车架有限元分析.doc

车架有限元建模及模态分析
栾富钰
(济南大学机械工程学院,山东济南 250022)
摘要:有限元方法和软件技术在汽车结构分析中了极其重要的位置。本文主要结合越野车车架,轻型货车车架和电动汽车车架实例,利用Hyperworks建立以壳单元为基本单元的车架有限元分析模型,论述了有限元建模流程和建模过程中应该注意的事项。应用Optistuct 求解器对车架进行模态分析,分析该车架自由状态下的前十阶固有频率及振型特性,为车架响应分析提供了重要的模态参数,同时为该车的结构改进提供了理论依据。
关键词: 车架;有限元;模态分析
1 前言
模态的设计与分析方法是现代设计方法之一,它克服了静态方法的局限性,强调从结构的整体考虑问题,在性能校核中考虑了振动的因素。车架是支承连接汽车的各零部件,并承受来自车内外载荷的主要结构。车架是整个汽车的基体,汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置。因此,车架工作时要承受扭转弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力,同时受到来自路面和车桥的激振而产生振动,设计中除了要有足够的强度足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度保证汽车对路面不平度的适应性外,合理的振动特性也是十分重要的,以避免汽车在使用过程中各部件之间产生共振,导致某些部件的早期损坏,降低汽车的使用寿命。因此,车架结构模
态分析在现代汽车结构设计中具有十分重要的意义。
2 车架的基本结构
车架是一个大型复杂的装配体,很难把所有的结构建立有限元模型,因而在尽可能反映车身结构主要力学特性,保证结构同样准确的前提下,对构件进行相应的简化。省略车架构件中对车架的整体振型影响不大的小尺寸结构,比如弹簧吊耳,拉支架,焊接线夹等。忽略车架的焊缝及所有工艺孔,将所有倒角和过渡圆角简化为直角等,简化后的车架装配图如图 1 所示。
图1 车架三维装配图
2 有限元分析的流程
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用,例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长,但作为一种方法而被提出,则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法,应用于航空器的结构强度计算,并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力,随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法, 他们各有利弊。当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。例如,