轻卡整车有限元静力学动力学分析
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发布时间：2006/6/15 1:28:28 点击数：6780
作者：北汽福田股份有限公司 李保国 马东
应用PATRAN建立轻卡车架、悬挂、车身等整车模型，并施以合理的约束边界条件，在考虑各种载荷下对整车的静强度进行分析计算与评价，并提出了合理可行的改进建议和措施。为考察整车的动应力分布，通过在多体动力学软件ADAMS中构建整车的刚柔混合模型，并进行实际道路的模拟仿真，再利用其与NASTRAN的接口在NASTRAN中进行动响应计算，得到整车的动应力时间历程，从而为疲劳分析奠定基础。
在产品开发早期阶段应用CAE技术，仿真产品的各种性能来引导设计，提供产品品质验证并优化细节设计，最大限度的减少重复制作物理样机的次数，保证开发质量，最终达到缩短产品的市场化周期，缩短产品开发周期的目的。
针对全新开发的轻卡系列，利用MSC.NASTRAN软件对车身、车架的模态、刚度、强度进行分析计算，发现设计中存在的不足，并提出合理可行的改进措施，最终使整车强度和刚度满足要求。
1、 整车有限元建模
在构建有限元模型时，利用MSC.PATRAN软件良好的CAD接口，从外部输入UG、PRO/E三维模型，依据相关原则进行几何清理与简化，应用PATRAN的有限元前处理功能，通过建立单个零件有限元模型，最终形成整车有限元模型。整个模型单元725015个，节点589235。有限元模型见下图。
2、 整车静强度计算
汽车静止时车架只承受弹簧以上部分的载荷，它是由车架和车身的自身质量、装在车架上各总成的质量和装载质量所受的重力组成，其总和称为车架的静载荷。此次计算共提供两种工况。
弯曲工况：有限元分析过程中，要求有足够的约束条件以消除刚性位移，因此，约束前轮中心线位置上的节点的3个移动自由度、后轮中心线位置上的节点的2个移动自由度，作为整车约束。
扭转工况：在弯曲工况的基础上，按规范将右前轮抬高到某一数值。
计算得到的车身、车架应力云图如图2所示。
通过分析，发现车身最大应力部位主要位于前地板和中地板的凸起鼓包、曲率急剧变化处及某些支撑部位。经与设计人员讨论在不影响总布置的前提下，提出可行的改进措施，最终满足静强度的评价要求。
3、 车身模态分析
汽车在激励作用下，其振动是各阶模态振动的综合反映，起主要作用的是前几阶的整体模态，因此应着重分析前几阶模态。利用车身模态分析可以评估车身系统的动力特性；估计可能的载荷动力放大效应，指导后继的动力分析（瞬态响应分析、响应谱分析等），并为ADAMS生成MNF文件。去掉前6阶刚体模态，车身一阶模态见下图。
4、 动响应计算
车辆在实际使用过程中，受到来自路面、发动机等的动态激励影响。为考察整车的动力学特性，尤其是车身、车架等重要结构件的动态应力大小和分布，在多体动力学软件中构建包括车身、车架、悬架、前后桥、轮胎等在内的刚柔混合动力学仿真模型。其中的车身、车架等柔性体文件利用NASTRAN的SuperElement功能求解得到。通过在多体系统中完成随机路面、制动、加速、转弯等多种工况的仿真计算，再应用NASTRAN与其的接口，在NASTRAN中进行数据恢复，可得到结构的各动响应量（位移、应力、变形、加速度等）从而进行相关的评价。
图3、图4是整车在随机路面（国标D级，车速45Km/h）激励工况下，车身纵梁某节点应力时间历程曲线和地板在某时刻的动应力云图。
5、 结论
（1） 利用有限元的方法，可以在设计阶段对虚拟样机做大量分析工作，减少物理样机的制造数量、试验次数，节省大量的开发试验费用和缩短开发周期。
（2） 整车的有限元静强度计算在一定程度上反映了结构存在的不足，为了全面考察车辆在动力学环境的各种响应，采用刚柔混合的多体动力分析技术对整车进行了多种工况的动力学仿真，并对结构关键部位的动态应力做了恢复计算，为以后的疲劳计算奠定了基础。
6、 参考文献
[1] MSC.Patran User’s Manual, Volume4,Part9: PCL
[2] MSC.Nastran.Quick Reference Guide V70
[3] USA Mechanical Dynamics, inc. BASIC ADAMS FULL SIMULATION PACKAGE TRAINING GUIDE Version 10.2000
[4] 张洪欣主编 《汽车设计》 机械工业出版社 1998
[5] 余志生主编 《汽车理论》 机械工业出版社 2000
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