钢管式全地形四轮越野车车架设计与分析

摘要：汽车车架是发动机、底盘、车身各总成安装的基础和关键承载部件，车架设计的好坏直接影响到汽车的安全性、舒适性和动力性，直接关系到整车性能。

本文通过三维软件设计对钢管式全地形苏伦越野车的车架进行了设计，通过理论分，对汽车车架的常用分析进行了校核，然后利用ANSYS Workbench对整个车架进行了静力学有限元分析，得到车架的最大变形与应力及其所在区域，可知该车架复合设计要求。

关键词：车架，全地形，越野车，设计，分析

Design and analysis of steel tube type four wheeled off-road vehicle frame

Abstract：The vehicle frame is the engine, chassis, body assembly base and key installation of bearing parts, the frame design will have a direct impact on vehicle safety, comfort and power, directly related to the vehicle performance. This paper through the three-dimensional software design of frame steel pipe type all terrain Suellen off-road vehicles are designed, through theoretical analysis, analysis of the commonly used automobile frame were checked, and then use ANSYS WorkBench for the whole frame of the static finite element analysis, the deformation of the frame with the stress and the region, the frame composite design requirements.

Key words: Frame, All terrain, Off-road vehicle, Design, Analysis

摘要…………………………………………………………………………………………I Abstract…………………………………………………………………………………II

目录………………………………………………………………………………………III

1 绪论

1.1 引言

进入二十一世纪以来，随着科学技术的不断飞速发展，人们的生活水平也在不断的提高，因此人们对生产制造业的要求也变得越来越高，尤其是近些年来对汽车行业的需求，已呈现多元化，全地形车（ATV）作为一种全新型的车，由于其可应用与多种车辆，且又不收道路与法规的限制，所以其在欧洲与北美等地方十分流行，全地形车架作为整车的重要承载部件，是保证整车运行可靠性以及行驶寿命的重要条件，整车的操作性，行驶的安全性以及乘坐的舒适性，在各种工况下的运动都与之具有重要的关系，作为一种可以在全天候下使用的车辆，它的工作环境一般比较复杂，车架上承载各种车辆的主要及辅助系统设施，所以车架的基础刚度，强度会影响全地形车的性能。这样，对车架进行验证是很有必要的[1]。

在亚太地区，最先发展全地形的国家是日本，从上世纪七十年代开始，日本的一些著名做汽摩的公司开始着手推出自主开发的全地形三轮车，但由于技术等安全问题，无法在市场中进行竞争，逐渐被淘汰，后期研发的四轮全地形车逐渐开始取代三轮式，由于四轮车的用处更加广泛，且工作稳定性比三轮更加舒适，安全性更高，故受到市场顾客的热烈需求，因此开启了全地形车的全面发展潮流，使得该领域具有极大的市场，引来各大企业前来投资。根据2005年国家汽车工业协会的数据统计显示：国内的注册的全地形汽车公司数量巨大，已高达120多家，远超国外，当然这也伴随着国内汽车生产数量巨大，但在技术方面，整体上是与国外先进的公司具有较大的差距，近些年来，随着有限元等计算机的技术的发展及使用，国内的这种状况相对得到缓解。将有限元技术理论应用到全地形车架的研究，在与传统车架设计相比，可以极大的节省时间与经费，更能直观的表达设计的缺陷，是产品迅速上市。

1.2 国内外研究状况

全地形越野车最为一种常用于休闲娱乐的越野车，它可以适应各种不同的路面，如山地，草地等。我国也有很有企业生产类似的车辆[2]。在近些年来也获得不小的成功，但相对国外世界大厂家的生产技术，还有待进一步学习。

对车架的研究常规手段就是研究静力学分析，模态分析以及其在各种工况下的分析[3-10]。在模态研究中，王良等人对某种型号的全地形车架进行有限元模态分析，得出其各阶模态振动频率，为该车设计时候提供了理论依据，从而可以避开共振的低阶频率；在静力学方面，王磊等人对一种全地形车平行悬架的设计进行了研究，实现了在恶略环境下三轴全地形车架的载荷合理分；在综合方面，杜子学等人先利用汽车常用软件CATIA对车架进行了三维建模，并将其到如有限元分析软件，对其进行了全面的分析，验证了车架设计的合理；在车架选材方面，刘长虹等人通过对某种家用越野车车架的强度放度分析，得出结论：空心钢管的车架主梁应力明显低于其他几种截面，在边梁则需选用槽钢的车架最大应力最小。

在虚拟技术研究方面,李曙与刘颖分别利用虚拟技术对摩托车及车架进行了综述及研究开发，并将结果与物理样机进行对比。在限滑差速器领域，孙传祝等人针对现有差速器的问题，通过三维建模及仿真，研制出一种新型凸轮式差速器，基本可以解决锁紧系数小，尺寸大等问题。

国外的研究领域及成果主要体现系统，以及虚拟技术方面。相应的研究成果如下[11-14]。

作为全球技术发展强国，美国的A.shitey等人为某种全地形车机设计一种自适应的模拟控制油门，实现了平稳油门运动和零稳态速度差，为该领域的发展提供了一种新的创新，同时特他们也提出一种新的算法以适应油门控制，并进行了实验验证；而加拿大的J.Batelaan主要设计了一种新的系统用来适应所有的越野车架，实现其高效率，通过实验验证其测量的载荷能力高于预期值，且滚动阻力也比较小；在虚拟技术方面：加拿大的L.Dai等人为了研究全地形车架在高度粗糙度地形表面上的运动，建立了不平路面行驶的非线性力学模型，解析假设了弱非线性动力系统。为后续学者研究提供了手段。在行驶环境方面，美国的Q.Li等人对交通越野全地形车对地形侵蚀与破坏的方面进行了研究,通过利用两辆试验车（8轮与4轮），在不同地形上进行试验，并建立理论模型，通过分析对比，误差值不到20%。

国内外差距：单从研究的领域及手段可以看出，国内的研究手段比较通用，几乎没有跳跃性的创新，而国外发达国家的研究手段多样，且伴有试验验证，可以很好的对产品做出更加准确的分析结果。在产品方面，国内研究深度不够，各厂家独一国外的机型进行防制，导致出现设计出的产品不能够具有高的可靠性性，舒适性问题。

1.3 课题的研究意义

全地形四轮越野车，英文All Terrain Vehicle简称ATV，它是一种具有综合性能的全能工具，在国外已被应用于农业，娱乐，地质，军事等不同领域，它的特点是具有强大的动力性，攀爬能力，可以适应各种比较恶劣的环境，如丛林，沼泽，沙漠等，且其工作稳定性强，安全性好，使得其在国内外都具有广阔的市场前景。目前，随着人们生活水平的提高与科学技术的不断进步，人们对物质文化的需求也在不断提升。对车辆的要求同样是呈现多元化需求[15-16]。

车架作为一个全地形车的主体，具有重要的决定作用，它影响着整车的布局及工作性能，基本决定了一个车设计的性能，而钢管式车架作为一种特殊场合使用的车架，因其具有空间布局，导致其设计计算比较复杂，故本文在设计一种符合设计要求的钢管式车架具有一定的研究意义。

2 车架的基本理论

2.1车架的类型

车架概述：就如人的骨架一样，车辆也需要有自身的一副骨架来支撑各个部件，这就是车架。

车架的作用：

1）连接汽车各个系统与零部件；

2）承受汽车整车及部件的重量；

3）承载各种工况下所受到的冲击与扭曲力。

车架的类型：

广义上定义的车架包含两大类，我们常说的车架主要有：

1.传统式车架，多用于非承载。如下图所示。

图2.1传统式车架

2.承载式车身：车身兼车架作用。示意图如下如所示。

图2.2 承载式车架

狭义上定义，一般将车架分为三类

1）边梁式车架

主要由两根纵梁和若干根横梁组成，采用铆接或焊接将其固定。

图2.3边梁式车架

2）中梁式车架

只有一根位于中央贯穿前后的纵梁。

图2.4 中梁式车架

3）综合式车架

车架分为两部分，前部为边梁式，后半部为中梁式，。

图2.5 综合式车架

2.2 车架的发展

车架发展过程：梯形车架----中梁式车架---承载式车架---其他形式

梯形车架是最早出现的车架形式。它是最早的名副其实的车架，就是一种通过各种钢梁焊接或铆合起来的架子，然后将各种系统和部件安装在上面，显而易见这种车的性能比较差。

中梁式车架：在车架的正中心，只要一根贯穿前后的纵梁，因此也叫脊骨式车架，中梁的断面可以是管形或箱形。

承载式车身：车身亦充当车架，承受所有的载荷。

钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架。

碳纤维车架作为一种新型领域，它是一种特殊的材料集成框架。车架的刚度很高，但重量比其他车架轻，重心也较低。但是制造成本极高，所以现在它只用于那些专用赛车和其他少量车上。

2.3 各种车架的优缺点

1.边梁式车架的特点：

优点：

1）结构简单、容易制造；

2）便于改装；

3）便于布置和安装；

4）具有较高的强度和刚度；

5）车架与驾驶室是分开的，使用弹性悬置安装，隔振效果好。

缺点：

1）重量较大；

2）车身不起承载作用，不利于扭转刚度；

3）不利于降低底板高度。

2.中梁式车架

特点：

1）车架的扭转刚度大；

2）质量轻，减少了整车的重量；

3）中梁能够封闭传动轴，有利于防尘隔振；

4）可以降低底板高度和整车的重心高度；

5）整车布局较为复杂,安装与工艺比较困难,且精度要求高,后期不便。

3.综合式车架的特点：

中梁+边梁的综合车架。

4.其他形式车架

钢管焊接的桁架式车架结构：刚度强度较高，质量，适合用于赛车。

平台式车架：降低底板高度，利于公用底板，便于改型车。

ISR型车架：可便变更轴矩，产生不同轴矩，利于采用后独立悬架；可提高车辆的形式平顺性。

半车架：整车前部刚度较大；局部得到加强；有利于汽车的轻量化。

承载式车身

优点：质量轻；降低底板高度和重心高度；便于批量化生产；车身参与承载，整体刚度好。

缺点：制造成本高；不容易改型；需要采取隔振措施。

2.4 车架基础理论

车架的布局应该具有一定合理的目标，所谓合理指的是，在满足刚度，强度即所说的静力学要求以及整体布局的前提下，达到后期便于安装与维修。

要评价一个车架的设计结构的好坏，我们必须清楚车辆在各种工况下的不同受力情况，即使有再好的悬挂系统，如果车架某一方面的性能达不到要求，也无法达到良好的操控。在实际中，车架常面临以下四受力：

1.负载弯曲

部分汽车采用的车架是整车的主要车载体，然后通过轮轴传到地面，而这受力主要集中在轴距的中心，因此设计要求底部的承受梁具有较强的强度。

2.非水平扭动

当汽车行驶时候，前后车轮因遇到路面不平产生滚动，则梁柱需要承受纵向的扭曲压力。

3．横向弯曲

横向弯曲主要发生在汽车进入弯道时，整车的产生离心力，使汽车有向弯道外脱离的倾向，此时，轮胎通过抓着力产生发作用力，使汽车产生横向扭曲。

4．水平菱形扭动

这种情况主要出现在不平行驶路面，每个车轮的受力都不同，导致各轮承受不同的阻力与牵引力，从而产生水平方向上的推来产生变形。

常见车架的受力布局如图2.6所示：

图2.6 常见车架受力分布

车架常用的材料：

Q235：最低屈服强度是235MPa的碳素结构钢；

SAPH440：Q/BQB 301-2003宝钢标准，抗拉强度≥440MPa；

20：优质碳素结构钢（碳量0.2%）。

车架制造基础知识：

冲压的基本工序

1）、分离工序

a、落料是被分离的是成品，其余则是废料；

b、冲孔是则与落料相反；

2）、工序成形

主要有弯曲、拉深、翻边等。

a、弯曲是将坯料弯成一定曲率形状的工序。

3.冲压件的结构工艺性简述

a、对冲裁件的要求

冲裁件的外形应该简单，对称，避免出现长槽与细长悬臂结构（制模具困难），冲裁件的转角处避免尖角。

b、对弯曲件的要求

整体形状尽量对称，弯曲时要考虑材料允许的最小弯曲半径，以免发生断裂。

弯曲边不易过短，弯边的高度值H＞2s,若不不成立，必须进行加大或着压槽处理。

对于带孔件的处理，为避免弯曲时孔的变形，必须使孔的距离到弯曲中心的距离L＞1.5～2s，若不成立，可先弯曲，再打孔。

C、对拉伸件的要求

工件尽量应该简单，对称，高度不要太高，且拉深次数应尽量少，使其容易成型。

3 设计软件的介绍

3.1 UG NX的技术

UG的开发始于上世纪70年代，整体设计基于C语言开发。UG NX的机理就是讲数值求解偏微分方程用用到一个由二维与三维空间构成的网格上，实现设计的一个设计软件工具，应用时可以实现多种化的离散方案，且整体设计较为灵活。因此软件可对许多不同的应用再利用。

UG NX的目标是利用最新的数学技术创建一个可以自由灵活设计的，实现多种复杂问题求解的并可以二次开发的三维设计及分析软件，给同种类型软件的拓展定下一定的基础。

3.2 UG NX的结构

作为一个大型软件系统，它必须就有一定的不同层次的抽象描述UG具有三个设计层次，即

1）结构设计(architecturaldesign)；

2）子系统设计(subsystemdesign)；

3）组件设计(componentdesign)。

因为其整体参数模块较多，UG通过不同模块的设计与子系统的条理性，可以实现整体参数化结构布局，所有设计保存的信息被分布储存于于各子系统之间，以实现整体参数化。

3.3 UG NX的功能模块

1）UG/Gateway（UG入口）

这个模块是UG的基本模块：包含了UG常用的基础命令，是实现其余模块功能的基础。

2）UG实体建模(UG/Solid Modeling)

UG的建模时最常用基础的模块，可以说是其他模块的前提设计条件。

3）UG/Features Modeling(UG特征建模)

UG特征建模可实现特征命令的调用，可快速实现模型的建立与调用。

4）UG/FreeFormModeling(UG自由曲面建模)

UG的曲面功能在所有的三维软件中最为强大，它的曲面命令多样化且较为齐全，可以利用各种不同的命令实现复杂的曲面设计。

5）UG/User DefinedFeature(UG用户自定义特征)

UG/User Defined Feature自定义模块可以让设计者自己建立常用的块，方便长期使用。

6）UG/Drafting(UG工程绘图)

UG工程绘图模块提可以快捷的实现二维工程图的生成，不用再重新绘制二维图，减少了设计师的工作量。

7）UG/AssemblyModeling(UG装配建模)

此模块可以将不同已经建立好的零部件通过添加命令将其导入装配模块，并利用约束加以装配，构成装配体，实现整体总装。

8）UG/Senario for FEA(UG有限元前后置处理)

UG自带简单的有限元分析模块，可进行常用的有限元划分网格，计算分析等命令。

9）UG/CAM BASE(UG加工基础)

UG加工基础模块提供如下功能：可实现刀具等轨迹实现材料的加工，如铣床加工，洗出工件等。

10）UG/Vericut（UG切削仿真）

UG/Vericut：刀具作为常用的切削工具，UG为此提供了良好的模块，为设计者提供了相关的演技模块。

11）UG/Open（UG二次开发）

UG/Open二次开发模块可为不同用户根据不同的需求自我设计相关的二次模块，为UG提供更多的完善功能。

12）UG/WE

UG/WE(What if Alternative Value Engineering) 产品参数化利于产品的极速修改，以及产品系列化设计。

13）UG/Scenario for Motion+（UG运动机构）

Scenario for Motion + 模块可以实现常用机构的运动仿真，实现三维动画，进行简单的运动速度计算分析等。

3.4 UG NX三维造型设计步骤

1．理解设计模型

分析了解原始数据即设计参数，构思整体框架。

2．主体结构造型

进行主体结构的设计，通过分析整体数据，对模型的外廓尺寸，进行相关定形（后期可以参数化求数据）。确定各零部件的大概位置及外形。

3．零件相关设计

零部件的设计需要在整体框架建立好的基础上，进行不断计算修改（有的标准件可以直接选型，通过GB的重用库进行选型调用），零部件的设计进行时候，不要过多关心尺寸问题，先完成零部件的主要尺寸设计，建立好进行装配，可在装体中，进行后期修改完善。

4．细节特征造型

细节特征是对产品设计的后期完善，对零部件的细节特征进行完善，不断修改，完成整体装配的设计建模。

4 车架总成设计

4.1 车架的结构设计

车架在汽车结构中占据及其重要的作用，汽车各结构通过车架连接支撑，是汽车基本骨架，同时承受车体及车外的总载荷。梯形车架具有减冲、消除震动、隔音较强、使用寿命长等特点，所以在大型挂车被大量使用。另外，设计车架底部时应注意距地面较近些，有助于降低车体重心，是汽车更易承重，提高车体稳定性，是汽车在行驶过程中更加安全。

纵梁在车架中有着承载作用，是重要的承重工件，在汽车运动过程中承受非常大的弯曲应力。

横梁是组成车架的关键部件，车架的左、右纵梁主要是通过横梁连接。

此外，汽车中的部分关键零部件常需要安置在横梁上，此时就需要横梁不仅具有很好的承重性能，还要满足一定的精度要求，在形状和位置上与纵梁配合满足安装需求。

本文先进三维建模，方便参数修改，通过UG先进行线性框架的设计具体设计模型如图4.1所示：

图4.1 整体线性框架图

通过UG【插入】-【扫掠】-【管道】进行数据参数输入，生成三维模型，通过合并将模型合成一体，并修改连接处。

三维模型如图4.2所示：

图4.2 钢管式车架三维模型

4.2 车架的设计计算

卫视汽车能够正常行驶，提出了汽车行驶方程式。行驶方程式为：

（4.1）

:电动车的驱动力，由电机提供

：电动车的空气阻力，可以忽略不计

：电动车坡度阻力

：电动车加速度阻力

1.汽车的行驶滚动阻力:

（4.2）

其中：汽车的自重；

：汽车在沥青路面上的滚动摩擦因数；

路面类型 滚动阻力系数：

良好的沥青或混凝土路面0.010——0.018

一般的沥青或混凝土路面0.018——0.020

碎石路面0.020——0.025

良好的卵石路面0.025——0.030

坑洼的卵石路面0.035——0.050

压紧土路：干燥的0.025——0.035雨后的 0.050——0.150

泥泞土路（雨季或解冻期）0.100——0.250 干沙 0.100——0.300

湿沙 0.060——0.150

结冰路面0.015——0.030

压紧的雪道0.030——0.050

在此设计的为越野车，路面为坑洼的卵石路面，滚动阻力系数选用0.035-0.050

是指汽车在上坡过程中的斜度。此处设计最大爬坡为0.25.则经换算得

汽车自重计算:乘员2名，质量150kg ；发动机质量32kg；油箱质量（含油）：15kg；货物质量：50kg；四条轮胎总质量：30kg

经过软件分析模块测得车架重量为85.9kg

图4.3车架的质量

则整个车的重量为

Kg （4.3）

（4.4）

2.：空气阻力，计算公式为：

（4.5）

其中：C：车的空气阻力系数；C取值范围一般在0.3-0.6。

A：车的迎风面积；投影方向为1.2X1.2=1.44m2

v：车的速度：车速定为72km/h（无风时）

（4.6）

3.：车坡度阻力，计算公式为：

（4.7）

（4.8）

则 （4.9）

（4.10）

4.：车加速度阻力，计算公式为：

（4.11）

a：车的加速度；10m/s2

（4.12）

5.:车的驱动力，计算公式为：

（4.13）

：作用在驱动轮上面的转矩；

r：车轮的半径, （4.14）

（4.15）

N.m （4.16）

4.3 车架的受力分析与校核

假设装上全部零部件，整车左右完全对称，车的质心是处于中心线上的。此时需根据车后轮数值取矩，算出汽车重心和车外的在中在车架中的着力点。

（a） （b）

（c）

图4.4车架质心

质心基本位于第二段纵梁到第三根纵梁中心

将其转换为简单的力学模型

弯矩的公式为：

弯矩：860X1.018=875.48N.m，单边弯矩为125.06N.m

在弯矩最大的点就是最危险的点有：

max=M/W （4.17）

其中为抗弯强度；

M为最大弯矩；

W为抗弯截面系数；

管状梁截面系数为

（4.18）

图4.5 管截面系数图

（4.19）

mm3 （4.20）

（4.21）

Q235的许用抗弯用力为158MPa,满足要求。

4.4 行车制动计算

整车的制动性能评价指标：

1.制动的距离、制动减速度；

2.抗高温衰退稳定性能；

3．制动时汽车的方向稳定性；

制动器的制动时间（s）(取传统数值范围(0.1-0.9)的中值)

在不同路面上，由于地面制动力

(4.22)

G：车的自重；

：路面的附着系数,本设计要求为0.8

(4.23)

车的制动减速度（a）为：

a=*g (4.24)

(4.25)

4.5 悬架的选择

全地形车架在行驶时候的所受的冲击都是有车身的悬架所承受，车架的整体设计在满足设计使用要求时，也要达到轻量化设计要求。

悬架的定义：悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称。弹簧部件多样，分别是钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧和扭杆弹簧，应用较广的是螺旋弹簧和扭杆弹簧，常在小型汽车中使用，空气弹簧造价昂贵，核心技术比较高，一般在较高级轿车中使用。弹性元件可实现力和力矩的转换，一般用于车轮车架间的传递，此外还具有很好的减震作用，提高汽车行驶稳定性。

悬架的两种形式：非独立悬架和独立悬架

A．非独立悬架如图( a) 所示。其两侧车轮安装于一整体式车桥上，车轮的冲击是相互影响的。

B．独立悬架如图( b) 所示，两边车轮可各自与汽车车架弹性相接，车轮之间都是单独的系统，相互之间没有影响。

图4.6非独立悬架和独立悬架

本设计使用的悬架采用独立悬架，保证车轮之间无影响。

5 ANSYS分析

5.1 ANSYS WorkBench分析软件

有限元法是工程求解的理论方法。应力分析中静态，动态，瞬态的，线性的，非线性的问题及热力学，电力学等其余各个问题都可以通过有限元法得到解决。

ANSYS软件下开发的WorkBench模块，因其设计相比专业分析软件更加便易，被广大高校企业以及个人使用，

5.1.1 有限元分析的基本思想

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思想是就是将一个比较复杂的问题转换为无数个小的问题，然后通过数值求解求出每个问题的结果，得出综合后的结果。这种理念的提出极大的促进了分析理论的前进，不同理念的分解相继出现，为各个有限元分析软件提供了不同的理论基础，从而使得有限元分析软件成为工程分析手段重要的一个验证手段。尤其是在研究性高校中，已经成为一种必要的研究手段，也成为理论验证的方法。

由于工程问题都是极为复杂的问题，通过纯理论计算俨然不现实，通过有限元拆分可以将问题变的极为简单，而且计算精度也比较高。

常用的有限元思想有离散和分片插值，在软件中的体现就是划分网格，将其分为连续的节点与单元，离散的目的是无限变成有限，具体就是将无限连续变量微分方程或者边界转换条件转换为有限个节点的代数方程，以便于计算机进行求解。

而分片插值则是针对每一个单元模块选择试探函数，通过比较选取能够满足条件的函数即可进行收敛计算，得到收敛于实际的精确计算结果。

5.1.2 ANSYS Workbench概述

ANSYS作为长期以来被相关行业熟知的CAE分析平台软件，开始规模化自己的软件，它的旗下开始出现不同模块，ANSYS Workbench就是专门用来重新组合不同组件而设计的一个通用平台，它为分析用户提供了一个加载和管理不同API的框架，各组件通过不同的语言脚本组织编制自己的界面实现融入。

Workbench仿真环境和一般仿真环境的差异：

客户化：可根据不同客户面临的不同研发环境与流程，对其进行不同的模拟仿真，这一特点也称为“实施性”；

集成性：作为一个万能的求解器，不同平台的提供的求解器，在该软件中经过简单的处理都可以实现调用；

参数化：Workbench对常见的各类设计软件系统具有密切联系，通过相互连结，可实现互相之间的双参数化。

这种适应性软件的开发极大的促进了该类软件的发展，相信不久的将来必然会出现革命性的变化。

5.1.3 ANSYS Workbench提供的分析类型

ANSYS Workbench软件提供的分析类型如下 ：

1）结构静力分析

通过加载各种约束及受力，进行外来载荷加载后的应力应变等验证，不仅可以对常规的线性进行分析，同时也可以进行部分非线性分析，如塑性变化，大应变，接触受力等等。

2）结构动力学分析

主要用来分析求解与时间有关的载荷分析，常见的分析有：模态分析（测固有频率）；瞬态动力学分析（时间历程分析），谐波响应分析（周期性响应）及随机振动分析。

3）结构非线性分析

有些外部受力载荷不成比例，故需该模块展开定义解析，常见难点有如何计算静态和瞬态的非线性问题，具体材料、几何及单元方面的非线性问题。

4）动力学分析

动力学分析主要用来确定分析机构的动力学特性响应，常见分析形式有应力，应变，和变形等

5）热分析

热分析主要用于处理三种不同的传递类型；传导，对流，辐射，一般将其与其它模块进行耦合分析，如模拟结构力与热之间的分析。

5.2 车架有限元分析模型建立及分析

有限元模型的建立

由于本文设计的车架钢管式车架，整体结构为空间式，在有限元中单独建立模型难以实现，本文通过ANSYS与UG建立接口，通过导入命令直接将模型导进ANSYS，在导入前要考虑模型中是否有无关紧要的孔类，小凸台或着缺口之类的地方，有限元分析在这些地方也会进行分析，划分网格时候这些地方将会出现密集的网格，分析时间将会增加，严重时将会导致分析不收敛，无法进行分析，故将模型出现类似的地方进行删除或修补，当然前提是在不影响分析结果的前提下。

建立车架的分析模块，分析视图如下：

图5.1 ANSYS分析模块列表

本次分析只利用结构分析[17]。单击【Static Structural】，点击拖拽会进入如下图：

图5.2 静力学结构分析模块

通过左侧可以看到整体的分析的模型树，具体如图5.3所示：

图5.3 整体模型树

成功从UG导入模型，具体界面如图5.4所示：

图5.4 导入模型

选取车架的残料参数[18-19]。UTV车架材料为Q235A钢，其泊松比为0.288，弹性模量为2.1X105MPa，密度为7.9X10-9t/mm3

由于车架结构基本采用的是圆形管,考虑有限元车架模型的实际受力情况,采用8节点SOLID 185单元自由网格的方法进行网格划分,共计61099个节点,29054个单元。有限元网格换分和节点单元图如下所示：

图5.5 网格划分模型

图5.6 划分后的单元数与节点数

由于全地形车为非道路车辆，行驶的工况环境比较复杂，它主要有薄壁钢管，方钢等焊接而成，（本文设计的是薄壁钢管），因此在装配焊接时需要对焊接的质量，及材料的性能提出较高的要求。本文设计的选用的材料是Q235，为碳素钢，在选取时，材料化学成分不需有杂志出现，壁厚应该均匀分布，否则会在使用中出现断裂等现象。焊接时候[20]。注意避免出现任何虚焊，漏焊等存在安全隐患的问题。

图5.7 力学加载工具栏

图5.8 四个支撑固定点

图5.9 各个加载力

分布好各个受力，进行分析，有关分析结果视图如5.10-16所示：

Total Deformation

图5.10总变形

Equivalent Stress

图5.11等效应力

Equivalent Elastic Strain

图5.12等效弹性应变

Shear Stress

图5.13剪应力

Maximum Principal Stress

图5.14最大主应力

Minimum Principal Stress

图5.15最小主应力

Directional Deformation

图5.16方向变形

通过上面个图可知，总变形最大出现在承载人的地方，最大变形为2.833mm，

最大主应力为33.3MPa，材料的最大屈服强度为235MPa，

33.3MPa<235MPa

故满足设计要求，至此整体设计及有限元分析完成。

参 考 文 献

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致 谢

经过了将近半年的设计历程，终于完成了毕业设计。这次经历对我来说意义重大。首先，这是对我四年来学习成果的一次具有挑战性的检测与考验，同时也是我在大学四年里的最后一次作业。因此，我十分珍惜，在整个设计过程中，投入了极大的心血和汗水。

回顾这次设计，我感触颇多。其中，感触最深的一点就是我们专业在日常生活中的重要性，可以说设计存在于日常生活的方方面面，无处不在，影响和改变着大众的生活方式。另外一点，就是自己基础知识的薄弱，在很多问题上，依然没有深刻、彻底的认识。这对我今后的学习和生活提出了更多、更高的挑战，要想在相关行业中立足，甚至是成为凤毛麟角的机械人，需要走的路还很长。但这次设计的成功也极大鼓舞了我继续进步的信心，我会不断努力，不断进步。

在设计中自己应用到三维与分析软件，通过自学与请教，学会了基础的一些功能，受益匪浅，为自己步入社会大戏一定基础。

当然，这次设计得以成功，最关键的一点在于老师对我的启迪和帮助，无论是专业上的问题，还是看待问题的角度，更甚是对待问题的态度。老师都成功地扮演了我完成毕业设计漫长历程中的风向标和灯塔。在此，特别感谢老师孜孜不倦的教导和鼓励。我会沿着老师指出的方向，继续前行，进行更深层次的探索，力争为我国的创新性发展贡献自己的力量。

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