5.9602 72.417 6.3563 180.49 5.9393 285.34 一維 10 361 180 6.6959 65.767 5.9602 72.417 6.3563 180.49 5.9393 285.34 二維 5 7581 7200 6.5002 57.339

16、5.9625 72.437 6.2203 160.26 5.9483 285.4 二維 10 1991 1800 6.6062 61.719 5.9628 72.443 6.3013 170.56 5.9492 285.64 三維 15 14236 2562 6.7024 65.664 5.963 72.424 6.3813 180.3 5.9506 285.45 三維 10 36869 7200 6.7051 65.768 5.9631 72.424 6.3839 180.59 5.9506 285.45

17、 第三章 車架縱梁的優(yōu)化 將截面改為箱型，縱梁的長度不變，材料屬性不變，截面積不變，截面的外表面底長為100mm，高為100mm，內(nèi)表面底長為75mm，高度為80mm。 在DM模塊中，構建的實體模型如下： 圖32 箱型實體模型 用三維模型進行靜力分析，網(wǎng)格的劃分大小為10mm，節(jié)點數(shù)為60181，單元數(shù)為10260。 圖33 箱型網(wǎng)格模型 圖34 沿y軸方向的變形 圖35 箱型車架縱梁的等效應力 最大變形為0.40909mm，最大等效應力為12.455MPa。 采用箱型截面，在同樣的載荷下，車架縱梁的最大變形要遠小于矩形截面的最大變形，并且所受到的最大應力

18、也極大的減小了。 第四章 ansys經(jīng)典界面旳一維梁分析 采用BEAM3單元，實常數(shù),帶入數(shù)據(jù)b=40mm，h=100mm，得慣性矩,截面積為4000，高度為100mm，材料屬性Ex=2.11e5，PRXY=0.3，Density=0.0078。 圖36 ansys經(jīng)典界面一維模型 單元劃分數(shù)量為36，在中間的二十個單元上加上壓力，為2N，在距離兩端為400mm的地方加上集中力，為-1000N。 由于采用的是平面單元，故左端約束為Ux，Uy，VELX，VELY，右端約束為Uy，VELY。 圖37 沿y軸的變形 求解得到，最大變形為0.617301mm。 第五章

19、關于車架縱梁的理論計算 5.1 車架縱梁最大撓度的計算 將車架縱梁的簡化模型的受載情況看作是3個方面的受力之和，分別為： ①整個梁均受向下的均布載荷，大小為2N/mm； ②距離車架縱梁的左右兩端均為400mm的范圍內(nèi)，受到向上的均布載荷，大小也為2N/mm； ③距離車架縱梁左右兩端均為500mm遠處，受到向下的集中力，大小為1000N。 由材料力學I中的模型及公式，可知在梁的中間位置處的撓度最大。 設a=500mm，b=1300mm，L=1800mm，q=2N，F(xiàn)=1000N，故在中間位置： 由①所產(chǎn)生的撓度，由②所產(chǎn)生的撓度，由③所產(chǎn)生的撓度 W==0.63-2*0.044

20、5=0.541mm 經(jīng)計算，梁的質(zhì)量為56.16Kg，所以還要加上重力的均布載荷。 此時q1=56.16*9.8/ 1800=0.30576N/mm。=0.0594mm。 所以總撓度為0.541+0.0594=0.6004mm。與上述一維、二維、三維計算的最大變形相適應。 5.2 車架縱梁最大應力的計算 根據(jù)車架縱梁的簡化模型，可以作出相應的剪力圖與彎扭圖。 1800 800 900 -800 -1800 2000NN -2000 x/mm 0 1800 剪力圖如上所示 由圖形可知，在車架縱梁中部切應力為0。 根據(jù)剪力圖畫出彎矩圖： M/(N·mm

21、) 11500000 900 0 x/mm 1800 彎矩圖如上所示 由圖形可知，在車架縱梁中間位置有最大彎矩，即有最大正應力。 由于該車架縱梁為矩形截面，故車架縱梁的抗彎界面系數(shù)400000/6 ，所以。 以上為未加重力的結果，加上重力以后，有重力所產(chǎn)生的彎矩M1=123832.8N·mm，， 所以，。與上述一維、二維、三維的最大應力相適應。 文獻閱讀 汽車車架俗稱汽車大梁，是將汽車的主要總成（發(fā)動機、變速器、傳動系、前軸、后橋、駕駛室、車廂等）和部件聯(lián)結成汽車整體的金屬構架。因此，車架是整個汽車的基體，它的結構形式應滿足汽車總布置的要求。車架要承受靜載荷（汽車懸

22、掛以上的各總成、部件的自重和乘載荷重）以及汽車在行駛時所產(chǎn)生的各種動載荷。 車架應滿足：①要有足夠的強度；②要有合適的剛度；③自重要?。虎芙Y構要簡單。 車架一般由縱梁和橫梁組成。其形式主要有邊梁式和中梁式兩種， 邊梁式車架或稱梯形車架，由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接法或者焊接法將縱梁與橫梁連接成堅固的剛性構架。 中梁式車架或稱脊骨式車架，它只有一根位于中央貫穿汽車全長的縱梁。 車架的寬度有如下情況： ①前窄后寬，這是為了給前輪轉向和轉向拉桿留出足夠的空間； ②前寬后窄，這是因為一般載重汽車的后軸負荷大，輪胎和鋼板彈簧都需要加寬，同時又要安裝外形尺寸大的發(fā)動機，所以只

23、好減小前輪轉向角，使車架成為前寬后窄的型式； ③前后等寬，只要總布置允許，應盡量采用這種型式。這是因為沖壓不等寬車架縱梁時，容易在轉折處的上、下翼面上產(chǎn)生“波紋”區(qū)，引起應力集中，致使早期出現(xiàn)裂紋或斷裂。同時，前后等寬的車架制造工藝簡單，因此絕大多數(shù)載重汽車車架都采用這種型式。 縱梁通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面形狀一般為槽型，也有的做成Z形或箱型。很據(jù)汽車形式的不同和結構布置的要求，縱梁可以在水平面內(nèi)或縱平面內(nèi)做成彎曲的，以及等斷面或非等斷面的。 橫梁不僅用來保證車架的扭轉剛度和承受縱向載荷，而且還可以支撐汽車上的主要部件。通常載貨車有5~6根橫梁，有時會更多。邊梁式車架的結構特點是便

24、于安裝駕駛室、車廂及一些特種裝備和布置其他總成，有利于改裝變型車和發(fā)展多品種汽車，因此被廣泛用在載貨汽車和大多數(shù)特種汽車上。 車架縱梁與橫梁多數(shù)采用搭接板由鉚釘連接，如解放CA10B、躍進NJ130等型汽車；有些車架采用焊接，如北京BJ130、上海SH130、別拉斯540等型汽車；也有局部采用螺栓連接，如黃河JN150型汽車車架的第二橫梁。 我們在選擇舊車時，對于車架號的檢查可以說是最為重要的一項，當我們消費者沒有準確的把握經(jīng)驗，必須要找一個懂得維修的人來進行幫忙，對于我們消費者來說，檢查車架可以識別出是否為事故車。 由于在經(jīng)過試車以后，大部分的事故車會在車架號上留下一定的痕跡，這必須要

25、我們進行詳細的觀察才可以進行準確的判斷。特別是在轎車一般車架號都可以采用整體車身的結構來進行構架，所以車身以及車架的整體設計上來說，很多的貨車或是說SUV型的車都會采取單獨的車身處理，車架式在設計上也以單獨的方式進行處理，對于公路型或是城市型的SUV型車也會采取整體的車身設計，也就是我們通常所說的轎車底盤設計的車型。如果當車架受到一定的損傷以后，車輛在行駛的過程中會發(fā)生一些不良的影響，如果在轉向的過程中存在不穩(wěn)定的情況時，由于直行車輛的車輪會有一定的聲音，輪胎會存在一定的磨損痕跡，轉向是側面時會產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象或是存在跑偏等問題，這都是與車架的彎曲度有很大的關系，如果是這樣就說明已經(jīng)出現(xiàn)過相應

26、的交通事故，這車就不能購買。在進行現(xiàn)場勘察的過程中，可以對前后輪進行直線檢查，如果左前后輪與右兩側的前后輪都不是一條線就說明車架整體已經(jīng)變形了。如果車輪后側與輪罩之間的間隙長短不一，就說明整車的車身有了一定的彎曲現(xiàn)象，以上這種車不能購買。 在過去相當長的時期內(nèi)，世界各國都用優(yōu)質(zhì)低碳結構鋼板來沖制載重汽車車架的縱梁，如蘇聯(lián)的格斯51、瑪斯200等型汽車的縱梁就是用25號鋼板料沖壓而成，美國用SAE1020及SAE1025號鋼板料沖壓汽車車架。這是因為優(yōu)質(zhì)低碳結構鋼塑性較好，有利于沖壓?，F(xiàn)在世界各國都普遍采用低碳合金鋼板作為車架縱梁的材料，如蘇聯(lián)的吉爾164、130等型汽車用30號鈦鋼，法國貝利

27、埃型汽車用ST52號鋼（相當于中國的16MnL號鋼）。 我國汽車行業(yè)則采用錳鋼，這種低碳合金熱軋錳鋼板的屈服極限和強度極限都比普通碳素結構鋼高得多。因此，目前車架縱梁和大多數(shù)橫梁都采用這種錳鋼，只有那些形狀復雜或要求深度壓延的橫梁才采用普通碳素鋼。 心得體會 經(jīng)過幾個星期的努力，汽車設計課程設計終于做完了。在這次課程設計的開始階段，在通過概念建模的方法建立一維模型時，每一次都導入不進去，最后指導老師說需要勾上line body這個選項才可以。這充分顯示了，對于ansys workbench我還有很多不清楚，這也讓我更加的注重這次課程設計。在建立二維的梁模型時，我是在DM模塊中先建一個平面

28、，然后導入到DS模塊中，這時輸入一個厚度來完成二維模型的建立的。三維的建模是直接拉伸一個實體來完成模型的創(chuàng)建的。在一維、二維、三維的模型創(chuàng)建時，為了方便加載，一維的模型我是利用split（分割工具）來實現(xiàn)的，二維、三維是通過添加印跡面的方式來實現(xiàn)的。除了用一維、二維、三維的方式來互相驗證以外，我還用了ansys經(jīng)典界面來實現(xiàn)一維梁單元的建模，來進行分析驗證。此外，還用了材料力學的知識，理論計算梁的最大變形與最大應力，其計算結果與試驗結果幾乎相等。在這些問題都完成以后，我又在不改變截面積大小，不改變尺寸，不改變材料參數(shù)的條件下，改用箱型截面來進行計算，這時其最大變形和最大應力都變小了。 這次的

29、課程設計使我更加熟練地掌握了ansys經(jīng)典界面的使用和ansys workbench的使用，在查閱關于車架縱梁的資料時，我了解到大部分的事故車會在車架號上留下一定的痕跡，可以通過仔細觀察，可以知道是不是事故車。再次感謝老師在這次課程設計中的指導，使我能夠更好地完成這次課程設計。 參考文獻 [1] 吳君希，汪祖年．汽車車架的修理，1980,8 [2] 丁普海．汽車車架車箱實用修理，1994,5 [3] 湖北汽車工業(yè)學院汽車工程系．有限元分析軟件ANSYS上機指南，2009,1 [4] 馬迅．ANSYS Workbench入門指南，2012,9 [5] 劉鴻文．材料力學I，2011,1

30、 問題： 1、一維二維三維選用何種單元？ 答：一維模型選用的是梁單元，二維模型選用的是殼單元，三維模型選用的是體單元。 2、為什么工字型比矩形好？ 答：因為在受力時，工字型能更好的發(fā)揮其材料的性能，而且相對于矩形界面來說，在受相同大小的力的情況下更加節(jié)約材料。 3、我們做的分析和實際的有哪些區(qū)別？ 答：我們所做的是對實際的車架縱梁進行簡化分析的結果，只留下了一些必須的條件，而且我們所做的是靜力學分析，實際上車架是運動的。 4、靜力分析，模態(tài)分析，疲勞分析？ 答：梁的靜力分析和模態(tài)分析都是分析縱梁結構力學性能的一些基本分析，疲勞分析是一個非常復雜的問題，對于指導產(chǎn)品的設計、制造、檢驗和管理具有重要意義。 27