| NEWS |
| 有限元分析 |
汽车是用车架把发动机、底盘和车身中各主要总成连成一体的。车架的功用是做这些总成的安装基体，承受这些总成的重量及其传给车架的各种力和力。本文对SJZ 630型客车车架进行了研究，它是边梁式车架，由左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成。
汽车车架大多数由薄壁型钢焊接或铆接而成，槽钢是常用的一种型钢，SJZ 630型车架的纵梁即采用这样的型钢。由于载荷常不通过薄壁型钢的弯曲中心，汽车车架在复杂载荷作用下不仅要发生弯曲变形，而且还要发生严重的扭转变形，所以在分析计算车架强度有限元分析时，必须考虑薄壁杆件的扭转变形，这样才能得到符合实际的结果。
本文采用有限元法进行计算，把车架离散为有限单元，首先进行单元特性分析，组集单元特性矩阵，再进行整体分析，引入车架边界支承条件及载荷条件，求解平衡方程得出节点位移，计算应力，从而进行车架强度计算和校核。
汽车车架结构复杂，为了简化计算，在建立有限元模型时，为了减少单元数量，在不失对主要因素研究的前提下，略去次要杆件，这些杆件是为了满足构造或使用上的要求而设置的，并非应强度要求而设，其横截面积很小，在结构的计算模型中可以忽略。在对车架进行有限元划分时，根据车架结构特点，可将其简化为梁单元模型，整个车架只承受垂直方向的集中及分布载荷。
SJZ 630型车架长为5.305 m，最大宽度为0.875 m，最大高度为0.075 m，根据模型简化原则，将车架划分为46个梁单元，41个节点，计算简图如图所示。
车架属薄壁梁构件，根据弹性力学理论，非圆截面杆的横截面在扭转变形后要发生翘曲，必须考虑扇形惯性矩的影响，一般有限元计算程序在形成单元刚度矩阵时没有考虑翘曲的影响，因此在应用其对车架结构分析时，必须对单元刚度矩阵进行修正，用考虑两端翘曲约束影响的当量惯性矩代替扭转惯性矩。
(1)两端均受翘曲约束时的当量惯性矩为Ie=klsh(kl)2+klsh(kl)-2ch(kl)It，(1)
(2)一端自由翘曲而另一端受翘曲约束时的当量惯性矩为Ie=klkl-th(kl)It。(2)式中，k=GIt/(EIω)，其中，l为杆长；It为杆件横截面的抗扭惯性矩；G为剪切模量；E为弹性模量；Iω为扇形惯性矩。单元刚度矩阵中的其他参数，可根据单元实际情况进行计算。
汽车的车架是同悬挂系统一起工作的，不同的悬挂系统对车架的强度、刚度影响很大，为了使计算更符合实际工况，在汽车工程中，常把悬挂元件与车架(甚至车身)组合起来一起计算。在建立车架有限元计算模型时，可把汽车的钢板弹簧理想化为两根垂直的柔杆和一根刚度大的平衡杆件-柔杆、刚梁共同模拟悬挂系统。在应用计算机程序对含有纯弹性元件的结构进行结构分析时，除上述方法外，还可使用伪单元，读入刚度单元模拟，即把各弹簧元的单元刚度矩阵输入程序中，程序会根据单元定位向量自动将此弹簧元的刚度矩阵迭加到车架总刚度矩阵中去。
求解车架的平衡方程时，需要有足够的约束条件，以消除车架的整体刚体位移，才能求出车架因受力而引起的节点位移。为了消除车架空间运动的刚体位移，在纯弯工况计算中，将节点9及节点10的y和z方向的位移加以约束，同时约束节点29及30的y，z，θx方向上的位移。对纯扭工况，为模拟前轮单轮悬空时的工况，在节点29，30处将y，z，θx方向上的位移约束；在节点41处将x，y，z方向的位移加以约束。
汽车使用工况复杂，故作用在车架上的载荷变化也很大。以SJZ 630型边梁式车架为例，汽车静止时，车架只承受弹簧以上部分的载荷，它是由车架、车身的自身重量、装在车架上各总成与附近的质量所受的重力组成，其总和称为车架的静载荷。汽车在平坦道路上以较高车速行驶时，路面的反作用力使车架承受对称的垂直载荷，它使车架产生弯曲变形，其大小取决于作用在车架上各处的载荷。汽车在崎岖不平路面上行驶时，汽车的4个车轮可能不在同一平面内，从而使车架连同车身一起倾斜，这种工况使车架承受斜对称载荷，它使车架产生扭转变形，其大小取于路面不平度及车架与悬架的刚度。从实践经验看，与车架结构强度有直接关系的主要是弯曲工况和弯扭联合工况。对车架进行静力分析的目的是为了计算其在最大载荷作用下的变形与应力，以便进行强度和刚度的校核。因此，应对车架可能承受的最大载荷进行分析，本文采用3种不同工况进行了计算分析。
