基于ANSYS Workbench的邊梁式車架有限元分析

胡瑞雪

摘要：車架承載著車內(nèi)外的各種載荷，其性能至關(guān)重要，為了獲得車架的動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用 CATIA建立了某小型貨車邊梁式車架三維模型，并在ANSYS Workbench中對(duì)車架做了模態(tài)、動(dòng)載荷分析。在分析的基礎(chǔ)上為車架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

Abstract： In order to obtain the dynamic characteristics of the frame， a three-dimensional model of the side-beam frame of a minivan was built with Catia， and the modal and dynamic load of the frame were analyzed in ANSYS Workbench. On the basis of analysis， the theoretical basis is provided for the improvement of frame structure.

關(guān)鍵詞：車架;模態(tài)分析;動(dòng)載荷;ANSYS

Key words： frame;modal analysis;dynamic load;ANSYS

0? 引言

汽車絕大多數(shù)部件和總成（如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、駕駛室、貨箱和有關(guān)操縱機(jī)構(gòu)）均是通過車架固定位置，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷，直接關(guān)系到乘車人員的安全性，以及汽車是否能夠發(fā)揮其性能，在車架設(shè)計(jì)過程中采用有限元法對(duì)車架進(jìn)行仿真分析，可以提前預(yù)判車架的性能缺陷，極大的縮短車架的開發(fā)周期。國內(nèi)很多學(xué)者利用有限元法對(duì)車架進(jìn)行了分析，本文首先利用CATIA 構(gòu)建了某小型貨車用邊梁式車架，再利用ANSYS Workbench對(duì)一個(gè)典型的邊梁式車架進(jìn)行了模態(tài)分析和彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)三種典型工況下的應(yīng)力分析。

1? 車架模型建立

車架長度為5690mm，寬為800mm，整車裝備質(zhì)量：1640kg;整車總質(zhì)量：1965kg;車架材料為510L結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度為510-630Mpa，抗拉強(qiáng)度355Mpa，彈性模量212000Mpa，密度7850kg/立方米，泊松比0.3。該車架包含左右縱梁、五個(gè)橫梁、前后附加橫梁、加強(qiáng)板件和支架共40個(gè)零件。前鋼板彈簧吊耳支架總成、后鋼板彈簧支架總成、后鋼板彈簧吊耳支架總成均焊接在左右縱梁上，用來安裝減震器與板簧。利用CATIA 構(gòu)建三維圖如圖1所示。

2? 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析簡介

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，例如響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、諧響應(yīng)分析等均是在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。模態(tài)分析可以求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以通過避免結(jié)構(gòu)固有頻率與激勵(lì)頻率相同，而避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Workbench中的Modal模塊，把車架三維模型導(dǎo)入Modal模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)車架左右縱梁上的100多個(gè)裝置用孔進(jìn)行簡化處理，進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格效果如圖2所示。

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

通過分析振型可以發(fā)現(xiàn)，車架左右縱梁、橫梁以及各個(gè)加強(qiáng)板件振幅集中在0至5mm。車架的前六階模態(tài)與各階最大變形量與變形位置整理如表1所示。

3? 車架動(dòng)載荷分析

3.1 動(dòng)載荷分析簡介

由經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為：

3.2 緊急制動(dòng)工況分析

在汽車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)模擬前輪抱死，后輪對(duì)Y方向與Z方向進(jìn)行約束。取動(dòng)態(tài)系數(shù)為2.0，得到載荷為39300N。均勻加載在五個(gè)橫梁上表面。得到以下計(jì)算結(jié)果：車架最大應(yīng)力發(fā)生在車架左前鋼板彈簧支架體上，為71Mpa，橫梁與縱梁以及加強(qiáng)板件接觸位置應(yīng)力在15Mpa左右，均滿足510L結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能。在緊急制動(dòng)工況下汽車車架不會(huì)破壞。如圖3-圖5所示。

綜上所述，車架在承受動(dòng)載荷時(shí)，通過對(duì)滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)與緊急制動(dòng)三個(gè)典型工況的分析得到車架最大受力部位發(fā)生在左前鋼板彈簧支架體上為236Mpa可以滿足車架力學(xué)性能要求。

4? 結(jié)論

本文對(duì)車架三種典型工況下的動(dòng)載荷進(jìn)行了應(yīng)力分析，對(duì)車架產(chǎn)生的應(yīng)力，均滿足材料力學(xué)性能，但在扭轉(zhuǎn)工況下，車架橫梁上的喇叭支架由于橫梁的微變形其產(chǎn)生約5mm的位置偏移。

通過ANSYS Workbench對(duì)車架進(jìn)行了模態(tài)分析和三種典型工況下的動(dòng)載荷分析得到了下述兩點(diǎn)結(jié)論與建議。

①應(yīng)用ANSYS Workbench19.0的Modal模塊進(jìn)行了車架的模態(tài)分析得到了車架的六階固有頻率，進(jìn)行了路面激勵(lì)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率和車架固有頻率的對(duì)比。得到車架不會(huì)發(fā)生共振的結(jié)論。由六階模態(tài)下的車架變形云圖可知，其最大變形多發(fā)生在左右縱梁與橫梁的連接位置，建議通過對(duì)加固板件的設(shè)計(jì)來減小車架的變形，在不改變加固支撐板件的厚度條件下可以加大這些板件的長度與寬度，使他們能夠承受更多的力，增加加固板件與左右縱梁的接觸面積降低左右縱梁以及橫梁所受到的壓強(qiáng)進(jìn)而降低車架的變形。②應(yīng)用ANSYS Workbench19.0的Static Structural模塊對(duì)車架進(jìn)行了靜態(tài)分析得到了車架的受力云圖，可以直觀的得到車架最大受力位置，得到車架在最大受力位置仍然滿足510L結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能。

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