基于ANSYS的車架有限元模態分析

任錦濤，李建軍，杜明軒

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基于ANSYS的車架有限元模態分析

任錦濤，李建軍，杜明軒

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

文章針對CTX BJ1151VPFG-S車型，在ANSYS仿真平臺下對車架系統參數進行了整體設計，并完成了有限元靜力學分析和模態分析，確保車架的總成性能與匹配性。

ANSYS仿真；靜力學分析；模態分析

前言

車架作為汽車的承載部分，其結構的強度和剛度應滿足具體的使用要求[1]。本設計采用ANSYS仿真分析方法，基于具體車型設計了車架系統模型，并對所建立的模型進行靜力學分析和模態分析，完成車架的整體設計。

1 車架總成設計

1.1 車架長度和寬度確定

車輛的基本參數如表1所示：

表1 車輛基本參數

針對該車型，由外形尺寸可知，車輛總長為8445mm。為了仿真分析方便，取車架總長為8350mm。車架前懸和軸距分別確定為1150mm和4700mm。車架后懸取2500mm，車架寬確定為860mm。

1.2 車架縱梁和橫梁結構設計

根據所選車型的基本參數，選取車架縱梁為槽型梁。

為了確保車輛穩定性，以及車架模型的輕量結構化設計，車架縱梁斷面高度選擇為300mm。通過比較車輛參數模型，考慮到整車布置，車架的彎扭矩平衡，縱梁的翼寬大致選擇為90mm。根據實際加工過程中沖壓技術的考量，縱梁厚度確定為8mm。

該車架設計選擇為六根橫梁，出于實際考慮，六根橫梁的斷面形狀均選擇為槽型。前兩根橫梁分別用來支持水箱和發動機，保證發動機的散熱能力。第三根橫梁設計為拱形，主要用作支承與穩定車輛傳動軸。這樣設計有利于傳動軸的布置，可提升傳動軸的傳動空間。其余橫梁分別靠近鋼板彈簧，用于車輛減震與維系車輛穩定。

2 車架的有限元靜力學分析

2.1 有限元網格劃分

車架設計整體結構采用B500L鋼。劃分網格是，將單元尺寸確定為25mm。對車架的結構單元進行網格劃分后，共擁有節點數218684個，劃分網格共計109488個。

2.2 靜力負載彎曲

試驗對車架均勻施加約束。車架滿載靜態條件下的總變形如圖1所示。在受靜力負載彎曲狀態下，車架后部形變量最大，為3.78mm。通常情況下車架的彎曲撓度小于10mm，該車架在當前條件下滿足性能要求。由應力內部應力云圖可知，其最大應力為128Mpa。查閱相關手冊，材料的屈服強度為500Mpa。因此，在此工況下，車架設計滿足性能要求。

圖1 滿載位移云圖

2.3 非水平扭轉

在崎嶇路段低速行駛，易發生扭轉，因此需要根據行駛工況施加載荷。在本次設計中我們在確保其余車輪不受外部約束力的條件下，給車輛左前輪施加8mm的載荷移動量。在當前載荷工況下，最大變形發生在車架的左前部，如圖2所示，最大變形量為10.488mm。最大應力發生在汽車的懸掛與汽車車架交接之處。由云圖可以看出，最大應力大約為480Mpa，車架材料的屈服強度約為320Mpa，抗拉極限強度約為500Mpa，由分析結果可以看出，車架的最大應力大于材料的屈服極限強度，但小于抗拉極限強度。由此可以知，車輛在崎嶇路面低速轉彎時，車架發生瞬間扭轉變形，但此工況并不會持續發生，當汽車恢復直線運動時，由于車架材料沒有超過抗拉極限強度，變形恢復。因此，可得知車架在水平扭轉工況下的整體性能滿足改工況的要求。

圖2 車架扭曲變形局部應力云圖

2.4 橫向彎曲工況

橫向彎曲工況下，車輛產生向心加速度。在ANSYS中模擬加入2.5m/s2側向加速度載荷，得到其應力與位移云圖如圖3圖4所示，從對應云圖中可以看出，在此工況下車架的最大位移量為3.7mm,最大應力約為123.2Mpa，小于材料的屈服極限，因此車架的性能滿足設計要求。

圖3 橫向彎曲位移云圖

圖4 橫向彎曲應力云圖

2.5 緊急制動工況

對車架進行不同工況分析時，應當重點考慮車輛在緊急制動工況下的穩定性。當車輛處于半載或載質量大時，假定路面附著系數為0.6，并且假設理想條件下汽車車輪完全抱死，汽車的最大制動減速度為0.6m/s2。在此工況下施加載荷，得到車架的應力云圖及位移云圖如圖5圖6所示。由仿真結果可以看出，在此工況下車架的最大變相量為3.7mm，通常情況下，載重貨車在此工況下的最大變形量小于10mm，因此在該工況下，車架性能滿足設計要求。從應力圖中可以看出，其最大應力為126MPa，沒有超過車架材料的屈服極限。因此，該車架在此工況下，能夠滿足設計要求。

圖5 緊急制動位移云圖

圖6 緊急制動應力云圖

3 車架有限元模態分析

在進行車架結構設計時,模態分析主要用來獲得結構的固有頻率和振型[2]。此結構的模態分析只計算0～100Hz頻率范圍內的固有頻率和振型。對此車架進行有限元模態分析，提取了前12 階頻率，由于前六階的頻率都為0，所以我們從第七階開始提取頻率，各頻率值如表2。

表2 車架前六階模態分析結果

4 結束語

本文依據特定的車型，根據車輛的相關參數，設計了車架的結構參數，并根據設計的結構進行了有限元仿真，該車架的設計對提升車輛穩定性有很好的指導意義。

[1] 劉文軍,油磊.基于ANSYSworkbench的小車車架受力分析及優化設計[J].南方農機, 2018.

[2] 楊家印.基于ANSYS的某型客車車架結構的模態分析[J].中國新技術新產品, 2017(23).

Finite Element Modal Analysis Of Frame Based On ANSYS

Ren Jintao, Li Jianjun, Du Mingxuan

( Chang’an University Automobile School, Shaanxi Xi’an 710064 )

The article selects the Olympus CTX BJ1151VKPFG-S model, and designs the frame system parameters under the ANSYS simulation platform for the frame system of the whole vehicle, and completes the finite element static analysis and modal analysis to ensure the frame for assembly performance and matching.

ANSYS simulation; static analysis; modal analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.048

U463.32

A

1671-7988(2019)10-141-03

U463.32

A

1671-7988(2019)10-141-03

任錦濤，碩士，就讀于長安大學汽車學院，研究方向：車輛安全，車聯網。