BJ01C7车车架建模及模态分析毕业论文Word下载.docx

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并对数据进行合理分析。

然后基于分析结果提出改进意见。

关键词：

车架设计建模有限元分析模态分析

毕业设计（论文）外文摘要

TitleBJ01C7carframemodelingandmodalanalysis

Abstract

Frame,alsocallsthegirder.Carmatrix,generallyiscomposedoftwobeamslongitudinalbeamandafewroot,throughsuspension,frontaxleandrearaxlebearingonthewheel.Haveenoughstrengthandstiffnesstowithstandaloadofcarandblowcamefromthewheels.Frame'

sfunctionistosupportandtoconnectalltheassemblyofthecar,makeeachassemblyrelativelycorrectposition,andundervariousloadcarinsideandoutside.

Inordertomakethecarhaveenoughstrengthandrigiditytobeartheloadandimpact,andautoareintroducedinthedesignprocessoffiniteelementanalysis.ThistopicaccordingtotheneedofBJ01C7,drawaframeof3dmodel,toimprovetheframestructure,themodelingandcalculationanalysis.Inthispaper,theCAD2dgraphicstechnology,UGthree-dimensionalmodelingtechnologyisusedinthedesignoftheframestructure,andthereasonableusingNastranfiniteelementanalysistechniquetoanalyzetheframe,gettheframeundervariousstaticworkingconditionofstressdistribution,thesecondtothemodalanalysisofframe,getnaturalfrequenciesandnaturalmodesoftheframe.Thendorandomvibrationresponsespectrumanalysis,gettheframeunderroadexcitationdisplacementresponseandstressresponse.Accordingtothestructureofthetransferfunctiontodeterminethemodalfrequencyandvibrationmode,onthebasisoftheproposedimprovements

Keywords：

framerandomvibrationmodalingmodalinganalysisThefiniteelementanalysis

1.绪论

1.1课题研究的意义

目前，汽车成了人们日常生活中的不可或缺的代步工具。

在这个时代里，人们对生活质量有了更高的要求，对于汽车，安全的可靠度，乘坐的舒服程度也就有了更高的要求。

但是我国汽车水平与其他欧美国家，像美国、德国等发达国家还有这巨大差距，汽车的档次和技术含量低，产品质量不高。

特别是在自主开发能力上，我国还是具有很大的差距。

大多数的车型都是引进和仿制的，具有产权专利的技术含量非常稀少。

所以，中国汽车行业想要发展强盛起来，必须有自己的研发技术，拥有自己的技术专利。

并逐步提高我国的汽车生产技术。

同时，汽车行业日益进步，这也是改善人们生活，促进社会和谐进步的一大工具。

就汽车的发展过程而言，NVH的研究与发展是汽车行业进步的一个重要因素。

对于行驶中的车辆来说，路面的不平和发动机的振动不仅造成难听的噪声，使汽车的可操纵能力变差，而且也会降低汽车的使用时间和乘坐人员的舒服程度。

车架是汽车的重要组成部分，车架的设计方式和质量可以说是直接关系到了汽车的使用性能和安全性。

而车架整体的设计不合理会直接导致汽车的振动，当然汽车振动原因是多样的。

车架模型不当也是其中一大原因。

当车架的固有频率没有避开发动机和路面的共振频率时，车架很容易产生共振，导致断裂等后果。

本课题以有限元技术为基础，结合CAD绘图技术，UG建模等现代计算机技术，利用NXNastran软件，建立BJ01C7车车架的三维模型。

对车架进行自由模态分析，根据结构的传递函数确定模态频率及其振型，在此结果是上提出相应合理的改进意见及方式。

1.2本次毕业设计的主要工作

根据汽车的车架总成，建立车架的三维模型，对车架进行静态、模态、动态、随机振动（响应谱）分析，得到车架在不同工况下的模态参数，验证结构的合理性；

在此分析结果上，对结构进行适当修改，并对修改后的车架进行分析、验证其合理性。

设计参数：

整车轴距：

2615mm；

轮距：

1480mm；

整车装备质量：

1640kg；

整车总质量：

1965kg。

车架材料：

510L

1.3车架的分类

汽车发展到现在，车架的设计几乎都是用来作为汽车的整体骨架。

车架作为整辆汽车的基本组成部分，车架起到固定汽车部件的关键作用。

但是，现在有种汽车设计方式是没有车架的，而原本车架该有的能力被某些车的车身骨架代替，叫做承载式车身。

承载式车身多用在轿车和大客车上面。

我们知道，车架都有横梁与纵梁，根据他们的特性，汽车车架的结构一般有3种：

（1）边梁式车架

边梁式车架由若干根横梁通过焊接或者铆接两边对称分布的纵梁组成，的一个坚固整体。

纵梁一般是由低合金钢板冲压而成，断面有槽型，也有的是Z字形和箱型断面。

横梁作用巨大，车架的抗弯扭性能和抗压能力都有横梁来提供，还能为汽车的主要零部件提供支撑点。

车架横梁数目不定，一般载货车有5~6根，甚至更多。

由于边梁式车架的特点是便于安装驾驶室，车厢及一些特种装备和布置其他总成，有利于车型改装和发展多品牌汽车，因此，边梁式车架被广泛采用在载货汽车和特种汽车上。

下图是边梁式车架的一些运用。

边梁式车架

（2）中梁式车架

中梁式车架又称脊梁式车架，它只有一根纵梁位于中央，贯穿前后。

管型或者箱型断面。

中梁式车架由一根左右对称的大断面管型梁和附加的一些悬架构成，管梁将动力与传动系统连成一体。

与其他类型车架相比，中梁式车架的扭转刚度最为突出，也给予了车轮有足够的活动范围，提高了汽车的平顺性和通过性。

但是，由于车架的制造工艺流程复杂，难以进行相应的维修，所以大面积适用性不高，仅适用于对平顺性，通过性要求较高的汽车上。

太拖拉138型汽车车架就是属于中梁式，如图

太拖拉138型汽车车架

采用中梁式车架时，由于具有能使车轮运动空间较大，便于采用独立式悬架的特点，故多用于越野车上。

中梁式车架结构简单，相应材料较少，减少了车架的质量，也就相对降低了汽车的整体质量。

质心较低，行驶安全性较高；

同时，脊梁的设计，还能起到防尘的作用。

（3）综合式车架

综合式车架集成了边梁式车架与中梁式车架的特点。

发动机安装在前段，所以设计成边梁式利用了边梁式便于安装发动机的特点。

伸出来的支架固定车身。

后部分是中梁式，使其具有了一部分中梁式车架的特点。

由于综合式车架的组合性，在汽车车架的发展过程中，车架的结构形式也出现了多样化和复杂化。

现在，有一种IRS型车架，如图：

IRS型车架

这种车架多采用在高级车上。

1.4汽车车架的功用及设计要求

车架的设计要求取决于车架的功能。

现代的车架几乎都可以看做汽车的整体骨架。

而大多数零件和总成都是通过车架来固定其位置的。

像发动机，传动系统，悬架和一些操纵机构都是与车架相连接的。

也就是说车架的存在是为了支撑连接汽车的零部件。

并作为承压装置来承受来自汽车内外的各种载荷，例如，汽车的零件的重量，开车过程中收到路面激励产生振动时的附加载荷。

以及意外事故发生时的冲击，和刹车，急停时的惯性力等一系列载荷。

车架的设计要求，首先要保证的是车架的形式是否满足汽车整体布置的要求。

车架是要连接很多零部件和总成的。

满足整体布置是设计车架的前提。

而满足的表现有：

1.在凹凸不平的路面上开车时，车架能抵抗自身重力冲击导致的变形和前进方向的弯曲扭转变形。

2.当行驶的路面情况杂乱无章时。

车架上的各个零件之间不会有相互干涉的现象；

3.当一边的车轮遭到冲击阻碍时，应当避免发生整个车架扭曲变形的发生。

保证汽车的安全性。

上述的变形，可以看出他们都会影响到原本安装在车架上的零件的相对位置，甚至导致有些部件不能正常的运行，所以，车架的设计必须要保证其强度与刚度的足够性。

车架的高度会影响到汽车质心的高低，适当降低有利于汽车的行驶安全。

尽量小的车架质量也就相当减小了汽车的整体质量，实现了整车的轻量化。

当然在车架的设计过程中，制造成本要尽量降低，尽量做到物美价廉，质量上乘等等。

也就是说，车架的设计，要满足的条件有，布置合理，足够的强度和刚度，车架的质量合理，工艺简单，维修方便等。

2车架模型的建立

2.1BJ01C7车架研究的目标及思路

车架在整车的结构中，不仅起连接各种支承，零部件和各种总成的作用，还承受着各个总成和支承等的载荷作用。

车架的好坏直接关系到汽车的性能。

为了研究车架，我们可以从下面几个方面进行考虑：

BJ01C7车使用环境；

建立3D模型；

车架的模态分析；

车架的静态、动态、随机振动（响应谱）分析；

车架材料及性能分析；

车架工艺分析。

在确定以上目标后，根据给定的车架二维CAD图提取数据，建立三维车架模型，再进行模态分析，静态、动态和随机振动（响应谱）分析。

整个过程在UG7.0的各个模块下进行。

在定义输入条件后，对车架进行有限元分析，分析内容包括模态分析、静态分析、随机振动分析等。

因为条件的不足和自身经验的缺陷，在建立三维模型和分析条件定义过程中，不得不进行简化处理。

而分析软件分别采用UG7.0,的建模模块以及UG7.0附带的NXNastran软件进行模态分析。

通过导出的结果进行分析车架的强度，刚度以及合理性。

2.2车架的3D模型的建立

在建立3D模型之前，我们需要先读懂车架的二维CAD图。

下图是车架的二维CAD装配图：

通过图中提取数据，再启动UG7.0.进行3D模型的制作。

当然在

尚未建立模型时，我们就需要对模型进行全局的考虑，认真周全的编制建模顺序，选择正确的建模方式，并仔细检查每一个尺寸，防止出现不必要的错漏。

从上图可以看出，很多尺寸来源需要测量，其他零件图的尺寸在此就不给出了。

为了实现其他零件的装配。

在提取数据时中，参照零件的装配位置以及零件的尺寸。

对图中的一些尺寸略作修改。

以满足实际需要。

车架UG建模过程如下：

打开UG7.0，点击【新建】，在弹出的窗口里选择建模，并保存到自己的文件夹里。

然后开始绘制模型。

在导航器里选择使用的角色功能，我选择具有完整的基本功能。

然后点击【开始】，选择进入草图。

对照前面的CAD装配图以及其他零件图在草图界面进行绘制，然后利用拉伸求和倒园等命令完成车架的建模。

首先制作纵梁的模型，过程同上。

右纵梁如下图：

右纵梁示意图

再进入草图模式，绘制左纵梁的切面图，通过拉伸求差等，同样得到左纵梁，或者选取的一个基准面，对称右纵梁也可以获得做纵梁。

如图：

选取车架腹板的外侧作为基准平面，在两根纵梁间绘制5根横梁，然后装备配上加强板等辅助元件。

在装配完成后，进行对应的模型求和操作。

使模型成为一个整体。

便于后续工作的进行。

在显示与隐藏中设置草图，约束不可见，使模型清晰不杂乱。

如下图：

最后保存文件。

2.3软件的简介

随着时代的进步，现代计算机技术也在高速发展，有限元法已经发展成了一个十分重要的工程计算方法，应用范围也越来越广。

在汽车的设计和研究上，应用有限元法可以对汽车结构进行多方面的分析，像在强度上的校核，振动与碰撞过程的结构变化以及模态上提供技术支持，并能够采取一些优化措施。

为汽车的研发，试制和改进提供一些参考与建议。

现代设计方法，即有限元分析法，采用CAE有限元分析软件和CAD软件的共同使用，结合了两者软件各自功能的优良结合，使得机械设计行业技术水平产生了本质上的进步。

在设计过程中，不仅减少了开发研制成本，缩短了开发分析周期，而且也提高了产品和开发的可靠性与安全性，还能在制造产品前预先发现潜在的问题，并对此进行相应的模拟试验。

这样能有效减少试验时间和所需开发费用。

此外，还能在出事故之前进行模拟分析，可以提前避免一些不必要的事故。

从上可以看出，有限元分析法的实用操作可行性在机械行业的开发研制过程中越来越明显。

在汽车行业尤为明显。

有限元法已经被引入到汽车的各个关键领域，有了有限元法的加入，汽车的整体性能有了极大提高。

鉴于有限元软件的市场巨大，很多开发公司都参与了进去，于是，当前的有限元分析软件种类非常多。

其中，1965年美国的公司成功开发了Nastran有限元分析软件。

到目前为止，洗头膏处于一直更新的阶段。

大约有几十个版本了。

可以说是世界上使用最广，能力最强的一款有限元分析软系统。

除了Nastran以外，比较常用的还有德国的AKSA,英国的PAFEC，法国的SYSTUS，英国的ABAQUS，ADINA，ANSYS，BERSAFE等许多公司的产品。

软件虽多，但是原理，其最根本的求解方法都是有限单元法，又称有限元法。

[8]

NXNastran软件概述

Nastran，即NASA结构分析系统，是19世纪70年代美国航天航空公司为了满足当时的航空航业对工业结构分析的需要，主持开展的一款大型有限元分析软件招标。

当时有很多家公司中标并开始加入了结构分析求解器的开发当中去了。

1969年，NASA研制推广了第一版Nastran，称为COSMICNastran。

经过20余年的发展，在20世纪80年代，形成了3家NASTRAN供应商（MSC,UAI和CSAR）相互竞争的局面。

Nastran的应用范围非常广：

在航空航天，车辆，造船业，机械和电子方面都有广泛运用。

基于Nastran的广泛使用，绝大部分的商业化前后处理器都对其有良好支持。

甚至于它的文本格式已经称为业界的标准格式，计算结果也成为CAE的规范。

NXNastran的兼容性突出，能够灵活的和其他分析软件共同运作，在协同其他软件的时候，可以担当核心求解器的作用，合理分配资源，搭配其他软件能够高效的完成工作内容。

适用于工作量大，过程复杂的用户工作使用。

目前，NXNastran软件包括：

NXNastran--Basic

NXNastran--Nonlinear

NXNastran--DynamicResponse

NXNastran--Superelements

NXNastran--DirectMatrixAbstractionProgram（DMAP）:

NXNastran--Aeroelasticity

NXNastran--Optimization

NastranforFemap

NXNastran--AdvancedAeroelasticity

NXNastran--RotorDynamics

本次毕业设计主要用到Nastran的基础模块——NXNastran–——Basic。

它的主要功能有线性静力，正则模态，屈曲分析，静态和瞬态热传递，无限模型大小，载荷工况组合等。

由于其他模块在此次设计中没有涉及，故在此不给予介绍。

其中，Nastran基础模块的功能有：

SESTATIC101：

静力学分析

静力分析是在工程结构设计人员在分析过程中使用最为广泛与流行的方式，主要用它来求解结构在与时间或时间作用无关的静力载荷作用影响下的响应，得出需要的力与位移的关系以及应变能等数据。

静力分析还可以知道模型结构的质量质心和惯性矩等一系列数据。

而且，Nastran支持的材料模式非常广泛，还可以自己进行材料设置。

包括均质各向同性材料，正交各向异性材料，各向异性材料，复合层压材料以及随温度变化的材料等等。

SESTATIC101包括两个方面。

一个是【SESTATIC101—单约束】，一个是【

SESTATIC101—多约束】。

【SESTATIC101—单约束】并不是指在构建仿真模型时只能建立单个约束。

如果创建的多个子工况的约束条件相同，则用【SESTATIC101—单约束】比较方便；

当多个子工况的约束条件不同，那么【SESTATIC101—多约束】比较实用。

（2）SEMODES103/103-响应仿真：

动力学分析

而动力学分析功能主要的是进行响应仿真方面的分析。

类目繁多，其中有：

特征模态分析，直接复特征值分析，直接瞬态响应分析，模态瞬态响应分析，响应谱分析。

模态复特征值分析，直接频率响应分析，模态频率响应分析，非线性瞬态分析，模态综合和动力灵敏度分析等。

（3）SEBUCKL105：

屈曲响应分析

NXNastran中的屈曲分析有两种：

线性分析和非线性分析。

线性屈曲分析又叫做特征值屈曲分析。

非线性屈曲分析也有三种，一是非线性后屈曲分析；

一是非线性屈曲分析；

还有弹性屈曲分析。

（4）NLSTASTIC106：

非线性静力学分析

非线性静力学分析中主要有几何非线性，材料非线性以及接触非线性等。

他们研究内容涉及面略有不同，但方式还是一致的，比较常用的还是几何非线性静力学分析，像后屈曲分析的研究都可以看做几何非线性分析的应用。

材料非线性分析包括非线性弹性，超弹性，热弹性，弹塑性等，适用于各类各向同性，各向异性材料模式。

但是，屈服准则的选择与材料有关：

对于弹、塑性材料可用VonMises屈服准则。

对于其他材料，也可按其特性选择适合的屈服准则。

任何屈服准则都含有各向同性硬化、随动硬化或两者兼有的硬化规律。

接触非线性分析时，通常要考虑的是非线性边界条件，也就是当一个结构与另外一个结构或者外部边界相接触时，由接触产生的力同样具有非线性特性。

而对于这些非线性接触力，按照边界条件的不同，NXNastran提供了两种方法：

1.三维间隙单元（GAP），支持开放，封闭的或者带摩擦边的边界条件。

2.三维滑移线接触单元，支持接触分析，摩擦和滑移边界条件。

同时，还有其他结算类型，例如，热传导，流-固耦合分析，声学分析等其他高级分析功能。

由于本次毕设用不到，故不再陈述。

3车架的自由模态分析

3.1模态分析概述

作为结构的一种固有振动特性，模态是研究结构动力特性的一种非常实用的方法。

而且在各汽车公司得到广泛应用。

每个结构都具有自己的模态参数，模态包括模态频率、模态振型以及模态阻尼。

模态参数的获得方式有两种，一是计算机的有限元计算软件进行计算；

一种是模态试验获得，通过试验设备采集后转入分析设备取得参数。

随着时代与科技的进步，有限元计算获得模态参数的方法也越来越受到人们的关注和实践，人们发现，有限元方法的合理使用，不仅可以提高研发效率，还可以降低企业的生产成本。

但是，这种方法在实际操作过程中存在着很大的误差，这就导致了有限元软件得到的模态参数的可靠性降低。

而模态试验方法获得模态参数，能够获得精确的数据，但是，受于机械设备和环境的制约，难以大范围实现。

不过随着科学的发展，试验仪器精度大幅度提高，人们开始两种方式结合使用，相互互补。

使得结果更加可靠真实。

3.2材料属性、物理属性、网格的划分

（1）材料属性

首先，进入高级仿真环境。

打开建好的三维模型，点击【开始】，进入高级仿真。

在仿真导航器中，选中要仿真的主模型，右键单击，选择【新建FEM】并新建FEM。

得到下图：

此时，默认其他选项。

确定即可。

然后选择材料属性

选择钢steel。

物理属性

划分网格

在划分网格时，主要需要考虑一下六个原则：

1.网格数量：

在计算过程中，为了减小运算量，提高结果的精确程度，适当的选择网格数量。

2.网格疏密：

大小不一的网格分布在不同结构的部位，使得网格疏密不一。

有利于适应数据的分布特性。

3.网格质量：

它可以用很多数据来评估，例如细长比、锥度比、内角等。

质量好坏直接影响到计算结果的精确性。

4.单元阶次：

许多单元具有线性、二次和三次等形式。

适当增加单元阶次可提高计算精度。

5.网格分界面和分界点：

在一些非一般的边界和点时，为了简化有限元的进行，特意划分定义的分界面，分界边和分界点。

6.网格布局：

好的布局可以提高计算精度和缩短计算时间。

下图即网格划分对话框。

其他的默认选择。

其中单元格大小为27.8mm。

最后进行有限元模型检查，的到如下信息

从上可得，失败的单元格为零。

共有67378个。

3.3自由模态分析

通过模态分析，得出机械系统的固有频率，本文中是通过对车架进行模态分析，得到其固有频率，避免其他的结构设计也车架连接后形成共振现象，同时避免车在行驶过程中因为地面的激励而形成较大的震动，这点对车内人员的舒适程度以及汽车车架的疲劳磨损的大小有很大意义。

自由模态主要测算的是车架的20阶模态响应:

（1）在网格划分完成的模型中，创建FEM仿真模型，右击【cehjiawanggehuagen.fem】。

在系统菜单里选择【新建仿真】。

接下来又弹出一个对话框，保留所有选项设置。

然后会弹出一个【创建解算方案】对话框，在【解算方案类型里选择【SEMODES103】单击确定即可进入仿真模型环境。

（2）求解及其解算参数设置

在导航栏里打开【仿真导航器】，右键选择【solution1】会出现对话框，在里面单击【编