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0.引言
现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，其功用是支承连接汽车的各部件，并承受来自车内外的各种载荷。车架是整个汽车的基体，农用轻型载重汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。因此，车架的性能在整车设计中就显得尤为重要。
1.利用ANSYS对整个车架结构进行计算和分析
1.1车架模型的网格划分
车架有限元接触分析的分析对象是车架在三维实体模型的基础上，通过单元属性定义、网格划分、摩擦接触单元、定义边界条件和施加载荷等前处理过程得到的三维模型。车架的有限元模型可以作如下简化：
（1）包括驾驶员在内的驾驶室重量平均分布在驾驶室与车架相接触的面积上；货箱质量及货箱载重量均布在货箱与车架相接触的面积上；发动机、离合器与变速器重量均匀分布在发动机、离合器与变速器与其支架相接触的平面上。
（2）不考虑钢板弹簧对车架的作用。
（3）忽略受载较小和对结构受力影响甚微的微小特征，如小孔、小半径的圆倒角。
根据以上假设，利用ProE软件与ANSYS软件的接口将建立好的三维模型导入到ANSYS软件中得到相对应的车架有限元模型，选用20节点实体单元划分的网格。划分网格时应注意先将车架结构进行网格划分，然后再将铆钉进行网格划分。以此得到比较满意的网格。
放大网格模型的一部分以看清楚单元。由于结构对称，载荷分布也基本上对称，故取纵向对称的二分之一模型来计算，梁选用的是20节点实体单元Solid186单元，铆钉选用的是20节点实体单元Solid95单元，采用智能网格划分后，车架包括铆钉在内总的节点数为115871，单元数为56189。将整个车架视为一个整体零件时，采用20节点实体单元Solid186单元且同样采用智能网格划分，总的节点数为104777，单元数为53047。
1.2加摩擦接触单元
网格划分后，下一步工作就是加摩擦接触元，在板与板之间加摩擦接触元的同时，在铆钉孔的圆柱面与铆钉的圆柱面之间以及铆钉帽与板接触的圆环面与圆环面之间也加上摩擦接触元。由于摩擦接触单元的节点就是原实体单元的节点，所以加上摩擦接触元后整体结构的总节点数目不会增加，总体自由度数目也没有增加，但是单元的总数目增加了许多。增加的摩擦接触单元数为30319，总的单元数增加到86508。车架中梁材料的弹性模量E=204GPa，泊松比μ=0.3；铆钉材料的弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.28。将整个车架视为一个整体零件时，车架材料的弹性模量全部取为E=204GPa，泊松比μ=0.3。
1.3车架模型的加载与边界条件的处理
加上摩擦接触元后，再进行加载与边界条件处理。从车架实际结构来看，车架的约束来自于前后钢板弹簧和与钢板弹簧相连的车轴、轮胎及地面。因此，车架可以在不同的约束条件下建立计算模型。如，以地面作为约束，以轮胎与地面之间接触点作为约束点，或以车轴、轮胎作为约束，以钢板弹簧与车轴、轮胎的连接点作为约束点等。由于在工程实际中，主要考虑的是铅垂位移，所以主要讨论铅垂方向的位移约束。
1.4车架的两种算法求解及结果分析
求解过程是计算机自动执行的，对二分之一车架模型的接触法求解计算机需近2小时，才能算出结果。而将整个车架视为一个整体零件时，计算机只需20分钟左右，即可算出结果。
图1和图2分别为接触法求解的车架总合应力和最大变形;图3和图4分别为将整个车架视为一个整体零件时，车架的总合应力和最大变形。
从这些图中可以看到，总合应力的最大值和挠度的最大值都发生在弯横梁a与第3横梁之间的纵梁上A处，因为该处的弯矩最大。
从图中可以看到，、两种算法的总合应力和变形的趋势大体相同，不同的是，接触算法的总合应力和变形相对来说都要大些。另外参照图3，第4横梁与纵梁连接的B点处总合应力也比较大，由于该处弯矩较大且铆接处存在一定程度的应力集中。所以，铆钉的铆接质量对车架结构来说也是非常重要的。
图1 车架的总合应力 图2 车架的变形
图3 车架的总合应力 图4 车架的变形
在弯横梁a与第3横梁之间的纵梁段处应力比较集中，变形也比较大，说明这里是车架的薄弱环节。如果在纵梁的这个地方用另一加强板来加强，车架会有更高的强度。
从节省材料和减轻重量的角度来说，应当进一步优化车架结构。可在前后轴跨距基本确定的情况下，合理地安排载荷的分布，如将载荷尽量靠近前后轴;经济地确定各梁截面形状和截面尺寸，改变梁截面的惯性矩，尽可能满足各处等强度和等扭转刚度的要求，以达到充分利用材料、降低重量的目的。
2.车架的模态分析
2.1车架的模态分析
模态分析技术是动力学分析的现代方法和手段。随着人们对工程产品的设计提出了越来越高的要求，在许多工程领域都引入了模态分析技术，如车辆的乘坐舒适性、噪声控制、产品轻量化设计的疲劳问题等，因此，模态分析技术的应用领域日益扩大，并成为动力学分析中不可缺少的手段。
车架是承受来自车内外的各种载荷的主要结构，是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。因此，车架除了必须具有足够的强度与适合的刚度以及质量尽可能小以外，同时还要求其在振动等方面具有良好的性能。因此，对车架进行模态分析是非常有必要的，模态分析不但是动力学分析的手段和基础，同时又可据此直接对车架结构的设计进行评价。
由于自由度过高，用接触法对车架进行模态分析存在一定的困难，所以可以先利用接触法的应力和变形计算结果设计好车架，然后，再将车架结构作为一个整体来进行模态分析，或者采用子结构的方法，分析各子结构而后进行模态综合。
对车架结构的动态特性影响大的是较低的前几阶振形，高阶振形对结构的动态特性影响很小。图中车架振形应尽量光滑，避免有突变。从以上的前四阶振形可以看出，在弯横梁前后处的纵梁变形较大，而且弯横梁在前后方向发生了一定角度的转动。因此，弯横梁前后处纵梁段的强度和刚度需加强，并且弯横梁与纵梁的连接刚度需加强。
2.2车架的动态性能分析
动态的设计与分析方法是现代的设计方法之一，它强调从结构的整体考虑问题，在性能校核中考虑了振动的因素。通过模态试验和有限元动态分析提供的信息，可以研究汽车零部件或整车的振动情况，从而改进和提高汽车产品的质量。汽车车架受到来自路面的激励而产生振动，如果某些结构设计得不合理，由于振动产生的弯曲、扭转等变形，将会造成某些部件疲劳破坏，甚至断裂。所以振动不仅影响汽车的平顺性，还将影响汽车的使用寿命。
所以，设计中除了要有足够的强度和适合的刚度外，合理的振动特性也是十分重要的。设计车架时，应尽量使其模态频率错开载荷的激振频率，以避免引起共振。车架弹性模态频率也应尽量避开发动机经常工作的频率范围。对车架进行合理的动态特性分析可以达到控制振动与噪声的目的。
通过分析提供的信息，可以对汽车在使用过程中发生的故障进行诊断，提出相应的改进措施，从而使汽车具有更好的动态特性。也可以对车架结构进行优化，寻求各梁截面参数的最佳值，达到合理利用材料、减轻车架自重的目的。在保证车架强度的同时还要保证其具有一定的扭转刚度，过大的扭转刚度将增大扭转应力。另外，车架的纵梁与横梁之间的连接对分析结果有很大的影响，采用较柔软的连接一般使对强度起决定作用的扇形正应力降低，但同时也降低了扭转刚度。当扭转刚度一定时，提高连接处的柔度有利于提高强度。
现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，其功用是支承连接汽车的各部件，并承受来自车内外的各种载荷。车架是整个汽车的基体，农用轻型载重汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。因此，车架的性能在整车设计中就显得尤为重要。
1.利用ANSYS对整个车架结构进行计算和分析
1.1车架模型的网格划分
车架有限元接触分析的分析对象是车架在三维实体模型的基础上，通过单元属性定义、网格划分、摩擦接触单元、定义边界条件和施加载荷等前处理过程得到的三维模型。车架的有限元模型可以作如下简化：
（1）包括驾驶员在内的驾驶室重量平均分布在驾驶室与车架相接触的面积上；货箱质量及货箱载重量均布在货箱与车架相接触的面积上；发动机、离合器与变速器重量均匀分布在发动机、离合器与变速器与其支架相接触的平面上。
（2）不考虑钢板弹簧对车架的作用。
（3）忽略受载较小和对结构受力影响甚微的微小特征，如小孔、小半径的圆倒角。
根据以上假设，利用ProE软件与ANSYS软件的接口将建立好的三维模型导入到ANSYS软件中得到相对应的车架有限元模型，选用20节点实体单元划分的网格。划分网格时应注意先将车架结构进行网格划分，然后再将铆钉进行网格划分。以此得到比较满意的网格。
放大网格模型的一部分以看清楚单元。由于结构对称，载荷分布也基本上对称，故取纵向对称的二分之一模型来计算，梁选用的是20节点实体单元Solid186单元，铆钉选用的是20节点实体单元Solid95单元，采用智能网格划分后，车架包括铆钉在内总的节点数为115871，单元数为56189。将整个车架视为一个整体零件时，采用20节点实体单元Solid186单元且同样采用智能网格划分，总的节点数为104777，单元数为53047。
1.2加摩擦接触单元
网格划分后，下一步工作就是加摩擦接触元，在板与板之间加摩擦接触元的同时，在铆钉孔的圆柱面与铆钉的圆柱面之间以及铆钉帽与板接触的圆环面与圆环面之间也加上摩擦接触元。由于摩擦接触单元的节点就是原实体单元的节点，所以加上摩擦接触元后整体结构的总节点数目不会增加，总体自由度数目也没有增加，但是单元的总数目增加了许多。增加的摩擦接触单元数为30319，总的单元数增加到86508。车架中梁材料的弹性模量E=204GPa，泊松比μ=0.3；铆钉材料的弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.28。将整个车架视为一个整体零件时，车架材料的弹性模量全部取为E=204GPa，泊松比μ=0.3。
1.3车架模型的加载与边界条件的处理
加上摩擦接触元后，再进行加载与边界条件处理。从车架实际结构来看，车架的约束来自于前后钢板弹簧和与钢板弹簧相连的车轴、轮胎及地面。因此，车架可以在不同的约束条件下建立计算模型。如，以地面作为约束，以轮胎与地面之间接触点作为约束点，或以车轴、轮胎作为约束，以钢板弹簧与车轴、轮胎的连接点作为约束点等。由于在工程实际中，主要考虑的是铅垂位移，所以主要讨论铅垂方向的位移约束。
1.4车架的两种算法求解及结果分析
求解过程是计算机自动执行的，对二分之一车架模型的接触法求解计算机需近2小时，才能算出结果。而将整个车架视为一个整体零件时，计算机只需20分钟左右，即可算出结果。
图1和图2分别为接触法求解的车架总合应力和最大变形;图3和图4分别为将整个车架视为一个整体零件时，车架的总合应力和最大变形。
从这些图中可以看到，总合应力的最大值和挠度的最大值都发生在弯横梁a与第3横梁之间的纵梁上A处，因为该处的弯矩最大。
从图中可以看到，、两种算法的总合应力和变形的趋势大体相同，不同的是，接触算法的总合应力和变形相对来说都要大些。另外参照图3，第4横梁与纵梁连接的B点处总合应力也比较大，由于该处弯矩较大且铆接处存在一定程度的应力集中。所以，铆钉的铆接质量对车架结构来说也是非常重要的。
图1 车架的总合应力 图2 车架的变形
图3 车架的总合应力 图4 车架的变形
在弯横梁a与第3横梁之间的纵梁段处应力比较集中，变形也比较大，说明这里是车架的薄弱环节。如果在纵梁的这个地方用另一加强板来加强，车架会有更高的强度。
从节省材料和减轻重量的角度来说，应当进一步优化车架结构。可在前后轴跨距基本确定的情况下，合理地安排载荷的分布，如将载荷尽量靠近前后轴;经济地确定各梁截面形状和截面尺寸，改变梁截面的惯性矩，尽可能满足各处等强度和等扭转刚度的要求，以达到充分利用材料、降低重量的目的。
2.车架的模态分析
2.1车架的模态分析
模态分析技术是动力学分析的现代方法和手段。随着人们对工程产品的设计提出了越来越高的要求，在许多工程领域都引入了模态分析技术，如车辆的乘坐舒适性、噪声控制、产品轻量化设计的疲劳问题等，因此，模态分析技术的应用领域日益扩大，并成为动力学分析中不可缺少的手段。
车架是承受来自车内外的各种载荷的主要结构，是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。因此，车架除了必须具有足够的强度与适合的刚度以及质量尽可能小以外，同时还要求其在振动等方面具有良好的性能。因此，对车架进行模态分析是非常有必要的，模态分析不但是动力学分析的手段和基础，同时又可据此直接对车架结构的设计进行评价。
由于自由度过高，用接触法对车架进行模态分析存在一定的困难，所以可以先利用接触法的应力和变形计算结果设计好车架，然后，再将车架结构作为一个整体来进行模态分析，或者采用子结构的方法，分析各子结构而后进行模态综合。
对车架结构的动态特性影响大的是较低的前几阶振形，高阶振形对结构的动态特性影响很小。图中车架振形应尽量光滑，避免有突变。从以上的前四阶振形可以看出，在弯横梁前后处的纵梁变形较大，而且弯横梁在前后方向发生了一定角度的转动。因此，弯横梁前后处纵梁段的强度和刚度需加强，并且弯横梁与纵梁的连接刚度需加强。
2.2车架的动态性能分析
动态的设计与分析方法是现代的设计方法之一，它强调从结构的整体考虑问题，在性能校核中考虑了振动的因素。通过模态试验和有限元动态分析提供的信息，可以研究汽车零部件或整车的振动情况，从而改进和提高汽车产品的质量。汽车车架受到来自路面的激励而产生振动，如果某些结构设计得不合理，由于振动产生的弯曲、扭转等变形，将会造成某些部件疲劳破坏，甚至断裂。所以振动不仅影响汽车的平顺性，还将影响汽车的使用寿命。
所以，设计中除了要有足够的强度和适合的刚度外，合理的振动特性也是十分重要的。设计车架时，应尽量使其模态频率错开载荷的激振频率，以避免引起共振。车架弹性模态频率也应尽量避开发动机经常工作的频率范围。对车架进行合理的动态特性分析可以达到控制振动与噪声的目的。
通过分析提供的信息，可以对汽车在使用过程中发生的故障进行诊断，提出相应的改进措施，从而使汽车具有更好的动态特性。也可以对车架结构进行优化，寻求各梁截面参数的最佳值，达到合理利用材料、减轻车架自重的目的。在保证车架强度的同时还要保证其具有一定的扭转刚度，过大的扭转刚度将增大扭转应力。另外，车架的纵梁与横梁之间的连接对分析结果有很大的影响，采用较柔软的连接一般使对强度起决定作用的扇形正应力降低，但同时也降低了扭转刚度。当扭转刚度一定时，提高连接处的柔度有利于提高强度。