摘 要

有限元分析应用方法在汽车结构的分析当中发挥着越来越大的作用。本文以某轻型电动商用车车架为例，利用hypermesh建立以壳单元为基本单元的有限元分析模型，并应用Optistuct求解器对建立的车架的有限元模型进行自由模态仿真分析，由此分析车架自由模态下的前十二阶的固有频率及振型特性，为车架振动响应分析及优化设计提供重要的模态参数。同时利用hypermesh软件在对车架结构施加合适约束和载荷的条件下计算车架弯曲和扭转刚度分析其其在弯曲、扭转、转弯、制动等极限工况下的车架强度得到在不同工况下的最大应力值和车架的最大形变量，以及其结构强度薄弱部位，同时也为以后设计和优化车架提供一定参考。

关键词：车架；有限元；模态分析；刚度强度校核

Abstract

The finite element analysis application method plays an increasingly important role in the analysis of automobile structures. Taking a light electric commercial vehicle frame as an example, this paper uses hypermesh to establish a finite element analysis model with shell elements as the basic unit, and uses Optistuct solver to perform modal analysis on the established frame model to analyze the free state of the frame. And then we analysis the natural frequency and mode characteristics of the first twelve orders ,which provides important modal parameters for frame response analysis. At the same time, the hypermesh software is used to calculate the bending and torsional rigidity of the frame under the condition of applying appropriate constraints and loads to the frame structure, and the frame strength under the extreme conditions such as bending, torsion, turning and braking is analyzed. The maximum stress value and the maximum deformation of the frame, as well as the weak structural strength of the frame, which are ontained from the analysis process ,also provide a reference for the future design and optimization of the frame.

Key words:Frame;Finite element;Modal analysis;Stiffness strength check

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究背景 1

1.2.1 国外研究背景 1

1.2.2 国内研究背景 2

1.3 本文研究的主要内容 4

第2章 车架介绍 5

2.1 车架的结构类型 5

2.2 车架的结构设计 6

第3章 有限元法 7

3.1 有限元发展历史 7

3.2 有限元理论基础 8

第4章 应用软件及模态分析介绍 10

4.1 hypermesh简介 10

4.2 Hypermesh建模流程 10

4.3 模态分析介绍 11

第5章 车架建模及模态分析 13

5.1 车架三维模型的导入 13

5.2 模型简化及网格划分 13

5.3 网格单元质量检查 14

5.4 有限元模型基本单元的选择及连接的模拟 15

5.5 单元制度及材料属性的选择 16

5.6 车架的模态分析结果 17

5.7 本章小结 20

第6章 车架强度和刚度分析 21

6.1 车架强度和刚度分析的意义 21

6.2 电动汽车车架的设计要求及运行工况 21

6.3 强度分析 22

6.3.1 强度分析理论基础 22

6.3.2 车架的受载分析和动载荷系数 23

6.3.3 弯曲工况 24

6.3.4 扭转工况 26

6.3.5 转弯工况 28

6.3.6 制动工况 29

6.3.7 强度分析总结 30

6.5 刚度分析 31

6.5.1 刚度分析理论基础 31

6.5.2 扭转刚度 32

6.5.3 弯曲刚度 35

6.5.4 刚度分析总结 36

第7章 全文总结 37

致谢 38

参考文献 39

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

作为汽车上非常重要的基体，车架上被安装着诸如汽车发动机、各式悬架、传动系、驾驶室等对汽车而言极其重要的有关部件和系统总成，与此同时汽车车架还承受着传递给它的各种力和力矩。在工作状态下的车架受力情况比较复杂，在整个工作过程中它不仅仅要承受扭转、弯曲等多种复杂载荷产生的剪切力和弯矩的作用，与此同时来自车桥和路面的激励而产生的振动也会对车架车架的振动产生诸多复杂的影响。鉴此原因，我们在设计和制造车架的过程中不仅要考虑车架的扭转刚度、强度和抗弯刚度对路面不平度及车况的适应情况，同时也要保证车架在这些外界振动的激励作用下具有合理的振动特性，这样才能避免汽车在使用过程中车架与汽车上各部件之间产生共振效应，导致重要零部件的在长期共振作用下的损坏，从而降低汽车整体的使用寿命。而要做到这些，我们必须汽车车架的自由模态得相关参数，例如固有频率、振型等作出较为精确的分析和计算，这些分析计算十分复杂，无法用我们日常所运用的简单的数学计算方法来进行，必须采用有限元分析计算的方法菜能对车架的静动态特性进行分析，并能使这种分析的结构达到我们所需要的精确度，从而使车架设计从以往的操作繁琐的经验设计进入到高效快速的科学设计阶段，从而获得更为精确的车架模型特性参数，为车架的设计和优化提供更合适的方案。

1.2 国内外研究背景

1.2.1 国外研究背景

在众多数值分析法中，有限元分析方法是效率极高的数值计算方法，在近代汽车相关结构的设计与研究过程中，由于有限元方法能够对汽车零部件的各种振动性能和材料性能进行精确度较高的模拟，不仅使得设计分析的速度大大提升还使得分析的结果十分贴近实际使用要求，优化改进效率大大提高。关于有限元计算方法在车架的开发设计方面的应用研究始于二十世纪六十年代，鉴于国外计算机技术与数学算法理论的高速发展，国外有限元技术在车架结构的设计优化方面的运用发展的也非常迅速，并通过所设计的车架实际实验的效果来对有限元法的运用进行验证，积累了大量的经验以及分析研究成果。

1992年在对新款跑车RX-7车身的刚度进行研究计算的过程中，Masanori Takamatsu^[1]等人运用了合理而且高效的分析计算程序，着重分析轿车白车身及其组成部件对整车的刚度性能方面的作用与影响，其中车身壳体的对整车刚度影响极大，达到60%以上，与此同时，他们也通过本次研究将车身的刚度设计纳入整车安全校核的重要内容，为之后对车辆整体安全评估做准备。

1994年Shigehiro Hayash^[2]等人在对汽车副车架的安装系统进行结构设计上的优化和改进时采用敏感性分析和模态分析的粘性阻尼优化改进方案。在这个分析过程中，他们将与副车架相连接的诸多零部件在汽车运动时对副车架的产生的激励作用纳入了考量范围，使得分析结果的精确性得到提升。

1999年C.W.Mousseau^[3]等人建立了充分模拟车辆的动态响应与在粗糙路面行驶的整车动力学模型，他们在有限元仿真软件中对汽车轮胎的诸多特性进行模拟测试，得到了汽车在粗糙路面上行驶时的轮胎承受度与汽车行驶平顺性的相关分析结果，使得关于汽车整体动力学模拟分析的一个重要问题得到解决。

2004年Hadad.H^[4]等人建立有关车架的有限元模型，将对车架模型进行模态分析的结果与同类型的车架特性进行比较。通过比较的结果再对所分析的车架的结构和材料属性进行优化设计，并对这一流程中模态分析对于车架结构改进的意义进行了分析。

2011年，Jiang Li-Biao^[5]等人在分析以电动汽车的独立悬架和车架时，运用有限元分析的方法将悬架与车架的模型联系起来，分析了其作为一整个系统在汽车运动时所呈现的动态性能，使得分析结果更加全面，并利用分析的结果对车架和悬架的结构进行改进，使得改进后两者的刚强度提升的同时总体质量却有所减小，实现了车架结构的轻量化优化。

由以上例子可知，在利用有限元分析技术对车身车架的相关特性进行研究方面国外专家开始比较早且相关技术与应用已比较成熟，在车架刚强度领域分析优化已取得一系列较为卓越的研究成果，并熟练地通过拓扑优化提高车身车架刚度、强度等特性并实现车身轻量化。时至今日，在汽车设计开发领域，国外各大汽车公司已能够熟练的利用有限元软件进行车架结构静态分析、模态分析，并且瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等领域已成为他们研究工作的重心，特别是其中的随机激励响应分析，由于该技术可以用来进行车辆的刚度、强度、噪声和振动舒适性的分析研究而受到广泛关注。但是，在车身车架及独立悬架系统方面的研究国外就涉及的较少。

1.2.2 国内研究背景

国内在车架的研究设计方面关于有限元分析的研究起步较晚，大约是在80年代才开始进行与这方面相关的的研究，虽然当时国内的有限元分析法的理论基础已经成熟，但是受困于先关计算机技术以及硬件性能的不足，这些理论无法大规模在实际研究中得到锻炼与提升，随着时代的进步，硬件的短板补足后，我国的有限元分析技术也开始在车架的设计开发中得到应用。

1989^[6]年，为了提高我国的汽车的设计水平为日后汽车车架结构的设计与优化打下一个良好的基础，长春汽车厂主办关于基于有限元分析方法的车架性能分析实验，在这次研究中，他们分析了车架九种不同的振型特点，为日后有限元技术在汽车设计方面的应用打下了基础。同年，在对超重型汽车的车架所受静应力进行分析时李玉娟^[7]等人采用了有限元分析方法，他们运用空间刚架结构的梁单元作为车架有限元网格划分的基本单元，并成功建立了有限元模型，完善了超重型汽车对车架的设计要求。

1996年，在对EV-6-580电动力的轻型客车进行了结构上的分析计算时，陈全世^[8]等人利用有关有限元分析软件，建立了车架结构有限元模型，并与HY-6-590的车架模型进行对比分析，通过分析发现，车架所承受的极限静载远低于车架本身的强度极限，于是他们进一步对车架结构进行优化，在恰当降低车架承载极限的条件下减小了车架的总质量，完成了车架的轻量化优化。同年高圣彬^[9]等人采用超级SAP软件建立了桑塔拉车身的精确模型，并对车身进行了力学计算，定量的分析出了对白车身结构强度影响最大的因素，同时通过对白车身各结构之间连接的分析，得到造成车身刚度相对不足的原因，提出了对车身进行加固的6个综合解决方案。

1997年，郭一^[10]等人运用有限元方法在MSC/NASTRAN软件中对SH6606车架的模态进行分析计算，并在对于纵横梁的焊接连接模拟中采取了节点合并的技术，而对于铆钉连接则用梁单元进行模拟，最后得到了车架低阶自由模态得固有频率及振型。同年时期，王建^[11]研究了再车架结构设计初步通过有限元方法引入结构优化的可行性，即是在车架结构初步设计中引入整体结构选型和车架结构局部拓扑优化，在确定的完结载荷及内部支撑的条件下，确定关于车架有限元模型的连续体布局，在满足各类设计要求的情况下确定其拓扑布局。

2012年，崔伟^[12]基于有限元理论和变密度法拓扑优化理论在有限元软件中建立了某重型车的车架的有限元模型，并根据汽车运行的典型六种工况、车架的动力总成的约束条件与车架的主要载荷状态确定了边界条件。在对模型进行分析时，采取线加权的方法，以最小的车架结构的加权应变能为优化目标，参考同类型的汽车车架结构，对研究目标进行拓扑结构优化。

综上可知，我国对于有限元分析技术在车身车架方面的研究运用起步较晚，且研究初期主要关注有限元技术在车身车架强度方面的应用，虽然目前已开始逐步关注车架的结构刚度，并且已能够熟练应用拓扑优化研究来进行汽车车架轻量化的优化。而由于车架的刚度与强度汽车行驶性能的影响极大，在有限元技术在国内发展支出，其主要被用来对车架的静态特性进行分析，并用以校核车架的刚度与强度，同时也能对已有的车架结构进行刚度强度上的优化分析。然而在对车架进行分析时，有限元法的运用不能仅仅停留在模态分析与刚强度分析，而可以被用于车架及汽车其他结构的动态响应与噪声分析当中。目前，我国关于利用有限元分析法进行汽车分析的相关技术与理论已经发展到能够普遍运用有限元法对结构静强度进行分析、并且能运用有限元法进行动态响应分析及优化分析的阶段。

这些用于结构分析的有限元软件在长时间后也同样在我国的土木建筑、机械制造，汽车设计开发等诸多的领域被广泛的进行相关开发与研究，进一步为各领域中各类产品的开发与研究做出了极其 卓越的贡献

在CAE技术中，实体建模和参数化建模等技术被成为前处理技术，而这些前处理技术在相当大的程度上就决定对模型进行分析所得到结果的可靠程度与精确程度，这样就要求我们在前处理过程中所建立的实体模型或者参数模型的精确程度较高，更加贴合实际情况。在CAE技术为发展成熟的时期，囿于分析时使用的计算机硬件的相关性能的不足和数学理论方面的算法的不完善，我们在建立汽车车架的有限元模型时候，不仅要对车架模型的上诸多会增加计算量的复杂的结构做出过多简化，而且以往的模型分析计算过程中我们通常是直接将车架的承载质量简化成集中载荷或者均布载荷直接施加在所建立的模型上，这样做实际上会忽略掉汽车在实际行驶中由于承载质量和汽车本身质量所产生的强大的作用于车身的惯性力，显然这样最终的分析结果的精确性等会受到极大的影响。而如今随着计算机软件和硬件的性能以及相关分析算法不断的向前更新与进步，我们完全可以建立更加精确，结构上简化更少，更贴合实际的的有限元模型，这样最终的计算分析结果与实际情况就更为相接近，所产生的误差也更小。

1.3 本文研究的主要内容

电动商用车和传统的商用车在结构上有着较大的区别，对于汽车车架自然就有着不同的要求，考虑轻型电动商用车整车状态下车架各部件间的接触、限位、运动学关系,应用三维软件建立了以车架模型为主体的整车计算模型，通过对轻型电动商用车车架结构进行三维建模和有限元分析，得到该车架在自由模态下的低阶模态振型及固有频率，并对车架的共振条件进行分析，判断车架振动特性是否符合设计要求；分析其结构刚度和不同工况下的汽车车架的强度特性，判断车架在极限工况下的结构特性否满足使用要求，对其强度薄弱部位进行分析比较，方便我们对该电动商用车车架整体的结构完成进一步的优化设计。

第2章 车架介绍

2.1 车架的结构类型

作为汽车重要的装配与承载基体，车架的最大的功能就是用于连接并承载汽车的各类的总成或者零部件，将它们组成一个完整的汽车。而并不是所有的汽车都存在车架，车架主要用于中型及以下的商用客车，中高级和高级乘用车。

根据车架纵梁的结构特点，车架可以分为以下几种结构类型

1. 框式车架

框式车架又可以分为三种，即边梁式车架、周边式车架和X型车架。

1. 边梁式车架。边梁式又经常被称作梯形车架。该车架主要是由位于两边的两根竖直的纵梁和若干根横亘于纵梁之间的横梁而组成的刚性架构，因此该类型的刚度与其他类型车架相比较大。它的另外一个优点是该车架上的车身和其他车架上额总成的布置与安装都十分方便，拥有此车架的汽车也相对而言更易被改造。因此被广泛地用于、越野汽车、商用载货汽车。
2. 周边式车架。通过对该类型车架的分析可知，周边式车架的纵梁前后两端的宽度比起其他车架更窄，而纵梁中部则比其他车架加宽了一些。这种车架在撞车是可吸收部分能量，主要用于中级及以上的乘用车。
3. X型车架。X型车架的特点是中段用X型梁代替横梁，与左右纵梁相连，可视为框式车架的一种变形。其优点是扭转刚度大，对限制车架扭转变形作用较好，并能阻止左、右纵梁在水平面内错开。X型车架只用于乘用车。
4. 脊梁式车架

脊梁式车架又称中梁式车架。该类型车架呈现一种左右对称形式，对称中心一根大断面管形梁，在该中心梁上分布着一定数量的悬伸托架，整个车架犹如一根脊梁。管梁的存在使得动力-传动-系统连成为一体，而汽车的传动轴则从其中通过，因此当采用这种结构时汽车的驱动桥必须是断开式的并且能与独立悬架相匹配。其他类型的车架相比脊梁式车架的扭转刚度是最大的。

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