文档介绍：货车车架的有限元分析
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第 22 卷第 11 期 2005年11月
机械设计
J OU RNAL O F MAC H IN E D ESIGN
Vol. 22 . 11 No Nov. 2005
货车车架的有限元分析
尹辉俊,韦志林,沈光烈
( 广西工学院机械系,广西柳州 545006)
摘要: 以 Ansys 软件为例, 对某新型载重货车的车架进行了有限元分析, 研究采用壳单元离散车架及多点约束(MPC) 单元模拟铆钉传力建立计算模型的方法,并将该法应用于实际车架设计中。关键词: 车架; 有限元分析; 多点约束(MPC) 中图分类号: TP391. 72 文献标识码:A 文章编号:1001 - 2354 (2005) 12 - 0026 - 03 有限元法是近年来随着计算机的发展而发展起来的适用于各种结构分析的一种有效方法,在很多工程问题中得到了发展和应用。它将设计人员丰富的实践经验与计算机高速精确的计算完美结合,极大地提高了设计计算精度, 缩短了产品开发时间。车架是整个汽车的基体, 是整车性能的关键, 基于有限元法的车架设计,可以在设计阶段对车架的力学性能进行计算、分析、预测与模拟,可以对多种方案进行评估。其基本流程为: 根据要求确定车架初步的结构方案; 建立车架几何模型; 建立车架的有限元计算模型; 确定载荷和约束条件; 计算车架的刚度、强度、振动模态等关键性能指标; 将计算结果与设计要求对比,看是否符合要求; 提取设计变量,进行优化设计。载重货车的车架多为边梁式[1 ] ,即车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成,用铆接或焊接方式将纵梁和横梁连接成坚固的刚性结构。目前采用的车架有限元分析模型,一般分为梁单元模型和组合单元模型。梁单元模型是将车架结构简化为由一组梁单元组成的框架结构,以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性。此法无法详细分析车架应力集中问题,不能为车架纵、横梁连接方案提供实用帮助。组合单元模型则将梁单元和板壳单元相结合对车架进行离散处理。在实际工程中,车架是由一系列薄壁件组成的结构, 采用组合单元模型能更好地为车架设计提供帮助。现代货车的车架一般都是多层结构,各层间用铆接或焊接方式连接,这种形式的结构与具有连续横截面的车架不同, 其力的传递是不连续的。将车架离散成板壳单元后,如何模拟铆接或焊接的传力方式是车架有限元分析的一个难点。为此, 研究了用 MPC 单元来模拟铆接或焊接的传力方式,下面以 Ansys
p roperty plete deco upling , degree of f reedo m and outp ut of movement maintaining invariable , was o btained. The for2 ented , and t he shape and size of wo rking space were obtained and analyzed. pariso n was carried out wit h t he original coupling2ness and shape and size of working space etc. . It has
3 收稿日期:2004 - 11 - 30 ; 修订日期:2005 - 06 - 23
软件为平台,以柳州某汽车厂的某种新车车架设计为例进行说明。
1 PC 单元和 Shell63 单元简介 M
1. 1 PC 单元简介 M MPC (Multipoint Const raint Element s) 即多点约束,是用来描述 2 个或多个自由度之间的线性关系,如式(1) 所示:
R ∑ ju j j = 0
式中: u j ——节点或标量点的任何自由度; —
R j ——用户定义的比例系数。—
MPC 可以将两个节点之间的相关运动定义为 1 个自由度,
或者是将几个运动平均值定义为 1 个自由度, 可以在结构部件之间提供铰链或滑动连接, 可以获得作用于结构或结构部件上的合力, 可以将 1 个力分配到结构中的几个点, 可以定义节点的运动分量等。根据这些特点, 可以用 MPC 来模拟铆接或焊接的传力方式, 使车架的计算更精确[ 2 ] 。 1. 2 Shell63 单元简介 Shell63 可以承受平面内荷载和法向荷载。定义单元需要 4 个节点、个厚度、个弹性地基刚度和正交各向异性的材料。 4 1 单元每个节点具有 6 个自由度:沿节点坐标系 x , y , z 方向的平动和沿节点坐标系 x , y ,