基于ANSYS Workbench的边梁式车架有限元分析

胡瑞雪

摘要：车架承载着车内外的各种载荷，其性能至关重要，为了获得车架的动态特性，运用 CATIA建立了某小型货车边梁式车架三维模型，并在ANSYS Workbench中对车架做了模态、动载荷分析。在分析的基础上为车架的结构改进提供了理论依据。

Abstract： In order to obtain the dynamic characteristics of the frame， a three-dimensional model of the side-beam frame of a minivan was built with Catia， and the modal and dynamic load of the frame were analyzed in ANSYS Workbench. On the basis of analysis， the theoretical basis is provided for the improvement of frame structure.

关键词：车架;模态分析;动载荷;ANSYS

Key words： frame;modal analysis;dynamic load;ANSYS

0  引言

汽车绝大多数部件和总成（如发动机、传动系统、悬架、转向系统、驾驶室、货箱和有关操纵机构）均是通过车架固定位置，并承受来自车内外的各种载荷，直接关系到乘车人员的安全性，以及汽车是否能够发挥其性能，在车架设计过程中采用有限元法对车架进行仿真分析，可以提前预判车架的性能缺陷，极大的缩短车架的开发周期。国内很多学者利用有限元法对车架进行了分析，本文首先利用CATIA 构建了某小型货车用边梁式车架，再利用ANSYS Workbench对一个典型的边梁式车架进行了模态分析和弯曲、扭转、紧急制动三种典型工况下的应力分析。

1  车架模型建立

车架长度为5690mm，宽为800mm，整车装备质量：1640kg;整车总质量：1965kg;车架材料为510L结构钢，屈服强度为510-630Mpa，抗拉强度355Mpa，弹性模量212000Mpa，密度7850kg/立方米，泊松比0.3。该车架包含左右纵梁、五个横梁、前后附加横梁、加强板件和支架共40个零件。前钢板弹簧吊耳支架总成、后钢板弹簧支架总成、后钢板弹簧吊耳支架总成均焊接在左右纵梁上，用来安装减震器与板簧。利用CATIA 构建三维图如图1所示。

2  模态分析

2.1 模态分析简介

模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析是最基本的动力学分析，也是其他动力学分析的基础，例如响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等均是在模态分析的基础上进行的。模态分析可以求解结构的固有频率和振型，从而在结构设计时可以通过避免结构固有频率与激励频率相同，而避免结构发生共振。

2.2 网格划分

采用ANSYS Workbench中的Modal模块，把车架三维模型导入Modal模块进行网格划分时，对车架左右纵梁上的100多个装置用孔进行简化处理，进行自动网格划分，得到的网格效果如图2所示。

2.3 模态分析结果

通过分析振型可以发现，车架左右纵梁、横梁以及各个加强板件振幅集中在0至5mm。车架的前六阶模态与各阶最大变形量与变形位置整理如表1所示。

3  车架动载荷分析

3.1 动载荷分析简介

由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程为：

3.2 紧急制动工况分析

在汽车进行制动时模拟前轮抱死，后轮对Y方向与Z方向进行约束。取动态系数为2.0，得到载荷为39300N。均匀加载在五个横梁上表面。得到以下计算结果：车架最大应力发生在车架左前钢板弹簧支架体上，为71Mpa，横梁与纵梁以及加强板件接触位置应力在15Mpa左右，均满足510L结构钢的力学性能。在紧急制动工况下汽车车架不会破坏。如图3-图5所示。

综上所述，车架在承受动载荷时，通过对满载弯曲、满载扭转与紧急制动三个典型工况的分析得到车架最大受力部位发生在左前钢板弹簧支架体上为236Mpa可以满足车架力学性能要求。

4  结论

本文对车架三种典型工况下的动载荷进行了应力分析，对车架产生的应力，均满足材料力学性能，但在扭转工况下，车架横梁上的喇叭支架由于横梁的微变形其产生约5mm的位置偏移。

通过ANSYS Workbench对车架进行了模态分析和三种典型工况下的动载荷分析得到了下述两点结论与建议。

①应用ANSYS Workbench19.0的Modal模块进行了车架的模态分析得到了车架的六阶固有频率，进行了路面激励频率与发动机激励频率和车架固有频率的对比。得到车架不会发生共振的结论。由六阶模态下的车架变形云图可知，其最大变形多发生在左右纵梁与横梁的连接位置，建议通过对加固板件的设计来减小车架的变形，在不改变加固支撑板件的厚度条件下可以加大这些板件的长度与宽度，使他们能够承受更多的力，增加加固板件与左右纵梁的接触面积降低左右纵梁以及横梁所受到的压强进而降低车架的变形。②应用ANSYS Workbench19.0的Static Structural模块对车架进行了静态分析得到了车架的受力云图，可以直观的得到车架最大受力位置，得到车架在最大受力位置仍然满足510L结构钢的力学性能。

参考文献：

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[2]刘丙晓.基于ANSYS Workbench的货车车架有限元分析[J].汽车实用技术， 2017，12（52）：157-159.

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[4]李丽.货车CAE工程应用研究[D].华中科技大学硕士论文，2008.