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1、金陵科我学院毕业设计（论文）设计（论文）题目：Honda节能竞技赛用小车车架结构优化设计学生姓名：李闪指导教师：贾永刚机械设计制造及其自二级学院：机电工程学院专业：动化（现代汽车技术）22机械设计制造班级：及其自动化（现代学号：2204110316汽车技术）（1）班提交日期：2022年04月18日答辩日期：2022年05月21日摘要IIIAbstractIV1绪论11.1 选题的来源与背景11.2 论文选题的意义与目的11.3PRO/E软件基本功能介绍21.4 ANSYS有限元分析软件基本功能介绍21.5 优化设计31.6 本课题研究的内容32Honda节能竞技赛用小车车架总体方案设计42.1
2、车架的功用42.2对车架的要求42.3车架类型42.4车架类型的确定52.4. 1车架宽度的确定52.4.2 车架纵梁形式的确定62.4.3 车架横梁形式的确定62.4.4 车架纵梁与横梁连接形式的确定72.4.5 车架其它部位形式的确定72.5车架材料的选择73Honda节能竞技小车车架的建模及有限元分析83.1有限元法的特性83.2有限元法的发展和现状83.3ANSYS的分析步骤103.4车架有限元模型的建立及分析103.4.1车架有限元模型的建立113.4.2将车架的几何模型转化为.igs格式的文件123.4.3车架的有限元分析过程123. 5车架结构的静力性能分析144小车车架的优化分
3、析164. 1小车车架的优化165. 2优化后小车车架的有限元分析164.2.1优化后小车车架的建模164.2.2优化后小车车架的有限元分析174.3优化结论205结论22参考文献23致谢244Honda节能竞技赛用小车车架结构优化设计摘要汽车车架是发动机、底盘、车身各总成安装的基础和关键承载部件，车架设计的好坏直接影响到汽车的安全性、舒适性和动力性，直接关系到整车性能。本文首先要讲述我校小车车架的总体构成，提出优化设计时的两个要求，之后对小车车架进行有限元分析，得出小车车架有足够刚度和强度的结论。最后，本文就绪论中小车车架优化的两个要求设计出优化车架，并得出满足两个要求的结论。本课题的研究针
4、对小车车架的优化，因此之前的所有内容都是为优化小车车架做铺垫。关键词：车架；模型；有限元法;优化设计TheoptimizationdesignoftheframeinHondaenergysavingcarusedforeventAbstractVehicleframeistheengine,chassis,bodyoftheassemblycarryingtheinstalledbaseandthekeycomponents,chassisdesignwillhaveadirectimpactonvehiclesafety,comfortandpowerisdirectlyrelatedto
5、vehicleperformance.Thisarticlewillfirsttellthetotalstructureofourcarframe,thetworequirementsofoptimizationdesignisputforward,andthetrolleyframefiniteelementanalysiswillbecarriedoutthen.Wewilldrawconclusionthatthetrolleyframehasenoughrigidityandstrength.Finally,thearticlewilldesignfortheoptimizationo
6、nthetrolleyframewiththetworequirementmentionedabove.Thisstudyaimedatdesigningoutanoptimizationoftheframe,soallthecontentthatiswrittenbeforeistooptimizethewayoftrolleyframe.Keywords：Frame;model;Finiteelementanalysis;Optimizationanalysis1绪论车架是汽车的重要部件，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室、和所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。此
7、外，由于小车的空间比较小，车架的尺寸也比较小，再加上受力情况比较复杂，为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置基本保持不变并使车身的变形最小，车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使得小车的乘坐舒适性、操作稳定性及某些机件的可靠性下降。同时，为降低小车的制造成本，使其燃油经济性好，车架的质量要尽可能的轻。因此，着眼于小车结构的确定以及优化分析便成为本课题研究的中心内容，能够很好的完成对小车车架的优化对小车本身具有重要的意义。1.1 选题的来源与背景由于石油资源短缺和人类生存环境遭到破坏等
8、问题的日益加剧，节能已成为现代汽车不可避免的主题。基于这种情形，以“挑战一升，环保一生”为口号的HOnda节能竞技大赛如火如荼地举行，并于2007年正式登陆中国，参赛车辆统一搭载由HOnda公司提供的125ml单缸4冲程发动机，车身和底盘等则自行设计。得出参赛车辆在行驶完规定里程的赛道后所消耗的燃油量，然后换算出IL油行驶的公里数，行驶公里数多则节油胜出。为了达到节能的目的，参赛车辆在设计时必须秉承轻量化的原则，而在整车质量中，作为主要承载部件的车身占了较大比例，是轻量化设计的首要对象。因此，需在保证足够刚度和强度的前提下,采用较优的结构、材料使车架质量达到最轻。所以，为使HOnda节能竞技大
9、赛能够取得不错的成绩，并对节能环保做出贡献，本课题的研究显得尤为重要。1.2 论文选题的意义与目的本课题针对竞技小车的车架进行优化设计，小车的主要部件都安装在车架上，因此车架的设计要合理。车架在小车静止和行驶时的受力都很复杂，将会发生弯曲和扭转应力，保证车架的刚度和强度成为设计车架的关键所在，同时车架的选型对于发挥小车的性能也有重要影响。通过建模和有限元分析，最终达到对小车车架的优化设计，使小车各种零部件布置得当，并达到小车车架的轻量化目的。1.3 PRO/E软件基本功能介绍著名的三维建模软件Pro/ENGINEER是美国PTC（参数技术）公司的大作。自1988年Pr。/ENGINEER问世以
10、来，该软件不断发展和完善，目前已是世界上最为普及的CAD/CAM/CAE软件之一，基本上成为三维CAD的一个标准平台。Pro/ENGINEER广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、家电、玩具等行业；是一个全方位的3D产品开发软件。它集零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、银金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构模拟、压力分析、产品数据管理等功能于一体。就本课题中车架的建模部分，我们将利用Pro/E软件进行绘制，车架模型的绘制要做到细致入微，车架的每一个部分的结构都应当在模型中得到体现，以保证后面分析更加精确，保证分析结果的可靠性。1.4 ANSYS有限元分析
11、软件基本功能介绍ANSYS是在20世纪70年代由ANSYS公司开发的工程分析软件。开发初期是为了应用于电力工业，现在已经广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域，能够满足各行业有限元分析的需要。如今的ANSYS软件功能更加强大和完善，操作和使用也更加方便。图形用户界面给用户学习和使用ANSYS提供了更加直观的途径。而命令流方式给高级用户提供了更为灵活和高效的分析手段。ANSYS软件主要包括三个模块：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电
12、分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力，在本课题中我们只着重进行结构分析；后处理模块可将计算结构以彩色等值线显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出，而进行比较简单的结构分析时，我们采用彩色等值线来显示出车架的分析结果，这种方式较为直观，并不复杂。软件还提供了许多的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。基于有限元法的车架设计流程为:首先,要对小车车架的总体方案进行论述,说明我校小车原车架结构的合理性与不合理性；其次，要建立小车车架的模型，建立好了模型方便于之后对车
13、架的有限元分析；然后，利用分析软件对建立好的小车模型进行有限元分析，得到分析结果；最后，基于总体方案论述时的不合理性的内容，对小车车架进行优化，并再次建立实体模型和对优化的车架进行有限元分析，得到优化后的分析结果，并进行两次分析的比较，得出最终的结论。1.5 优化设计优化设计概念通俗的讲，就是改善某个部件的结构使改变后的结构较原部件的性能更为完善。而对于小车车架的优化设计，我们主要从两个方面来考虑：第一，相对于原车架进行有限元分析得到的分析结果，优化后的小车车架的分析结果应该优于原车架，或者改变不大。如果优化后小车车架的应力和应变较原车架增加不少，则可以判断，此时的优化设计是失败的，尽管这种优
14、化后的结构可能满足了轻量化和乘坐舒适性的目的。第二，要针对我校小车车架的局限性进行优化，在进行车架总体布置论述时，我们将发现小车车架在乘坐舒适性和轻量化等方面仍有很大的提升空间，并且车架轻量化本身就是车架优化的中心目的，因此,在满足刚度和强度条件下的车架轻量化和乘坐舒适性是我们优化设计的最终着眼点。优化设计并非一次就能成功，而本文中的优化设计车架也是通过多次的分析而最终确定下来的，在这样一个过程中，有的优化结构有很好的刚度和强度，但乘坐舒适性和轻量化的目的难以实现，有的优化结构情况又恰恰相反。但不管怎样，最终设计出两个方面均符合的车架结构是一个多次尝试的过程，本文将不描述优化设计过程中失败的车
15、架结构，在优化分析部分将直接介绍小车车架优化成功的案列，并和原车架进行比较，说明优化车架在上述两个方面是如何满足条件的。1.6 本课题研究的内容车架是汽车主要的承载部件，汽车大部分部件如动力总成、驾驶室、货箱和车桥等都与车架直接相连。因此车架就必须具有足够的刚度和强度以保证有承受冲击载荷和承受各种工况的能力。本毕业设计课题通过对车架总体布置的论述展现我校小车的具体结构，并应用PrHE软件对小车的车架建立实体模型，之后利用有限元分析法对小车车架进行有限元分析并进行合理优化，最终设计出令人满意的小车车架，以使本课题可以得到圆满结束。2HOnda节能竞技赛用小车车架总体方案设计本章将具体阐述小车车架
16、总体方案设计的原则、功用、要求以及车架结构和材料类型的确定方法等问题，并解决这些问题，以达到对小车车架总体论述的目的。2.1 车架的功用要对车架的总体方案论述，必须先对车架的功用有所了解。车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机和车身等总成连成一个有机的整体，即将各总成组成一辆完整的汽车。同时，还承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，及要承受各种静载荷和动载荷。2.2对车架的要求(1)有足够的强度。保证在各种复杂受力的情况下车架不受破坏。要求有足够的疲劳强度，保证汽车大修里程内，不至于有严重的疲劳损伤。(2)有足够的弯曲强度。保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，固
17、定在底盘上的各总成不至因为变形而早期损坏或失去正常的工作能力。(3)有适当的扭转刚度。当汽车行驶于不平路面时，为了保证汽车对路面的不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求具有合适的扭转刚度。通常要求底盘两端的扭转刚度大一些，而中间部分的扭转刚度适当小些。(4)尽量减轻质量。由于底盘较重，对于钢板的消耗量相当大。因此，底盘应该按照等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料消耗量。在保证强度的条件下，尽量减轻底盘的质量。本课题研究小车车架在满载弯曲工况下所受的静载荷的分析结果，并对其优化，因此，小车应该满足有足够的强度和刚度，以及小车车架应该尽量轻的要求。2.3车架类型车架是按照结构
18、的不同来分类的，主要结构形式有框式、脊梁式和综合式。其中框式又可分为边梁式、周边式和X型。边梁式车架。这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干横梁组成。这种结构便于安装驾驶室、车厢和其他总成，广泛用于载货汽车、特种汽车和大客车上。周边式车架。这种车架是从边梁式车架派生出来的，前后两端纵梁变窄，中部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮距，中部宽度取决于车身门栏梁的内壁宽，前部和中部以及后部和中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具有一定的弹性，能缓和不平路面的冲击。这种车架结构复杂。X型车架。这种车架由两根纵梁及X型横梁组成，实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将转
19、矩转变为弯矩，对短而宽的车架，这种效果最明显。脊梁式车架。这种车架主要由一根位于中央且贯穿汽车全长的较粗纵梁和若干根悬伸托架组成。中央纵梁可以使圆管状，也可以使箱型断面。这种车架的扭转刚度合适，容许车轮跳动的空间大，适合采用独立悬架，单制造工艺复杂。综合式车架。这种车架的前后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机和驱动桥；中部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过。是边梁式和脊梁式的综合,中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，制造工艺复杂。2.4车架类型的确定我校小车车架采用的是边梁式车架，而这种车架又可以分为上浮式和下沉式。考虑到车身安装和其他总成的布置，车辆采用前二后一的车轮布置方案，而转向
20、系安装在前部，保证前两轮的转向。后置发动机，链条传动。由于小车的总成布置并不复杂，采用应用最广泛的边梁式车架是很好的选择。其中车架结构大致拟定如下：选用边梁式梯形车架结构，由两根分开的纵梁和若干根横梁组成，全长L7m。对于上浮式和下沉式两种车架，主要由于横梁的数量和布置不同，带来了刚度和强度上的差异。用同样材料、截面尺寸的上浮式和下沉式车架，下沉式车架结构的刚度和强度比较好，且结构更为简单，质量更轻。因此，为了适应汽车对刚度和强度的要求，我们选用下沉式车架作为节能小车的车架，对这种类型的车架进行优化设计。2.4.1 车架宽度的确定车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。车架前部宽度的最小值
21、取决于发动机的外廓宽度，其最大值受到前轮转角的限制。车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和钢板弹簧片宽等尺寸来确定。为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度，但宽度过大又导致重量的增加。为了简化制造工艺，要求最好车架前后不等宽。本田小车车架轻而小，只承载驾驶员一人，因此宽度不需过大。由于车架为梯形，纵梁的最小宽度经测量为0.24m。最大宽度为0.5m。2.4.2车架纵梁形式的确定车架纵梁的结构一方面要保证车架的功用，另一方面要满足整车总体布置的要求，同时其形状应尽量简单，以简化其制造工艺。纵梁的形状可分为上翼面是平直的和弯曲的两种，当上翼面为平直时，可使车厢地板平整，纵梁制造方便，
22、可以以这种形式作为小车纵梁。当上翼面弯曲时，纵梁部分区段降低，地板高度相应降低，改善整车的稳定性，且利于上、下车，但其制造工艺复杂。对节能小车来说，制造工艺的问题应该尽量回避，如果可以满足车架强度和刚度的要求，应该尽可能使制造工艺简单，以降低制造成本。所以我们选择上翼面为平直。纵梁的断面形状我们取矩形。由于节能小车的发动机外形尺寸不大，承载的重量也不大，为了制造工艺的简单，纵梁采用矩形断面，即断面的形状为矩形。为了减轻车架重量，达到轻量化的要求，小车车架采用钢管材料，厚度为1.6mm。这种纵梁工艺简单，纵梁与横梁的连接结构简单，其他各个部件的安装固定也很方便。2.4.3车架横梁形式的确定车架横
23、梁将左右纵梁连接在一起，构成一个框架，使车架有足够的强度和刚度。汽车的主要总成通过横梁来支撑。小车车架的横梁一般有4到6根，其结构和用途不一样。我校小车的发动机固定在后端的两根横梁上，第二根和第三根横梁主要支撑驾驶员的重量，这四根横梁承载了小车大部分的重量，是车架受力最大的部分，因此需要用四根横梁来保证车架的刚度和强度满足要求。在后端最后一根梁上安装油箱，节能小车的油箱很简单，就是一个量筒式的塑料管，质量很轻，但这根梁可以起到分担载荷和变形的作用，也是不可缺少的。最前端的横梁的作用是连接转向系，静止时，最前端横梁的受力很小，也是起到支撑和连接车架其它管件的作用。在这里横梁的数目为6根，6根横梁
24、都有各自的承载部件，并且受力情况不同，但它们的存在使得车架可以有足够的刚度和强度，是不可以省去的，如果省去其中任意一根梁，车架的强度和刚度都必定会严重下降，也必定满足不了优化设计的第一个要求。因此，在最终进行优化设计时，横梁的数目是不可以改变的,纵使横梁的布置位置可以改变，但优化的效果不会很大，而且不会达到车架轻量化的目的。2. 4.4车架纵梁与横梁连接形式的确定车架纵梁与横梁连接形式对车架的受力有很大的影响。横梁和纵梁的固定方法可分为钾接、焊接和螺栓连接等方式。大多数车架用搭铁板通过钾钉连接。成本低，刚度与钾钉的数目及分布有关。焊接可使连接牢固，不致产生松动，能保证大的刚度。但是有较大的内应
25、力。螺栓连接为了使用于各种特殊使用条件的汽车车架上采用，以使装在车架上的某些部件可以拆卸或或互换。我校的小车横梁和纵梁的连接形式为焊接。3. 4.5车架其它部位形式的确定车架除了最基本的横梁和纵梁，还有其它的钢管结构，这些钢管结构主要用来连接转向系和三个车轮。车架后端凸起的部分用来连接后面的一个车轮。车架前端的第一根横梁上方的部分钢管用于支撑和连接前面两个车轮。而第一根横梁的前方还有一个提供驾驶员落脚的钢结构，这个结构并不复杂，在后面的建模中这几个部分的结构都应该包括在内，以保证有限元分析的准确性。4. 5车架材料的选择为保证轻量化设计的原则，小车车架可采用碳纤维或铝合金等轻质材料来代替传统的
26、钢，但成本偏高，且制作商存在难度(铝合金不易焊接)，所以本小车车架依然采用钢作为主要材料。车架材料通常是采用钢材料，基于本项目是要达到节能的效果，在同样强度下无需大的壁厚，因此我们选用的是结构钢，其杨氏模量为2X1()5MPa,泊松比为o.3,屈服极限为235MPa,计算结果中的最大应力小于235MPa即可满足强度要求。因此，对于车架的截面形状，我们取矩形截面梁，壁厚为L6mm。3Honda节能竞技小车车架的建模及有限元分析在论述完车架总体布置后，要对现有小车车架进行有限元分析，在有限元分析之前要利用Pro/E软件对车架建模，建模之后便可以利用ANSYS软件对小车模型进行有限元分析。而在建模和
27、分析之前，我们首先要了解有限元法的相关内容。3.1 有限元法的特性有限元法固有以下几个特性：对于复杂几何构形的适应性。由于有限元分析时常把几何体划分为单元，因此，由不同的单元，不论是一维、二维还是三维，可以组成不同的几何模型，这就很大程度上扩展了几何模型的范围，也就是说，不论几何体多么复杂，只要可以将其划分为有限个单元，就可以进行有限元分析。对于各种物理问题的可应用性。有限元分析法不仅可以对几何构型进行分析，它的应用领域非常广泛，对很多的物理问题（如流体问题）都可以进行分析。因此，有限元分析法已经成为分析中最基本有效的方法。建立于严格理论基础上的可靠性。有限元分析法通过对模型划分单元来完成对机
28、构的分析求解，只要在求解之前的数学模型是正确的，有限元法利用类似于微分的方法便可以精确求解每一个小单元的结果，最终得到整个机构的分析结果。很显然，随着单元尺寸的减小，有限元分析的精确度和可靠性将提高。适合计算机实现的高效性。有限元分析法显示给用户的是操作界面容易掌握，但实际上在计算机内部是通过编程语言进行的。就这一点而言，有限元分析法在计算机中的运用就显得极为有效，而且随着计算机技术的日益提高，有限元分析法分析工程中各种复杂模型的能力也与日俱增。5. 2有限元法的发展和现状近三十多年来，伴随着电子计算机科学和技术的快速发展，有限元法作为工程分析的有效方法，在理论、方法的研究、计算机程序的开发以
29、及应用领域的开拓诸方面均取得了根本性的发展。（1）单元的类型和形式为了扩大有限元法的应用领域，新的单元类型和形式不断涌现。例如等参单元采用和位移插值相同的表示方法，将形状规则的单元变换成为边界为曲线或曲面的单元，从而可以更精确的对形状复杂的求解域（或结构）进行有限元离散。再如在构造结点参数中同时包含有位移和位移导数的梁、板、壳单元，已满足分析工程实际问题中大量遇到该类结构的需要。构造以多个场变量为结点参数的混合型单元，以克服分析不可压缩介质以及板壳分析中遇到的数值上的困难。构造包括多种材料构成的复合单元，用来分析复合材料、夹层材料、混凝土等组成的结构。(2)有限元法的理论基础在提出新的单元类型
30、，扩展新的应用领域和应用条件的同时，为了给新单元和新应用提供可靠的理论基础，发展了混合型、杂交型的有限元表达格式，并研究了各自收敛性条件：将与微分方程等效的积分形式一加权余量法，用于建立有限元的表达格式，从而将有限元的应用扩展到不存在泛函数或泛函数尚未建立的物理问题；有限元解的后验误差估计和应力磨平方法的研究进展，不仅改进了有限元解的精度，更重要的是为发展满足规定精度的要求，以细分单元网格或提高插值函数阶次为手段的自适应分析方法提供了基础。(3)有限元方程的解法现在用于大型复杂工程为题的有限元分析，自由度达几十万个甚至上百万个已是经常的情况，这是与计算机软硬件发展相配合的大型方程组解法的研究进
31、展密不可分。有限元求解的问题从性质上可以归结为三类，即稳态问题。最后归结为求解矩阵元素在对角线附近稀疏分布的线性代数方程组。对于常见的结构应力分析问题。求解的是对应给定载荷的结构位移和应力。此类问题至今主要是采用直接解法，先后发展了循序消去法，三角分解法、波前法等。今年来，为了适应求解大型、特大型方程时减少计算机存储和提高计算速度的需求,迭代解法特别是预条件共挽梯度法受到更多的重视，并已成功的应用。特征值问题。它也是稳态问题，但是求解的是齐次方程。解答使方程存在非零解的特征值和与之对应的特征模态。在实际应用中，它们代表的可能是振动的固有频率和振型，或是结构屈曲的临界载荷和屈曲模态等。针对求解大
32、型矩阵特征值问题，先后发展了事迭代法、同步迭代法、子空间迭代法等。近十年多来，里兹向量直接叠加法和向量直接叠加法由于具有更高的计算效率而受到广泛的重视和应用。依赖于时间的瞬态问题。由于这类问题的方程是结点自由度对于时间的一阶、二阶导数的常微分方程组，求解的是在随时间变化的载荷作用下的结构内位移和应力的动态响应，或是波动在介质中的传播、反射等，所以此类问题的求解主要是采用对常微分方程直接进行数值积分的时间逐步积分法。依据所导致的代数方程组是否需要联立求解，可区分为时间步长只受求解精度限制的隐式算法，以及时间步长受算法稳定限制的显式算法。为了有效地求解不同刚度的介质、材料或单元尺寸在同一问题中耦合
33、作用所形成的方程，常采用隐式一显式相结合的算法。还需指出，动力子结构法（又称模态综合法）是动力分析中经常采用的非常有效的方法。它依靠先求解各子结构的特征值问题，然后只取其对结构响应起主要作用的振动模态进入结构的总体响应分析，从而可以大幅度缩减总体分析的自由度和计算工作量。3.3ANSYS的分析步骤ANSYS分析过程包括三个阶段：前处理、求解及后处理。前处理用于定义求解所需的数据，用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格剖分、控制节点和单元、以及定义耦合和约束方程，通过运行一个统计模块，用户还可预测求解过程所需的文件大小及内存需求。ANSYS程序提供了广泛的
34、模型生成功能，从而使用户可快捷地建立实际工程系统的有限元模型，ANSYS程序提供了三种不同的建模方法:模型导入、实体建模及直接生成。每种方法有其独特的特性和优点。用户可选择其一或其组合来建立分析模型。在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段以通过求解器获得分析结果。在ANSYS分析的该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS程序中的静力分析包括非线性，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触面等。非线性静力分析通常通过逐渐施加载荷来完成，以便能获得精确解。ANSYS程序的后处理过程紧接在前处理和求解过程之后，它可以通过友好的用户界面，很容易地获得
35、求解过程的计算结果并对这些结果进行运算。交互式后处理过程中，图形可联机输出到显示设备上，也可以脱机输出到绘图仪上。由于后处理阶段完全同ANSYS前处理和求解阶段集成在一起，故求解结果已存在于数据库且能立即查看。后处理访问数据集的方法可以检查整个模型或模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果。当数据从结果文件读出后，数据存于ANSYS程序数据库。3.4车架有限元模型的建立及分析现在进入本课题的重要部分，即有限元分析过程，在分析之前需要进行车架几何模型的建立和保存。1.4.1 车架有限元模型的建立几何平面模型可以通过两种方法建立：一种方法是手工建立，另一种方法是通过CAD软件建立。前一种方法常用于
36、简单结构的几何建模，如果结构复杂或者结构规模过大，其工作量十分繁重，并且其建模的精度也不高。后一种方法既适用于建立简单结构也适用于建立复杂结构的几何模型，使用面十分广泛。由于现在CAD软件在产品设计中的广泛使用，采用CAD软件建模可以有效的节省工作时间，提高建模的工作效率。Pro/E软件是大三时学习的一款三维绘图软件。小车车架的模型是多个杆件的连接，因此绘制并不复杂，我们通过在各种平面上的草绘和插入扫描伸出项，来完成各个钢管的绘制，有些绘制需要建立新的平面，则考察了学生建立参考平面的基本能力，最终，绘制完每个部位后，对车架整体脱壳，设置厚度为1.6mm,我校小车车架的完整车架的最终模型便完成了
37、，如图3.1所示：图3.1车架模型小车模型建立后存盘，车架具体各部分的尺寸如图3.2所示:图3.2车架尺寸1.4.2 将车架的几何模型转化为igs格式的文件要在ANSYS软件中显示几何模型,必须将保存后的.prt文件转化为.igs文件,Pro/E中文件转化可以直接进行，在主菜单中找到保存副本选项，选择文件类型为.igs格式，确定即可，在确定之后跳出对话框提示选择材料为实体，再次确定,这时车架.igs格式的几何模型文件便有了。这对之后的有限元分析是极为关键的一步，否则，几何模型的导入将是失败的。1.4.3 车架的有限元分析过程本节将对小车车架的有限元分析的过程进行具体的阐述，并希望得到最后的结果
38、是可靠的，而具体的结果分析及其可靠性将在下一节中讲述。3, 4.3.1设置材料参数启动ANSYS软件，设置分析类型为静态结构分析，然后设置结构的材料为结构钢，同时设置材料参数。材料定义的界面如图3.3所示：图3.3材料定义界面车架的材料参数如表3.1所示:表3.1材料参数材料类型弹性模量EX(N/mm?)密度DENS(kghwny)泊松比PRXY钢管210 4. 3. 4边界条件的定义小车车架在驾驶员乘坐后静止不动的载荷主要包括两个，一个是发动机的重图3.7车架应变7.85x1040.33.4.3.2导入几何模型这一步，将导入上面以.igs格式显示的几何模型。右击界面中Geometry选项，浏
39、览打开上述几何模型，便完成几何模型的导入。4, 4,3.3划分有限元网格然后，划分有限元网格。由于车架是以装配件的形式导入ANSYS软件的,因此在划分网格时相邻的零部件之间的连接处理尤其重要。零部件相接触的部位在划分网格时要一体划分，这样可以保证零部件在有限元软件中的有效连接。划分网格之前要定义划分网格的模型，通过选中整个车架后，插入划分网格的尺寸为15mm,得出划分网格后的车架有限元模型如图3.4所示。Umetry/曾MaK入PMtt55队”8Qzzj-图3.4车架网格划分的位置由图3.5所示:A:StalkStructural(ANSYS)StaticStnjcturdlTimt:1.$I
40、tems:10of13indicated2012/5/272024NS1SFixedSupportMA*dSupport2FixedSupport3ISIRdSupport4画Pressure:IMoo2MPa圜Pressure2:12e-002WIGPr6ur3:25002MP_eue4:4-002MPa300QO60074237K G*W*ry , CtX PeiM PfviwRpot Pr*iw/图3.6车架应力弯曲工况的位移分析结果如图3.7示:A:StaticStructural(ANSYS)TotalDoonTypeiTotDefonTkMionUnit:mmTn:12012/5/
41、2720x22IO.3MO6Max0296外-025983车架分析结果如下表3.2所示:表3.2分析结果工况最大应力(MPa)最大位移(mm)满载弯曲32.70.33由应力应变图可以看出，车架所受的应力最大为32.7MPa,应变的最大位移为0.33mm0结构静力分析的目的是根据有限元分析的结果数据对车架的强度进行评价。假设车架材料的屈服极限为K，在不同工况下计算出的最大复合应力为5,则车架结构的强度安全系数为：11=Ox/Omax当nl,说明在该工况下，车架结构的强度是符合要求的；否则，则说明车架结构强度不符合要求，将会发生强度破坏。很显然我们可以得到结论，小车车架的刚度和强度都是安全可靠的。
42、4小车车架的优化分析在这一章，将讲述如何对小车车架进行优化分析。主要内容有两个，一是对小车的结构提出优化的构想，二是对优化后的小车进行有限元分析，并具体阐述利用ANSYS软件对车架进行有限元分析的具体步骤。4.1小车车架的优化要进行小车的优化分析，首先要分析原车架的受力情况，观察车架的哪一部分受力较小，这样一来，如果可以减轻受力小的那部分车架，并且不影响车架的整体受力，则即能达到车架轻量化的目的又能使优化后的小车有很好的乘坐舒适性。由上面的分析我们知道，小车的前部由于只承受转向系的重量和人腿的重量,因而受力较小，并且驾驶员的腿部通过上下两根平行梁放在车架的前部，很显然,如果两根平行梁的距离过小
43、，则驾驶员的乘坐舒适性将不高，况且，车架前端放置驾驶员双腿的结构明显过于浪费材料，就上述的各种因素，我认为优化小车车架前端结构以达到车架轻量化的目的以及改变两根平行梁的结构以使小车有更好的乘坐舒适性是极为重要的。基于这种目的，现在以原车架的结构进行结构优化，将第一横梁上部的平行梁断开，成两根平行梁，以释放约束驾驶员双腿的空间，并用两根垂直梁支撑断开的两根平行梁，以保证足够的强度。而车架前端部分可以将两根侧梁变为平行梁，并用一根固定斜置的钢管固定车架前端剩余的部分。具体的操作将在小车建模时完成。4.2优化后小车车架的有限元分析本节将详细介绍有限元分析的操作步骤，最后给出分析结果。本次优化是在多次
44、设计后的基础上进行的，在前面绪论和车架总体方案论述中已经说过，小车的优化也是一个设计的过程，其中有很多设计的不合理处，通过多次对设计的车架进行有限元分析，才得到现在优化出的车架。在优化车架有限元分析之后，我们将具体从刚度和强度以及乘坐舒适性和轻量化两个方面阐述优化后的车架的优势所在。4.2.1优化后小车车架的建模经过上面的论述，在原有的车架模型基础上做相应的改动便可以得到小车车架的模型，如图4.1所示：图4.1优化车架模型4.2.2优化后小车车架的有限元分析本节将详细讲解如何利用ANSYS软件对优化后的车架进行有限元分析。本文将利用ANSYS软件中的Workbench模块进行分析。打开ANSY
45、S软件中的WorkbenCh模块，进入WorkbenCh的主界面，选择主菜单中filenew,新建一个文件，命名为优化车架。在名为ProjeCtSChematiC界面上将显示新建文件的操作框。下面对操作框中显示的步骤一一完成即可。4.2.2.1定义材料属性首先进行第一步，定义材料属性。双击EngineeringData,将进入材料定义界面,在这一界面中可以确定材料的类型以及材料的具体参数。首先在OUtlineFilter窗口中选择GeneralMaterial,在下面的窗口中选择StructuralSteel结构钢材料，并单击右面的加号添加材料类型，在下面的窗口中将显示结构钢的具体参数。定义的
46、材料界面如图4.2所示：图4.2优化车架材料定义界面4.2.2.2导入材料模型单击材料定义界面中的RetumToProject,回到操作流程窗口，找到窗口中的Geometry选项，选中右击选择InSertBrowse,出现浏览对话框，找到要进行分析的车架模型，格式为.igs,导入优化车架的模型即可。4.2.2.3划分有限元模型网格在操作流程框中双击MOdeL软件将自动打开另一个窗口，在这个窗口中我们可以对有限元模型划分网格、定义边界条件和求解结果。首先是对网格的划分，在划分网格之前需要先进行一些准备操作。我们要把材料的类型和参数赋予几何模型，选择界面左侧的GeOmetry旁边的加号，在出现的下
47、拉选项中选择Partl,选中整个几何模型，在界面的左下角将显示需要更改的一些参数，在这里结构钢是WorkbenCh的默认材料，因此不需要对这些参数进行更改。之后便可对几何模型进行网格划分，首先在左边的操作选项中找到Mesh选项，选中Mesh选项，右击选择InsertSizing,在左下角将显示一些参数的数据，在图形选择的工具栏中选择“体”的按钮，并选中几何模型，在定义网格尺寸的窗口中选择APPIy便可以定义整个几何体的网格，在网格尺寸窗口中更改EIememSiZe的数据为15毫米，即网格的尺寸为15mm。定义了网格尺寸后，右击Mesh选项，选择PreviewSurfaceMesh,在几何模型界面中将显示出车架网格划分后的模型，如图4.3所示：KGccmctryXPrewewXReportPrtview/图4.3优化车架网格划分4.2.2.4定义车架模型的边界条件在上一章中已经分析了车架静止时的受载情况，这里，将详细讲述车架约束和载荷添加
