基于ANSYS的车架有限元模态分析

任锦涛，李建军，杜明轩



基于ANSYS的车架有限元模态分析

任锦涛，李建军，杜明轩

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

文章针对CTX BJ1151VPFG-S车型，在ANSYS仿真平台下对车架系统参数进行了整体设计，并完成了有限元静力学分析和模态分析，确保车架的总成性能与匹配性。

ANSYS仿真；静力学分析；模态分析

前言

车架作为汽车的承载部分，其结构的强度和刚度应满足具体的使用要求[1]。本设计采用ANSYS仿真分析方法，基于具体车型设计了车架系统模型，并对所建立的模型进行静力学分析和模态分析，完成车架的整体设计。

1 车架总成设计

1.1 车架长度和宽度确定

车辆的基本参数如表1所示：

表1 车辆基本参数

针对该车型，由外形尺寸可知，车辆总长为8445mm。为了仿真分析方便，取车架总长为8350mm。车架前悬和轴距分别确定为1150mm和4700mm。车架后悬取2500mm，车架宽确定为860mm。

1.2 车架纵梁和横梁结构设计

根据所选车型的基本参数，选取车架纵梁为槽型梁。

为了确保车辆稳定性，以及车架模型的轻量结构化设计，车架纵梁断面高度选择为300mm。通过比较车辆参数模型，考虑到整车布置，车架的弯扭矩平衡，纵梁的翼宽大致选择为90mm。根据实际加工过程中冲压技术的考量，纵梁厚度确定为8mm。

该车架设计选择为六根横梁，出于实际考虑，六根横梁的断面形状均选择为槽型。前两根横梁分别用来支持水箱和发动机，保证发动机的散热能力。第三根横梁设计为拱形，主要用作支承与稳定车辆传动轴。这样设计有利于传动轴的布置，可提升传动轴的传动空间。其余横梁分别靠近钢板弹簧，用于车辆减震与维系车辆稳定。

2 车架的有限元静力学分析

2.1 有限元网格划分

车架设计整体结构采用B500L钢。划分网格是，将单元尺寸确定为25mm。对车架的结构单元进行网格划分后，共拥有节点数218684个，划分网格共计109488个。

2.2 静力负载弯曲

试验对车架均匀施加约束。车架满载静态条件下的总变形如图1所示。在受静力负载弯曲状态下，车架后部形变量最大，为3.78mm。通常情况下车架的弯曲挠度小于10mm，该车架在当前条件下满足性能要求。由应力内部应力云图可知，其最大应力为128Mpa。查阅相关手册，材料的屈服强度为500Mpa。因此，在此工况下，车架设计满足性能要求。

图1 满载位移云图

2.3 非水平扭转

在崎岖路段低速行驶，易发生扭转，因此需要根据行驶工况施加载荷。在本次设计中我们在确保其余车轮不受外部约束力的条件下，给车辆左前轮施加8mm的载荷移动量。在当前载荷工况下，最大变形发生在车架的左前部，如图2所示，最大变形量为10.488mm。最大应力发生在汽车的悬挂与汽车车架交接之处。由云图可以看出，最大应力大约为480Mpa，车架材料的屈服强度约为320Mpa，抗拉极限强度约为500Mpa，由分析结果可以看出，车架的最大应力大于材料的屈服极限强度，但小于抗拉极限强度。由此可以知，车辆在崎岖路面低速转弯时，车架发生瞬间扭转变形，但此工况并不会持续发生，当汽车恢复直线运动时，由于车架材料没有超过抗拉极限强度，变形恢复。因此，可得知车架在水平扭转工况下的整体性能满足改工况的要求。

图2 车架扭曲变形局部应力云图

2.4 横向弯曲工况

横向弯曲工况下，车辆产生向心加速度。在ANSYS中模拟加入2.5m/s2侧向加速度载荷，得到其应力与位移云图如图3图4所示，从对应云图中可以看出，在此工况下车架的最大位移量为3.7mm,最大应力约为123.2Mpa，小于材料的屈服极限，因此车架的性能满足设计要求。

图3 横向弯曲位移云图

图4 横向弯曲应力云图

2.5 紧急制动工况

对车架进行不同工况分析时，应当重点考虑车辆在紧急制动工况下的稳定性。当车辆处于半载或载质量大时，假定路面附着系数为0.6，并且假设理想条件下汽车车轮完全抱死，汽车的最大制动减速度为0.6m/s2。在此工况下施加载荷，得到车架的应力云图及位移云图如图5图6所示。由仿真结果可以看出，在此工况下车架的最大变相量为3.7mm，通常情况下，载重货车在此工况下的最大变形量小于10mm，因此在该工况下，车架性能满足设计要求。从应力图中可以看出，其最大应力为126MPa，没有超过车架材料的屈服极限。因此，该车架在此工况下，能够满足设计要求。

图5 紧急制动位移云图

图6 紧急制动应力云图

3 车架有限元模态分析

在进行车架结构设计时,模态分析主要用来获得结构的固有频率和振型[2]。此结构的模态分析只计算0～100Hz频率范围内的固有频率和振型。对此车架进行有限元模态分析，提取了前12 阶频率，由于前六阶的频率都为0，所以我们从第七阶开始提取频率，各频率值如表2。

表2 车架前六阶模态分析结果

4 结束语

本文依据特定的车型，根据车辆的相关参数，设计了车架的结构参数，并根据设计的结构进行了有限元仿真，该车架的设计对提升车辆稳定性有很好的指导意义。

[1] 刘文军,油磊.基于ANSYSworkbench的小车车架受力分析及优化设计[J].南方农机, 2018.

[2] 杨家印.基于ANSYS的某型客车车架结构的模态分析[J].中国新技术新产品, 2017(23).

Finite Element Modal Analysis Of Frame Based On ANSYS

Ren Jintao, Li Jianjun, Du Mingxuan

( Chang’an University Automobile School, Shaanxi Xi’an 710064 )

The article selects the Olympus CTX BJ1151VKPFG-S model, and designs the frame system parameters under the ANSYS simulation platform for the frame system of the whole vehicle, and completes the finite element static analysis and modal analysis to ensure the frame for assembly performance and matching.

ANSYS simulation; static analysis; modal analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.048

U463.32

A

1671-7988(2019)10-141-03

U463.32

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1671-7988(2019)10-141-03

任锦涛，硕士，就读于长安大学汽车学院，研究方向：车辆安全，车联网。