汽车车架的有限元分析毕业设计论文 - 图文

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汽车车架的有限元分析

院系专业班级学号姓名指导教师负责教师

机械工程系

机械设计制造及其自动化

沈阳航空航天大学 2013年6月

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

摘要

车架是汽车上重要的承载部件，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计。传统

的设计方法已经无法满足现代汽车设计的要求，通过有限元法对车架结构进行性能分析，并对车架结构进行优化，对提高整车的各种性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。

本文的重点是：以有限元静态分析、动态分析为基础，完成了从车架三维建模到有限元分析的整个过程，得出了车架在典型工况下的应力分布和变形结果及它在自由约束状态下的前20阶固有频率和振型。

关键词：车架；ANSYS；静力分析；模态分析；

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

Abstract

The frame is an important part which bears the weigh of whole car, the quality of the structural performance of the frame is relate to the car which is designed. The traditional design method has not been the request of designing in modern car Through the finite element method, we carry on the analysis of performance to the frame structure and optimize the frame structure, It is important to improve various performance of the completed car, decrease the design of cost, strengthen the competitiveness of market .

The main idea of the article :Based on static analysis of finite element, modal analysis, we have finished the whole course that is analyzed from three-dimensional modeling of the frame to finite element .Then we have obtained the stress of the frame under the typical operating mode and is distributed in the first 20 steps of natural frequency and shaking type that restrain from under the state freely with result and it out of shape .

Key words：Frame； ANSYS； Static Analysis； Modal Analysis；

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摘要 .................................................................. I 1绪论 ................................................................. 1

1.1课题背景 ........................................................ 1 1.2论文选题的意义 .................................................. 1 1.3有限元法在车架结构设计中的应用现状 .............................. 2

1.3.1车架结构设计与分析的概述 ................................... 2 1.3.2车架结构有限元模型的形式 ................................... 2 1.3.3车架结构有限元分析类型 ..................................... 3 1.3.4有限元法在车架结构分析中存在的问题 ......................... 4 1.4本文的主要研究内容 .............................................. 4 2车架三维模型的建立 .................................................... 5

2.1CATIA软件的简介 ................................................. 5

2.1.1关于CATIA ................................................. 5 2.1.2关于CATIA V5 .............................................. 5 2.1.3CATIA的主要功能模块 ........................................ 6 2.2车架草图的绘制 .................................................. 7 2.3车架零件图的绘制 ................................................ 8 3车架有限元模型的建立 ................................................. 10

3.1ANSYS软件的介绍 ................................................ 10

3.1.1ANSYS的发展概述 ........................................... 10 3.1.2ANSYS的主要特点 ........................................... 10 3.1.3ANSYS的主要功能 ........................................... 11 3.1.4ANSYS的结构分析文件 ....................................... 11 3.1.5ANSYS单元库构成体系 ....................................... 11 3.1.6ANSYS中的耦合与约束方程 ................................... 12 3.1.7ANSYS求解器简介 ........................................... 12

III

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3.2车架有限元计算模型的建立 ....................................... 13 3.3悬架模型的建立 ................................................. 16 4.1车架设计中应用的有限元法 ....................................... 19

4.1.1车架设计分析概述 .......................................... 19 4.1.2有限元法在汽车车架设计分析中的应用 ........................ 20 4.2汽车车架的静力分析 ............................................. 20

4.2.1汽车车架静力分析的典型工况 ................................ 20 4.2.2载荷加载的处理 ............................................ 21 4.2.3车架静力分析过程 .......................................... 22 4.2.4车架结构静力分析结果 ...................................... 26 4.2.5车架结构静力分析结果评价 .................................. 27 4.3车架结构模态分析过程 ........................................... 27 总结 ................................................................ 32 参考文献 .............................................................. 33 致谢 ................................................................ 34

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2车架三维模型的建立

对于一个复杂的工程结构，有些工作是要分开进行的。本文车架三维模型的建立是在CATIA中完成的，结构分析是在ANSYS中完成的。本章讲述了几何模型建立过程，并对软件进行了简要的介绍。

2.1CATIA软件的简介

2.1.1关于CATIA

CATIA（Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application）是法国Dassault公司于1975年起开始发展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。CATIA不但能够保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA大量用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与3C产业、等各方面。由于其功能强大而完美，CATIA已经几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域，CATIA一直居于领先地位。在国内，几乎所有的航空工厂、半数以上的汽车厂商都在使用CATIA，哈尔滨飞机制造公司用CATIA来设计EC120直升机、从造型到数控程编，实现超精加工。

2.1.2关于CATIA V5

IBM/Dassault一贯对开发很重视，CATIA的新产品的开发非常的迅速。目前的CATIA覆盖了产品开发的整个周期，并且一直保持着其技术领先的优势。开始之初，受计算机硬件的限制，CATIA V4版本是工作站版本。运行在UNIX系统下，而随着计算机硬件的飞速发展，CATIA推出了运行在个人计算机(PC)上的版本CATIA V5。CATIA V5不但具有V4版本的强大功能、还增加了许多新的特性。CATIA V5包含的模块有(以P3版本为例)：基础结构模块、机械设计模块、曲面造型模块、分析模块，AEC工厂模块，NC加工模块，数字模型模块，设备和系统模块，数字程序和加工

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模块，人机工程设计和分析模块等，各个模块都具有强大的功能。在机械设计模块中，有专门的航空零件设计模块，强大的曲面造型能力是CATIA尤为值得称道的地方，模块中有专门针对汽车设计的模块。而且功能十分实用。

2.1.3CATIA的主要功能模块

（1）创成式工程绘图GDR CATIA可以利用3D机械零件模型和装配体生成相关联的工程图。图纸生成辅助器可大大简化绘制多视图的工作，并且可以自动生成尺寸标注。设计师可以建立与零件材料规格说明相关联的剖面线，可以进行基于标准的附加信息和注释等后处理。图纸与3D主模型的几何关联性可使用户并行地进行设计和工程绘图工作。同时还可输出DXF格式的数据文件。

（2）交互式工程绘图ID1高效、直观的交互式绘图系统，进行产品的2D设计。可以在一个以CATIA为主干系统的扩展型企业中，供所有2D CAD用户使用。ID1产品集成化的2D交互功能与高效的补充作图和注释功能从两方面进一步丰富了CATIA创成式工程绘图功能，它为用户提供了更加容易和流畅的从2D设计过渡到3D设计的转变过程。

（3）线框和曲面造型WSF 在零件设计的初始阶段，生成线框类结构元素，作为CATIA零件设计产品的补充。线框特征元素和基本的曲面特征元素的使用大大丰富了现有的3D机械零件设计方法。它的基于特征的方法提供了高效、直观的设计环境，可用于捕捉和重复使用设计的方法和规则。

（4）创成式外形设计GSD CATIA外形设计模块基于线框与多个曲面特征组合，可以设计复杂的外形。GSD提供了CATIA线框与命令。它提供了一套广泛的工具集，以建立并修改用于复杂外形和混合造型设计中的曲面。CATIA创成式外形设计产品的基于特征的设汁方法，提供了高效、直观的设计环境，以对曲面方法和技术规范进行捕捉和重用。

（5）空间分析SPA CATIA可以进行电子样机的干涉检查、断面分析和3D几何尺寸比较等验证。可以进行碰撞、间隙及接触等计算，并得到更为复杂和详尽的分析结果。剖面观察器可以帮助用户对曲线进行分析和标注。它处能够比较3D几何体，并将结果进行可视化显示。通过与CATIA的目标管理器COM的集成，能够进行质

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量、惯性测量和计算。

（6）知识工程顾问KWA CATIA可以将隐式的设计转化为嵌入整个设计过程的显示知识。用户通过定义特征、公式、规则和检查(例如制造周期中的特征包括成本、表面抛光或进给率)，可以在早期的设计阶段就考虑到各种因素的影响。

（7）目标管理器COM CATIA提供了所有产品人—机对话和显示管理等所必需的公共功能和整个基础构架，使所有产品共用统一的界面环境。

（8）CATIA-IGES接口(IGl) CATIA支持中性数据格式IGES V5.3版本，具有IGES元素名字和CATIA几何元素标识之间的名字匹配管理功能。CATIA可以读/写IGES格式文件。该产品能够处理3D线框元素、曲面和剪裁曲面元素、等距偏置曲线、表皮和表皮边界、二次曲线和颜色等等。

（9）CATIA V4集成器V41 CATIA提供了CATIA V4和CATIA V5之间的转换接口。

2.2车架草图的绘制

草图设计平台是CATIA设计的主要工作平台之一，在零件设计平台或曲面设计平台上，选择一个平面（可以是坐标平面、参考平面或者零件的表面等），单击Sketcher（草图）工具栏上的

按钮，进入草图设计平台，如图2.1所示。

图2.1草图设计平台图

草图的工具栏：

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【轮廓】工具栏，提供了多种绘制草图几何元素的工具，通过【轮廓】工具栏提供的工具可以绘制各种形状的图形，是草图设计平台最基础的一个工具栏。【约束】工具栏，提供了多种约束工具，对绘制的几何元素精确定位并设定尺寸。可以通过设定几何元素的约束条件来准确地确定几何图形的位置和尺寸。

【草图工具】工具栏，提供了几种绘制草图经常使用到的工具，包括网格显示切换工具，捕捉网格切换工具，构造元素和标准切换工具以及自动约束切换工具。通过这些工具的使用，可以使绘制草图的过程更智能。

【操作】工具栏，提供对绘制的几何元素进行编辑的多种工具，通过使用该工具栏提供的工具，可以很方便地对绘制的几何元素进行编辑，达到理想的效果。【工作台】工具栏，可以进入或者退出草图。

应用上面的工具，绘画CA1901汽车车架的草图，如图2.2所示。

图2-2车架的草图

2.3车架零件图的绘制

零件设计平台是使用CATIA进行三维设计的主要工作平台，在草图中单击【工作台】工作栏中的制，如图2.3所示。

退出工作台，进入零件设计平台，进行CA1901汽车车架的绘

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零件图的工具栏：

【Sketch-based Features基于草图的实体特征】工具栏提供了10种生成零件的方法，这10种方法可以分成6类，是构建三维零件实体模型的基本工具。

【Dress-up Features修饰特征】工具栏，提供了几种修饰零件的功能，对零件进行细化操作。

【Transformation Feature转换特征】工具栏提供了几种实体转换工具，可以利用它们方便地生成零件特征或修改零件，避免了许多重复的工作。

图2.3零件设计工作台

运用以上各功能创建的汽车车架三维模型，如图2.4。

图2.4汽车车架的简化三维模型

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3车架有限元模型的建立

在建立了车架的几何模型以后，通过PRO/E做接口，导入到ANSYS中。应用有限元软件ANSYS建立车架的有限元模型，即进入分析过程的前置处理(Preprocessing)阶段，它是根据分析目标，将实际结构简化为用网格划分的离散体，并最终形成计算数据文件。本章主要讲述有限元模型的建立过程，并简单的介绍了ANSYS软件。

3.1ANSYS软件的介绍

3.1.1ANSYS的发展概述

ANSYS软件是由美国ANSYS公司研制的大型通用有限元软件。1970年，John Swanson 博士洞悉到计算机模拟工程应该商品化的发展趋势，在宾州匹兹堡创立了ANSYS公司。ANSYS公司开发的ANSYS第一个版本只提供线性结构分析及热分析功能，是一个批处理程序，而且只能在大型机上运行。其后，ANSYS公司在ANSYS中不断地加入越来越多的单元类型，考虑了非线性、子结构等新技术。20世纪70年代末，ANSYS引入了交互式概念，大大提高了用户对程序的使用效能；其前处理器和后处理器的概念，使得用户在建模与结构处理上非常方便。通过不断地融入新技术以及不断地满足用户要求，ANSYS公司使ANSYS不断向前发展并取得了巨大的成功。在跟踪有限元学科及其应用发展的同时，ANSYS也适应计算机技术的发展，能够在多种工作平台和多个操作系统上完全兼容，其并行处理技术大大提高了分析效率。

3.1.2ANSYS的主要特点

ANSYS在有限元分析软件领域中具有领先地位，主要是因为它具有下列特点：

（1）唯一能够实现多场及多场耦合分析功能的软件，可以进行结构、热、流体流动、电磁等的单独研究或者它们之间相互影响的研究。

（2）唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元分析软件。

（3）唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。（4）有强大的非线性分析功能。

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（5）多种求解器分别适用于不同问题及不同的硬件配置。

（6）支持从微机、工作站到巨型机，以及所有平台之间的并行计算。（7）支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容。

（8）多种自动网格划分技术。（9）可与大多数软件集成并有接口。

（10）良好的用户开发环境，综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入，图形化输出等多种方式，使应用更加方便。

3.1.3ANSYS的主要功能

利用ANSYS可以完成的功能包括：建立计算模型或者输入结构、产品、组件或系统的CAD模型；应用载荷或者其它设计条件；研究模型的物理响应，比如应力水平、温度分布或者电磁场等；对产品进行优化设计，以降低产品费用；做数值模拟试验等。

ANSYS强大的单元库提供了各种物理场量的分析功能，可以应用的学科十分广泛，主要包括结构分析、热分析、高度非线性瞬态动力学分析、流体静力学和动力学分析、电磁场分析、声学分析、压电分析、多场耦合分析和设计灵敏度及优化分析。

3.1.4ANSYS的结构分析文件

在建立一个分析任务时，ANSYS自动创建大量文件，这些文件以任务名为文件名的基础，通过对该任务名后添加字符或者使用不同的扩展名来识别不同类型的文件。

3.1.5ANSYS单元库构成体系

ANSYS具有覆盖各种物理特性的丰富单元。在进行有限元分析时首要的一步就是进行单元的选择，因此在数量众多的单元中，选择什么单元来模拟实际结构尤为重要。ANSYS有将近200多种单元，可以从几个不同的角度进行分类。按照构成的学科领域分类，可以分为：（1）结构单元；（2）流体单元；

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（3）热单元；

（4）电路、电场和磁场单元；（5）耦合场单元。

按单元维数与拓扑形式分类，可以分为：（1）二维或三维；

（2）点单元（如质量单元）；

（3）线单元（如弹簧、杆、梁等单元）；（4）面单元（如壳单元）；（5）体单元。

其中，大多数体单元能退化成四面体，大多数二维四边形单元能退化成三角形。

3.1.6ANSYS中的耦合与约束方程

在通常情况下，直接使用ANSYS提供的单元，各个单元的节点自由度之间相互独立。但是在一些特殊情况下，这些自由度之间可能存在某些特殊关系，使其并不独立。如刚体中，节点与节点之间不存在相对运动，从而这些节点之间的位移自由度相同，即节点相互耦合。在ANSYS中，为了描述自由度之间的这种关系，需要用到耦合与约束。耦合是指两个或多个自由度之间具有相同的值，典型的耦合情况有以下三种：

（1）模型中包含对称；

（2）模型中有一部分看成是刚体；

（3）在两个重合节点之间形成销钉、铰链连接或者滑动连接。

约束方程是比耦合更有效的联系节点自由度值的方法，耦合只是让节点自由度值相等，约束方程则用一个线性方程来描述节点自由度之间的关系。

约束方程的典型应用包括：

（1）节点中有各种连接，如销钉连接、铰链连接；（2）周期情况；（3）刚性区域；

（4）不相似的已划分网格的区域需要连接。

3.1.7ANSYS求解器简介

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ANSYS的求解过程由于求解类型不同而不同，但是其基本求解过程是相同的，主要有如下几步：

（1）运用单元工具获得积分点，建立求解所需的矩阵；

（2）用不同的求解方法（即求解器）对已建立好的方程求解，获得基本解；（3）通过单元的形函数以及其它一些工具获得单元的导出解。