基于ANSYS的汽车车架结构有限元分析

张进国1

,程晓辉2

,孙敬宜

3

(1.哈尔滨工业大学汽车工程学院,山东威海 2209; 2.哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨 150001;

3.烟台职业学院,山东烟台 2000)

摘要:利用ANSYS 软件对车架进行有限元分析,以某8t 载货汽车为例,建立了车架结构的几何模型和以体单元s oli d92为基本单元的车架有限元分析计算模型,对该车架在载荷作用下的应力和变形进行了计算,可为车架的结构改进提供依据。

关键词:汽车车架;有限元分析;ANSYS

中图分类号:U 463.32 文献标识码:B 文章编号:1006-0006(2006)05-0063-02

F i n it e E l e m e n t Ana l y s i s f o r F ram e Ba sed on ANSYS

Z HA NG J in 2guo 1

,C HE NG X ia o 2hui 2

,SU N J ing 2yi

3

(1.The School of Au t o m o b ile Engineer i ng ,H arb i n Instit u te of Technolo gy ,W e i hai 2209,Chi na ;2.The School ofM echan ical Eng i nee ri ng ,H arb i n Instit u te of Technolo gy ,H arb i n 150001,Ch i na ;3.Yan tai Vocati onal Coll ege ,Yanta i 2000,Ch i na)

Abs tr a c :t The fi n ite ele m ent ana l ysi s i s appli ed to t he fra m e of a 8t truck based on ANS YS .The geo me tr i ca lmode l

and t he fi n ite e l em ent analysis m o de lw it h t he soli d92ele m ent are bu ilt .Based on t he mode l s ,the stress and defor ma ti on of t he fra m e are calcu lated .It m ay be appli ed for t he i m prove m ent of the fra m e .

Ke ywo r ds:F ra m e ;F i n ite e l em ent analysis

;ANS YS 汽车作为交通运输工具之一,发挥着非常重要的作用。随着国民经济的快速发展,汽车工业得到了飞速发展,因此要求提供更多更好的结构轻、性能好、质量高、用途广、安全可靠的汽车。汽车车架作为汽车总成的一部分,承受着来自道路及各种复杂载荷的作用,而且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体,因而,车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得非常重要。

载货汽车车架受力复杂,以往设计时大多采用经验公式进行验算,不能准确地计算出车架各个部件的应力和变形[1],而以样车进行试验并根据试验结果进行修正成本较高。本文以某8t 载货汽车为例,采用ANS YS 软件[2]对车架结构进行有限元分析计算,得到车架结构应力和位移,为车架设计提供理论依据,具有较高的理论意义与应用价值。

1 车架几何模型

以某8t 载货汽车的车架为例进行分析,该车为边梁式车架,其各项参数如表1所示

[3]

。

表1 某8t 载货汽车的车架参数

Ta b .1F rame P a rame t e r of a 8t the Truck

名 称

数值长度/mm 8320宽度/mm 2480高度/mm

2670货箱长度/mm 6000空车质量/kg

5785空车前轮质量/kg 2975空车后轮质量/kg 2810载质量/kg

8000车辆总质量/kg 13950前轮质量/kg 4355后轮质量/kg 9595轴距/mm 4700前轮距/mm 1965后轮距/mm

1820

根据已知数据,利用ANSYS 软件的前处理功能建立车架几何模型,如图1所示。

图1 车架结构分析几何模型

F i g .1

G e om e tri ca lMode l f or F rame A na l y s i s

2 边界条件处理

边界条件的处理是非常重要的,如果边界条件不符合实际情况或与实际情况相差太大,会产生很大的计算误差,甚至使计算失败。任何结构都必须考虑足够的边界约束,否则会产生刚体位移。

车架钢板弹簧座处每个节点的3个自由度,其垂直位移均被约束掉,其余两个自由度不予约束。在计算中,为了求出节点位移,消除总刚度矩阵的奇异性,选取两处钢板弹簧座处节点分别进行水平x,z 轴方向约束,消除车架的刚体位移,就可以求出变形引起的节点位移,此时,车架内的应力不受影响。

3 载荷处理

车架载荷按作用形式可分为静载荷和动载荷。3.1 静载荷

汽车静止时,车架只承受钢板弹簧以上部分的载荷。它由车身和车架的自身质量、车架上各总成与附属件质量及有效载荷组成,其总称为静载荷。

对于某8t 载货汽车车架静载荷的分布按照部件的安装位置和其质量的大小进行处理,车身质量和载荷按照集中载荷在其支架上进行平均分配;发动机质量按其支承位置进行分配,并按集中载荷处

收稿日期:2005-09-28

第33卷第5期 拖拉机与农用运输车 Vo.l 33No .52006年10月 T ractor&F ar m Transporter O ct .,2006

3.2动载荷

汽车在实际行驶过程中,车架主要受动载荷的作用。而动载荷的大小主要是通过动载系数衡量。动载系数取决于3个因素:道路条件、汽车行驶状况(如车速)和汽车的结构参数(如悬架弹性元件的刚度、车轮刚度等)。

动载系数为

n=1+K1+K2

G

#

C1

1+

C2

v2

式中K

1

)))前轮弹簧系统的刚度,K1=185N/m m

K2)))后轮弹簧系统的刚度,K2=362.5N/m m

G)))车辆自重,G=139500N

C1)))道路常数,对载货汽车,C1=100m m

C2)))经验系数,C2=1000(km/h)2

v)))车速,v=80km/h

则动载系数为n=1.45。

根据上述计算取保守值n=2,在实际加载时,可将车身自重,附件及装载质量乘以动载系数所得的动载荷施加在相应的节点上。

施加约束和载荷后的模型如图2所示。

图2车架载荷和约束

F i g.2L oa d a nd F i x f o r F r am e

4有限元分析模型

定义了约束和载荷后,对车架划分有限元单元,建立车架有限元模型。

在车架有限元分析中根据不同的计算目的,可选用不同的计算模型。常用的计算模型有梁单元模型、板单元模型、体单元模型等。梁单元模型的优点是建模工作量相对较少,缩短了计算时间,同时在动态分析时精度较好,但应力的计算结果比板单元的精度差,连接的处理也需要大量的经验和试验数据作参考。板单元描述模型比较详细,因而精度相对较好一些。而体单元建模时非常直观,精度比梁单元和板单元都要高,因此效果很好。

本文对车架采用体单元soli d92进行离散化,建立车架有限元模型。

体单元soli d92的形状如图3所示。

图3体单元so l i d92示意图

F i g.3S oli d92Body E l e m e nt

5应力和变形分析

通过ANS YS求解器对所建车架有限元模型进行求解,得到车架的应力分布云图及车架的变形图分别如图4所示和如图5所示。

图4车架应力分布云图

F i g.4Body S t re ss F i gur e of F r am e

图5车架变形图

F i g.5De f o r m a ti on F i gur e of F r am e

由应力分布云图可看出:某8t载货汽车车架总体应力偏小,应力分布中的极值点出现在钢板弹簧与车架的连接点,最大的应力值为252.475MPa,但仍小于车架材料的屈服极限,这与建模过程中车架及钢板的简化有关,简化时将钢板弹簧直接与车架固接,实际的车架与钢板弹簧通过板簧支座连接,并未直接接触,不会在某一点产生破坏。

车架变形图中最大的位移出现在右纵梁前端,数值偏大,主要是由于位移图中以板簧支点为约束点,故图中位移包括板簧变形、车架变形以及由车架弯曲及板簧变形引起的车架刚体位移,其中最大的车架变形只有1.1m m。

该车架材料为16MnL,根据材料性质可知,其屈服极限为R

s

= 345MPa,抗拉强度极限R h=510~660M Pa,根据计算所得结果可知:该车架最大应力远低于材料的强度极限,因此满足车架的强度要求。6结论

本文以有限元的基本理论为基础,利用ANSYS有限元分析软件对某8t载货汽车的车架进行了结构分析,建立了车架三维几何模型;用体单元对车架进行离散化,定义了载荷和边界约束条件,建立了车架有限元分析模型。通过ANS YS求解器对所建车架有限元模型进行求解,得到车架的应力分布及车架的变形,可为汽车车架结构设计和改进提供理论依据。

参考文献:

[1]高卫民,王宏雁.汽车结构分析有限元法[J].汽车研究与开发,2000

(6):30~32.

[2]叶先磊,史亚杰.ANS YS工程分析软件应用实例[M].北京:清华大学出

版社,2003.

[3][日]汽车技术协会.汽车强度[M].北京:机械工业出版社,1987.

(编辑姜洪君)作者简介:张进国,工学博士,教授,研究方向为工程结构分析的计算机方法;程晓辉,硕士研究生,研究方向为机械设备的强度研究。

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拖拉机与农用运输车第5期2006年10月