郭建華(黑龍江工程學(xué)院現(xiàn)代教育中心，黑龍江哈爾濱 150050)

基于ANSYS Workbench的汽車車架靜力學(xué)分析

郭建華
(黑龍江工程學(xué)院現(xiàn)代教育中心，黑龍江哈爾濱 150050)

本文應(yīng)用ANSYS Workbench建立汽車車架的三維實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷，建立汽車車架有限元模型,并對各個工況下的車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力和變形分布圖，根據(jù)數(shù)據(jù)分析各種工況下應(yīng)力較高區(qū)域的成因，校核了車架的強(qiáng)度。

汽車；車架；有限元；靜力學(xué)分析

汽車車架一般由橫梁和縱梁組成，車架不僅用來保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，而且是汽車的承載基體。車架的工作狀態(tài)比較復(fù)雜，很難通過數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行計算。有限元法是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，利用有限元軟件，如ANSYS軟件，可以對汽車車架的靜態(tài)特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析[1-3]。

1 車架三維實(shí)體模型

建立模型是進(jìn)行有限元分析的前提條件，模型建立的好壞直接影響之后的各種有限元分析結(jié)果。與ANSYS APDL參數(shù)化建模方式相比，ANSYS Workbench屬于CAE軟件整合平臺，界面更加友好，建模操作更加便利[4-6]。

本文采用了ANSYS Workbench建立三維幾何模型，并利用ANSYS Workbench模型進(jìn)行靜力分析，三維模型如圖1所示。

圖1 車架三維幾何模型

2 車架有限元模型

有限元模型的單元網(wǎng)格劃分直接影響分析結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性。本文采用幾何模型網(wǎng)格劃分法建立車架有限元模型，車架的網(wǎng)絡(luò)劃分模型如圖2所示。實(shí)體模型采用手動網(wǎng)格劃分，取100網(wǎng)格方法，選用hex dominant，網(wǎng)格尺寸選用10 mm。本文的單元數(shù)為72765，節(jié)點(diǎn)數(shù)為303412，選用車架的材料為Q235，設(shè)置泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，密度為7850 kg/m3。

圖2 車架網(wǎng)格劃分模型

3 邊界約束條件

邊界條件的施加方式與有限元網(wǎng)格模型的生成方式直接相關(guān)，本文進(jìn)行了合理化的簡化。在計算過程中，選定了三個工況下(滿載工況、彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況)的約束，約束了鋼板彈簧座的移動自由度。將各載荷質(zhì)量按其作用位置分配到相應(yīng)的支撐節(jié)點(diǎn)上，方向垂直車架向下。

4 有限元結(jié)果分析

4.1 滿載工況下的應(yīng)力分析

所謂滿載工況是指在汽車滿載時靜止在水平路面上，車架只受到汽車自身與車上人員的壓力，車架所受到的彎矩與變形都是所有工況中最小的。有限元分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 總變形云圖

由圖3可知，在滿載工況下，最大應(yīng)力值為73 MPa，作用在后鋼板彈簧前支架；最大應(yīng)變值為0.004 mm，作用在后鋼板彈簧前支架；最大變形量為0.67 mm，作用在第三和第四橫梁中間的縱梁處以及第三橫梁中前部。由有限元分析結(jié)果表明，符合車架材料的許用范圍，滿足設(shè)計要求。

4.2 彎曲工況下的應(yīng)力分析

約束車架后鋼板彈簧座，其他的載荷不變。彎曲工況下的最大應(yīng)力和最大變形量如圖4所示。

圖4 總變形云圖

由圖4可知，彎曲工況的最大應(yīng)力值為460 MPa，作用在前鋼板彈簧左后支架；最大應(yīng)變值集中為0.0025 mm，作用在車架前鋼板彈簧左后支架；最大變形量為0.04 mm，出現(xiàn)在第三和第四橫梁中間的縱梁處以及第四橫梁中前部。

4.3 扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力分析

扭轉(zhuǎn)工況是模擬一個車輪懸空，而另外一個車輪被抬高時汽車的受力狀態(tài)。如圖5所示，可知扭轉(zhuǎn)工況的最大應(yīng)力值為200 MPa，作用在第五根橫梁邊緣連接處；最大應(yīng)變值為0.011 mm，作用在第五根橫梁邊緣連接處；最大變形量為0.0026 mm，出現(xiàn)在車架后鋼板彈簧右側(cè)支架處。由有限元分析結(jié)果表明，符合車架材料的許用范圍，設(shè)計符合要求。

圖5 總變形云圖

5 結(jié)語

本文應(yīng)用ANSYS Workbench建立汽車車架的三維實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷，建立汽車車架有限元模型，對滿載、彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，有限元分析結(jié)果表明，符合車架材料的許用范圍，設(shè)計符合要求。

[1]薛風(fēng)先,胡仁喜.ANSYS 12.0機(jī)械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:25-45.

[2]李騰騰,鐘紹華.ANASYS的發(fā)動機(jī)連桿的模態(tài)分析[J].汽車工程師,2010(4):25-27.

[3]葉奇,孫鵬文,張敏.發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)多體動力學(xué)建模的若干問題[J].機(jī)電工程,2007(12):53-55.

[4]趙京偉,樊文欣,閆磊,等.基于Pro/E和ANSYS發(fā)動機(jī)連桿模態(tài)特性分析[J].制造業(yè)信息化,2012(1):34-35.

[5]劉顯玉.汽車發(fā)動機(jī)連桿的有限元分析[J].制造業(yè)信息化,2005(3):9-11.

[6]洪愷.基于Hyperworks和Ansys的汽車車架有限元分析[D].長沙:湖南大學(xué),2011.

Static Analysis of Automobile Frame Based on ANSYS Workbench

GUO Jian-hua

(Modern Education Center, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150050, China)

Applying ANSYS Workbench to build three-dimensional model of automobile frame, mesh the model, apply restraint and load, then establish the finite element model of automobile frame. The static analysis of the frame under different working conditions is carried out, and the corresponding stress and deformation distribution patterns are obtained. Based on these data, the causes of higher stress area under different working conditions are analyzed, and the strength of the frame is checked.

automobile; frame; finite element; static analysis

2017-02-11

郭建華(1963- )，女，高級工程師，從事機(jī)械原理研究。

TK401

A

2095-7602(2017)06-0020-04