基于有限元的車架靜強度分析模型建立

摘要：本章利用有限元專業(yè)前處理軟件ANSA對四輪車車架及懸架進行幾何清理、網(wǎng)格劃分和有限元模型的建立，用以評價該車架剛度，為車架的優(yōu)化提供準確模型。

關鍵詞：有限元;網(wǎng)格;模型

一、幾何清理及模型簡化

四輪車車架懸架系統(tǒng)有限元模型的建立要求能夠如實的反映車輛在正常使用過程中車架懸架系統(tǒng)受到的載荷，保證有較高的計算精度[1]。車架懸架各零部件間采用焊接方式連接而成，由于在仿真分析中沒有必要建立包括所有零部件的有限元模型，所以建模前對車架懸架整體結(jié)構(gòu)進行分析，確定各個零件對車架懸架結(jié)構(gòu)受力的影響，根據(jù)影響程度的不同確定該零件是否保留，如下圖1所示。

2抽殼及抽殼后模型的連接

二、抽中面及模型連接

車架和懸架系統(tǒng)主要由矩形截面管和少量的圓形截面管組成，而且其截面尺寸（包括直徑、壁厚）與構(gòu)件長度相比很小，其結(jié)構(gòu)非常適合選用殼單元來模擬，并且殼單元相對于實體單元計算速度更快、占用內(nèi)存更少，而計算精度相差很小，從而采取抽取中面的方式來建立車架的殼單元模型。由于車架和懸架各部分具有一定的厚度，抽中面完成后模型各部分不再相互連接，因此，還需將抽完中面的模型連接起來。為了確保連接符合車架和懸架的原始結(jié)構(gòu)特性，連接車架時要嚴格對照車架的原始三維幾何模型，盡量采取直接延伸面或延伸管來連接，保證與原始模型有相同的平滑過渡，保證受力不會出現(xiàn)突變，連接后的模型如圖2所示。

三、幾何模型的離散

由于整個模型的極度不規(guī)則，為了避免丟失模型的一些幾何信息，并考慮計算機的計算時間，必須定義合理的單元大小，此模型中將單元平均大小設為12mm，局部網(wǎng)格的尺寸為5mm左右[2]。同時，由于矩形單元較三角形單元有更高的精度，所以在劃分網(wǎng)格的過程中建立盡可能多的矩形單元。車架有限元網(wǎng)格模型如圖3所示，三角形單元占所有網(wǎng)格的0.92%，懸架網(wǎng)格模型如圖4所示。

四、模型組裝及參數(shù)設置

將車架與懸架進行組裝，四輪車車架剛度計算有限元模型如下圖5所示。組裝完成后進行模型的鏈接，組裝部分的鏈接主要通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈和球形鉸鏈進行連接，彈簧阻尼部件通過上文的彈簧阻尼單元進行連接如圖6所示。

車架-懸架組裝完成后，根據(jù)實驗報告提供的安裝尺寸建立彈簧阻尼單元。然后，根據(jù)實驗報告參數(shù)設置彈簧阻尼單元的剛度值、阻尼系數(shù)、預壓縮量和自由長度等。由于模型中有很多螺栓連接部件，所以在模型連接建立完成后還應建立自接觸，以防止發(fā)生車架及懸架自身發(fā)生穿透現(xiàn)象。

總結(jié)：本文以某四輪車車架為研究對象，對該車架進行了結(jié)構(gòu)處理，對鉸鏈連接、網(wǎng)格尺寸、結(jié)構(gòu)簡化等做了全面的考慮，建立了非常完善的有限元模型，為后續(xù)的靜態(tài)分析、瞬態(tài)分析提供了精確的模型保障。該研究對車架的強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有普遍意義，能有效的指導車架結(jié)構(gòu)強度分析中模型的建立和特殊結(jié)構(gòu)的處理。

參考文獻：

[1]王松.某商用客車車架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].華中科技大學碩士學位論文，2012，05.

[2]機械設計手冊中冊[M].化學工業(yè)出版社，第二版，1980：P782-P785.

作者簡介：

范芳（1985-），女，山東臨沂人，成都工業(yè)職業(yè)技術學院教師，主要研究方向為汽車方向 。