第2章 车架的静力学分析
2.1有限元软件简介
有限元法发展到今天，各种通用程序和专用程序求解功能都很齐全，并且己经商品化，前后处理方便，常用的有ANSYS，NASTRAN，ADI，ASKA，SAP等。本课题在研究中，选用了国际上通用的ANSYS软件。
ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件，功能完备的前后处理器使ANSYS易学易用、强大的图形处理能力及得心应手的实用工具使得使用者轻松愉快、奇特的多平台解决方案使用户物尽其用，多种平台支持（NT、LINUX、UNIX）和异种异构网络浮动，各种硬件平台数据库兼容，使其功能一致，界面统一。目前，ANSYS已经广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
ANSYS软件含有多种分析能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。 2.2 车架有限元模型的建立
本课题所研究的车架是我校汽车与交通学院实验中心的某车架，该车架主要由两根主纵梁，十二根中间横梁，两根前后横梁和两根边梁组成的焊接件。实物照片和参数如图2.1所示。
图2.1 车架实物图
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表2.1车架主要技术参数
名称 长×宽×高(mm) 轴数 轴距(mm) 额定载质量(kg) 内容 9015×2770×2030 2 3500 20000 在建立车架有限元分析模型时，主要考虑了以下问题：
(1)车架有限元分析模型应尽可能从几何特性及力学特性两个方面同时逼近车架真实结构，尤其是从动力学特性上进行逼近；
(2)在进行网格划分时，保证任意一个板壳单元的顶点同时也是其相邻单元的顶点；尽可能使单元形状规则，避免单元的某个边过长或者过短以及某个内角太大或者太小；某些部位允许其退化为三角形单元；某些通过焊接方法连接到一起的两个零部件重合部位的网格节点和单元应重合；
(3)对于一些很小的或者不重要的螺栓孔、铆接孔和过渡圆角，在建模的时候进行简化处理；
(4)为了提高计算精度，建模时根据半挂车车架结构特点和载荷分布特点，在可能产生应力集中或者应力急剧变化的部位网格划分比其它部分细密，由细到粗应逐步过渡，不应有网格尺寸上的突变。
在对该车架进行简化之后，选择在ANSYS中进行参数化建模。 2.2.1 单元类型的选择
单元类型的选择取决于结构的几何形状、载荷类型、计算精度的要求以及描述该问题所必须的独立空间坐标的数目。该车架的横梁和边梁采用了槽钢，选取弹性体单元Solid92。如图2.2所示。
图 2.2 单元类型选择图
定义材料密度为7.85×10-6kg/m2,如图2.3所示。
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图2.3 材料密度定义图
定义弹性模量为2.1×105MPa和泊松比为0.3，如图2.4所示。
图2.4 弹性模量定义图
定义完单元类型和材料属性后，利用构建体的方法构建出各个梁，运用布尔加运算，将各部分体合成一个整体，面不作布尔运算。简化后的车架如图2.5所示：
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图2.5车架整体图
2.3.2 网格的划分
划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。在对该车架划分网格时，由于该车架定义为体单元，所以采用体划分，将单元基本长度取为50mm，最终将车架离散成50256个单元，共96077个节点。如图2.6所示。
图2.6 车架有限元模型
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2.3.3 边界条件的建立
边界条件对于计算结果有很大影响，选定正确的边界条件是非常重要的。该车架是通过悬挂系统与车桥连接在一起，为了得到该车架在实际使用过程中的真实应力分布状况，正确的模拟悬架对于计算结果十分重要。又由于该车是多轴车，为静不定结构，为了得到车架结构的真实应力分布，必须考虑悬挂系统的变形情况。
在ANSYS中，选用弹簧单元COMBIN14和刚性连接单元MPC184来进行模拟。COMBIN14单元具有纵向的刚度和抵抗扭转的能力。MPC184单元是由一组通过使用拉格朗日算法来实现运动学上的约束的多点约束单元组成，可用于模拟两个变形体之间的刚性约束或常在工程实际应用中被用来作为传递力和力矩的刚性组件。将板簧与吊耳之间的节点进行自由度耦合，以保证它们具有相同的自由度。完成后的整车模型如图2.7所示。
图2.7 加入边界条件后的车架有限元模型
2.3 车架的静强度分析与计算
结构静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力(如重力和离心力)、位移载荷等。
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