MeshFree|车架强度、刚度仿真分析
摘要
本文阐述了汽车车架结构的重要性及其设计要求，并详细介绍了利用MeshFree软件进行车架刚度和强度分析的方法。文章首先解释了刚度和强度的概念，随后说明了在MeshFree软件中导入CAD模型、定义边界和荷载、以及查看分析结果的步骤。此外，还提供了车架材料和板簧的具体参数，并通过仿真结果验证了车架设计的可靠性。整个分析过程确保车架在各种工况下具有足够的刚度和强度，为汽车设计提供了科学依据。
正文
车架是跨接在汽车前后车桥上的框架式结构，俗称大梁，是汽车的基体。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。车架必须具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。车架的功用是支撑、连接汽车的各总成，使各总成保持相对正确的位置，并承受汽车内外的各种载荷。
因此，车架必须要有足够的弯曲刚度和强度，以保证其有足够的可靠性与寿命。
关于刚度和强度
刚度：
材料在受力时抵抗弹性变形的能力，刚度的大小取决于构件的几何形状和材料的弹性模量
强度
材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力或构件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力
示例
与车架相连的结构简化为刚性连接+质量点的形式，整个装配体采用焊接接触
板簧材料60Si2Mn，弹性模量206GPa，泊松比0.29，屈服强度1176MPa，抗拉强度1274Mpa，密度7.85e-6kg/mm³
车架材料Q690D，弹性模量210GPa，泊松比0.33，屈服强度690MPa，抗拉强度800MPa，密度7.89e-6kg/mm³
分析类型-线性静力
结构在外荷载作用下的刚度和强度
第一步：导入CAD
MeshFree支持通用CAD格式和商用CAD格式
支持单一构件以及装配体格式文件，版本支持旧版本和最新版本CAD格式
以solidworks为例，目前支持98-2024版本
数据格式支持.sldprt,装配体格式.sldasm,直接打开(兼容材料信息导入)
第二步：边界/荷载定义
边界中接触边界应用及遇到的问题比较多
如果某个部件与另外的部件连接在一起，则需要定义他们之间的接触关系。
载荷通过节点单元传递到整个模型。但是，对于具有多个零件的部件，不同零件之间的间隙中没有节点单元。因此，需要触点来传输负载。
MeshFree提供自动接触、手动接触、自接触
接触类型：
焊接接触(Welded Contact )
滑动接触(Sliding Contact)
一般接触(General Contact)
·两个部件表面好像被焊在一起一样，允许表面之间有间隙。
·焊接接触是线性计算，更多的目的是保证相邻部件之间的连续性。
·不允许法向分离，不允许切向滑动。
2.滑动接触(Sliding Contact )
·不允许法向分离，允许切向滑动
·适用于发生小位移滑移的情况
·不需要输入摩擦系数
·滑动接触是线性计算，更多的是保证相邻部件之间的连续性
两块板之间焊接接触-切向没有滑动
两块板之间滑动接触-切向有微小滑动
一般接触(General Contact )
·切向和法向有允许有相对位移
·如果是小位移内发生的接触，比如有小间隙的螺栓连接，可用于线性计算，不需要输入摩擦系数。
·如果是大位移、大变形或者大转动，则需要非线性计算，需要输入摩擦系数。
齿轮齿条啮合分析，用一般接触，比较典型的非线性分析
本例题使用的焊接接触即绑定接触，可直接在模型上查看接触之间的位置
MeshFree直接在几何体上进行边界和荷载的定义
其他边界定义
第三步：结果查看
约束：左前轮约束X平动自由度，右前轮约束XYZ平动自由度，后轮约束Y平动自由度，其余自由度释放。
荷载：车架整体施加Y垂向1g自重。
说明：
扭转刚度是指车身在受到外力时抵抗弹性形变的能力，扭转刚度越高，抵抗冲击的能力也越强。
转向刚度工况
约束：左前轮约束XY平动自由度，右前轮约束Y平动自由度，后轮约束Y平动自由度，其余自由度释放。转向一侧设置接地弹簧，Z向弹簧刚度500N/mm。
荷载：车架整体施加Y垂向1g自重，Z向施加0.5g加速度。
说明：
转向刚度对汽车的性能和安全性具有重要影响。适当的转向刚度可以提高车辆的操控稳定性，减少在弯道中的侧滑风险，并提高制动时的稳定性。
垂向刚度工况
约束：左前轮约束XY平动自由度，右前轮约束XYZ平动自由度，后轮约束Y平动自由度，其余自由度释放。
荷载：车架整体施加Y垂向3.5g自重。
垂向刚度通常是指某一结构或构件在垂直方向上抵抗变形的能力，重型卡车经常工作在弯曲工况，此工况的汽车处于满载状态，所有车轮着地，匀速直线行驶在良好路面上车架的受力状态和变形情况。车架在路面反作用力以及车架上载荷作用下产生弯曲变形，车架各处的静载荷决定变形的大小，只有足够的强度才会保证其变形不会太大
