不同横断面的汽车车架有限元分析.doc

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不同横断面的汽车车架有限元分析

摘要:

汽车对汽车车架的各种性能有很高的要求，而汽车的纵梁和横梁构成了汽车车架的主要框架。

本文采用相同横截面积的梁，但具都有不同的断面形状，由此来分析对比不同断面形状的梁的不同性能。

关键词:

车架;有限元分析;不同横断面

1.前言

汽车是用车架把发动机、底盘和车身中各主要总成连成一体的。

车架的功用是做这些总成的安装基体,承受这些总成的重量及其传给车架的各种力,也就是来自地面的各种作用力与反作用力，同时又承载着车厢货物的重力，所以说汽车的车架在整个汽车结构中发挥着很重要的作用，整个车架的性能是汽车性能的基础。

因此车架的可靠性关系到整车能否正常运行,甚至关系到人的生命安全,设计过程中必须保证车架的刚度强度符合要求。

因而车架强度分析是设计中的一项重要内容。

随着计算机应用技术的不断发展,现已普遍采用有限元分析来解决这类问题。

有限元法是一种数值计算近似方法,它以位移法为基础,将对象离散化,计算出各个单元的应力和位移。

本文以ANSYS为分析平台,在ANSYS软件中建立车架的几何模型和有限元模型,对车架进行有限元分析。

2.模型的建立

本文将横截面积统一设为4400mm2，即横断面的形状不同，但是横断面的面积是相同的，均为4400mm2。

横断面取三种：

工字型梁、口字型梁Ⅰ、口字型梁Ⅱ。

工字型梁的上下梁厚度为8mm，宽度为150mm，中间梁高度为200mm，厚度为10mm；

口字型梁Ⅰ的上下梁宽度也是150mm，厚度为6mm，两个中间梁高度也是200mm，厚度为6.5mm；口字型梁Ⅱ的长度和厚度都与口字型梁Ⅰ的相同，只是Ⅱ的竖梁距离边框有18mm的距离（双工字型）。

梁的长度都取1000mm。

3.划分网格

有限元分析采用的是离散化的方法，用不同的单元类型将连续的实体结构切割成若干份，单元的大小一般要根据所要求的计算精度等方面来综合考虑。

选择适当的网格密度能够有效地帮助程序的收敛。

网格划分太稀会导致误差较大,划分太密会花费大量时间,计算费用很高,而且对程序的收敛所起得效果也不明显。

网格密度可以根据结构的实际情况及精度的要求等进行调整。

通过分析认为单元网格的尺寸在1-3mm之间比较合适，能够满足精度要求且计算费用也不是太高。

采用薄壳shell63单元类型进行分析，建立三维模型。

网格密度设为2mm，具体网格划分情况见下表1所示。

表1不同梁网格划分情况表

网格密度

单元数目

节点数目

工字型梁

0.02

1300

1377

口字型梁Ⅰ

0.02

1895

1921

口字型梁Ⅱ

0.02

1800

1836

具体三种梁的网格划分如图1、图2、图3所示。

图1工字梁的网格划分示意图

4.边界条件

限制梁的一端面的所有自由度，在梁上表面施加大小为1.0×104pa的均布载荷，在梁的另一端的上表面中点处施加沿X反方向的大小为1000N的作用力，并在其下表面中点处施加沿X正方向的大小为1000N的作用力。

对车架的分析主要是在两种工况在进行，一种是弯曲工况，另一种是扭转工况。

对梁上表面施加1.0×104pa的均布载荷是模拟汽车的弯曲工况；对梁的一端施加两个方向相反的作用力是模拟车架受到扭转作用力时的受力情况。

图3口字型梁Ⅱ的网格划分示意图

图2口字型梁Ⅰ的网格划分示意图

5.计算结果及分析

首先，将计算结果列表如表2所示。

表2不同截面梁的计算结果对照表

最小应力

最大位移

最大应力

工字型梁

0.524×106

0.661×10-3

0.301×108

口字型梁Ⅰ

0.780×106

0.117×10-3

0.173×108

口字型梁Ⅱ

0.119×107

0.0998×10-3

0.179×108

观察计算结果可以看出:

工字型梁的最大应力发生在梁的根部（限制约束的一端），其数值为0.301×108MPa，最大变形发生在受力的一端，而且最大位移值为0.661×10-3m，如图4所示。

口字型梁Ⅰ的最大应力发生在施力一端，其数值为0.173×108MPa，口字型梁已经发生严重形变，最大位移值为0.117×10-3m，如图5所示。

口字型梁Ⅱ的最大应力发生在施力端，最大应力数值为0.179×108MPa，最大位移数值为0.0998×10-3m，如图6所示。

图4工字型梁应力分布云图

工字型梁的最大应力发生在上下表面的两侧，因为此工字梁的一端是无任何自由度的，即假想此端焊接在刚度和强度很大的结构上，故采用工字型梁作为车架时应注意一定要把上下表面与其他梁结构焊接结实，因为上下表面的两侧有最大的结构应力，最容易开裂。

如需改进则可以在表面边缘处焊加一个加强三角板，这样会大大提高车架的扭转刚度.

口字型梁Ⅰ的最大应力发生在上下表面与竖直面的焊接处，也就是说在受到扭转载荷时，此处产生的应力最大，最容易因焊接不实而使车架某处被“扭碎”。

口字型梁Ⅱ的最大应力也是发生在上下表面与竖直面交接处，此结构与口字型梁Ⅰ很相像，只是两个竖直面间的距离缩短了36mm，但是从计算结果上看却发生了较大的变化。

两个梁的最大应力大小相差不大，但是最小应力却发生了较大的变化，从前者的0.780×106MPa增加到后者的0.119×107MPa。

同时，最大位移由口字型梁Ⅰ的0.117×10-3m减小到口字型梁Ⅱ的0.0998×10-3m。

分析计算结果可知：

在承受扭转载荷时，口字型梁Ⅰ的性能要好于口字型梁Ⅱ。

主要是因为后者的上下表面板的两侧各有18mm的空余，如讲此空余拿掉，则转化成了前者的结构，也就是说，后者的两侧的空余没有发挥出或者没有充分发挥出抗扭的性能，故在相同质量的情况下，前者比后者的抗扭性能要好。

在承受弯曲载荷时，口字型梁Ⅱ的性能要好于口字型梁Ⅰ。

主要是因为后者将两竖直面间的距离缩短了36mm，增强了抗弯的强度，而此时上下表面在抗弯性能方面上的差异很小，故在相同质量的情况下，后者比前者的抗弯性能要好。

图5梁Ⅰ应力分布云图

图6梁Ⅱ应力分布云图

6.总结

经过以上的分析计算，在相同质量的情况下，不同断面形状的梁具有不同的性能。

在相同的受力情况下，工字型梁产生的最大应力远远大于后两者；口字型梁Ⅰ的抗扭性能要优于口字型梁Ⅱ；口字型梁Ⅱ的抗弯性能要优于口字型梁Ⅰ。

同样多的材料，我们可以根据不同的需要、不同的工况来选择不同的形状的梁结构，已达到车架对于安全性、轻量化的要求。

有限元分析与理论分析的结果相近,说明本文分析具有一定的准确性,对模型设计及静载试验研究有一定的参考价值。

参考文献：

[1]马迅,盛勇生.车架刚度与模态的有限元分析与优化[J].客车技术与研究,2004（4）：

P8～11.

[2]易日1使用ANSYS611进行结构力学分析[M]1北京:

北京大学出版社,2002:

1302137

[3]邢静忠，李军.ANSYS的建模方法和网格划分.中国水运，2006.9