摘 要

根据东风本田CRV轿车前副车架的实际结构，使用UG NX 10.0软件建立起相应的三维简化模型，然后将建成的三维模型再进一步简化修改，以便利于有限元分析。之后，利用UG的有限元分析工具NX nastran进行有限元分析。通过对前副车架进行模态分析和静态分析，发现了结构中的不足。尤其是在制动工况下的静态分析，发现前副车架存在个别点应力过大的问题。针对出现的问题，从新型材料的使用方面和结构的改进方面对前副车架进行了改进。综合考虑车架性能和制造成本，副车架与下横臂连接件换用铝合金材料，减少了副车架前横梁的厚度，对侧、后梁上应力较小的部位较少了材料的使用。应用以上的改进方法，综合比较改进前后的副车架，提高了副车架的刚度，避免了过大应力的出现，减少了材料的使用，同时使用了新的材料，减轻了副车架的质量，提高了汽车的动力性和燃油经济性，对于副车架的改进研究有一定的指导意义。

论文主要研究了：目标车型前副车架的优化改进，对其进行有限元分析，主要分析模态特性和静态特性。

研究结果表明：原目标车型的前副车架存在隐患，结构上有缺陷，通过应用计算机建模和有限元分析的方法，可以准确的发现问题的所在，并且采用适当的方法进行改进，可以大大缩短副车架的设计过程，使前副车架的性能更加可靠，而材料的使用更加节省。

本文的特色：使用建模功能强大的UG NX 10.0软件进行建模，这要比直接使用ANSYS等其他软件建模要方便的多。同时直接利用其NX nastran有限元分析工具进行分析，不需要进行格式上的转换，完全兼容，可直接对建立好的模型进行有限元分析，不需要导入别的软件，还要进行各种分析前的准备。这样的分析方法速度快，方便，而且新的NX nastran分析软件的精度也比较高，所以准确性也有保障。

关键词：前副车架；有限元；三维建模；改进

Abstract

According to the actual structure of a Honda CRV’s front subframe, we build a 3D model of this front subframe by using software UG NX 10.0. Then we simplify the model, making the process of finite element analysis easier. Next, we carry out finite element analysis with the finite element tool NX nastran. Through modal analysis and static analysis, we found deficiency in structure. In the static analysis, that under braking condition, some individual points appear have too much stess. For this problem, we made some improvement by using some new materials and improving the structure. Considering performance of the subframe and the cost, we change the materials of the connection parts from steel to aluminium alloy, reduce the thickness of the front beam, decrease the use of material on the low-stress area of the side-rear beam. By using these methods above, and comparing the subframe that before and after the improvement, the stiffness of subframe is improved, oversize stress is avoided, and we decrease the use of metal, in the same time, new material is used, so the mass of subframe is reduced, too, the dynamic performance and fuel economy performance are improved, this paper has some guiding significance to the study of subframe.

This paper mainly studied: the improvement of front subframe, proceed the finite element analysis, primarily the modal analysis and static analysis.

The result indicate: there are some deficiencies in the structure, by making 3D model in the computer and applying finite element method, we can find problems precisely, then with appropriate methods to improve this subframe, the design process of a subframe will be greatly shortened. And the proformance will be more reliable, the material will be saved.

This paper’s feature: using powerful modoling software UG NX 10.0, this is much convenient than other software like ANSYS. And at the same time, we can apply finite element analysis with NX nastran directly after the model was completed, no need to import into other software. With this analysis method, we can do work more quickly and convenient. And the new version NX nastran has higher accuracy, so the precision can be guaranteed.

Key Words：front subframe；finite element method；3D modelling；improvement

目 录

第1章 绪论 1

1.1 前副车架简述 1

1.2 研究背景 1

1.3 研究现状 2

1.3.1 国外副车架的研究现状 2

1.3.2 国内副车架的研究现状 2

1.4 研究内容及目的 3

第2章 汽车有限元分析法 4

2.1 有限元法简介 4

2.2 有限元分析的基础理论 4

2.2.1 弹性力学的基本假设和基本概念 4

2.2.2 弹性力学问题求解的基本方法 5

2.3 有限元分析工具NX nastran简介 5

2.4 汽车有限元分析的内容 6

第3章 汽车前副车架三维模型的建立 8

3.1 前副车架的类型 8

3.2 前副车架的类型 8

3.3 前副车架的组成及其建模 10

3.3.1 前副车架前梁的建模 10

3.3.2 前副车架侧、后梁的建模 11

3.3.3 前副车架其他零件的建模 13

3.3.4 前副车架总成的装配 14

第4章 前副车架的有限元分析 16

4.1 前副车架的模态分析 16

4.1.1 前副车架的自由模态分析 16

4.1.2 前副车架的约束模态分析 18

4.2 前副车架的静态分析 20

第5章 前副车架的改进 23

5.1 前副车架的问题 23

5.2 前副车架的改进 23

5.2.1 前副车架的改进方法 23

5.2.2 前副车架的改进分析 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 前副车架简述

副车架正是相对于普通的车架而言的，它不是一个完整的车架，当然更不是悬架，副车架可以看做是一个中间结构。

现代的轿车已经很少使用车架，已经基本上用承载式车身代替。这样的设计虽然有很多的好处，比如减轻了车身质量，提高了整车的弯曲和扭转刚度，降低了地板高度等，但是也带来了一些问题，比如我们很重视的舒适性下降了。来自道路的噪声和振动，会更容易的传到车厢内。为了保证汽车的舒适性，同时还要兼顾汽车的操控性，工程师们便发明出了一种复杂的中间结构，来达到使用要求，这个结构就是副车架^[1]。

副车架的用处非常明显，主要功用包括：可以让发动机和车身并非直接刚性连接；同时还降低了路面传至汽车的振动，提高了舒适性，对于减少振动可以通过表1.1来说明；提高了悬架连接的刚度；悬架可以先安装在副车架上，构成一个车桥总成，再将其装配到汽车车身上，带来了设计和安装上的便利和优越性，降低了研发成本。当然副车架也有一定的缺点，比如：在承载式车身上增加副车架，势必会增加汽车的整体重量，进而而会影响到汽车的动力性、燃油经济性等性能；副车架的材料选择需要综合考虑，增加研发难度；高速行驶时，对操纵稳定性有一定的影响^[3]。

表1.1 五级吸振原理

综上所述，对于副车架的研发设计，一定要充分考虑优缺点，针对不同车型采用不同的设计方案。

1.2 研究背景

汽车工业在一些发达国家一直都是国家的支柱产业，经过几十年的不断发展，汽车也早就已经走进了千家万户。汽车发展从已经不再是注重数量上的增长，而是更加注重汽车本身技术和质量的开发。而且在能源问题日益严重的今天，汽车的发展更加注重绿色、环保。

我国作为世界上人口最多的国家，对于汽车的使用量有很大的要求，汽车工业在中国

发展迅速。我国的汽车产销量已经连续几年位居世界第一，在2013年的时候，汽车产销量已经超过了2000万辆，同时汽车保有量也以累积突破两亿辆大关^[1]。如此庞大的汽车数量在带来经济繁荣的同时，也带来了许多的问题，比如环境污染，能源紧张问题以及消费者对于汽车使用性能越来越高的要求等。解决上述问题，就必须要大力研究、发展汽车技术，重视汽车关键零部件的开发和研制。

汽车的轻量化问题一直以来都是汽车发展的重点，在满足整车强度和刚度以及各种使用要求的条件下，尽可能的减轻汽车的质量，是一个非常棘手的问题。汽车轻量化的途径主要是结构、尺寸轻量化和材料轻量化。

副车架原来只是用在D级豪华车上的装备，近年来被越来越多的应用在了低级的小型轿车身上，尤其是许多的A级车也开始装备副车架^[5]。考虑到副车架对汽车舒适性和操控性的影响，相信在不久的将来会有越来越多的车配备副车架。所以对于汽车副车架的研发与设计，必然会变得越来越重要。

1.3 研究现状

1.3.1 国外副车架研究现状

随着汽车的发展，汽车的保有量急剧增加，国外的政府和企业早就已经提出来许多法律法规对汽车进行限制。对汽车工业来说，其中一种满足日益严格的法律法规的方法就是汽车轻量化。

汽车轻量化的问题的研究方法，主要有三种方法：第一，使用新型材料，既要强度高，又要质量轻；第二，提高工业制造技术水平，这点要大力研发先进的技术；第三，通过对副车架进行研究，优化其结构从而减轻副车架质量。这些方法在国外还是比较容易实现，对于包括汽车副车架在内的众多汽车零部件，在国外都已经出现了采用铝、镁等合金材料的产品，并且投入到了实际的使用中。并且随着科技的不断发展和研究的不断深入，还会有性能更加优越的新合金材料来替代钢材。

除了材料方面，国外也在大力发展零件的结构优化，上个世纪末期时国际钢铁协会就成立了来自世界上18个国家35个钢铁生产企业的组成的ULSAB项目^[23]，通过几年的不懈努力，深入的研究了汽车零部件、汽车整车车身的结构优化问题，并且取得了巨大的进展。

对于制造工艺，国外凭借其先进的技术优势，在已领先国内数十年的差距的情况下进行着大量的研究。

1.3.2 国内副车架研究现状

国内对于汽车副车架等零部件的研究工作起步较晚，在设计研发上来看，与国外的研究分析有明显差距。主要表现在^[5]：第一，国内的对于汽车副车架的研究虽然看起来很多，但是深度不够，缺乏自主创新能力；第二，国内的软硬件技术较国外相比在精度上有一定的不足，这使得我国在副车架以及其他汽车零部件发展受到了限制。

但是汽车工业在我国的发展速度确实很快，虽然与国外的水平有差距，但是国内的汽车工程师以及众多的高校都对副车架的研究开展过许多的研究分析，比如20世纪90年代末，同济大学的郑慧强、陈鹏程等人就以桑塔纳2000轿车前副车架为研究对象，对其进行了模态试验工作，又应用了自编的三种模态参数识别软件作模态参数识别，并对识别结果进行误差分析^[24]。在2002年同济大学的周復、靳晓雄初步探索了有限元方法进行汽车室内噪声优化的方法，同样以桑塔纳2000轿车为研究对象，建立了发动机、发动机悬置和前副车架悬置、车身数学模型，利用有限元软件建立了几何模型并进行了优化仿真，校核了优化结果^[26]。在2006年上海交通大学的许勇为了评估某国外车型的副车架是否符合中国的路况，采用了仿真与试验相结合的手段，利用有限元分析计算了制动和加速两种典型工况，成功验证了此车型的副车架满足中国的使用情况，提高了计算机仿真的应用水平，缩短了产品开发周期^[25]。