基于ANSYS的車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度分析

1、 南京工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 基于ANSYS的車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度 分析 專 業(yè)： 車輛工程（汽車技術(shù)） 班 級： 汽車技術(shù)091 學(xué) 號： 215090105 學(xué)生姓名： 周文軍 指導(dǎo)教師： 陳茹雯 副教授 起迄日期： 2013.2.252013.6.3 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 車輛工程實(shí)驗(yàn)中心 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Graduation Design (Thesis) Analysis on The Stiffness and Strength of Body Structure Based on ANSYSByZHOU WenjunSupervised byAssociat

2、e Prof. CHEN RuwenNanjing Institute of TechnologyJune, 2013 摘 要 以有限元法為基礎(chǔ)的車身結(jié)構(gòu)分析已成為一種面向車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過程的分析方法，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程也隨之成為一種設(shè)計(jì)與分析并行的過程。車身作為車輛的重要組成部分，對整車的安全性、動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性及操控性有著重要的影響。在設(shè)計(jì)車身時，應(yīng)用有限元法對汽車車身骨架進(jìn)行靜、動態(tài)特性的分析，對其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行評價，對于進(jìn)一步了解車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，充分認(rèn)識掌握車身結(jié)構(gòu)分析方法，進(jìn)而對整個車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高整車性能，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，均具有重要的

3、意義。 本課題是采用有限元分析法對2046車身骨架結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡化，在ANSYS中建立其有限元模型，并按照實(shí)際載荷對車身進(jìn)行了靜力學(xué)分析，校驗(yàn)其強(qiáng)度和剛度，根據(jù)分析結(jié)果找出車身骨架結(jié)構(gòu)的危險斷面。同時對車身骨架進(jìn)行動態(tài)分析，并提取前十階模態(tài)，得到了車身固有頻率及相應(yīng)的振型。最后根據(jù)靜、動態(tài)的分析結(jié)果，對車身結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)意見。關(guān)鍵詞：車身；有限元法；靜力分析；動態(tài)分析32南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）ABSTRACT The structure analysis of car body based on the FEM is the fundamental approach in the pro

4、cess of car body design-oriented.Also,the whole process of car body design becomes parallel in design and analysis. As a very important part of the vehicle,the body has important influences on the vehicle's safety, power performance, economy, comfort and control.In the design of the body, the ap

5、plication of FEM for analysis of static, dynamic characteristics of the car body skeleton, and the evaluation of its structure strength and stiffness,have vital significances on the further understanding of the structure of the body stress and deformation, fully understanding the body structure anal

6、ysis method, and then the whole body structure design optimization, improving vehicle performance, shorting the product development cycle, and reducing the cost of development. This paper is applying the FEM to simplify the 2046 body frame structure appropriately.Then the finite element model is est

7、ablished in ANSYS. And in accordance with the actual load, the static analysis of the body is finished to check the strength and stiffness.Finally,according to the risk analysis results,this thesis has found the body frame structure of the fault surface.At the same time ,the dynamic analysis of the

8、body frame has been handled to calculate the ten orders natural frequencies for getting the body inherent frequency and the corresponding vibration model. Finally, according to the results of the static and dynamic analysis, this thesis has put forward some suggestions for improving the body structu

9、re.Keywords： Body；FEM；Static；Dynamic南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄 第一章 緒 論3 1.1 汽車車身結(jié)構(gòu)分析的意義3 1.2 課題研究的內(nèi)容.3 1.3 有限元法的基礎(chǔ)理論和ANSYS簡介.3 1.3.1 有限元法的發(fā)展.4 1.3.2 有限元法的基礎(chǔ)理論4 1.3.3 有限元法的應(yīng)用4 1.3.4 ANSYS簡介.5 1.3.5 汽車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的分析流程.5 1.4 本章小結(jié).5第二章 汽車車身結(jié)構(gòu)的有限元建模.6 2.1 建模的準(zhǔn)備工作.6 2.1.1 單元的選擇.6 2.1.2 模型的簡化處理.6 2.2 有限元模型的建立.7 2.2

10、.1 幾何模型.7 2.2.2 材料屬性、實(shí)常數(shù)的指定.7 2.2.3 網(wǎng)格劃分.7 2.2.4 車身載荷的處理.8 2.2.5 邊界約束的確定.9 2.2.6 有限元模型的生成.9 2.3 本章小結(jié).9第三章 車身結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析.11 3.1 車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度的分析指標(biāo).11 3.2 車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度的分析指標(biāo).12 3.3 強(qiáng)度分析.12 3.3.1 載荷及約束的處理.12 3.3.2 計(jì)算結(jié)果與分析.13 3.4 剛度分析.15 3.4.1 載荷及約束的處理.15 3.4.2 計(jì)算結(jié)果與分析.16 3.5 本章小結(jié).17第四章 車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析.18 4.1 模態(tài)分析的基礎(chǔ)理論.18

11、 4.2 車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析過程.19 4.3 模態(tài)分析結(jié)果及評價.23 4.4 本章小結(jié).24第五章 車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)意見.25第六章 結(jié) 論.27致謝29參考文獻(xiàn)30附錄A：英文資料31附錄B：英文資料翻譯.附錄C：其它資料.附件： 畢業(yè)論文光盤資料第一章 緒 論1.1 汽車車身結(jié)構(gòu)分析的意義汽車車身是駕駛員的工作場所，也是容納乘客和貨物的場所。車身應(yīng)給駕駛員提供良好的操作條件，給乘客提供舒適的乘坐條件，使他們能夠抵御汽車行駛時的振動、噪聲、廢氣的侵襲以及外界惡劣氣候的影響，并保證完好無損地運(yùn)載貨物且裝卸方便。車身結(jié)構(gòu)和設(shè)備還應(yīng)保證行車安全和減輕事故后果。車身應(yīng)保證汽車具有合理的形狀，在汽車

12、行駛時能夠有效地引導(dǎo)周圍的氣流，減小阻力以提高汽車的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)保證汽車行駛穩(wěn)定性和改善發(fā)動機(jī)的冷卻條件，并使室內(nèi)通風(fēng)良好。 在新車型的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，如何判斷車身結(jié)構(gòu)的合理性及車身結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)性能的優(yōu)劣，并對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，是一項(xiàng)十分重要的工作。1.2 課題研究的內(nèi)容本課題是采用有限元分析法對汽車車身骨架結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡化，在ANSYS中建立其有限元模型；按照實(shí)際載荷進(jìn)行靜力分析，校驗(yàn)其強(qiáng)度；找出車身骨架結(jié)構(gòu)的危險斷面；對車身骨架進(jìn)行動態(tài)分析，并提取前十階模態(tài)，對車身結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)意見。畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容：1自學(xué)有限單元法的有關(guān)內(nèi)容，自學(xué)并熟練掌握ANSYS軟件的應(yīng)用；2對204

13、6車身骨架結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡化，在ANSYS中建立其有限元模型，按照實(shí)際載荷進(jìn)行靜力分析，校驗(yàn)其強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度；3提取車身前十階自由模態(tài)，并定性分析其動態(tài)特性，找出車身骨架結(jié)構(gòu)的危險斷面，提出改進(jìn)意見。1.3 有限元法的基礎(chǔ)理論和ANSYS簡介有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。1.3.1 有限元法的發(fā)展有限元法是R.Courant于19

14、43年首先提出的。自從提出有限元概念以來，有限元理論及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。過去不能解決或能解決但求解精度不高的問題，都得到了新的解決方案。在有限元法應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展、求解精度不斷提高的同時，有限元法也從分析比較向優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。印度Mahanty博士用ANSYS對拖拉機(jī)前橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果不但降低了約40%的前橋自重，還避免了在制造過程中的大量焊接工藝，降低了生產(chǎn)成本。有限元法在國內(nèi)的應(yīng)用也十分廣泛。自從我國成功開發(fā)了國內(nèi)第一個通用有限元程序系統(tǒng)JIGFEX后，有限元法滲透到工程分析的各個領(lǐng)域中，從大型的三峽工程到微米級器件都采用有限元法進(jìn)行分析，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擁有廣闊的發(fā)展前景。目前

15、在進(jìn)行大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中的物理場分析時，為了估計(jì)并控制誤差，常用基于后驗(yàn)誤差估計(jì)的自適應(yīng)有限元法。1.3.2 有限元法的基礎(chǔ)理論 有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個域的滿足條件，從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。其基本思想是先將研究對象的連續(xù)求解區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體。由于單元

16、能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬成不同幾何形狀的求解小區(qū)域；然后對單元(小區(qū)域)進(jìn)行力學(xué)分析，最后再整體分析。這種化整為零，集零為整的方法就是有限元的基本思路。1.3.3 有限元法的應(yīng)用有限元法最初應(yīng)用在求解結(jié)構(gòu)的平面問題上，發(fā)展至今，已由二維問題擴(kuò)展到三維問題、板殼問題,由靜力學(xué)問題擴(kuò)展到動力學(xué)問題、穩(wěn)定性問題，由結(jié)構(gòu)力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、電磁學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，由線性問題擴(kuò)展到非線性問題，由彈性材料擴(kuò)展到彈塑性、塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料，從航空技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展到航天、土木建筑、機(jī)械制造、水利工程、造船、電子技術(shù)及原子能等，由單一物理場的求解擴(kuò)展到多物理場的

17、耦合，其應(yīng)用的深度和廣度都得到了極大的拓展。其在工程分析的作用已從分析比較拓展到優(yōu)化設(shè)計(jì)，并和CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）結(jié)合得越來越緊密了。1.3.4 ANSYS簡介ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAD工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析

18、)、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出，軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。1.3.5 汽車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的分析流程綜上所述，在全面了解和掌握有限元法基本思想和分析過程的條件下，得出進(jìn)行汽車車身結(jié)構(gòu)有限元分析的基本步驟： (1)對2046車身骨架結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡化； (2)在簡化的車身骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過單

19、元類型的選擇、網(wǎng)格的劃分、實(shí)常數(shù)的定義及相關(guān)載荷的施加，完成可供分析計(jì)算的有限元模型的建立； (3)進(jìn)行有限元模型相關(guān)靜力學(xué)和動力學(xué)分析計(jì)算； (4)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后期整理、分析和評定，最終完成有限元分析。1.4 本章小結(jié)本章主要介紹了本課題研究的意義和內(nèi)容，介紹了有限元法的基礎(chǔ)理論，對有限元法的基本思想和分析步驟作了簡要的闡述，同時對有限元分析軟件ANSYS的主要功能和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并在有限元法的指導(dǎo)下，應(yīng)用有限元軟件ANSYS提出了本文汽車車身結(jié)構(gòu)分析的基本流程，為后文關(guān)于車身骨架的有限元分析計(jì)算提供了方向指引，并為下一章節(jié)關(guān)于車身骨架的有限元建模奠定了基本思想。第二章 汽車車身結(jié)構(gòu)的有

20、限元建模 車身骨架是由許多薄壁桿件構(gòu)成的一個格柵桁架式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜，計(jì)算分析難度很高。因此，建立一個準(zhǔn)確、合理的有限元模型，對于汽車車身結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算和后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得相當(dāng)必要。2.1 建模的準(zhǔn)備工作 有限元分析的最終目的，是要再現(xiàn)實(shí)際工程問題的數(shù)學(xué)行為特征，也就是說分析對象必須是原物理模型的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型。因此建模的過程就是生成幾何模型并得到模型所包括的所有單元、節(jié)點(diǎn)、材料屬性、邊界條件以及實(shí)常數(shù)等其它一些用來表征原物理模型特征的一個過程。建立一個結(jié)構(gòu)合理的車身結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確深刻的反映它的基本特征和力學(xué)特性，并且計(jì)算強(qiáng)度小、精度高，這也是我們進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)建模的一個基本原則。2.1

21、.1 單元的選擇 考慮到車身結(jié)構(gòu)的受力特性，在選擇合適單元類型時，要考慮使其對幾何結(jié)構(gòu)有良好的近似，同時計(jì)算精度、計(jì)算機(jī)處理能力及配置等因素，單元的大小也要根據(jù)分析的具體情況來選擇。所以在本著計(jì)算精度高、收斂速度快、計(jì)算量小的原則下，一般選擇的客車車身結(jié)構(gòu)單元主要有空間梁單元、薄壁梁單元、薄板彎曲單元、膜單元、殼單元以及一些模擬支座或其他特殊單元。實(shí)際選用時，在保證車身結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的前提下，盡量選擇簡單的單元類型，這樣建立的模型除了滿足合理的結(jié)構(gòu)外，可以大大節(jié)約計(jì)算的時間，有效地提高建模的效率。本課題選擇了殼單元SHELL63來進(jìn)行建模。2.1.2 模型的簡化處理 客車的車身結(jié)構(gòu)是由復(fù)雜的空間

22、桿件、抗彎薄板、蒙皮及一系列內(nèi)外飾組成的空間結(jié)構(gòu)，在運(yùn)用有限元建立客車車身結(jié)構(gòu)模型時，若完全按照車身的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)來建立，理論上可以得到精確的分析結(jié)果，但是在分析過程中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、前后模塊處理和分析計(jì)算會耗費(fèi)很大的時間、人力和財(cái)力。因此需要結(jié)合分析的目的要求和實(shí)際情況(數(shù)據(jù)完整度、計(jì)算機(jī)的配置和時間等)，對模型進(jìn)行一定的簡化處理。本文在建模過程中對車身骨架采取了以下簡化措施： (1)略去蒙皮、次要桿件和非承載構(gòu)件。在客車車身結(jié)構(gòu)中，對一些輔助承載和工藝要求的構(gòu)件，如扶手、踏板支架、儀表盤支架、燈具安裝架、矩形管截面等忽略不計(jì)；(2)對于車身構(gòu)件上的一些安裝孔及倒角等，由于對車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布

23、和變形影響較小，建模時可以忽略不計(jì)；(3)對一些截面形狀不是很規(guī)范的構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕孛嫘螤詈喕?(4)對車身骨架結(jié)構(gòu)中距離相鄰且作用相同的構(gòu)件進(jìn)行合并為一個合體構(gòu)件。2.2 有限元模型的建立2.2.1 幾何模型 本課題所研究的車身幾何模型，如圖2.1所示。圖2.1 2046越野車車身幾何模型2.2.2 材料屬性、實(shí)常數(shù)的指定本課題中2046越野車車身所采用材料為08鋼，其具體材料參數(shù)如下表所示。 表2.1 車身材料參數(shù) 名稱密度（DENS）彈性模量（EX） 泊松比（PREX） 殼厚度 08鋼7.856E9 N /mm32.01E5 N *mm2 0.3 1.2mm 對于Shell63單元，用

24、戶需指定其單元厚度以模擬實(shí)際鋼板，點(diǎn)擊主菜單PreprocessorReal ConstantsAddEditDelete，在出現(xiàn)的對話框中點(diǎn)擊“Add”，選擇“Shell63”，完成對鋼板厚度的定義。2.2.3 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是有限元分析中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞將直接關(guān)系到計(jì)算求解的精確程度，一個好的網(wǎng)格劃分不僅可以有效的節(jié)約計(jì)算的時間，也是求解成功的關(guān)鍵。點(diǎn)擊主菜單PreprocessorMeshingMeshTool，出現(xiàn)以下命令框，選擇如圖所示的情況，點(diǎn)擊“Mesh”，在出現(xiàn)的命令框里選擇“Pick All”即可，網(wǎng)格化的車身結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖2.2 “MeshTool

25、”命令框 圖2.3 “Pick All”命令框 圖2.4 網(wǎng)格化的2046越野車車身結(jié)構(gòu) 2.2.4 車身載荷的處理在進(jìn)行分析的過程中，本文認(rèn)為整車模型的全部載荷由整車車身骨架來承擔(dān)。車身各處載荷情況如下表所示。 表2.2 車身各處載荷情況載荷位置載荷大小載荷位置載荷大小頂架縱梁中部 4*245N駕駛室縱梁中部2*735 N左一橫梁735 N右一橫梁735 N左二橫梁2*735 N右二橫梁 735 N左三橫梁735 N右輪包發(fā)電機(jī)784 N左后部水 294 N尾部縱橫梁交界處431.2 N左后門及備胎490 N右后門98 N2.2.5 邊界約束的確定 本文所采用的約束為點(diǎn)約束，分布在左右底架縱

26、梁上，其具體約束點(diǎn)坐標(biāo)為：左右底架縱梁共十二點(diǎn)，坐標(biāo)（-220）、（1068）、（1840）、（2700）、（3716）、（4310）。2.2.6 有限元模型的生成本文建立的車身骨架有限元模型共創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)815個，節(jié)點(diǎn)112829個，單元50191個，最終的整車車身骨架有限元模型如下圖所示。 圖2.5 2046越野車車身骨架有限元模型2.3 本章小結(jié) 本章在有限元基本思想和方法的指導(dǎo)下，歸納總結(jié)了客車車身骨架建模的方法和步驟，對2046越野車車身模型提出了相關(guān)合理的模型簡化方法，在建立的幾何模型基礎(chǔ)上，通過選擇恰當(dāng)?shù)膯卧愋?，合理的網(wǎng)格劃分與載荷施加，得到了可供分析計(jì)算的車身骨架有限元模型，為

27、本文后續(xù)對車身結(jié)構(gòu)的有限元靜、動態(tài)分析和提出改進(jìn)意見提供了良好的基礎(chǔ)保證。第三章 車身結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)構(gòu)分析是有限元方法最常用的一個領(lǐng)域，應(yīng)用有限元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，是一項(xiàng)綜合性的工作。車身結(jié)構(gòu)的靜力分析計(jì)算是結(jié)構(gòu)在固定不變的載荷的作用下的受力分析。固定不變的載荷是假設(shè)載荷隨時間的變化非常緩慢、微小，一般不考慮慣性和阻尼的影響。如果結(jié)構(gòu)受隨時間變化的載荷，靜力學(xué)分析也可以計(jì)算一些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響(如重力、離心力)，以及一些可以近似看作為等價靜力作用的隨時間變化的載荷。本文的靜力分析包括車身的強(qiáng)度和剛度分析。3.1 車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度的分析指標(biāo) 利用有限元對汽車的車身骨架進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算

28、分析，主要是研究車身骨架的結(jié)構(gòu)和材料在受到靜態(tài)載荷時，其所承受的最大應(yīng)力值不超過材料的許用應(yīng)力極限值，保證車身結(jié)構(gòu)及其零部件的正常使用功能。ANSYS提供了第一強(qiáng)度理論(S1)、第二強(qiáng)度理論(S2)、第三強(qiáng)度理論(S3)、應(yīng)力強(qiáng)度(SINT即stress intensity)和Mises等效應(yīng)力(Von Mises Stress)。第一強(qiáng)度理論主要考查絕對值最大的主應(yīng)力，一般多用于脆性材料的分析和研究。對于一般發(fā)生外力作用下的塑性變形材料分析時，多采用第三、第四強(qiáng)度理論。第三強(qiáng)度理論主要分析解釋了塑性材料是在遇到最大剪應(yīng)力的條件下，材料內(nèi)部發(fā)生了流動破壞而導(dǎo)致其出現(xiàn)塑性變形的現(xiàn)象，分析結(jié)果偏于

29、安全，多用于分析壓力容器等。應(yīng)力強(qiáng)度是由第三強(qiáng)度理論得到的當(dāng)量應(yīng)力，其值為第一主應(yīng)力減去第三主應(yīng)力。Mises等效應(yīng)力遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，認(rèn)為材料發(fā)生塑性變形是由形狀改變比能引發(fā)的材料流動破壞而引起的，其分析結(jié)果更符合實(shí)際一些，一般多用于分析鋼材等塑性材料。由于汽車的車身骨架采用不同截面和材料的型鋼，所承受的載荷非常復(fù)雜，包括拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等各種形式，對其進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析計(jì)算一般遵循第四強(qiáng)度理論。所以工程上通常應(yīng)用VonMises(米賽斯)準(zhǔn)則來判定車身材料是否發(fā)生塑性變形。其準(zhǔn)則定義為下式。其中：S1、S2、S3一第一、第二、第三強(qiáng)度理論下的三個主應(yīng)力； 一VonMises

30、應(yīng)力； 一材料的屈服應(yīng)力。本文根據(jù)VonMises準(zhǔn)則，通過對結(jié)構(gòu)分析得到的Mises等效應(yīng)力和推薦的安全系數(shù)下的材料許用應(yīng)力的比較，來進(jìn)一步判斷車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。3.2 車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度的分析指標(biāo) 由于汽車車身骨架的剛度在一定程度上對客車車身的強(qiáng)度、疲勞耐久性和NVH性(Noise噪聲、Vibration振動、Harshness聲振粗糙度)能等都有著非常大的影響，因此通過車身骨架的剛度來評價分析客車的整車性能，也是客車車身設(shè)計(jì)要求中不可忽略的一個重要環(huán)節(jié)。如果車身剛度設(shè)計(jì)不合理，在載荷的作用下，易引起門框、窗框和行李箱等部位的開口產(chǎn)生過大變形，輕者導(dǎo)致密封不嚴(yán)而發(fā)生滲風(fēng)、漏雨，

31、重者導(dǎo)致車門卡死而無法正常關(guān)閉，甚至擋風(fēng)窗玻璃被擠碎等問題。剛度設(shè)計(jì)不合理還會造成車身振動頻率降低、發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致噪聲和部件的疲勞損壞，以及破壞車身表面的保護(hù)層和車身的密封性，削弱車身抗腐蝕能力等問題。這些問題直接或間接地影響汽車的行駛平順性、操縱性能、強(qiáng)度、耐久性NVH(Noise Vibration and Harshness)性能及安全性能等。在各種靜態(tài)工況中，以汽車單輪通過障礙或凹坑時的扭轉(zhuǎn)工況最為惡劣，故對車身的靜力分析也大多是針對這種扭轉(zhuǎn)工況。本文對汽車車身剛度的評價是通過扭轉(zhuǎn)剛度來評定的。當(dāng)客車發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，可以通過扭轉(zhuǎn)剛度(GL)如下式所示來表征車身的抗非對稱扭轉(zhuǎn)變形的能

32、力。 其中：L一客車車身軸距； T一承受的扭矩； 軸間相對扭轉(zhuǎn)角。3.3 強(qiáng)度分析3.3.1 載荷及約束的處理根據(jù)上章約束條件的確定，在網(wǎng)格化后的2046越野車車身模型的左右底架縱梁上找到十二個約束點(diǎn)，選擇全約束“All DOF”，約束情況如圖3.1所示。按照上章表2.2的載荷情況給車身模型加載，加載后的情況如圖3.2所示。 圖3.1 車身模型的約束情況 圖3.2 車身模型的加載情況3.3.2 計(jì)算結(jié)果與分析 點(diǎn)擊主菜單SolutionSolveCurrent LS，出現(xiàn)如圖3.3的命令框，選擇OK，ANSYS軟件即開始進(jìn)行計(jì)算。 圖3.3 靜力計(jì)算命令框 計(jì)算結(jié)束后點(diǎn)擊主菜單General

33、PostprocPlot Results，點(diǎn)擊“Deformed Shape”，在出現(xiàn)的命令框里選擇“Def+undef edge”，可看到車身骨架邊界線的變形情況，如圖3.4所示。 圖3.4 車身骨架邊界線變形圖 選擇“Plot Results”下的Contour PlotNodal Solu，在出現(xiàn)的命令框（如圖3.5所示）里選擇stressvon Mises stress，點(diǎn)擊OK，軟件即開始計(jì)算。 圖3.5 應(yīng)力計(jì)算命令框 計(jì)算得到的應(yīng)力云圖如圖3.6所示。由圖可知，加載后車身骨架最大應(yīng)力為1198Mpa，出現(xiàn)在右一橫梁跟右一底架縱梁交匯處，如圖3.7所示，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了08鋼的強(qiáng)度極限

34、325Mpa。由圖3.8可看到較大應(yīng)力區(qū)都出現(xiàn)在所加載荷點(diǎn)處，而車身結(jié)構(gòu)主要應(yīng)力大小在0159Mpa之間，未超過08鋼的強(qiáng)度極限。由分析結(jié)果可知，該車身需要在底架縱橫梁交匯處做出改進(jìn)，使用更多的材料，或降低載荷等方法使應(yīng)力減小至材料的安全強(qiáng)度范圍內(nèi)。 圖3.6 車身靜態(tài)強(qiáng)度應(yīng)力云圖 圖3.7 車身最大應(yīng)力處 圖3.8 車身底部應(yīng)力圖3.4 剛度分析3.4.1 載荷及約束的處理本文車身扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算采取的加載方式為固定后軸中心位置，由前軸中心加扭矩，具體加載及約束情況：約束后軸中心左右兩側(cè)的平動自由度，在前軸中心附近YZ平面上找一點(diǎn)約束其Z方向自由度。在前軸中心兩側(cè)底架大梁上施加一對方向相反垂直

35、的集中力2000N。在網(wǎng)格化的車身有限元模型上按上段所述進(jìn)行約束和加載。點(diǎn)擊主菜單SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes，在后軸中心左右兩側(cè)選取節(jié)點(diǎn)約束其X、Y、Z三個方向的平動自由度。同樣在前軸中心附近YZ平面上選取一節(jié)點(diǎn)約束其Z方向移動自由度。如圖3.9所示。 圖3.9 車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算的約束與載荷圖 3.4.2 計(jì)算結(jié)果與分析 加載、約束后即進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)擊主菜單SolutionSolveCurrent LS，計(jì)算結(jié)束后，計(jì)算結(jié)束后點(diǎn)擊主菜單General PostprocPlot Results，點(diǎn)擊“Deforme

36、d Shape”，在出現(xiàn)的命令框里選擇“Def+undef edge”，可看到車身骨架邊界線的變形情況，如圖3.10所示。 圖3.10 車身骨架邊界線變形圖 選擇“Plot Results”下的Contour PlotNodal Solu，在出現(xiàn)的命令框里選擇DOF SolutionDisplacement vector sum，點(diǎn)擊OK即可得到扭轉(zhuǎn)位移圖，如圖3.11所示。由圖可知 圖3.11 車身扭轉(zhuǎn)位移圖 3.5 本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了2046越野車車身結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，包括車身的強(qiáng)度分析和扭轉(zhuǎn)剛度分析。章節(jié)中具體介紹了車身模型的約束和加載情況，以及軟件分析的具體操作過程。從分析結(jié)果來看

37、，該車身的強(qiáng)度并不滿足安全條件，在載荷加載處均出現(xiàn)了應(yīng)力偏大的情況，超過了所用材料08鋼的強(qiáng)度極限，但車身其他部位的應(yīng)力則均在安全范圍以內(nèi)，可以在車身主要承受載荷的部位進(jìn)行改進(jìn)。該車身的剛度也第四章 車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析 汽車車身骨架是車身結(jié)構(gòu)的承載基體，除了受到傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度載荷意外，還要受到各種各樣的動載荷，當(dāng)汽車行駛在起伏不平的崎嶇路面時，汽車的車身骨架要承受來自路面的各種激振，各個零部件及總成會產(chǎn)生各種形式的振動，這些振動會產(chǎn)生一定的噪音，同時會對整個車身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的疲勞破壞，更重要的是當(dāng)承受的激振頻率與汽車車身結(jié)構(gòu)的某一固有頻率相接近時，會引發(fā)結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。產(chǎn)生共振以后，車身結(jié)構(gòu)會引

38、發(fā)很大的動應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)的輕度破壞和大應(yīng)力變形，影響整車的安全使用性能，所以在汽車車身骨架設(shè)計(jì)中，除了滿足其強(qiáng)度、剛度的基本要求外，還要對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的模態(tài)分析。4.1 模態(tài)分析的基礎(chǔ)理論 模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，同時也可以作為其他更詳細(xì)的動態(tài)分析的起點(diǎn)，如瞬時動態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析和譜分析等。所謂模態(tài)分析即結(jié)構(gòu)固有振動特性分析。結(jié)構(gòu)固有振動特性只與本身的質(zhì)量及剛度分布情況有關(guān)，而與外載荷狀態(tài)無關(guān)，所以又稱作結(jié)構(gòu)自振特性，自振特性決定了結(jié)構(gòu)在外部動態(tài)載荷作用下的響應(yīng)行為。最常見的現(xiàn)象就是結(jié)構(gòu)在受到與自振頻率接近的載荷作用時產(chǎn)生的強(qiáng)烈動態(tài)響應(yīng)，即通常所說的共振。 ANSYS

39、軟件通過model分析模塊來求解結(jié)構(gòu)的固有振動特性，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。車身模態(tài)分析的意義在于： (1)通過模態(tài)分析，得到車身固有頻率和振型，可以使車身結(jié)構(gòu)的固有頻率錯開載荷激振頻率。載荷激振頻率主要是輪胎不平衡激振頻率(一般在l30Hz之間)和發(fā)動機(jī)怠速激振頻率(一般在2040Hz之間)，從而確定整車的動力學(xué)特性并控制車身振動和噪聲。尤其是車身整體結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)頻率，它是車身性能的關(guān)鍵指標(biāo)，反映汽車車身的整體剛度性能。對車身進(jìn)行模態(tài)分析有利于控制車身的固有特性，從而可以對車身設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面的評價和改進(jìn)； (2)根據(jù)初步計(jì)算得到的頻率值和振型，以及和以前其它車身模型的模態(tài)計(jì)算值或?qū)嶒?yàn)值

40、對比，以經(jīng)驗(yàn)判斷模型的力學(xué)特性與實(shí)際車身結(jié)構(gòu)是否存在較大的差異，以及判斷質(zhì)量和剛度分配是否合理： (3)通過車身模念計(jì)算，分析組成車身的各部件對車身剛度的作用； (4)通過模態(tài)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對比，分析車身模型的正確程度，找出誤差的原因，并對模型作相應(yīng)的修正，提高模型的準(zhǔn)確程度；(5)對車身的模態(tài)分析可以得到車身的固有頻率和振型，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，模態(tài)分析的結(jié)果也是對車身進(jìn)行進(jìn)一步動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。本文主要工作是提取車身前十階自由模態(tài)，并定性分析其動態(tài)特性，找出車身骨架結(jié)構(gòu)的危險斷面，提出改進(jìn)意見。4.2 車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析過程 在上章中進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析的車身有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行

41、模態(tài)分析，提取前十階模態(tài)。進(jìn)入主菜單SolutionAnalysis TypeNew Analysis，如圖4.1所示。 圖4.1 指定分析類型為模態(tài)分析 點(diǎn)擊“Analysis Options”，在出現(xiàn)的命令框里選擇模態(tài)分析方法“Block Lanczos”，指定模態(tài)提取階數(shù)為10，點(diǎn)擊“OK”后，在跳出的命令框里設(shè)定最大最小頻率為1000和1。如圖4.2、4.3所示。 圖4.2 提取前十階模態(tài) 圖4.3 設(shè)定頻率為11000 選擇SolutionLoad Step OptsExpansion PassSingle ExpandExpand Modes，彈出命令框4.4，輸入相應(yīng)值點(diǎn)擊OK。

42、 圖4.4 擴(kuò)展模態(tài)選項(xiàng) 選擇SolutionLoad Step OptsSolu Printout，在出現(xiàn)的命令框里選擇如圖4.5所示選項(xiàng)。選擇其下“DB/Results File”，在出現(xiàn)的命令框里選擇如圖4.6所示選項(xiàng)。 圖4.5 分析輸出控制選項(xiàng)1 圖4.6 分析輸出控制選項(xiàng)2 選擇完后即可進(jìn)行計(jì)算，選擇SolutionSolveCurrent LS，軟件即開始計(jì)算。計(jì)算完畢后則可進(jìn)行前十階模態(tài)的提取工作。選擇General PostprocRead ResultsFist set，然后再點(diǎn)擊PlotCtrlsAnimateMode Shape，在出現(xiàn)的命令框里選擇“OK”，即可看到第一階模態(tài)圖，如圖4.7所示。再選擇“Next Set”，點(diǎn)擊PlotCtrlsAnimateMode Shape，可看到第二階模態(tài)圖，如圖4.8所示。同樣，依次可得到其他各階模態(tài)圖，分別如圖4.94.1