基于有限元法的微型客车车架结构的动静态分析

作者：徐晓娜 王卫英

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 1 引言 计算机辅助工程分析CAE在汽车产品开发中发挥着越来越重要的作用，利用有限元法进行汽车零部件及整体的结构分析已成为缩短开发周期、降低开发费用和提高设计质量的主要手段之一。车架是汽车的重要组成部分，它不仅承受来自车身及车身附件的载荷，行驶过程还将承受来自道路的各种复杂载荷，并且汽车上许多重要总成件都是以车架为安装载体，因而其动静态特性直接影响整车的使用寿命、稳定性、舒适性、车内噪声等基本性能。利用有限元法对车架结构进行刚度校核、模态分析，对于保证车架设计的合理性、提高车架的的整体工作性能具有重要意义。 2 有限元模型的建立 本文采用CATIA软件进行车架的几何造型设计，CATIA具有强大的曲面造型功能，目前在航空和汽车行业应用十分广泛。几何模型建立后利用Hypermesh进行单元网格划分等前处理工作，提交到MSC.Nastran求解。Hypermesh是世界领先的、功能强大的有限元前置处理软件，它与大多数CAD和CAE软件具有良好的接口。与MSC公司的前处理软件MSC．Patran相比，Hypermesh具有更强大的几何清理工具以及更灵活的网格划分功能，它还提供了网格质量跟踪检查功能，尤其适用于模型庞大、形状复杂的汽车钣金类零件。MSC．Nastran是著名的结构有限元分析软件，其高度可靠性得到了工业界的一致公认，因此在汽车行业有非常广泛的使用。 车架的实际工况复杂多变，建立有限元模型时对CAD模型的简化重构是十分必要的。简化的原则是：最大限度地保留零件的主要力学特征；将小面合并成大面，并且相邻面应共用一条轮廓线，以保证各个面上划分出来的网格在边界处是共用节点，避免在边界处出现节点错开的现象。 车架有限元网格模型建立过程中进行了如下的技术处理： (1)简化处理车架模型中一些小的结构，如去掉小于5mm的倒角，将特征尺寸小于8mm的孔填充，将高度低于3mm的凸台和沉孔去掉，对于不能去掉的孔、沉孔等，边缘线上应至少有4个节点。并尽量为偶数个；对于高度<5mm的加强筋，要放大其周围的单元长度，增大其倾斜角；车架结构的很多零件是左右对称的，网格处理时只需取一半划分，另一半按对称面镜像即可。 (2)翻边的简化：某些翻边对零件结构刚度的影响很小，可以忽略掉；对于起加强结构刚度作用的翻边，需要保留；车架纵梁上一些存在焊点的翻边，划分网格时尽量成划分两排或两排以上单元。 (3)连接的处理：车架结构中的零件连接方式主要是焊接，其次是螺接。而焊接又以点焊为主，小部分采用边焊(二氧化碳保护焊)。不同的连接形式采用不同的处理方法，点焊的简化方法是对CATIA模型中焊点的位置采用RBE2单元连接两构件附近的结点；边焊的处理则是在焊接处直接将两构件连接起来——即共用节点，如车架上管梁和纵梁的连接；螺接采用MPC主从节点法处理，主从节点约束3个方向的移动自由度，如车架与地板的连接。 (4)单元质量控制：对于网格的形状，主要控制歪斜、翘曲、长宽比、单元最大内角、单元最小内角、雅克比行列式值，这些质量控制因素直接影响计算的精度和收敛性。另外，单元划分以四边形单元为主，三角形单元总数不超过总单元数的5％。 根据车架结构的CAD模型建立有限元分析模型，对车架主要承载件进行有限元离散处理，车架有限元模型如图1所示。考虑到车架的零件基本上都是薄板类零件，以MSC．Nastran作为求解器，模型采用MSC．Nastran中的壳体单元，包含三种类型的单元：4节点壳单元QUAD4、3节点三角形单元TRIA3、刚性连接单元RBE2。车架结构的各组成零件主要采用lOx10mm的四边形板壳单元进行离散，兼用少量三角形单元以满足高质量网格的过渡需要；点焊和线焊均采用RBE2单元模拟。车架共有壳单元总数为65112，其中四边形单元总数为62863，三角形单元数为2249，三角形单元占单元总数的3.5％。 3 车架模态分析与结果 模态分析是汽车产品开发中结构分析的主要内容，尤其是低阶模态，能反映整体的刚度性能，常常作为控制汽车常规振动的关键指标。本次分析按自由边界处理，运用Nastran中的Lanczos法提取模态参数，对车架的振动响应影响相对较大的激励多集中在低频域，故本文只提取了前十阶频率值及振型(去除六阶刚体模态)，车架的固有频率特性如表1所示，车架的一阶扭转振型图和一阶弯曲振型图如图2和图3所示。 由车架的模态分析结果可知，本车架结构的一阶扭转模态频率为16.28Hz，一阶弯曲模态频率为23.87Hz，而本车型整车白车身自由模态的一阶扭转模态频率为23.46Hz，一阶弯曲模态频率为30.18Hz。通过对比可知车架模态低于整车模态，这是由于模态频率值不仅与结构的刚度有关，还与结构的质量有关，因此车架结构的模态特性不能反映整个车身的模态特性，仅反映了车架结构的特性，并在一定程度上反映了车架的刚度。此外，本次分析的前十阶低频模态振型中，有七阶为车架整体模态，其余二阶是局部模态，出现局部模态的原因是所建车架结构模型缺少与自车身其它构件的连接。另外，由于车身与车架在整车中是紧固联接的，不需要考虑车架与车身出现共振的危险；而发动机与车架是悬置联接，应当考虑发动机与车架共振的危险，本微型客车发动机怠速频率为25Hz，分析结果表明，车架频率值与之相接近，有可能发生共振。 4 车架静态分析 车架作为汽车的承载基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。为此车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身变形最小。车架扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏，因此研究车身车架的刚度十分必要。 静态分析利用Msc.nastran分别对车架结构弯曲刚度和扭转刚度进行求解计算。沿用几何模型的坐标系，整车纵向向后为X轴正方向，横向向右为Y轴正方向，垂直向下为Z轴正方向。弯曲刚度和扭转刚度均分为3个子工况进行。如图4所示为车架弯曲3个子工况下变形图，图5为车架扭转3个子工况变形图。 由变形图得到车架3个子工况下弯曲刚度和扭转刚度，计算3个工况的平均刚度作为车架结构的刚度，则车架结构的弯曲刚度为943 Nlmm，扭转刚度为536N·m/(°)，车架变形在允许范围内，满足规定的刚度设计要求。通过对车架结构分析知，本车架属于半承载式结构，它与车厢、侧围、地板等存在联结，实际工况下这些联结部件会承担车身的一部分变形，而本次分析并未考虑相关总成部件对车架的影响。故车架结构的刚度并不能表征整车刚度，但可作为整车刚度分析的参考，一定程度反映了车架的弯曲、扭转刚度特性。 为了考察车架的变形是否均匀，三种子工况下分别在车架纵梁上每隔300mm左右布置一系列考核点，通过考核点的x坐标值和车架弯曲变形引起的该点的垂直变形量来描述车架的弯曲变形曲线，如图6所示；通过考核点的X坐标值和车架扭转变形引起的该点的垂直变形量，再将垂直变形量换算成扭转角来描述车架的扭转变形曲线，如图7所示。 由上图可见，车架的弯曲变形曲线和扭转变形曲线变化过渡自然，并无明显突变，车架的变形状态良好，车架变形量在允许范围内，证明车架设计方案是合理可行的。 5 结论 本文建立了某微型客车车架结构有限元模型，利用Hypermesh软件对建模细节进行了深入的研究，运用Nastran软件对车架结构进行了自由模态分析和静刚度分析。通过分析对车架结构作了定性评价，分析的结果对车架结构的进一步优化有重要的指导作用，为设计人员提供了参考依据；同时，本车架分析结果对整车白车身的有限元分析有重要参考价值，达到了预期分析目的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/4/2010)