|
| |
| 基于有限元法的微型客车车架结构的动静态分析 | |
| 徐晓娜 王卫英 | |
| 为节省流量，手机版未显示文章中的图片，请点击此处浏览网页版 | |
|
1 引言
计算机辅助工程分析CAE在汽车产品开发中发挥着越来越重要的作用，利用有限元法进行汽车零部件及整体的结构分析已成为缩短开发周期、降低开发费用和提高设计质量的主要手段之一。车架是汽车的重要组成部分，它不仅承受来自车身及车身附件的载荷，行驶过程还将承受来自道路的各种复杂载荷，并且汽车上许多重要总成件都是以车架为安装载体，因而其动静态特性直接影响整车的使用寿命、稳定性、舒适性、车内噪声等基本性能。利用有限元法对车架结构进行刚度校核、模态分析，对于保证车架设计的合理性、提高车架的的整体工作性能具有重要意义。
2 有限元模型的建立
本文采用CATIA软件进行车架的几何造型设计，CATIA具有强大的曲面造型功能，目前在航空和汽车行业应用十分广泛。几何模型建立后利用Hypermesh进行单元网格划分等前处理工作，提交到MSC.Nastran求解。Hypermesh是世界领先的、功能强大的有限元前置处理软件，它与大多数CAD和CAE软件具有良好的接口。与MSC公司的前处理软件MSC．Patran相比，Hypermesh具有更强大的几何清理工具以及更灵活的网格划分功能，它还提供了网格质量跟踪检查功能，尤其适用于模型庞大、形状复杂的汽车钣金类零件。MSC．Nastran是著名的结构有限元分析软件，其高度可靠性得到了工业界的一致公认，因此在汽车行业有非常广泛的使用。
车架的实际工况复杂多变，建立有限元模型时对CAD模型的简化重构是十分必要的。简化的原则是：最大限度地保留零件的主要力学特征；将小面合并成大面，并且相邻面应共用一条轮廓线，以保证各个面上划分出来的网格在边界处是共用节点，避免在边界处出现节点错开的现象。
车架有限元网格模型建立过程中进行了如下的技术处理：
(1)简化处理车架模型中一些小的结构，如去掉小于5mm的倒角，将特征尺寸小于8mm的孔填充，将高度低于3mm的凸台和沉孔去掉，对于不能去掉的孔、沉孔等，边缘线上应至少有4个节点。并尽量为偶数个；对于高度<5mm的加强筋，要放大其周围的单元长度，增大其倾斜角；车架结构的很多零件是左右对称的，网格处理时只需取一半划分，另一半按对称面镜像即可。
(2)翻边的简化：某些翻边对零件结构刚度的影响很小，可以忽略掉；对于起加强结构刚度作用的翻边，需要保留；车架纵梁上一些存在焊点的翻边，划分网格时尽量成划分两排或两排以上单元。
(3)连接的处理：车架结构中的零件连接方式主要是焊接，其次是螺接。而焊接又以点焊为主，小部分采用边焊(二氧化碳保护焊)。不同的连接形式采用不同的处理方法，点焊的简化方法是对CATIA模型中焊点的位置采用RBE2单元连接两构件附近的结点；边焊的处理则是在焊接处直接将两构件连接起来——即共用节点，如车架上管梁和纵梁的连接；螺接采用MPC主从节点法处理，主从节点约束3个方向的移动自由度，如车架与地板的连接。
(4)单元质量控制：对于网格的形状，主要控制歪斜、翘曲、长宽比、单元最大内角、单元最小内角、雅克比行列式值，这些质量控制因素直接影响计算的精度和收敛性。另外，单元划分以四边形单元为主，三角形单元总数不超过总单元数的5％。
根据车架结构的CAD模型建立有限元分析模型，对车架主要承载件进行有限元离散处理，车架有限元模型如图1所示。考虑到车架的零件基本上都是薄板类零件，以MSC．Nastran作为求解器，模型采用MSC．Nastran中的壳体单元，包含三种类型的单元：4节点壳单元QUAD4、3节点三角形单元TRIA3、刚性连接单元RBE2。车架结构的各组成零件主要采用lOx10mm的四边形板壳单元进行离散，兼用少量三角形单元以满足高质量网格的过渡需要；点焊和线焊均采用RBE2单元模拟。车架共有壳单元总数为65112，其中四边形单元总数为62863，三角形单元数为2249，三角形单元占单元总数的3.5％。
3 车架模态分析与结果
模态分析是汽车产品开发中结构分析的主要内容，尤其是低阶模态，能反映整体的刚度性能，常常作为控制汽车常规振动的关键指标。本次分析按自由边界处理，运用Nastran中的Lanczos法提取模态参数，对车架的振动响应影响相对较大的激励多集中在低频域，故本文只提取了前十阶频率值及振型(去除六阶刚体模态)，车架的固有频率特性如表1所示，车架的一阶扭转振型图和一阶弯曲振型图如图2和图3所示。 （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） | |
| 电脑版 | 客户端 | 关于我们 |
| 佳工机电网 - 机电行业首选网站 | ||