1、 南京工程學院 本科畢業設計（論文）題 目： 基于ANSYS的車身結構強度及剛度 分析 專 業： 車輛工程（汽車技術） 班 級： 汽車技術091 學 號： 215090105 學生姓名： 周文軍 指導教師： 陳茹雯 副教授 起迄日期： 2013.2.252013.6.3 設計地點： 車輛工程實驗中心 南京工程學院本科畢業設計（論文） Graduation Design (Thesis) Analysis on The Stiffness and Strength of Body Structure Based on ANSYSByZHOU WenjunSupervised byAssociat

2、e Prof. CHEN RuwenNanjing Institute of TechnologyJune, 2013 摘 要 以有限元法為基礎的車身結構分析已成為一種面向車身結構設計全過程的分析方法，車身結構設計的過程也隨之成為一種設計與分析并行的過程。車身作為車輛的重要組成部分，對整車的安全性、動力性、經濟性、舒適性及操控性有著重要的影響。在設計車身時，應用有限元法對汽車車身骨架進行靜、動態特性的分析，對其結構的強度和剛度進行評價，對于進一步了解車身結構的應力和變形情況，充分認識掌握車身結構分析方法，進而對整個車身結構設計進行優化，提高整車性能，縮短產品開發周期，降低開發成本，均具有重要的

3、意義。 本課題是采用有限元分析法對2046車身骨架結構作適當簡化，在ANSYS中建立其有限元模型，并按照實際載荷對車身進行了靜力學分析，校驗其強度和剛度，根據分析結果找出車身骨架結構的危險斷面。同時對車身骨架進行動態分析，并提取前十階模態，得到了車身固有頻率及相應的振型。最后根據靜、動態的分析結果，對車身結構提出改進意見。關鍵詞：車身；有限元法；靜力分析；動態分析32南京工程學院本科畢業設計（論文）ABSTRACT The structure analysis of car body based on the FEM is the fundamental approach in the pro

4、cess of car body design-oriented.Also,the whole process of car body design becomes parallel in design and analysis. As a very important part of the vehicle,the body has important influences on the vehicle's safety, power performance, economy, comfort and control.In the design of the body, the ap

5、plication of FEM for analysis of static, dynamic characteristics of the car body skeleton, and the evaluation of its structure strength and stiffness,have vital significances on the further understanding of the structure of the body stress and deformation, fully understanding the body structure anal

6、ysis method, and then the whole body structure design optimization, improving vehicle performance, shorting the product development cycle, and reducing the cost of development. This paper is applying the FEM to simplify the 2046 body frame structure appropriately.Then the finite element model is est

7、ablished in ANSYS. And in accordance with the actual load, the static analysis of the body is finished to check the strength and stiffness.Finally,according to the risk analysis results,this thesis has found the body frame structure of the fault surface.At the same time ,the dynamic analysis of the

8、body frame has been handled to calculate the ten orders natural frequencies for getting the body inherent frequency and the corresponding vibration model. Finally, according to the results of the static and dynamic analysis, this thesis has put forward some suggestions for improving the body structu

9、re.Keywords： Body；FEM；Static；Dynamic南京工程學院本科畢業設計（論文）目 錄 第一章 緒 論3 1.1 汽車車身結構分析的意義3 1.2 課題研究的內容.3 1.3 有限元法的基礎理論和ANSYS簡介.3 1.3.1 有限元法的發展.4 1.3.2 有限元法的基礎理論4 1.3.3 有限元法的應用4 1.3.4 ANSYS簡介.5 1.3.5 汽車車身結構強度及剛度的分析流程.5 1.4 本章小結.5第二章 汽車車身結構的有限元建模.6 2.1 建模的準備工作.6 2.1.1 單元的選擇.6 2.1.2 模型的簡化處理.6 2.2 有限元模型的建立.7 2.2

10、.1 幾何模型.7 2.2.2 材料屬性、實常數的指定.7 2.2.3 網格劃分.7 2.2.4 車身載荷的處理.8 2.2.5 邊界約束的確定.9 2.2.6 有限元模型的生成.9 2.3 本章小結.9第三章 車身結構的靜力學分析.11 3.1 車身結構靜態強度的分析指標.11 3.2 車身結構靜態剛度的分析指標.12 3.3 強度分析.12 3.3.1 載荷及約束的處理.12 3.3.2 計算結果與分析.13 3.4 剛度分析.15 3.4.1 載荷及約束的處理.15 3.4.2 計算結果與分析.16 3.5 本章小結.17第四章 車身結構的模態分析.18 4.1 模態分析的基礎理論.18

11、 4.2 車身結構的模態分析過程.19 4.3 模態分析結果及評價.23 4.4 本章小結.24第五章 車身結構的改進意見.25第六章 結 論.27致謝29參考文獻30附錄A：英文資料31附錄B：英文資料翻譯.附錄C：其它資料.附件： 畢業論文光盤資料第一章 緒 論1.1 汽車車身結構分析的意義汽車車身是駕駛員的工作場所，也是容納乘客和貨物的場所。車身應給駕駛員提供良好的操作條件，給乘客提供舒適的乘坐條件，使他們能夠抵御汽車行駛時的振動、噪聲、廢氣的侵襲以及外界惡劣氣候的影響，并保證完好無損地運載貨物且裝卸方便。車身結構和設備還應保證行車安全和減輕事故后果。車身應保證汽車具有合理的形狀，在汽車

12、行駛時能夠有效地引導周圍的氣流，減小阻力以提高汽車的動力性和燃料經濟性，還應保證汽車行駛穩定性和改善發動機的冷卻條件，并使室內通風良好。 在新車型的開發設計過程中，如何判斷車身結構的合理性及車身結構靜、動態性能的優劣，并對車身結構設計進行優化，是一項十分重要的工作。1.2 課題研究的內容本課題是采用有限元分析法對汽車車身骨架結構作適當簡化，在ANSYS中建立其有限元模型；按照實際載荷進行靜力分析，校驗其強度；找出車身骨架結構的危險斷面；對車身骨架進行動態分析，并提取前十階模態，對車身結構提出改進意見。畢業設計的具體內容：1自學有限單元法的有關內容，自學并熟練掌握ANSYS軟件的應用；2對204

13、6車身骨架結構作適當簡化，在ANSYS中建立其有限元模型，按照實際載荷進行靜力分析，校驗其強度和扭轉剛度；3提取車身前十階自由模態，并定性分析其動態特性，找出車身骨架結構的危險斷面，提出改進意見。1.3 有限元法的基礎理論和ANSYS簡介有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經過短短數十年的努力，隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。1.3.1 有限元法的發展有限元法是R.Courant于19

14、43年首先提出的。自從提出有限元概念以來，有限元理論及其應用得到了迅速發展。過去不能解決或能解決但求解精度不高的問題，都得到了新的解決方案。在有限元法應用領域不斷擴展、求解精度不斷提高的同時，有限元法也從分析比較向優化設計方向發展。印度Mahanty博士用ANSYS對拖拉機前橋進行優化設計，結果不但降低了約40%的前橋自重，還避免了在制造過程中的大量焊接工藝，降低了生產成本。有限元法在國內的應用也十分廣泛。自從我國成功開發了國內第一個通用有限元程序系統JIGFEX后，有限元法滲透到工程分析的各個領域中，從大型的三峽工程到微米級器件都采用有限元法進行分析，在我國經濟發展中擁有廣闊的發展前景。目前

15、在進行大型復雜工程結構中的物理場分析時，為了估計并控制誤差，常用基于后驗誤差估計的自適應有限元法。1.3.2 有限元法的基礎理論 有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域的滿足條件，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。其基本思想是先將研究對象的連續求解區域離散為一組有限個且按一定方式相互聯結在一起的單元組合體。由于單元

16、能按不同的聯結方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬成不同幾何形狀的求解小區域；然后對單元(小區域)進行力學分析，最后再整體分析。這種化整為零，集零為整的方法就是有限元的基本思路。1.3.3 有限元法的應用有限元法最初應用在求解結構的平面問題上，發展至今，已由二維問題擴展到三維問題、板殼問題,由靜力學問題擴展到動力學問題、穩定性問題，由結構力學擴展到流體力學、電磁學、傳熱學等學科，由線性問題擴展到非線性問題，由彈性材料擴展到彈塑性、塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料，從航空技術領域擴展到航天、土木建筑、機械制造、水利工程、造船、電子技術及原子能等，由單一物理場的求解擴展到多物理場的

17、耦合，其應用的深度和廣度都得到了極大的拓展。其在工程分析的作用已從分析比較拓展到優化設計，并和CAD（計算機輔助設計）結合得越來越緊密了。1.3.4 ANSYS簡介ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，是現代產品設計中的高級CAD工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析

18、)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出，軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。1.3.5 汽車車身結構強度及剛度的分析流程綜上所述，在全面了解和掌握有限元法基本思想和分析過程的條件下，得出進行汽車車身結構有限元分析的基本步驟： (1)對2046車身骨架結構作適當簡化； (2)在簡化的車身骨架結構的基礎上，通過單

19、元類型的選擇、網格的劃分、實常數的定義及相關載荷的施加，完成可供分析計算的有限元模型的建立； (3)進行有限元模型相關靜力學和動力學分析計算； (4)對計算結果進行后期整理、分析和評定，最終完成有限元分析。1.4 本章小結本章主要介紹了本課題研究的意義和內容，介紹了有限元法的基礎理論，對有限元法的基本思想和分析步驟作了簡要的闡述，同時對有限元分析軟件ANSYS的主要功能和特點進行了介紹，并在有限元法的指導下，應用有限元軟件ANSYS提出了本文汽車車身結構分析的基本流程，為后文關于車身骨架的有限元分析計算提供了方向指引，并為下一章節關于車身骨架的有限元建模奠定了基本思想。第二章 汽車車身結構的有

20、限元建模 車身骨架是由許多薄壁桿件構成的一個格柵桁架式結構，其結構和受力情況復雜，計算分析難度很高。因此，建立一個準確、合理的有限元模型，對于汽車車身結構的分析計算和后續優化設計顯得相當必要。2.1 建模的準備工作 有限元分析的最終目的，是要再現實際工程問題的數學行為特征，也就是說分析對象必須是原物理模型的準確數學模型。因此建模的過程就是生成幾何模型并得到模型所包括的所有單元、節點、材料屬性、邊界條件以及實常數等其它一些用來表征原物理模型特征的一個過程。建立一個結構合理的車身結構，可以準確深刻的反映它的基本特征和力學特性，并且計算強度小、精度高，這也是我們進行車身結構建模的一個基本原則。2.1

21、.1 單元的選擇 考慮到車身結構的受力特性，在選擇合適單元類型時，要考慮使其對幾何結構有良好的近似，同時計算精度、計算機處理能力及配置等因素，單元的大小也要根據分析的具體情況來選擇。所以在本著計算精度高、收斂速度快、計算量小的原則下，一般選擇的客車車身結構單元主要有空間梁單元、薄壁梁單元、薄板彎曲單元、膜單元、殼單元以及一些模擬支座或其他特殊單元。實際選用時，在保證車身結構力學特性的前提下，盡量選擇簡單的單元類型，這樣建立的模型除了滿足合理的結構外，可以大大節約計算的時間，有效地提高建模的效率。本課題選擇了殼單元SHELL63來進行建模。2.1.2 模型的簡化處理 客車的車身結構是由復雜的空間

22、桿件、抗彎薄板、蒙皮及一系列內外飾組成的空間結構，在運用有限元建立客車車身結構模型時，若完全按照車身的實際尺寸和結構來建立，理論上可以得到精確的分析結果，但是在分析過程中的數據準備、前后模塊處理和分析計算會耗費很大的時間、人力和財力。因此需要結合分析的目的要求和實際情況(數據完整度、計算機的配置和時間等)，對模型進行一定的簡化處理。本文在建模過程中對車身骨架采取了以下簡化措施： (1)略去蒙皮、次要桿件和非承載構件。在客車車身結構中，對一些輔助承載和工藝要求的構件，如扶手、踏板支架、儀表盤支架、燈具安裝架、矩形管截面等忽略不計；(2)對于車身構件上的一些安裝孔及倒角等，由于對車身結構的應力分布

23、和變形影響較小，建模時可以忽略不計；(3)對一些截面形狀不是很規范的構件進行適當的截面形狀簡化； (4)對車身骨架結構中距離相鄰且作用相同的構件進行合并為一個合體構件。2.2 有限元模型的建立2.2.1 幾何模型 本課題所研究的車身幾何模型，如圖2.1所示。圖2.1 2046越野車車身幾何模型2.2.2 材料屬性、實常數的指定本課題中2046越野車車身所采用材料為08鋼，其具體材料參數如下表所示。 表2.1 車身材料參數 名稱密度（DENS）彈性模量（EX） 泊松比（PREX） 殼厚度 08鋼7.856E9 N /mm32.01E5 N *mm2 0.3 1.2mm 對于Shell63單元，用

24、戶需指定其單元厚度以模擬實際鋼板，點擊主菜單PreprocessorReal ConstantsAddEditDelete，在出現的對話框中點擊“Add”，選擇“Shell63”，完成對鋼板厚度的定義。2.2.3 網格劃分網格劃分是有限元分析中的一個關鍵環節，網格劃分質量的好壞將直接關系到計算求解的精確程度，一個好的網格劃分不僅可以有效的節約計算的時間，也是求解成功的關鍵。點擊主菜單PreprocessorMeshingMeshTool，出現以下命令框，選擇如圖所示的情況，點擊“Mesh”，在出現的命令框里選擇“Pick All”即可，網格化的車身結構如下圖所示。 圖2.2 “MeshTool

25、”命令框 圖2.3 “Pick All”命令框 圖2.4 網格化的2046越野車車身結構 2.2.4 車身載荷的處理在進行分析的過程中，本文認為整車模型的全部載荷由整車車身骨架來承擔。車身各處載荷情況如下表所示。 表2.2 車身各處載荷情況載荷位置載荷大小載荷位置載荷大小頂架縱梁中部 4*245N駕駛室縱梁中部2*735 N左一橫梁735 N右一橫梁735 N左二橫梁2*735 N右二橫梁 735 N左三橫梁735 N右輪包發電機784 N左后部水 294 N尾部縱橫梁交界處431.2 N左后門及備胎490 N右后門98 N2.2.5 邊界約束的確定 本文所采用的約束為點約束，分布在左右底架縱

26、梁上，其具體約束點坐標為：左右底架縱梁共十二點，坐標（-220）、（1068）、（1840）、（2700）、（3716）、（4310）。2.2.6 有限元模型的生成本文建立的車身骨架有限元模型共創建關鍵點815個，節點112829個，單元50191個，最終的整車車身骨架有限元模型如下圖所示。 圖2.5 2046越野車車身骨架有限元模型2.3 本章小結 本章在有限元基本思想和方法的指導下，歸納總結了客車車身骨架建模的方法和步驟，對2046越野車車身模型提出了相關合理的模型簡化方法，在建立的幾何模型基礎上，通過選擇恰當的單元類型，合理的網格劃分與載荷施加，得到了可供分析計算的車身骨架有限元模型，為

27、本文后續對車身結構的有限元靜、動態分析和提出改進意見提供了良好的基礎保證。第三章 車身結構的靜力學分析結構分析是有限元方法最常用的一個領域，應用有限元對結構進行分析，是一項綜合性的工作。車身結構的靜力分析計算是結構在固定不變的載荷的作用下的受力分析。固定不變的載荷是假設載荷隨時間的變化非常緩慢、微小，一般不考慮慣性和阻尼的影響。如果結構受隨時間變化的載荷，靜力學分析也可以計算一些固定不變的慣性載荷對結構的影響(如重力、離心力)，以及一些可以近似看作為等價靜力作用的隨時間變化的載荷。本文的靜力分析包括車身的強度和剛度分析。3.1 車身結構靜態強度的分析指標 利用有限元對汽車的車身骨架進行靜態計算

28、分析，主要是研究車身骨架的結構和材料在受到靜態載荷時，其所承受的最大應力值不超過材料的許用應力極限值，保證車身結構及其零部件的正常使用功能。ANSYS提供了第一強度理論(S1)、第二強度理論(S2)、第三強度理論(S3)、應力強度(SINT即stress intensity)和Mises等效應力(Von Mises Stress)。第一強度理論主要考查絕對值最大的主應力，一般多用于脆性材料的分析和研究。對于一般發生外力作用下的塑性變形材料分析時，多采用第三、第四強度理論。第三強度理論主要分析解釋了塑性材料是在遇到最大剪應力的條件下，材料內部發生了流動破壞而導致其出現塑性變形的現象，分析結果偏于

29、安全，多用于分析壓力容器等。應力強度是由第三強度理論得到的當量應力，其值為第一主應力減去第三主應力。Mises等效應力遵循材料力學第四強度理論，認為材料發生塑性變形是由形狀改變比能引發的材料流動破壞而引起的，其分析結果更符合實際一些，一般多用于分析鋼材等塑性材料。由于汽車的車身骨架采用不同截面和材料的型鋼，所承受的載荷非常復雜，包括拉、壓、彎曲、扭轉和剪切等各種形式，對其進行有限元強度分析計算一般遵循第四強度理論。所以工程上通常應用VonMises(米賽斯)準則來判定車身材料是否發生塑性變形。其準則定義為下式。其中：S1、S2、S3一第一、第二、第三強度理論下的三個主應力； 一VonMises

30、應力； 一材料的屈服應力。本文根據VonMises準則，通過對結構分析得到的Mises等效應力和推薦的安全系數下的材料許用應力的比較，來進一步判斷車身的結構強度是否滿足設計要求。3.2 車身結構靜態剛度的分析指標 由于汽車車身骨架的剛度在一定程度上對客車車身的強度、疲勞耐久性和NVH性(Noise噪聲、Vibration振動、Harshness聲振粗糙度)能等都有著非常大的影響，因此通過車身骨架的剛度來評價分析客車的整車性能，也是客車車身設計要求中不可忽略的一個重要環節。如果車身剛度設計不合理，在載荷的作用下，易引起門框、窗框和行李箱等部位的開口產生過大變形，輕者導致密封不嚴而發生滲風、漏雨，

31、重者導致車門卡死而無法正常關閉，甚至擋風窗玻璃被擠碎等問題。剛度設計不合理還會造成車身振動頻率降低、發生結構共振，導致噪聲和部件的疲勞損壞，以及破壞車身表面的保護層和車身的密封性，削弱車身抗腐蝕能力等問題。這些問題直接或間接地影響汽車的行駛平順性、操縱性能、強度、耐久性NVH(Noise Vibration and Harshness)性能及安全性能等。在各種靜態工況中，以汽車單輪通過障礙或凹坑時的扭轉工況最為惡劣，故對車身的靜力分析也大多是針對這種扭轉工況。本文對汽車車身剛度的評價是通過扭轉剛度來評定的。當客車發生扭轉變形時，可以通過扭轉剛度(GL)如下式所示來表征車身的抗非對稱扭轉變形的能

32、力。 其中：L一客車車身軸距； T一承受的扭矩； 軸間相對扭轉角。3.3 強度分析3.3.1 載荷及約束的處理根據上章約束條件的確定，在網格化后的2046越野車車身模型的左右底架縱梁上找到十二個約束點，選擇全約束“All DOF”，約束情況如圖3.1所示。按照上章表2.2的載荷情況給車身模型加載，加載后的情況如圖3.2所示。 圖3.1 車身模型的約束情況 圖3.2 車身模型的加載情況3.3.2 計算結果與分析 點擊主菜單SolutionSolveCurrent LS，出現如圖3.3的命令框，選擇OK，ANSYS軟件即開始進行計算。 圖3.3 靜力計算命令框 計算結束后點擊主菜單General

33、PostprocPlot Results，點擊“Deformed Shape”，在出現的命令框里選擇“Def+undef edge”，可看到車身骨架邊界線的變形情況，如圖3.4所示。 圖3.4 車身骨架邊界線變形圖 選擇“Plot Results”下的Contour PlotNodal Solu，在出現的命令框（如圖3.5所示）里選擇stressvon Mises stress，點擊OK，軟件即開始計算。 圖3.5 應力計算命令框 計算得到的應力云圖如圖3.6所示。由圖可知，加載后車身骨架最大應力為1198Mpa，出現在右一橫梁跟右一底架縱梁交匯處，如圖3.7所示，并遠遠超過了08鋼的強度極限

34、325Mpa。由圖3.8可看到較大應力區都出現在所加載荷點處，而車身結構主要應力大小在0159Mpa之間，未超過08鋼的強度極限。由分析結果可知，該車身需要在底架縱橫梁交匯處做出改進，使用更多的材料，或降低載荷等方法使應力減小至材料的安全強度范圍內。 圖3.6 車身靜態強度應力云圖 圖3.7 車身最大應力處 圖3.8 車身底部應力圖3.4 剛度分析3.4.1 載荷及約束的處理本文車身扭轉剛度的計算采取的加載方式為固定后軸中心位置，由前軸中心加扭矩，具體加載及約束情況：約束后軸中心左右兩側的平動自由度，在前軸中心附近YZ平面上找一點約束其Z方向自由度。在前軸中心兩側底架大梁上施加一對方向相反垂直

35、的集中力2000N。在網格化的車身有限元模型上按上段所述進行約束和加載。點擊主菜單SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes，在后軸中心左右兩側選取節點約束其X、Y、Z三個方向的平動自由度。同樣在前軸中心附近YZ平面上選取一節點約束其Z方向移動自由度。如圖3.9所示。 圖3.9 車身扭轉剛度計算的約束與載荷圖 3.4.2 計算結果與分析 加載、約束后即進行計算，點擊主菜單SolutionSolveCurrent LS，計算結束后，計算結束后點擊主菜單General PostprocPlot Results，點擊“Deforme

36、d Shape”，在出現的命令框里選擇“Def+undef edge”，可看到車身骨架邊界線的變形情況，如圖3.10所示。 圖3.10 車身骨架邊界線變形圖 選擇“Plot Results”下的Contour PlotNodal Solu，在出現的命令框里選擇DOF SolutionDisplacement vector sum，點擊OK即可得到扭轉位移圖，如圖3.11所示。由圖可知 圖3.11 車身扭轉位移圖 3.5 本章小結本章主要進行了2046越野車車身結構的靜力學分析，包括車身的強度分析和扭轉剛度分析。章節中具體介紹了車身模型的約束和加載情況，以及軟件分析的具體操作過程。從分析結果來看

37、，該車身的強度并不滿足安全條件，在載荷加載處均出現了應力偏大的情況，超過了所用材料08鋼的強度極限，但車身其他部位的應力則均在安全范圍以內，可以在車身主要承受載荷的部位進行改進。該車身的剛度也第四章 車身結構的模態分析 汽車車身骨架是車身結構的承載基體，除了受到傳統的靜強度載荷意外，還要受到各種各樣的動載荷，當汽車行駛在起伏不平的崎嶇路面時，汽車的車身骨架要承受來自路面的各種激振，各個零部件及總成會產生各種形式的振動，這些振動會產生一定的噪音，同時會對整個車身的結構產生一定的疲勞破壞，更重要的是當承受的激振頻率與汽車車身結構的某一固有頻率相接近時，會引發結構共振現象。產生共振以后，車身結構會引

38、發很大的動應力，造成結構的輕度破壞和大應力變形，影響整車的安全使用性能，所以在汽車車身骨架設計中，除了滿足其強度、剛度的基本要求外，還要對車身結構進行必要的模態分析。4.1 模態分析的基礎理論 模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，同時也可以作為其他更詳細的動態分析的起點，如瞬時動態分析、諧波響應分析和譜分析等。所謂模態分析即結構固有振動特性分析。結構固有振動特性只與本身的質量及剛度分布情況有關，而與外載荷狀態無關，所以又稱作結構自振特性，自振特性決定了結構在外部動態載荷作用下的響應行為。最常見的現象就是結構在受到與自振頻率接近的載荷作用時產生的強烈動態響應，即通常所說的共振。 ANSYS

39、軟件通過model分析模塊來求解結構的固有振動特性，得到結構的固有頻率和振型。車身模態分析的意義在于： (1)通過模態分析，得到車身固有頻率和振型，可以使車身結構的固有頻率錯開載荷激振頻率。載荷激振頻率主要是輪胎不平衡激振頻率(一般在l30Hz之間)和發動機怠速激振頻率(一般在2040Hz之間)，從而確定整車的動力學特性并控制車身振動和噪聲。尤其是車身整體結構的低階模態頻率，它是車身性能的關鍵指標，反映汽車車身的整體剛度性能。對車身進行模態分析有利于控制車身的固有特性，從而可以對車身設計方案進行全面的評價和改進； (2)根據初步計算得到的頻率值和振型，以及和以前其它車身模型的模態計算值或實驗值

40、對比，以經驗判斷模型的力學特性與實際車身結構是否存在較大的差異，以及判斷質量和剛度分配是否合理： (3)通過車身模念計算，分析組成車身的各部件對車身剛度的作用； (4)通過模態計算值和實驗值的對比，分析車身模型的正確程度，找出誤差的原因，并對模型作相應的修正，提高模型的準確程度；(5)對車身的模態分析可以得到車身的固有頻率和振型，發現結構上的薄弱環節并加以改進，模態分析的結果也是對車身進行進一步動力學分析的基礎。本文主要工作是提取車身前十階自由模態，并定性分析其動態特性，找出車身骨架結構的危險斷面，提出改進意見。4.2 車身結構的模態分析過程 在上章中進行靜力強度分析的車身有限元模型基礎上進行

41、模態分析，提取前十階模態。進入主菜單SolutionAnalysis TypeNew Analysis，如圖4.1所示。 圖4.1 指定分析類型為模態分析 點擊“Analysis Options”，在出現的命令框里選擇模態分析方法“Block Lanczos”，指定模態提取階數為10，點擊“OK”后，在跳出的命令框里設定最大最小頻率為1000和1。如圖4.2、4.3所示。 圖4.2 提取前十階模態 圖4.3 設定頻率為11000 選擇SolutionLoad Step OptsExpansion PassSingle ExpandExpand Modes，彈出命令框4.4，輸入相應值點擊OK。

42、 圖4.4 擴展模態選項 選擇SolutionLoad Step OptsSolu Printout，在出現的命令框里選擇如圖4.5所示選項。選擇其下“DB/Results File”，在出現的命令框里選擇如圖4.6所示選項。 圖4.5 分析輸出控制選項1 圖4.6 分析輸出控制選項2 選擇完后即可進行計算，選擇SolutionSolveCurrent LS，軟件即開始計算。計算完畢后則可進行前十階模態的提取工作。選擇General PostprocRead ResultsFist set，然后再點擊PlotCtrlsAnimateMode Shape，在出現的命令框里選擇“OK”，即可看到第一階模態圖，如圖4.7所示。再選擇“Next Set”，點擊PlotCtrlsAnimateMode Shape，可看到第二階模態圖，如圖4.8所示。同樣，依次可得到其他各階模態圖，分別如圖4.94.1