基于ANSYS的车架结构优化设计
基于ANSYS的车架结构优化设计
1.3 本文的主要研究内容
本文以某运油车的车架为研究对象， 运用 CATIA 软件对车架模型进行简化与 建立，利用 ANSYS 对车架进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束。 对车架进行包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，对 位移图与应力图进行分析， 为提高车架与整车的设计水平提供了理论基础，对提 高安全性与节能提供了理论价值。同时也对车架进行了模态分析，得出固有频率 与振型图， 提高整车的设计水平， 对提高乘坐舒适性与避免共振提供了理论支持。
2 基于 CATIA 与 ANSYS元分析分为三个阶段， 即前处理是对几何模型划分网格，建立能够求解 的有限元模型；处理是施加作用力，进行自由度约束，建立边界条件进行求解的 过程；后处理是使用户查看求解分析结果，分析计算问题的实质，方便后期研究 分析。 （1） 有限元法的分析步骤 有限元求解问题的基本步骤包括： ① 结构离散化。 ② 选择位移模式。 ③ 分析单元的力学特性。 ④ 把所有离散单元的平衡方程整合成一个整体平衡方程。 ⑤ 由平衡方程求解节点位移。 ⑥ 计算单元应变和应力。 （2） 有限元法的特点 ① 对复杂几何构形的适应性 单元具有良好的空间性， 并且具有不同的形状与连接方式，在实际的应用领 域中许多繁琐复杂不规则的结构都可以进行网格划分建立有限元模型。 ② 对各种物理问题的适用性 由于场函数形式并未受到限制，因此适用于各种力学，电磁学等有关问题， 而且还可以用于相互耦合的各种物理有关的问题[7]。 （3） ANSYS 单元库体系 ANSYS 单元库体系中有对各种问题分析时所需的单元类型，每种单元类型都 有一个特定的标识，例如，SOLID45，SHELL28，BEAM24 等单元类型，其数字表 示编号，数字前面的是表示单元类型的前缀[9]，SOLID 表示实体单元，SHELL 表 示壳单元，BEAM 表示板单元。主要类型见表 2.1。
基于ANSYS的汽车结构轻量化设计
（５）
ｓ．ｔ．
ｃ，一‰。一瞳］≤ｏ Ｃ。＝‰。一［文］≤ｏ
２轻量化设计及结果分析
将设计参数分为４类：梁的厚度、梁的截面宽 度、梁的截面高度和布置尺寸。采用“一阶方法”进行 轻量化设计，一阶方法基于目标函数对设计变量的
第６期
赵韩等：基于ＡＮＳＹＳ的汽车结构轻量化设计
敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。通过对 目标函数逼近加罚函数的方法将问题转换为无约束 的问题，在每次迭代中，计算梯度（用最大斜度法或 共轭方向法）确定搜索方向，从而求解最小值口“］。 表２是经过“分步优化”得到的结果，首先取内横梁 及边横梁壁厚、穿横梁壁厚、边梁壁厚、内外支撑梁 壁厚、加强杆壁厚和支撑梁壁厚作为优化设计变量， 优化结束后保持其不变。再取牵引销板厚度、Ｕ型 梁壁厚、支撑梁截面宽度、Ｕ型梁Ⅲ截面宽度和ｕ 型梁Ⅱ截面高度作为优化设计变量，优化结束后再 保持其不变。接着取Ｕ型梁Ⅳ截面高度、Ｕ型梁Ⅲ 截面高度、花纹板厚度、纵梁翼板厚度和横梁数量作 为优化设计变量，从而得到最终的优化结果。
（１）强度状态变量及约束函数：限制车架结构的 最大应力。先对原始设计进行有限元分析，然后提取
最大应力盯一，车架用Ｑ２３５钢制造，限制其最大应 力不超过２３５ ＭＰａ，从而构成完整的强度约束。即
Ｃ１一盯。。一［以］≤Ｏ
（３）
式中 ［吼］——最大应力限值
（２）静刚度状态变量及约束函数：限制车架结构
的最大变形。先对原始设计进行有限元分析，然后提
参考文献(6条)
1.桂良进;周长路;范子杰 某型载货车车架结构轻量化设计[期刊论文]-汽车工程 2003(04) 2.冯国胜 汽车车架结构参数的优化设计[期刊论文]-汽车技术 1994(02)
3.龚培康 汽车拖拉机有限元法基础 1994 4.吴宗岱;袁礼平 应变电测原理及技术 1982 5.刘夏石 工程结构优化设计-原理、方法和应用 1984 6.刘惟信 机械最优化设计 1994
基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计
摘要大学生节能车是由大学生设计的一种竞技型赛车。
在过往比赛中，有很多各式各样的节能车出现。
本设计主要针对大学生节能车进行整车设计方案的选择，对车身及车架进行设计并对车架进行强度校核。
借助Pro/E和CATIA三维建模软件，有限元受力分析软件ANSYS，对车身及车架部分进行建模分析。
进行ANSYS有限元分析。
首先，借助Pro/E和CATIA三维建模软件对所设计的车身、车架及重要的零部件进行三维建模，通过Pro/E对所建的大学生节能车零部件模型进行大学生节能车整车的虚拟装配，然后通过Pro/E软件中的分析程序对装配后的整车进行简单的重心、惯性矩，使用CATIA分析程序中的曲率分析程序对节能车车身进行曲率分析，用专业的有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行静力学分析及车架模态分析，依据有限元分析结果进行了较为深入的分析研究，并提出结构优化设计方案。
关键字：大学生节能车；结构设计；三维建模；有限元分析；结构优化ABSTRACTStudents efficient car is designed by students of a sports-type car. In the past games, there are many kinds of energy-saving cars appear. The design of the main vehicle is for saving for college students the choice of vehicle design, the design of the body and frame and frame strength check. With Pro/E and CATIA the three-dimensional modeling software, finite element analysis software ANSYS, part of the car-body and the car-frame modeling and analysis. ANSYS finite element analysis carried out. First, the use of Pro/E and CATIA three-dimensional modeling software designed body, frame and major components for three-dimensional modeling, through the Pro/E on the energy-saving cars built by students for students efficient car parts and components model of vehicle The virtual assembly, then Pro/E software analysis program for simple vehicle after assembly center of gravity, moment of inertia, the use of CATIA Analysis Program curvature analysis program for energy-saving vehicle body curvature analysis, finite element with a professional analysis software ANSYS, energy car chassis frame static analysis and modal analysis, finite element analysis is based on the results of a more in-depth analysis and study, and propose structural optimization design.Keywords：Students efficient car；Structure design; three-dimensional modeling; Structure optimization; element analysis目录摘要 (1)ABSTRACT (2)第1章绪论 (7)1.1 研究目的及意义 (7)1.2 国内外研究现状 (7)1.3 研究内容及研究方法 (8)1.3.1 研究内容 (8)1.3.2 研究方法 (9)第2章节能车整车设计方案 (10)2.1节能车结构分析 (10)2.2 车轮配置 (10)2.2.1 前一后二 (10)2.2.2 前二后二 (10)2.2.3 前二后一 (11)2.3 车架结构 (11)2.3.1 边梁式车架 (12)2.3.2 中梁式车架 (12)2.3.3 综合式车架 (13)2.4 转向方案的确定 (13)2.4.1中央支撑式 (14)2.4.2阿卡曼式（梯形结构） (14)2.5 发动机布置、动力驱动传动方案 (14)2.5.1发动机布置方案 (14)2.5.2驱动传动方案 (15)2.6 轮胎选择 (16)2.6.1 20英寸节能车专用轮 (16)2.6.2 20英寸自行车专用胎 (16)2.6.3 26英寸管式轮胎 (16)2.6.4 12英寸轮胎 (17)2.7 车身造型 (18)2.8 材料的选取 (18)2.8.1 车架材料的选取 (18)2.8.2 车身材料的选取 (18)2.9 本章小结 (18)第3章节能车车架设计及校核 (19)3.1 设计参数及要求 (19)3.2 车架设计结构及其校核 (19)3.3 材料截面尺寸的确定 (21)3.4 车架外形结构设计 (21)3.5 车架总体结构布置 (22)3.6 转向机构的工作原理 (23)3.7 转向机构分析 (24)3.8 车身制作工艺分析 (24)3.9 车架制作工艺分析 (25)3.10 车身与车架连接方式 (25)3.11 本章小结 (26)第4章节能车三维建模 (27)4.1 CATIA车身建模 (27)4.1.1 车身建模问题分析： (27)4.2.2 车身建立过程如下： (27)4.2 Pro/E车架建模 (35)4.2.1 车架建模问题分析 (35)4.2.2 车架建立过程如下 (35)4.3 节能车主要部件建模 (44)4.4 节能车车架装配 (44)4.5 节能车整车装配 (45)4.6 本章小结 (46)第5章节能车性能分析 (48)5.1 Pro/E整车装配干涉检查 (48)5.2 Pro/E节能车整车质量、重心及惯性矩分析 (48)5.3 Pro/E与ANSYS的接口建立 (50)5.4 车架静力学分析 (52)5.4.1、将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 (52)5.4.2 单元类型的设定 (52)5.4.3 车架静力学分析结果 (54)5.4.4 车架静力学分析结果分析 (56)5.5 车架极限转向分析 (56)5.5.1 极限转向分析假设条件 (56)5.5.2 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 (56)5.5.3 单元类型的设定 (57)5.5.4 车架极限转向分析结果 (58)5.5.5 车架极限转向状态结论分析 (60)5.6车架模态分析 (61)5.6.1 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 (61)5.6.2 单元类型的设定 (61)车架模态分析结果 (63)车架模态分析结果分析 (66)有限元结论分析 (66)5.8 车身曲率分析 (67)5.9 车身曲率结果分析 (69)5.10 结构优化措施 (70)5.11本章小结 (71)结论 (72)参考文献 (74)致谢 (76)附录A (77)附录B .................................................................................... 错误！未定义书签。
基于ANSYS的重型货车车架结构分析和优化研究的开题报告
基于ANSYS的重型货车车架结构分析和优化研究的开题报告一、研究背景随着全球经济的不断发展，物流行业的发展速度也越来越快。
重型货车作为物流行业的主要运输工具，承担着重要的货物运输任务。
然而，目前市场上的重型货车普遍存在的问题是车辆结构强度不足以及车辆牵引性能低下，这些问题不仅会对货车的使用寿命和安全性产生影响，而且对整个物流行业和交通运输行业都具有重大的影响。
为了解决这些问题，本研究将以重型货车的车架结构为研究对象，利用ANSYS软件进行有限元分析和优化设计，旨在为重型货车的结构优化提供科学依据。
二、研究内容（一）重型货车车架结构的建模本研究将采用CATIA软件对重型货车的车架进行建模，并将车架结构导入ANSYS软件中进行有限元分析和优化设计。
（二）重型货车车架结构的强度分析本研究将使用ANSYS软件对重型货车车架结构进行强度分析，主要包括应力分析、变形分析、疲劳分析等，从而确定车架结构的强度是否满足设计要求。
（三）重型货车车架结构的优化设计在强度分析的基础上，本研究将利用ANSYS中的优化模块对车架结构进行优化设计，以达到结构轻量化、强度增加、牵引性能改善等目的。
三、研究意义本研究的主要意义在于：（一）为重型货车车架结构的优化设计提供科学依据；（二）为工程师提供车架结构设计和优化方案；（三）为重型货车的安全性和牵引性能的提升做出贡献；（四）本研究具有一定的理论和实践意义，为相关领域的进一步深入研究提供基础。
四、研究方法与技术路线本研究将采用如下技术路线和研究方法：（一）调研相关文献，了解现有的重型货车车架结构设计和优化研究的成果；（二）利用CATIA软件对重型货车的车架结构进行建模；（三）利用ANSYS软件对重型货车车架结构进行强度分析、变形分析、疲劳分析等；（四）根据分析结果对车架结构进行优化设计；（五）对优化后的车架结构进行验证和测试。
五、预期成果本研究的预期成果包括：（一）重型货车车架结构建模；（二）重型货车车架结构的强度分析报告；（三）重型货车车架结构的优化设计方案；（四）车架结构优化后的CAD模型；（五）相关技术论文。
基于ANSYS的车架横梁结构改进设计
２４ 转弯工况 ．
垂直载荷按 ５５Ｘ１ Ｎ计 算 ，在车的横向施加 ． ０
３ 主要参数 与材料常数
表 ｌ 主要部件 材料物 理参数
４ 评 价 点
Ａ１ Ａ２ Ａ３ Ａ４、 Ａ５、 ６、 Ａ７ Ａ８、 Ｂ１ Ｂ２、 Ｂ３、 Ｂ４、 Ｂ５、 、 、 、 、 、
Ｂ 、 Ｂ 分别为拐角及加筋处 ， Ｂ、 具体位置如图３ 所示。
１ 两 种 结 构 有 限元 模 型 建 立
１ １ 结 构 介 绍 ．
旧结 构 如 图 １ （ ） 所 示 ，新 结 构 如 图 １ （ ） 所 示 。 ａ ｂ
图 ２ 计 算 时车架有 限元模 型
（） 结 构 ａ旧
２ 计算 的载荷工况边界条件施加 ］
２ １ 弯 曲 工 况 ．
基 于 Ａ Ｓ Ｓ 车 架横 梁 结构 改 进设 计 ＮＹ 的
杜 娟 ，迟 明君 ，张廷 虎 郑 长 波 ， ，邵 能 强 （．聊城 大学汽 车与 交通 工程 学 院 ，山 东聊城 ２２５ ；２ 郑 州宇通客 车股 份 有限公 司 ，河 南郑 州 ４０ １ ） １ ５０９ ． ５０６
ｓｒ ｓ ｆｎ ｗ ｓｒ ｃｕ ｅ ｗａ ｏ ａｅ ｎ ｎ ｌｚ ｄ ｗ ｔ ｈ ｌ ｔ ｃｕ ｅ ｂ ｈ ｎ ｔ ｌｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｍｅｈ ｄ Ｔ ｅ ｒｔ ｎ ｌ ｙ ｏ ｅ ｉｎ ｉ ｔ ｓｏ ｅ ｔ ｔｒ ｓｃ ｍｐ ｒ ｄ ａ ｄ ａ ａｙ ｅ ｉ ｔｅ ｏｄ ｓ ｅ ｕ ｈ ｕ ｒ ｔｒ ｙ ｔ ｅ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ａｙ ｉ ｔｏ ． ｈ ａ ｉ ａ ｉ ｆｄ ｓ ｍ— ｉ ｅ ａ ｏ ｔ ｇ
Ａ ｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ａｓｔ ｅ ｉｔ ｇ ａ ａ ｔｎｇｃ ｏ ｓ ｅ ｍ ｆｅ ｒ ｃ ｎｇ ｉ ｓ ｈ ｎ ｅ ｒ ｌｃ ｓｉ ｒ ｓ ｂ ａ ｏ ｎ ｃ ａ ｋｉ ｎ ｕ ｅ， ｔ ｅ ｂｅ ｔ ｈ ａｍ ｔｕ ｔ ｅ ｏ ｅ ｉｎ ｗａ ｍｐ ｏ ｅ ｓ ｅ ｉｌｙ Ｔｈ ｆｅ ｔｖ ｓｒ ｃｕｒ ｆｄ ｓｇ ｓｉ ｒ ｖ ｄ ｅ ｐ ｃａｌ ． ｅ ｅｆ ｃｉｅ
基于ANSYS的FSEC赛车车架分析
汽车工业研究·季刊2020年第4期基于ANSYS 的FSEC 赛车车架分析▶◀……………………………………………………………………………王耀杰要志斌郭永瑞李思彤引言E35是由万里车队自主研发的第一代FSEC （中国大学生电动方程式大赛）赛车。
车架是赛车的机体，其支撑并连接赛车各总成，使各总成保持相对位置，并承受赛车内外的各种载荷。
根据方程式大赛规则，车架有单体壳和钢管桁架结构两种方式，综合考虑其加工成本及加工难度，本车架使用钢管桁架结构。
在设计车架后运用ANSYS 有限元软件对其进行分析，以满足赛事要求并顺利参加比赛。
车架材料选择钢管桁架结构车架通常采用薄壁圆管或矩形管焊接而成。
根据方程式大赛规则，可以选择圆管或矩形管作为材料。
而圆管的坡口处理相较于矩形管来说较为简单，焊缝成型更好一些。
所以选用25.4×2.4、25.4×1.65、25.4×1.2的薄壁圆管规格，同时根据市场调研，决定弯管部分采用25.4×2.4的4130钢管，直管部分采用25.4×1.65及25.4×1.2的高强度BR1500钢管作为车架材料。
车架有限元模型建立依据方程式大赛规则在CATIA 中进行车架的建模，在规则的允许范围内设计出科学合理的能够承载赛车所有部件并符合人机工程的车架如图1。
将CATIA 中的车架模型导入AN⁃SYS 中，并在车架上添加受力点（用于分析过程中集中力的加载），如图2所示，受力点主要是各个总成系统吊耳与车架的连接点。
网格划分本车架采用扫掠划分与四面体网格划分相结合的形式。
由于车架均为薄壁圆管结构。
在建模过程中使用扫掠命令来建模。
在网格划分过程中，对应使用“sweep ”命令来划分网格。
在CATIA 处理坡口的过程中破坏了部分管件的扫掠命令，为避免坡口对接时造成管件的网格质量不佳，部分管件采用四面体网格划分，如图3所示，为座椅后安装杆与侧边防撞杆连接处的网格划分情况。
基于ANSYS的结构优化设计方法
ωL 1
≤ω1
≤ωU1
( 12 )
因此 ,不但要对结构进行静力分析 ,还要进行模态分析
并判断其一阶固有频率是否满足式 ( 12) 。利用 ANSYS经过
44次迭代 ,得到较理想的结果 。优化过程如表 4所示 。
(下转第 150页 )
四川建筑 第 29 卷 3 期 200 9. 0 6
147
·工 程 结 构 ·
【关键词 】 结构优化 ; 桁架系统 ; 动力优化
【中图分类号 】 TU311. 41 【文献标识码 】 B
在钢结构工程中 ,钢材的用量是非常巨大的 ,这其中不 免会存在材料安全储备太高 ,过于浪费的情况 。如何在保证 结构安全的情况下 ,减少钢材用量 ,降低成本 ,这正是本文研 究的意义所在 。结构优化设计是在满足各种规范或某些特 定要求的条件下 ,使结构的某种指标 (如重量 、造价 、刚度或 频率等 )达到最佳的设计方法 。该方法最早应用在航空工程 中 ,随着计算机的快速发展 ,很快推广到机械 、土木 、水利等 工程领域 。它的出现使设计者从被动的分析 、校核进入主动 的设计 ,这是结构设计上的一次飞跃 [1 ] 。ANSYS作为大型 工程计算软件 ,其模拟分析功能非常强大 ,掌握并使用 AN2 SYS对结构进行模拟 、计算 、优化 ,对提高材料利用率 、减少 成本 ,是很有效的 。
265
341
466
306
59. 2 41. 9 26. 1 0. 01 0. 20 0. 29 0. 17 31. 6 262
264
341
464
296
59. 2 41. 9 26. 1 0. 01 0. 08 0. 28 0. 17 31. 6 262
264
基于ANSYS的车架结构优化设计
基于ANSYS的车架结构优化设计车架结构在汽车工程中起着至关重要的作用，它是支撑整个车辆的骨架，承受着来自地面、悬挂系统和动力系统的力和扭矩。
为了满足车辆的性能要求，提高安全性和降低噪音振动，车架结构需要进行优化设计。
本文将通过使用ANSYS软件进行车架结构优化设计，并详细介绍整个优化设计过程。
第一步是建立车架的有限元模型。
有限元分析是一种以离散化方法来近似连续物体的一种数学方法。
在车架结构的有限元建模中，可以使用SOLID186单元来模拟车架的实体结构。
同时，还需要将汽车的质量、车轮的载荷等加载到有限元模型中。
第二步是进行静态结构分析。
静态结构分析是车架结构优化设计的基础，可以评估车架在不同载荷情况下的应力和变形情况。
在进行静态结构分析之前，需要根据汽车设计标准和车辆使用条件来确定适当的载荷情况。
采用ANSYS软件进行静态结构分析，可以得到车架的应力和变形分布情况。
第三步是进行优化设计。
优化设计是车架结构设计中的重要环节，可以通过调整车架的材料、形状和尺寸等参数来改善车架的性能。
在ANSYS 中，可以使用自动优化工具进行优化设计。
首先，需要定义优化目标函数和约束条件，例如最小化最大应力、最小化车架的质量等。
然后，可以选择不同的优化算法，如遗传算法、粒子群优化等，来最优解。
通过多次迭代和分析，可以逐步得到最优的车架结构。
第四步是验证优化结果。
在优化设计完成后，需要进行验证来确认优化结果的可行性和有效性。
可以对优化后的车架结构进行静态结构分析、模态分析和疲劳寿命分析等，来评估车架的性能和可靠性。
如果结果满足要求，就可以进行后续的制造和测试。
总之，基于ANSYS的车架结构优化设计可以帮助工程师更好地理解和改善车架的性能。
通过使用ANSYS软件进行有限元建模、静态结构分析、优化设计和验证，可以得到最优的车架结构，提高汽车的性能和安全性。
同时，车架结构优化设计还可以减少材料的使用和降低成本，对环境也有积极的意义。
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LINK31、LINK160、LINK167 BEAM3、BEAM23 BEAM4、BEAM161、BEAM188 PLANE55、PLANE121、PLANE230 SOLID70、 SOLID97、 SOLID123、 SOLID168、 SOLID231 SHELL61、SSHELL209 SHELL163、SHELL281 PIPE288、PIPE289 INTER202、INTER204 MPC184 COMBIN165、COMBIN214
表 2.1 ANSYS 单元库体系 Tab. 2.1Cell library system of ANSYS 单元类别 结构点单元 结构线单元 单元维数 --2D 单元名称 MASS21 LINK1
3D 2D 结构梁单元 3D 2D 结构实体单元 3D 2D 结构壳单元 3D 结构管单元 结构界面 结构多点约束单元 联接单元 3D -------
Abstract: The automobile which has developed for 130 years, security and en
ergy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic p art and the main bearing part. It has the function of connecting all parts of th e vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the veh icle. The performance of frame structure affects whether the automobile propert y is good or not. In this paper, the frame of a fuel tanker is studied. We simplify and establish the model of frame by CATIA. The parameter of the frame is defined. The m odel of frame is meshed by ANSYS. Add the force and freedom of the model of frame by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation o f bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the figure of displacement and stress, it provide theoretical support for the automobile desig n of security and energy saving. At the same time, the modal analysis of the frame is also studied. Based on the frame of natural frequency and vibration mode, it provide theoretical basis for avoiding resonance and improving ride co mfort and improve the level of vehicle design.
3.2 车架工况的有限元分析
通常路况与车况具有很大的随机不确定性， 则车架受到的汽车内外各种激励 也就充满复杂性。 车架受到的载荷按作用表现形式主要有以下几种，包括货物在 内的汽车各总成零部件在重力作用下所产生的载荷称为弯曲载荷； 由于路面粗糙 度以及汽车行驶速度的影响， 汽车在行驶过程中通常会有某一车轮处于悬空状态， 致使车轮支撑不均衡， 这就容易导致车架受力不均匀而产生扭转载荷；由于路况 的随机性， 会导致汽车在良好路面频繁加速以及在状况不好的路面频频制动减速， 另外还有爬坡与下坡等状况， 致使车架在惯性力的作用下产生纵向载荷；由于路 况的变化，汽车需要急转弯等转弯状况时，由于存在向心加速度，会使车架产生 横向的力， 通常称为侧向载荷。 我们通常把引起上述四种载荷的工况为汽车行驶 时的典型工况，即弯曲工况、扭转工况、紧急制动和紧急转弯工况。在各个工况 的分析中， 要保证车架的使用要求， 即车架的性能参数均应满足材料的性能参数， 以保证汽车各方面的性能。其中，车架所采用材料为 Q235 钢，其屈服强度为 235Mpa，抗拉强度为 375—460Mpa。 3.3.1 满载扭转工况 利用 ANSYS 软件对车架施加作用力与重力加速度，计算时约束右前轮 UX、 UY， 约束右后轮 UX、 UY、 UZ， 约束左前轮 UY,移动量为 0.1， 约束左后轮 UY、 UZ； 释放其他自由度 （横向：X， 垂直： Y，纵向：Z） 。扭转工况分析与弯曲工况类似， 只需按照步骤（2）添加自由度约束即可。计算得出满载扭转位移图（如图 3.5 所示）和应力图（如图 3.6 所示） 。
1.3 本文的主要研究内容
本文以某运油车的车架为研究对象， 运用 CATIA 软件对车架模型进行简化与 建立，利用 ANSYS 对车架进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束。 对车架进行包括弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，对 位移图与应力图进行分析， 为提高车架与整车的设计水平提供了理论基础，对提 高安全性与节能提供了理论价值。同时也对车架进行了模态分析，得出固有频率 与振型图， 提高整车的设计水平， 对提高乘坐舒适性与避免共振提供了理论支持。
基于 ANSYS 的车架结构优化设计
Optimization Design of Frame Structure Based on ANSYS
摘要： 汽车经过 130 多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要内容。在汽车结构中， 车架作为整车的基体和主要承载部件， 具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车内、 外各 种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。 本文以某运油车车架为研究对象，运用 CATIA 软件对车架模型进行简化与建立，利用 ANSYS 软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进 行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为 汽车安全与节能设计提供了理论支持。 同时对车架也进行了模态分析， 得出车架的固有频率 与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。
关键词：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析
Key words: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis
1 绪论
1.1 概述
最初汽车的发展， 通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。这种方法不 仅浪费财力人力，而且生产周期长，研发效率低，不能适应现代产品高效开发的 要求，且只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助相 关人员了解问题的实质[1]。 随着计算机信息技术与相关学科和方法的迅速发展极大地促进了相关行业 和科学研究地进步，出现了新兴的综合延伸高效的学科。CAE 作为一种新兴的数 值模拟分析技术 ，逐渐应用到更为广阔的科学研究领域中。在某种意义上数值 模拟比传统方法对问题的认识更加深刻，更为严谨，不仅可以分析问题的结果， 而且还可以动态地、 随时连续地观察事物的发展，细致地了解整体与局部的发展 过程 。 其中，近年发展起来的各种数值模拟仿真方法如有限元、多体动力学、计算 流体力学等技术在产品结构分析设计中得到大量应用， 可以解决以往手工计算无 法解决的许多问题， 提高了行业竞争力，为企业带来了巨大的经济效益和社会效 益[2]。作为汽车总成的一部分，车架承受着汽车内外各种复杂激励的作用，而且 汽车上许多重要零部件都以车架为基体[3]，因此，设计出包括安全节能在内的各 方面性能良好的车架是重要的工作。
3 车架有限元静态分析
3.1 车架载荷分类与处理
3.1.1 静载荷 汽车静止时， 车架只承受簧以上的负荷， 它是由车骨架结构自身产生的重量、 车架上各零部件总成的重量及有效负荷组成，这些负荷的总和叫做静载荷。 对负荷进行处理，发动机、变速箱、油箱、水箱等总成零部件，其作用力作 用在车架的节点上，把他们作为集中力来处理。而对于货物和驾驶室来说，由于 他们在车架上的分布较为均匀， 所以把货物和驾驶室的作用力，处理为他们作用 面的平均力。车架的自身重量用重力加速度来表示，人的重量按每人 65Kg 进行 计算，按乘坐 3 人考虑。考虑到与实际情况的差异以及分析计算时的难度等，主 要考虑以下作用力， 发动机 4510N， 变速器 1460N， 轮胎 225.4N， 油箱 1626.8N， 货物 46354N，驾驶室 6321N。
2.2 车架几何模型建立
2.2.1 车架几何模型简化 使用 CATIA 建立几何模型，简化结构的思路是： （1） 尽可能使建模简化 如果不对复杂结构进行简化，则划分的节点与单元数量庞大，分析时耗费的 资源就越多，严重时导致分析计算崩溃。所以建立几何模型时，由于纵梁与横梁 的连结为焊接和铆接， 所以将纵梁与横梁简化为整个刚体，另外忽略车架结构中 得一些配件安装的辅助结构，例如吊耳等，既有利于简化几何建模，也有利于对 几何模型划分网格，建立能够求解的有限元模型。 （2） 忽略细节特征 在建立几何模型时， 忽略对整体结构分析产生较小影响的局部特征，将一些 过渡结构简化为原来的结构形状，同时将小孔以及倒角等特征简化为原实体，避 免分析时出现错误。
2 基于 CATIA 与 ANSYS 的车架有限元建模