基于有限元的车架静强度分析模型建立

摘要：本章利用有限元专业前处理软件ANSA对四轮车车架及悬架进行几何清理、网格划分和有限元模型的建立，用以评价该车架刚度，为车架的优化提供准确模型。

关键词：有限元;网格;模型

一、几何清理及模型简化

四轮车车架悬架系统有限元模型的建立要求能够如实的反映车辆在正常使用过程中车架悬架系统受到的载荷，保证有较高的计算精度[1]。车架悬架各零部件间采用焊接方式连接而成，由于在仿真分析中没有必要建立包括所有零部件的有限元模型，所以建模前对车架悬架整体结构进行分析，确定各个零件对车架悬架结构受力的影响，根据影响程度的不同确定该零件是否保留，如下圖1所示。

2抽壳及抽壳后模型的连接

二、抽中面及模型连接

车架和悬架系统主要由矩形截面管和少量的圆形截面管组成，而且其截面尺寸（包括直径、壁厚）与构件长度相比很小，其结构非常适合选用壳单元来模拟，并且壳单元相对于实体单元计算速度更快、占用内存更少，而计算精度相差很小，从而采取抽取中面的方式来建立车架的壳单元模型。由于车架和悬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连接，因此，还需将抽完中面的模型连接起来。为了确保连接符合车架和悬架的原始结构特性，连接车架时要严格对照车架的原始三维几何模型，尽量采取直接延伸面或延伸管来连接，保证与原始模型有相同的平滑过渡，保证受力不会出现突变，连接后的模型如图2所示。

三、几何模型的离散

由于整个模型的极度不规则，为了避免丢失模型的一些几何信息，并考虑计算机的计算时间，必须定义合理的单元大小，此模型中将单元平均大小设为12mm，局部网格的尺寸为5mm左右[2]。同时，由于矩形单元较三角形单元有更高的精度，所以在划分网格的过程中建立尽可能多的矩形单元。车架有限元网格模型如图3所示，三角形单元占所有网格的0.92%，悬架网格模型如图4所示。

四、模型组装及参数设置

将车架与悬架进行组装，四轮车车架刚度计算有限元模型如下图5所示。组装完成后进行模型的链接，组装部分的链接主要通过旋转铰链和球形铰链进行连接，弹簧阻尼部件通过上文的弹簧阻尼单元进行连接如图6所示。

车架-悬架组装完成后，根据实验报告提供的安装尺寸建立弹簧阻尼单元。然后，根据实验报告参数设置弹簧阻尼单元的刚度值、阻尼系数、预压缩量和自由长度等。由于模型中有很多螺栓连接部件，所以在模型连接建立完成后还应建立自接触，以防止发生车架及悬架自身发生穿透现象。

总结：本文以某四轮车车架为研究对象，对该车架进行了结构处理，对铰链连接、网格尺寸、结构简化等做了全面的考虑，建立了非常完善的有限元模型，为后续的静态分析、瞬态分析提供了精确的模型保障。该研究对车架的强度分析和结构优化具有普遍意义，能有效的指导车架结构强度分析中模型的建立和特殊结构的处理。

参考文献：

[1]王松.某商用客车车架有限元分析与结构优化[D].华中科技大学硕士学位论文，2012，05.

[2]机械设计手册中册[M].化学工业出版社，第二版，1980：P782-P785.

作者简介：

范芳（1985-），女，山东临沂人，成都工业职业技术学院教师，主要研究方向为汽车方向 。