基于ANSYS Workbench的某车架有限元分析及轻量化研究

发布时间：2020-08-08 10:28

【摘要】：车架是汽车的主要承载结构,在行驶过程中受力复杂,其强度、刚度和动态特性关乎着整车的安全性和舒适性,对整车性能的优劣有着至关重要的影响。传统的车架设计多是基于理论和经验,过程复杂,周期长,且难于开发新型车型,这与现代汽车制造技术的要求是不匹配的。随着国家智能制造和节能减排的提出,计算机辅助设计及轻量化设计的广泛应用,工程师在设计初期和进行试验测试之前,运用有限元技术对车架结构进行分析,了解设计的缺陷和优化的空间,对于现代车架结构的设计和优化具有重大意义。本文以某卡车的车架结构作为研究对象,深入探讨了该车架的静、动态性能,为车架的结构参数优化设计提供参考,为车架结构轻量化设计提供依据。本文采用ANSYS Workbench软件,建立了该车架的有限元模型,对其进行了静力学的分析,并分别在满载弯曲、满载弯扭、紧急制动、紧急转弯等4种典型工况下,得到了该车架结构的应力和变形分布,对车架的强度和刚度进行了校核,确定了该车架结构的薄弱部位和优化空间之后,对该车架结构进行了模态和随机振动分析,得到了该结构的固有频率和振型,并结合路面不平度空间功率谱密度,得到了该结构在路面随机激励下的强度和刚度状态;最后,基于静力学分析的结果,采用响应曲面优化法,以车架厚度为优化变量,以车架最大应力和最大变形为状态变量,以车架重量最轻为目标函数,建立了车架优化设计模型,最终实现了该卡车车架的轻量化和参数化设计。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.32
【图文】：

主视图,车架,主视图

综合考虑上述因素，本文在SolidWorks中对车架进行1:1建模，首先采用曲面建立车架纵、横梁结构，采用实体建立吊耳结构。对于一些细微特征予以忽略，如：倒角、小孔等。然后按照图2.2和2.3的相应尺寸组装成整体车架模型，而悬架系统直接在Workbench中进行建模模拟。图2.2 车架主视图图2.3 车架俯视图

主视图,车架,俯视图,悬架系统

车架俯视图

等轴测图,车架

图 2.4 车架等轴测图2.3.2 车架材料参数本文所研究车架采用的材料为16Mn（现牌号为Q345），是一种低合金高度的结构钢。16Mn具有良好的力学性能，并且易于焊接，因此在很多机械行中应用广泛。16Mn具体的力学性能参数为：密度为7850kg/m3，弹性模量E MPa ，泊松比v .3，屈服强度为345 MPa。2.3.3 单元类型的选择由2.3.1节所述，车架纵、横梁建立为面模型，吊耳结构建立为实体模型悬架系统采用弹簧单元和刚性体来模拟。ANSYS单元库种类众多，选择合适单元类型，对于有限元分析至关重要，选择单元应遵循以下几大原则：（1）根据分析类型和分析对象的特点，选择适用于此分析的单元类型，结构分析、流体分析、热分析分别有对应的结构单元、流体单元和热单元；模型、实体模型和弹簧模型分别有对应的面单元、实体单元和弹簧单元；

【参考文献】