基于Workbench的赛车车架模态分析
基于ANSYS Workbench的某汽车车架轻量化设计
基于ANSYS Workbench的某汽车车架轻量化设计李稳迪;刘大龙;张瑞;张凯;施伟辰【摘要】汽车车架是汽车的关键零部件之一,其作用是支承发动机、变速器、车身等结构,并接受来自发动机的动力,保证汽车的安全行驶.通过solidworks三维建模软件建立该汽车车架的实体模型,并利用ANSYS Workbench软件对其进行有限元分析,得出车架在弯曲工况、扭转工况及制动工况下的变形及应力分布情况.结果表明,该车架的强度远远低于材料的极限强度,满足使用要求,并且在轻量化方面具有较大的提升空间.文章通过结构优化设计,重新建立模型,使得车架自重比原来降低27.5%,实现了轻量化的目标,有利于节能环保.最后,对新模型进行了模态分析,得到其固有频率和固有振型,为车架的改进和优化提供参考依据.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2017(000)018【总页数】4页(P51-53,60)【关键词】汽车车架;有限元分析;轻量化;模态分析【作者】李稳迪;刘大龙;张瑞;张凯;施伟辰【作者单位】上海海事大学,上海 201306;上海海事大学,上海 201306;上海海事大学,上海 201306;上海海事大学,上海 201306;上海海事大学,上海 201306【正文语种】中文【中图分类】U463.32Abstract:Frame is one of the key components of the automobile, its role is to support the engine, transmission, body and other structures, and accept the engine to pass it to the power to ensure the safe driving. The 3D solid model of the automobile frame is established by solidworks software, and the finite element analysis is carried out by using ANSYS Workbench software. The deformation and stress distribution of the frame under bending, twisting and braking are obtained respectively.The results show that the strength of the frame is much lower than the ultimate strength of the material, satisfying the requirement of use, and has a large lifting space in light weight. The paper through the structural optimization design,re-establish the model, making the frame weight reduce 27.5% than the original,and achieving the purpose of lightweight,which is conducive to energy conservation and environmental protection. Finally, the modal analysis of the new model is carried out to obtain its natural frequency and vibration mode, which can provide reference for the imporvement and optimization of the frame.Keywords: automobile frame; finite element analysis; lightweight; modal analysisCLC NO.: U463.32 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-51-04 随着经济的增长和生活水平的改善，人们对汽车的使用越来越频繁，汽车的生产数量不断上升，节能环保已然成为当今社会发展的主流。
车架的模态分析知识讲解
车架的模态分析Frame模型的模态分析班级：T943-1姓名：王子龙学号：20090430124Frame模型的模态分析T943-1-24王子龙20090430124一、模型问题描述1、如图所示1，机架为一焊接件，材料为结构钢，在两根长纵梁的八个圆孔内表面采用CylinderSupport约束，分析结构的前6阶固有频率。
2、在短纵梁2另一侧增加一短纵梁，使其于短纵梁1对称，分析新结构的前6阶固有频率，并与原结构对比。
短纵梁短纵梁图1 机架模型二、模型分析（一）无预紧力情况1、导入模型：打开ANSYS Workbench，从左侧工具栏中双击Modal（ANSYS），右击A3项，右键选择Import Gemetry→Browse，找到文件Frame.x_t点击打开，然后双击A4栏，打开Mechanical窗口。
2、施加约束：选择左侧结构树中的Modal，选择两根长纵梁的八个圆孔内表面，右键选择Insert→Cylindrical Support，如图2所示。
图2 八圆孔内表面施加约束3、在solution（A6）中插入Toal Deformation，点击Solve求解，求解结果如图3所示。
图3 无应力时的变形图及6阶频率（二）有预紧力情况1、回到Workbench界面，从左侧工具栏中的Static Structural(Ansys)拖至A4栏，如图4所示，双击B5栏，进入Mechanical窗口。
图4 拖拽Static Stuctual(ANSYS)到A42、按住“shift”键，选择A5分支中Cylindrical Support，右键选择Copy，右键单击B5项，选择Paste。
3、在Static Structual（B5）中施加载荷：选择焊接件底面insert→Force，Force=4000N，如图5所示。
图5 施加预紧力4、在Solution（B6）中插入Equivalent Stress，点击Slove求解，如图6所示。
基于ANSYSWorkbench车架的有限元分析和轻量化研究
基于ANSYS Workbench车架的有限元分析和轻量化研究作者：赵艳梅郑艳萍来源：《科技风》2018年第34期摘要：本文基于ANSYS Workbench仿真平台，以云南红塔金麒麟、玉麒麟系列卡车车架为研究对象，实现对车架的静力学分析和轻量化研究，为车架的设计和优化提供参考。
关键词：有限元建模；静力学分析；轻量化设计随着社会对节能减排的要求越来越高，汽车的轻量化已成为汽车领域的重要发展方向之一，而车架是汽车的重要部件之一，约占据着汽车重量的1/10，因此车架便成为汽车轻量化的首要目标。
1 车架的有限元建模有限元建模是有限元分析过程中的第一个重要步骤，本文采用 ansys Workbench 15.0版本，对云南红塔金麒麟、玉麒麟系列卡车车架进行有限元分析。
车架采用的材料为Q345，该车架全长6924mm，轴距3500mm，前端宽835mm，后端宽745mm，由左右2根纵梁和8根横梁组成，是一个典型的边梁式结构。
基于相关建模原则和网格划分方法，依次实现了：1车架几何模型的建立-考虑到车架结构的复杂性，为了提高建模效率，本文选用建模功能强大的SolidWorks软件建立几何模型；2单元类型的选择-车架纵、横梁建立为面模型，吊耳结构建立为实体模型，悬架系统采用弹簧单元来模拟，Workbench自动识别后，分别采用SHELL181，SOLID186和COMBIN14三种单元进行模拟；3连接关系的模拟-在Workbench中，纵梁和横梁以及纵梁和吊耳均采用Bonded接触关系，而悬架系统采用弹簧单元模拟板簧；4有限元网格的划分-依据网格划分标准，并结合计算精度和成本，对车架进行了合理的网格划分。
通过这一系列过程，建立了车架的有限元模型，为后文的分析打下了良好的基础。
2 车架的静力学分析有限元法对车架进行静力学分析，可以得到车架在静态载荷下的变形和应力分布情况，并可预知车架的薄弱位置，为车架的设计和优化提供指导和参考。
workbench模态分析.pdf
Workbench -Mechanical Introduction第五章模态分析简介Training Manual •在这一章中，将介绍模态分析。
进行模态分析类似线性静力分析。
–假设用户已学习了第4章线性静力结构分析部分。
•本章内容:–模态分析步骤–有预应力的模态分析步骤•本节所述的功能，一般适用于ANSYS DesignSpace Entra及以上版本的许可。
Training Manual模态系统分析基础•对于模态分析，振动频率ωi 和模态φi 是根据下面的方程计算的出的：2•假设:[][](){}0=−iiM K φω–[K] 和[M] 不变:•假设材料特性为线弹性的•利用小位移理论，并且不包括非线性的•不存在[C] ,因此无阻尼•无{F} , 因此无激振力•结构可以强迫振动也可以不强迫振动–模态{φ} 是相对值，不是绝对值A.模态系统分析步骤Training Manual •模态分析与线性静态分析的过程非常相似，因此不对所有的步骤做详细介绍。
用蓝色斜体字的步骤是针对模态分析的。
–附加几何模型–设置材料属性–定义接触区域(如果有的话)–定义网格控制(可选择)–定义分析类型–加支撑(如果有的话)–求解频率测试结果–设置频率测试选项–求解–查看结果…几何体和质点Training Manual •模态分析支持各种几何体：实体, 表面体和线体–,•可以使用质量点:•质点在模态分析中只有质量（无硬度）。
质点在模态分析中只有质量（无硬度）•质量点的存在会降低结构自由振动的频率。
•材料属性: 杨氏模量,泊松比, 和密度是必需的。
密度是必需的Training Manual… 分析类型Training Manual •从Workbench的工具栏中选择“Modal”指定模型的分析类型。
•在Analysis Settings中:–提取的模态阶数：1到200（默认的是6）。
–指定频率变化的范围（默认的是0到1e+08Hz）。
车架模态分析报告(两篇)
引言：车架模态分析是一种重要的工程分析方法，用于评估汽车车架的振动和模态特性。
在汽车工程设计和制造的过程中，车架的振动特性对汽车性能和舒适性都有重要影响。
本报告旨在通过对车架模态分析的研究，为汽车工程师提供有关车架振动特性的详细信息，以帮助提高汽车的性能和舒适性。
概述：本文将通过对车架模态分析的深入研究，从多个方面详细阐述车架振动和模态特性的影响因素，并提出相应的解决方案。
首先，我们将介绍车架振动分析的背景和意义。
然后，我们将从刚度、材料、结构、载荷和边界条件等方面，分析车架振动的影响因素。
接下来，我们将详细介绍车架模态分析的方法和工具。
最后，我们将总结本文的主要观点，并提出一些建议和展望。
正文内容：1. 车架振动的影响因素1.1 刚度：车架的刚度是影响振动特性的重要因素之一。
在模态分析中，刚度可以通过改变结构形状、材料和壁厚等来调节。
1.2 材料：车架的材料也会对振动特性产生影响。
不同的材料具有不同的弹性模量和阻尼特性，会直接影响车架的振动频率和振幅。
1.3 结构：车架的结构形式和连接方式也会影响振动特性。
结构的设计应考虑到振动特性的优化，如加强部分、裁剪冗余部分等。
1.4 载荷：车架所承受的载荷也是影响振动特性的重要因素。
不同的载荷会导致不同的振动模态，需要合理设计来满足振动要求。
1.5 边界条件：车架与其他部件的连接方式和边界条件也会影响振动特性。
合理的边界条件可以减少振动传递和噪声的产生。
2. 车架模态分析的方法和工具2.1 有限元分析：有限元分析是车架模态分析中最常用的方法之一。
它通过将车架划分为多个小单元，建立数学模型并进行求解，来获得车架的振动特性。
2.2 模态测试：模态测试是直接测量车架振动特性的一种方法。
通过在实际车架上安装加速度计等传感器，可以记录下车架在不同频率下的振动模态。
2.3 优化设计：通过模态分析获得的振动特性信息，可以对车架进行优化设计。
从材料选择、结构调整到边界条件的改变，都可以用于改善车架的振动特性。
车架模态分析报告(一)
车架模态分析报告（一）引言概述：
车架模态分析是车辆工程领域重要的研究方向之一，它通过对车辆的结构进行模态分析，以获取车辆在振动中的模态特性，从而为车辆结构的优化设计提供依据。
本文将对车架模态分析进行深入研究和探讨，以期为车辆工程领域的研究提供参考。
正文：
1. 车架模态分析的意义
- 了解车辆在振动条件下的模态特性
- 提供车辆结构设计的优化方案
- 提高车辆的安全性和稳定性
- 降低车辆噪音和振动的水平
- 为车辆疲劳寿命和可靠性评估提供依据
2. 车架模态分析的方法
- 有限元分析法
- 模态测量法
- 振动试验法
- 数值模拟法
- 动力学响应分析法
3. 车架模态分析的关键技术
- 模态参数的提取和分析
- 模态振型的绘制和对比
- 模态频率的计算和验证
- 模态传递函数的建立和分析
- 模态质量和阻尼的评估
4. 车架模态分析的应用领域
- 汽车工程
- 铁路工程
- 航空航天工程
- 船舶工程
- 工程机械
5. 车架模态分析的挑战和发展趋势
- 多物理场耦合模态分析
- 多尺度模态分析
- 自适应模态分析
- 模态分析与优化设计的一体化
- 车辆动力学与模态分析的融合
总结：
通过对车架模态分析的研究和探讨，可以深入了解车辆在振动条件下的模态特性，为车辆结构的设计提供优化方案，并提高车辆的安全性、稳定性和舒适性。
车架模态分析在汽车工程、铁路工程、航空航天工程、船舶工程和工程机械等领域有着广泛的应用。
未来，
车架模态分析将面临多物理场耦合、自适应性和一体化设计的挑战，在融合车辆动力学分析的基础上不断发展和完善。
基于ANSYS Workbench的BSC赛车车架轻量化设计
基于ANSYS Workbench的BSC赛车车架轻量化设计陈展;周庆辉;邱星慧;孙彦潇【期刊名称】《北京建筑大学学报》【年(卷),期】2017(033)002【摘要】汽车的行驶阻力对动力性和燃油经济性有很大的影响,影响行驶阻力大小的参数有车重、车身外形、车速及加速度等.根据BSC越野比赛的要求,本文选择从减轻赛车重量出发来进行赛车车架轻量化设计.首先建立车架三维模型,导入ANSYS Workbench中建立有限元模型,施加载荷和约束,对车架在高速转弯、紧急制动两种工况下的应力分布及车架位移进行有限元分析.然后根据分析结果,在保证车架可靠性的情况下改进车架,减轻车架自身重量,以达到轻量化设计的目的.最后再对改进后的车架进行两种工况下的有限元分析,重新验证其可靠性.仿真结果表明优化后的车架的安全性比优化前有明显的提高,并且车架的质量降低了15.7%,提高了赛车的动力性.【总页数】6页(P41-46)【作者】陈展;周庆辉;邱星慧;孙彦潇【作者单位】北京建筑大学机电与车辆工程学院,北京100044;北京建筑大学机电与车辆工程学院,北京100044;北京建筑大学机电与车辆工程学院,北京100044;北京建筑大学机电与车辆工程学院,北京100044【正文语种】中文【中图分类】U463.321【相关文献】1.基于ANSYS Workbench的BSC赛车车架轻量化设计 [J], 陈展;周庆辉;邱星慧;孙彦潇2.基于ANSYS Workbench的某轻型货车车架轻量化设计 [J], 朱晓鹏;张纪鹏;程联军;邹荣国;彭升3.基于ANSYS Workbench的某汽车车架轻量化设计 [J], 李稳迪;刘大龙;张瑞;张凯;施伟辰4.基于ANSYS Workbench的FSAE赛车轮芯轻量化设计 [J], 墨海波5.基于ANSYS Workbench的某卡车车架轻量化设计 [J], 黄立君;万明军;高志刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ANSYS Workbench的某车架有限元分析及轻量化研究
基于ANSYS Workbench的某车架有限元分析及轻量化研究
车架是汽车的主要承载结构,在行驶过程中受力复杂,其强度、刚度和动态特性关乎着整车的安全性和舒适性,对整车性能的优劣有着至关重要的影响。
传统的车架设计多是基于理论和经验,过程复杂,周期长,且难于开发新型车型,这与现代汽车制造技术的要求是不匹配的。
随着国家智能制造和节能减排的提出,计算机辅助设计及轻量化设计的广泛应用,工程师在设计初期和进行试验测试之前,运用有限元技术对车架结构进行分析,了解设计的缺陷和优化的空间,对于现代车架结构的设计和优化具有重大意义。
本文以某卡车的车架结构作为研究对象,深入探讨了该车架的静、动态性能,为车架的结构参数优化设计提供参考,为车架结构轻量化设计提供依据。
本文采用ANSYS Workbench软件,建立了该车架的有限元模型,对其进行了静力学的分析,并分别在满载弯曲、满载弯扭、紧急制动、紧急转弯等4种典型工况下,得到了该车架结构的应力和变形分布,对车架的强度和刚度进行了校核,确定了该车架结构的薄弱部位和优化空间之后,对该车架结构进行了模态和随机振动分析,得到了该结构的固有频率和振型,并结合路面不平度空间功率谱密度,得到了该结构在路面随机激励下的强度和刚度状态;最后,基于静力学分析的结果,采用响应曲面优化法,以车架厚度为优化变量,以车架最大应力和最大变形为状态变量,以车架重量最轻为目标函数,建立了车架优化设计模型,最终实现了该卡车车架的轻量化和参数化设计。
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基于Workbench 的赛车车架模态分析
摘要：参照中国大学生方程式汽车大赛竞赛规则，利用SolidWorks 软件建立了车架三维模型，在Workbench 中建立车架梁单元模型，并对车架进行模态分析，求取其前阶模态频率，并利用其振型动
画，找到试验模态的最佳激励点和悬挂点，接着通过试验模态的方法对车架
进行模态测试，将试验数据与仿真结果进行对比，前五阶频率误差不超过
2Hz,结果表明，通过梁单元建立的车架模型会有较高的精
度，可以进行后续的优化设计。
关键词：赛车车架；固有频率；模态测试；模态分析车架作为赛车总成最重要的一部分，其上安装着所有的
零部件，承载着来自各个系统的载荷，车架的结构设计在汽车总体设计中显得非常重要。
赛车车架承受着来自道路的各种复杂载荷，在行驶时会由于各种不同振动源激励而产生振动。
由于全国方程式赛车比赛时在良好道路条件下进行的，因此路面的激励不是主要激励，发动机激励为赛车车架的主要激励源。
本文采用有限元软件Workbench 对某赛车车架进行模态分析，并与实际试验数据进行对比，结果表明利用梁单元建立的车架模型具有较高的精度，可以利用此模型进行后续的优化设计。
1.发动机激励分析
发动机激励是整车最为重要的激励源，如果车架的某阶
频率与发动机激励频率接近，车架将会发生严重的振动，从
而影响赛车的平顺性及可靠性。
方程式赛车采用CRF-450单缸4 冲程发动机，转速区间900-9500r/min 。
发动机2 阶点火激励为最主要的激励，其频率可以表示为：
2.车架模态测试
2.1模态试验原理试验时赛车车架采用自由悬挂方式，赛车车架用四
根弹
簧绳悬挂，模拟自由约束状态。
试验原理图如图1 所示，由
于赛车车架质量只有32.6kg,使用激振器不方便安装，试验
过程中容易晃动造成试验数据不准确，所以试验时使用50KN
的冲击力锤产生激励信号。
6 个单向加速度传感器，用于测
量各拾振点的振动信号，DH8302 采集系统用于数据采集及
分析。
加速度传感器通过磁座安装在车架钢管上。
2.2模态测试测点和激振点选择与布置方案根据赛车车架的结构特
点，对其进行模态测试时，布置
了一个激振点，57 个测点，分别测取x、y、z 三个方向的加取平均值，模态测试测点及激振点布置如图3 所示，其中红色点位测点位置。
速度信号，为提高测试结果的精度，每个测点敲击4 次，求
2.3模态试验结果
模态试验结果如表 2。
3. 试验结果分析讨论
3.1 车架有限元模型的建立
赛车车架是由钢管拼焊而成的结构，建立有限元模型，
先由 SolidWorks 软件建立结构实体，然后转化为 件或 igs 格式文件输入到 Workbench 系统生成。
建立有限元 模型时，忽略了局部的棱角、支耳等，把由焊接形成的组合 零件构造成为一整体零件，不考虑焊缝的影响。
车架材料为结构钢，总质量为 32.6Kg 。
在进行计算时取
密度P =9.15 X 103 kg/m3 ;杨氏模量 E=200Gpa ；泊松比卩=0.3。
划分网格时，网格尺寸设计为2mm 。
计算结束后，得到17100 个单元， 34147 个节点。
3.2 试验和计算结果分析对比 通过对车架的有限元模型进行自由模态分析计算，由于
发动机常用转速对应的激励频率不超过 70Hz ，所以提取车架 前 5 阶低阶模态，得到车架的固有频率和振型等模态参数。
比较结果表明，有限元模型计算得到的固有频率与试验
得到的频率误差不超过 5%，说明有限元模型比较精确，理
论计算结果可信，用所建立的有限元模型很好地反映了实际 结构的振动特性。
试验数据表明，该车架的前 5 阶频率集中 在40-90HZ 之间。
发动机怠速频率为 7.5Hz ,车架1阶模态频 率在 40Hz 左右，远离发动机怠速激励频率段，在怠速阶段 车架振动不会与发动机激励产生共振；发动机常用转速工作 频率为45.83-62.5 Hz ,而该车架的 1、2阶频率为39.47Hz 、 57.24Hz ,处于发动机工作频率段之间， 这很有可能引起车架 的共振，应适当调整车架结构，使其 1、 2阶频率避开发动
x_t 格式文 有限元计算模态与试验模态的结果对比见表 2。
机工作频率范围。
4 结论车架的共振现象会造成车架的破坏，大大降低了车架的
使用寿命，所以在车架结构设计的时候要避免产生共振。
本文利用有限元方法对车架进行模态分析，得到了某赛车车架的前5阶固有频率及振型，结合试验数据，验证了模态分析
的正确性。
观察振型可知，车架纵向方向的刚度不过，车架容易发生弯曲变形，因此纵梁应选用刚度更好的材料或则增加原钢管的直径。
模态分析和试
验结果表明，该赛车车架的频率分布比较合理，振型平滑，但是部分固有频
率处于发动机激励频率范围内，在行驶过程中可能出现大幅振动，以致损坏车架结构。
参考文献
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43-48.
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[3] 刘萌.车架试验模态分析及其结构动力修改研究[D].
西安：长安大学，2009.。