汽车配件等等静态及模态剖析

　　1车架的CAD模型



　　该SUV车架结构复杂所以是基于Pro/e的Ansys实体建模。车架CAD和受力分析如1所示。



　　1车架三维及受力分析1中：两个F1的合力为车身压力，q为作用在车架上的载荷，l为车纵梁的长度，F2为两个前轮悬架的支撑力，F3为两个后轮悬架的支撑力，F4蓄电池(铅酸蓄电池)和散热器的重力，F5发动机离合器变速器的重力，F6为油箱和油的重力，F7为备胎和其支架的重力（F1为均布力，F2，F3为支反力，F4F7为集中力）。



　　2车架的有限元模型的建立



　　该6470型SUV车架由两根纵梁，前后副杠，四根横梁，一根扭转梁和一根变速箱横梁组成对称的结构。其中两根纵梁厚3mm长度为4280mm，1，5，6横梁都是空心圆管。纵梁和横梁用焊接和铆接的形式联结成坚固的刚性结构。本文建模过程中乎略掉直径小于5mm的圆、过渡圆角和倒角及一些非承载件，它们对车的变形和应力分布影响较小省略后可节省计算时间。4个车轮通过4个刚板弹簧共4个支点支撑车架，前后各两点。车架材料的杨氏模量Ex=2.01011Pa，泊松比=0.3，密度=7.85103kg/m3，材料的机械性能为：最小抗拉强度为510MPa最大抗拉强度610MPa，最小屈服强度为360MPa.因为车架长度大于厚度很多所以选择薄壳单元shell63来进行描述，选择三角形的参考面大小为4的智能网格划分，采用nastran中的mpc184以及rbe2模拟该车架的螺栓连接和焊点。划分后整个车架网分网格后包括66163个节点和40320个单元，纵梁取Y方向横梁取X方向。见2.



　　3静力学分析



　　静力学分析是满载时对车架的刚度和强度进行分析。汽车在实际中的工况很复杂，本文主要对弯曲和扭转这两种工况进行分析。



　　3.1载荷的处理



　　车身重量按均面载荷处理平均分配到车架上；发动机按集中载荷处理分配到其支承位置；变速箱、离合器、蓄电池、油箱等以静力等效的原则加在其相应的位置；车架自身重量简化为均布载荷对每个节点施加重量。



　　3.2约束条件的处理



　　根据有限元分析的理论可知必须对车架有限元模型加上必要的约束才能使有限元计算的结果具有唯一性。车架工作的主要支撑点是四个悬架。所以对悬架施加六个方向的约束。



　　3.3弯曲工况



　　静力学分析是指车架在满载时的结构的刚度和强度的分析，车架必需满足安求不允许出现断裂或塑性变形，也不允许发生面损坏。载荷处理，该车可乘坐5人按150kg计算重力以面载荷的方式分布到27根横梁和对应该的纵梁上；车架重量取惯性载荷，重力加速度为9.8m/s，方向与重力方向相反。



　　计算结果：车架变形如3所示：3中DMX示最　大位移。为了更　好的看清变形　方向，Ansys10.0将其变形放大。最大变形量为3.96mm出现在车架的中部扭转梁的周围，应力如4所示：SMX为最大应力SMN为最小应力。车架应力的最大值为10.5MPa，出现在车架前部的悬架处。



　　3.4弯扭工况



　　在此工况下车架满载的载荷处理和弯曲工况下一致，不同的是此时右后轮悬空，右后轮悬架处的约束取消，其它的约束是不变的。



　　计算结果：车架最大变形量为5.002mm如5所示。在车的右后部的第七梁附近，示5中DMX示最大位移。车架的最大应力出现在右前部悬架附近最大值为26.4MPa如6所示，示6中SMN为最大应力SMX为最小应力。



　　静态分析明该车架的强度能满足设计和使用的需求。



　　4模态分析



　　机械结构的动态特性用结构的振动模态参数来示，即结构的各阶频率，阻尼及振型。而系统的固有频率是系统的固有属性，不受其它因素的影响。



　　因此通过这些模态分析的结果就可以断定车架结构动态特性的优劣性。



　　4.1数学依据



　　根据达朗贝尔（DAlembert）原理，在结构承受的载荷中加入惯性力，建立动力学方程[M]{} [C]{} [K]{}={Fp}（1）



　　（1）式中[M]为结构总质量矩阵[C]为结构的阻尼矩阵{}为节点位移列阵[K]为结构总刚度矩阵{Fp}为节点等效载荷列阵。



　　在求结构的固有频率和振型时可不考虑阴尼的影响，在结构的动力学方程中令[C]=0同时令{Fp}=0得到无阻尼自由振动方程为：[M]{} [K]{}=0（2）



　　弹性自由振动的振型可分解为一系列的简皆振动的叠加，将其解设为{}={0}sin（x ）　　（3）



　　将（3）式代入式（2）中可得下面的齐次方程组：[K]-2[M]{0}=0（4）



　　在自由振动时，结构中各点的振幅{0}不全为零所以（4）式中括号内矩阵的行列式必为零，得到结构的自由振动频率方程为（K-2M）=0（5）



　　矩阵[K]和[M]都是n阶方阵，其中n是结点自由度数目，所以（5）式是关于2的n次实系数方程，从中解出n个实根2时（i=1，2，3，##，n），即特征值，按由小到大的顺序排列21



　　2#2n把任一2i代回方程组（4）可解出与其相对应的矢量{i0}（i=1，2，3，##，n）。



　　1，2#n就是结构的第一阶，第二阶到第阶的固有频率，与其对就的{10}，{20}#{n0}，刚是第一阶，第二阶，第n阶的主振型。



　　4.2分析结果



　　较低阶固有频率及相应的振型对动态特性的影响最大，所以在只研究前几阶的固有频率和振型就能满足分析的需要了。



　　本文利用Ansys10.0中的Blocklanczos法提取了空载约束时的前10阶固有频率和振型，前三阶振型如79所示。十阶模态频率见1.79中SUB代子步，FREQ代频率。



　　前10阶的模态分析结果明，此车架的第一阶固有频率偏低，说明此车架动刚度较小，需要进一步调整横梁的位置或改变横梁的截面形状和尺寸来提高刚度。



　　5结论



　　本文通过对该6470型SUV车架进行了有限元建模并对其进行了静态和动态的分析。结果明设计符合要求，刚度和强度还有一定的余量可以进行尽一步优化。第一阶固有频率偏低需改进车架结构来增加其刚度。



　



　



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