摘 要

汽车底盘车架作为整车的承载基体，承受着汽车自身的载荷和来自路面、车轮各个方向的力和力矩，影响着汽车各个方面的性能，因此，车架结构设计的合理性直接关系到整车设计的成败。特别是对动力越野性要求严格的SUV，对车架的要求更高，所以有必要在车架设计完成后进行强度有限元分析，这对车架的设计和性能校核具有重要意义。

本文针对某型SUV进行了系统动力匹配和车架结构的设计，将CATIA建立的SUV车架三维几何模型导入ANSYS Workbench中得到有限元模型；利用Static Structural模块对车架进行静态分析得到了四种常见工况（扭转、弯曲、制动和转弯工况）下的应力、变形分布情况；利用Modal模块对车架进行模态分析得到了车架自由状态下的前十阶固有振型和固有频率；最后利用Harmonic Response模块进行车架在车轮不平衡激励下的谐响应分析得到了关键点的应力、位移、加速度频率响应曲线和曲线峰值拐点对应频率下的车架整体结构的变形和应力分布。

研究结果表明：车架静力学分析在四种极限工况下的最大应力均小于材料的许可应力，车架静强度符合要求；车架自由模态分析的低阶固有频率避开了地面激励频率、发动机怠速频率等敏感频率区，车架设计合理；车架在两种工况（扭转和弯曲工况）下谐响应分析的最大应力小于材料的许可应力，车架动强度符合要求。本研究为SUV车架的设计和校核提供了一套详细而又完整的解决方案。

关键词：车架设计；ANSYS Workbench；静态分析；自由模态；谐响应

Abstract

Automobile chassis frame bears the auto's own load and the force and torque from all directions of the road surface and wheel, affecting all aspects of performance, Therefore, the rationality of frame structure design is directly related to success or failure of the vehicle design. Especially SUV that strict in power performance and off -road ability attach higher request to frame,So it is necessary to conduct strength finite element analysis after completion of the frame design,which is of great significance to frame design and performance checking.

This paper introduced the system power matching and the frame structure of design for a certain type of SUV; first of all, CATIA software was used to make the three dimensional modeling of frame, and then, it was imported into the ANSYS Workbench software to generate finite element modeling of frame. Static analysis was carried out on the frame using the Static Structural Module, which received  the stress and deformation distribution under four common conditions (torsion, bending, brake and turning) ; Free modal analysis was conducted using Modal Module, which received first ten order Modal and Natural Frequency of frame; At last, Harmonic response analysis was conducted under wheel unbalance excitation using Harmonic Response Module, which get the key points of frequency response curve of stress, displacement and acceleration and received the whole frame structure of deformation and stress distribution under the frequency of curve peak inflection point.

The results showed that maximum stress of frame statics analysis under four kinds of working conditions are less than the permitted stress of material, frame static strength meets the requirements; low order natural frequency of frame free modal analysis avoid sensitive frequency area like the ground excitation frequency, engine idle speed frequency sensitive area,etc, the frame design is reasonable; maximum stress of frame harmonic response analysis under two working conditions(torsion and bending) is less than the permitted stress of material, the dynamic strength meet the requirements of the frame design. This study provides a set of detailed and complete solution for SUV frame design and checking.

Key Words：Frame design；ANSYS Workbench；Static analysis； Free modal；Harmonic response

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外现状 1

1.2.2 国内现状 2

1.3 研究内容 2

1.3.1 设计初始条件 2

1.3.2 研究内容 2

1.4 本章小结 3

第2章 动力传动系统匹配 4

2.1 SUV发动机性能参数的选择 4

2.1.1发动机最大功率及其相应转速的选择 4

2.1.2发动机最大转矩及其相应转速的选择 6

2.2传动系统传动比的确定 6

2.2.1最小总传动比的确定 6

2.2.2最大总传动比的确定 7

2.2.3传动系挡数和各挡传动比的选择 8

2.3 本章小结 8

第3章SUV车架设计及FEA模型的建立 9

3.1 车架概述 9

3.2 SUV车架设计 9

3.2.1 车架结构型式的选择 9

3.2.2 横、纵梁结构型式及联接方式的选择 10

3.2.3 车架基本尺寸的确定 11

3.2.4 车架几何模型的建立 11

3.3 车架模型的简化 11

3.4 SUV车架FEA模型的建立 12

3.4.1几何模型的生成 12

3.4.2 单元类型的选择 12

3.4.3 定义材料属性 13

3.4.4 网格划分 13

3.5 本章小结 15

第4章 SUV车架结构静态分析 16

4.1 静力分析基础 16

4.2 SUV车架强度计算和分析 17

4.2.1 满载扭转工况 17

4.2.2 满载弯曲工况 20

4.2.3 满载制动工况 23

4.2.4 满载转弯工况 25

4.3 本章小结 28

第5章 SUV车架模态分析 29

5.1 模态分析理论基础 29

5.2 SUV车架模态分析 30

5.2.1 车架模态分析的基本步骤 30

5.2.2 车架模态分析结果 30

5.2.3 车架模态分析结论 32

5.3本章小结 33

第6章SUV车架谐响应分析 34

6.1 谐响应分析的理论基础 34

6.1.1 谐响应的分析方程 34

6.1.2 谐响应的分析方法 34

6.1.3 谐响应分析流程 35

6.2 SUV车架谐响应分析 35

6.2.1 扭转工况谐响应分析 36

6.2.2 弯曲工况谐响应分析 39

6.3 本章小结 42

第7章 结论与展望 43

7.1 论文总结 43

7.2 研究展望 43

参考文献 44

致 谢 46

第1章 绪论

1.1课题研究目的及意义

在当今的汽车底盘系统中，车架作为汽车的承载基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上^[1]；其上安装着发动机﹑传动系﹑悬架﹑转向系﹑驾驶室等有关部件和总成，承受着汽车的载荷和从车轮传来的各种力和力矩，因此，SUV底盘车架结构必须有足够的强度以保证其疲劳寿命和使用要求。

SUV行驶路况比较复杂，考虑到其越野能力，这就要求SUV在特殊的乡村道路﹑碎石路等不平坦的道路上有一定的动力性和通过性。此外，SUV在这些道路上行驶时，经常会遇到弯曲﹑扭转﹑转弯和紧急制动这四种典型工况^[2]，这样SUV底盘车架不可避免的会承受来自车辆内部和外部的各种压力作用。这些压力严重影响到SUV底盘的车架结构强度和疲劳寿命，车架的结构强度不足就无法满足SUV的极限越野工况，这样恶性的循环必然会导致SUV车架的突然断裂，影响整车的安全性。因此，在设计SUV车架时除了要满足车架设计的一般要求外，对SUV车架的静强度分析具有重要的意义。

SUV车架本身是一个多自由度的复杂振动系统，具有多个子自由度结构，并且每个子自由度结构都有各自的固有频率^[3]。传统的研究只是对SUV车架进行静强度的校核，没有考虑车架的动态特性；SUV行驶在乡村道路﹑碎石路等不平坦的道路上时，不可避免的受到多种内部和外部动态载荷，当这些载荷的频率与SUV车架的固有频率相同时，可能会引起车架局部结构剧烈的振动，导致车架的破坏，严重影响着SUV的安全性。因此，对SUV车架进行模态和谐响应分析（车架动强度分析）具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

随着 CAD/CAM 的快速发展，计算机辅助设计已经成功应用在机械领域，有助于机械零部件的产品开发与创新能力。运用计算机语言及利用三维软件建立好参数化模型，这样不仅节省开发周期和避免繁重的手工操作，而且有利于自主创新的开发。另外，随着计算机技术的应用和发展，有限单元法获得了迅速的发展，运用有限元法来分析车架的强度已经非常普遍^[4]。

1.2.1 国外现状

国外有限元法很早就应用在车架的静态分析上，并获得了一些实质性的科研成果。Kim H.S.等利用有限元软件对车架进行了静力学仿真和研究分析^[5]，Robson J D运用有限元法对车架进行了在路面不平度激励下的谐响应分析^[6]，Krawczuk Marek等运用有限元软件对车架进行了系统动力学仿真^[7]。此外，世界各大型汽车公司有限元技术已经很成熟，这对于加快汽车开发速度，缩短开发周期，提高设计水平非常有效，而且具有强大的二次开发能力。

1.2.2 国内现状

我国是在20世纪中期接触有限元技术并开始有限元理论的研究。1977年，长春汽车研究所的两位技术人员发表的“汽车车架设计计算的有限元法”，是有限元技术在我国汽车车架上的第一次应用，为有限元法在车架上的应用和发展打下了坚实的基础，当时研究分析的重点是车架静强度研究分析和利用有限元理论分析中的梁单元来仿真模拟汽车骨架等方面^[8]。到了90年代，运用有限元技术对汽车零部件结构的分析已经开始迈向发展阶段，国内的大型汽车企业也开始将有限元技术应用在汽车的设计和强度分析中，如长春一汽公司利用有限元法进行了核心零部件的强度校核^[9]。综合分析了汽车车架在不同行驶工况下的变形和应力，然后对车架进行了结构优化设计。但是，我国有限元理论和实用技术在车架方面的研究和发展与世界先进水平相差甚远。

1.3 研究内容

1.3.1 设计初始条件

本文研究的对象是某企业研制的4×4 SUV。其基本参数如表1.1所示：