基于ANSYS Workbench的汽车车架静力学分析

郭建华(黑龙江工程学院现代教育中心，黑龙江哈尔滨 150050)

基于ANSYS Workbench的汽车车架静力学分析

郭建华
(黑龙江工程学院现代教育中心，黑龙江哈尔滨 150050)

本文应用ANSYS Workbench建立汽车车架的三维实体模型，进行网格划分，施加约束和载荷，建立汽车车架有限元模型,并对各个工况下的车架进行静力学分析，得到相应的应力和变形分布图，根据数据分析各种工况下应力较高区域的成因，校核了车架的强度。

汽车；车架；有限元；静力学分析

汽车车架一般由横梁和纵梁组成，车架不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且是汽车的承载基体。车架的工作状态比较复杂，很难通过数学方法对其进行计算。有限元法是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，利用有限元软件，如ANSYS软件，可以对汽车车架的静态特性进行较为准确的分析[1-3]。

1 车架三维实体模型

建立模型是进行有限元分析的前提条件，模型建立的好坏直接影响之后的各种有限元分析结果。与ANSYS APDL参数化建模方式相比，ANSYS Workbench属于CAE软件整合平台，界面更加友好，建模操作更加便利[4-6]。

本文采用了ANSYS Workbench建立三维几何模型，并利用ANSYS Workbench模型进行静力分析，三维模型如图1所示。

图1 车架三维几何模型

2 车架有限元模型

有限元模型的单元网格划分直接影响分析结果的精度和准确性。本文采用几何模型网格划分法建立车架有限元模型，车架的网络划分模型如图2所示。实体模型采用手动网格划分，取100网格方法，选用hex dominant，网格尺寸选用10 mm。本文的单元数为72765，节点数为303412，选用车架的材料为Q235，设置泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，密度为7850 kg/m3。

图2 车架网格划分模型

3 边界约束条件

边界条件的施加方式与有限元网格模型的生成方式直接相关，本文进行了合理化的简化。在计算过程中，选定了三个工况下(满载工况、弯曲工况和扭转工况)的约束，约束了钢板弹簧座的移动自由度。将各载荷质量按其作用位置分配到相应的支撑节点上，方向垂直车架向下。

4 有限元结果分析

4.1 满载工况下的应力分析

所谓满载工况是指在汽车满载时静止在水平路面上，车架只受到汽车自身与车上人员的压力，车架所受到的弯矩与变形都是所有工况中最小的。有限元分析结果如图3所示。

图3 总变形云图

由图3可知，在满载工况下，最大应力值为73 MPa，作用在后钢板弹簧前支架；最大应变值为0.004 mm，作用在后钢板弹簧前支架；最大变形量为0.67 mm，作用在第三和第四横梁中间的纵梁处以及第三横梁中前部。由有限元分析结果表明，符合车架材料的许用范围，满足设计要求。

4.2 弯曲工况下的应力分析

约束车架后钢板弹簧座，其他的载荷不变。弯曲工况下的最大应力和最大变形量如图4所示。

图4 总变形云图

由图4可知，弯曲工况的最大应力值为460 MPa，作用在前钢板弹簧左后支架；最大应变值集中为0.0025 mm，作用在车架前钢板弹簧左后支架；最大变形量为0.04 mm，出现在第三和第四横梁中间的纵梁处以及第四横梁中前部。

4.3 扭转工况下应力分析

扭转工况是模拟一个车轮悬空，而另外一个车轮被抬高时汽车的受力状态。如图5所示，可知扭转工况的最大应力值为200 MPa，作用在第五根横梁边缘连接处；最大应变值为0.011 mm，作用在第五根横梁边缘连接处；最大变形量为0.0026 mm，出现在车架后钢板弹簧右侧支架处。由有限元分析结果表明，符合车架材料的许用范围，设计符合要求。

图5 总变形云图

5 结语

本文应用ANSYS Workbench建立汽车车架的三维实体模型，进行网格划分，施加约束和载荷，建立汽车车架有限元模型，对满载、弯曲和扭转工况下的车架进行了静力学分析，有限元分析结果表明，符合车架材料的许用范围，设计符合要求。

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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

郭建华(1963- )，女，高级工程师，从事机械原理研究。

TK401

A

2095-7602(2017)06-0020-04