车载钻机车架的有限元分析
本篇文章在了解了车载钻机的现状的发展以及车架的种类之后，对车载钻机的车架进行了相应的分析，运用ANSYS对车架进行有限元分析，位优化车架结构提供数据基础。首先我们先要通过SolidWorks对车架进行实体建模，从而降低建模的工作量，然后导入ANSYS中并添加约束和载荷，对车架进行静力学分析，求解出车架的应变和应力图，对结果进行阐述。在静力学分析之后再对车架的的扭转进行分析和模态分析。在模态分析中我们采用同一个车架模型，但是对车架的约束和载荷进行修改，然后进行求解，并对前几种频率和振型进行分析讨论，形变发生的越多，最大位移量越小。在ANSYS分析中最大的问题是对模型施加的载荷和约束只能假设和预定的，在一定的程度上有很大的局限性，不能够非常准确完善的探索出最终的结果，只能通过所得的结果进行分析，概括出最后的结果。关键词 车架，有限元，建模，静力学分析，模态分析，振型目 录
1 引言 1
1.1 车架的种类 1
1.2 研究对象 5
2 ANSYS Workbench简介 5
2.1 ANSYS Workbench分析系统 6
2.2 ANSYS Workbench组件系统 7
2.3 ANSYS Workbench用户系统 8
2.4 ANSYS Workbench 设计探索模块8
3 车架静力学分析 9
3.1 车架弯曲分析9
3.2 车架扭转分析16
4 车架模态分析18
4.1 模态分析基础18
4.2 模态分析18
结论 26
致谢 27
参考文献28
1 引言
随着时代和科技的不断进步，车载型钻机（如图1-1所示）为了适应不同的钻探要求而越来越多的被使用。车载钻机本身在机动性方面具有巨大的优势，同时运输和搬迁也是非常的方便，在施工现场可以快速的准确的到达预定位置，有很高的自动化程度，有效的降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率。车载钻机不但能满足钻孔施工的基本要求外，而且具有优良的动力性。
图1-1 车载钻机
> 随着时代和科技的不断进步，车载型钻机（如图1-1所示）为了适应不同的钻探要求而越来越多的被使用。车载钻机本身在机动性方面具有巨大的优势，同时运输和搬迁也是非常的方便，在施工现场可以快速的准确的到达预定位置，有很高的自动化程度，有效的降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率。车载钻机不但能满足钻孔施工的基本要求外，而且具有优良的动力性。
图1-1 车载钻机
车架的用途是承受包括车身本身的重量和行驶过程中受到的各种力的载荷，企业以盈利为目的，自然希望车辆本身的质量更低从而达到降低原材料成本，与此同时，消费者为了降低油耗也希望车辆的重量尽可能的低一些。双方具有相同意愿的情况下车辆尽可能的轻且具有足够的结构刚度成为发展的方向。现在的汽车大多采用笼状结构，将副梁焊接在平行放置的主梁上面。
有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是工程技术领域进行科学计算的非常关键的方式之一，通过有限元分析可以获取任意复杂的工程结构的各类机械性能参数，还可以直接对评判工程设计，分析各类工程事故。此外，建筑等行业也在广泛的运用有限元分析，通过有限元分析可以评估建筑设计的合理性。对车架实施有限元分析，可以进一步的确保结构的整体性能，确保车载钻机在工作时可靠性和承载力。
1.1 车架种类
现有的车架种类分别有下几类。
整体式也就是承载式车架，如图1-2所示。
图1-2 承载式车架
承载式车架通常是先用金属制作成车身，再在车身上安装动力系统，传动系统之类的机械零件。车身直接当成车架来承载全部的载荷。其在机械设计和生产工艺的水平方面都有极高的要求，现如今国内在设计开发中最严峻的问题也就是这个。现在选用承载式的轿车的车架基本都是车身和车架二者统一的方式，这样做不经可以有效的降低重量，还可以扩大可以利用的空间，使得车身能够更有效的被利用，而且这种车身的生产是采用冲压的方式，也有利于大规模的生产。刚度的不足对于承载式车身而言是除了开发设计之外最大的一个难题。在普通的车上这个问题表现的不是很明显，但对于性能要求很高赛车来说，由于赛车所要适应的工作环境要求极高，同时也对车架本身提出了更高的要求，必须要有足够的车身强度以及抗扭刚度，防止赛车在行驶过程中因为自身的问题而导致车辆的报废和人员的伤亡，而在刚度要求上承载式车架明显不足以担当起这个重任。因此对于跑车这类车辆除了要提高马力之外，车身的强度也需要不断的适应汽车的需要，虽然马力是车辆开发的关键部分，但是如果车辆的强度跟不上马力的要求，即使有再高的马力也不可能达到理想中的状态。优化车架的外形是现在最有效的方法，为了加强抗扭能力可以采用补焊或者局部增粗的方式。
钢管式车架（如图1-3所示）是将零件焊接在由钢管组成的车架上面。
图1-3 钢管式车架
就生产工艺而言是十分的简便的，对于小规模的工厂是比较适用的，外国的小企业不需要付出多少材料成本和技术支持，只要有一定基础的技术工人就完全有足够的实力可以自行设计生产这个类型的车架，这就使得钢管车架在那个时候被广泛的运用。因为只需要增加焊接的钢管就可以对钢管车架进行加强优化，不需要对结构和原来的车架进行修改和删减，所以当质量一样时，钢管式车架很容易获得更好的强度。
碳纤维车架（如图1-4所示）是将底板、坐舱和引擎舱结构用碳纤维浇铸而成一体,然后装配上各种机械零件。
图1-4 碳纤维车架
碳纤维车在刚度高质量低重心低的方面优势更加明显。但是高昂的制造成本无疑是最致命的硬伤,因此目前只有在赛车上才会使用这种车架。在操控和安全性方面碳纤维车架起到了很大的作用。
图1-5 碳纤维车架
宝马在4月份开始在日本销售i3电动汽车（如图1-5），该车则是采用的碳纤维车架，碳纤维的重量只有普通钢铁的四分之一，大大的减少了车身的重量，对于电动汽车来说，一次充电所能够行驶的距离相当有限，除了开发更有效的电池之外，减轻车身的重量则是电动汽车发展的又一方向。碳纤维车身在降低重量的同时又能够保证车身拥有足够的强度来应对各种问题，我对碳纤维车架的大规模使用表示期待，如果能够克服高昂造价这一问题，我相信汽车将迎来新的纪元。
本文讨论的车载钻机则是采用大梁式车架（如图1-6所示），大梁式车架的原理是很简单的，焊接粗大的钢梁成为一个钢架，然后将安装各种如发动机、传动装置、车身等部件装在钢架上，这个钢架就是我们所说的车架。
图1-6 大梁式车架
大梁式车架的优点则是能够提供很强的抗扭刚度与承载能力，并且结构比较简单、易于开发、较低的生产工艺要求。支架上安装大梁的缺点是质量沉重的钢梁占据车架很大的比重。此外，大梁需要贯穿全车，严重影响车辆的合理布局，使得空间利用率极大的减小，同时梁的本身厚度使整体的重心提高。
1.2 研究对象
本文研究的对象是车载钻机车架，由于是对车架进行分析，则将车载的质量作等效处理。前端包括驾驶室的材料是钢，预估计驾驶生员和配套设施总质量为1200kg，并且在前端3.5m范围均布。后端的操作平台和动力系统的总体质量为18000kg，并且在后端8.9m范围内均布。车载钻机的车架则是由型钢焊接而成。两根大梁采用矩形型钢，总长度为12.8m，截面的高度为0.45m，宽度为0.18m，厚度选用20mm；前后为U型槽钢，宽度为0.4m，高度为0.18m，厚度为20mm；中间的八根钢制横梁也是矩形型钢，其宽度为0.4m
1 引言 1
1.1 车架的种类 1
1.2 研究对象 5
2 ANSYS Workbench简介 5
2.1 ANSYS Workbench分析系统 6
2.2 ANSYS Workbench组件系统 7
2.3 ANSYS Workbench用户系统 8
2.4 ANSYS Workbench 设计探索模块8
3 车架静力学分析 9
3.1 车架弯曲分析9
3.2 车架扭转分析16
4 车架模态分析18
4.1 模态分析基础18
4.2 模态分析18
结论 26
致谢 27
参考文献28
1 引言
随着时代和科技的不断进步，车载型钻机（如图1-1所示）为了适应不同的钻探要求而越来越多的被使用。车载钻机本身在机动性方面具有巨大的优势，同时运输和搬迁也是非常的方便，在施工现场可以快速的准确的到达预定位置，有很高的自动化程度，有效的降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率。车载钻机不但能满足钻孔施工的基本要求外，而且具有优良的动力性。
图1-1 车载钻机
> 随着时代和科技的不断进步，车载型钻机（如图1-1所示）为了适应不同的钻探要求而越来越多的被使用。车载钻机本身在机动性方面具有巨大的优势，同时运输和搬迁也是非常的方便，在施工现场可以快速的准确的到达预定位置，有很高的自动化程度，有效的降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率。车载钻机不但能满足钻孔施工的基本要求外，而且具有优良的动力性。
图1-1 车载钻机
车架的用途是承受包括车身本身的重量和行驶过程中受到的各种力的载荷，企业以盈利为目的，自然希望车辆本身的质量更低从而达到降低原材料成本，与此同时，消费者为了降低油耗也希望车辆的重量尽可能的低一些。双方具有相同意愿的情况下车辆尽可能的轻且具有足够的结构刚度成为发展的方向。现在的汽车大多采用笼状结构，将副梁焊接在平行放置的主梁上面。
有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是工程技术领域进行科学计算的非常关键的方式之一，通过有限元分析可以获取任意复杂的工程结构的各类机械性能参数，还可以直接对评判工程设计，分析各类工程事故。此外，建筑等行业也在广泛的运用有限元分析，通过有限元分析可以评估建筑设计的合理性。对车架实施有限元分析，可以进一步的确保结构的整体性能，确保车载钻机在工作时可靠性和承载力。
1.1 车架种类
现有的车架种类分别有下几类。
整体式也就是承载式车架，如图1-2所示。
图1-2 承载式车架
承载式车架通常是先用金属制作成车身，再在车身上安装动力系统，传动系统之类的机械零件。车身直接当成车架来承载全部的载荷。其在机械设计和生产工艺的水平方面都有极高的要求，现如今国内在设计开发中最严峻的问题也就是这个。现在选用承载式的轿车的车架基本都是车身和车架二者统一的方式，这样做不经可以有效的降低重量，还可以扩大可以利用的空间，使得车身能够更有效的被利用，而且这种车身的生产是采用冲压的方式，也有利于大规模的生产。刚度的不足对于承载式车身而言是除了开发设计之外最大的一个难题。在普通的车上这个问题表现的不是很明显，但对于性能要求很高赛车来说，由于赛车所要适应的工作环境要求极高，同时也对车架本身提出了更高的要求，必须要有足够的车身强度以及抗扭刚度，防止赛车在行驶过程中因为自身的问题而导致车辆的报废和人员的伤亡，而在刚度要求上承载式车架明显不足以担当起这个重任。因此对于跑车这类车辆除了要提高马力之外，车身的强度也需要不断的适应汽车的需要，虽然马力是车辆开发的关键部分，但是如果车辆的强度跟不上马力的要求，即使有再高的马力也不可能达到理想中的状态。优化车架的外形是现在最有效的方法，为了加强抗扭能力可以采用补焊或者局部增粗的方式。
钢管式车架（如图1-3所示）是将零件焊接在由钢管组成的车架上面。
图1-3 钢管式车架
就生产工艺而言是十分的简便的，对于小规模的工厂是比较适用的，外国的小企业不需要付出多少材料成本和技术支持，只要有一定基础的技术工人就完全有足够的实力可以自行设计生产这个类型的车架，这就使得钢管车架在那个时候被广泛的运用。因为只需要增加焊接的钢管就可以对钢管车架进行加强优化，不需要对结构和原来的车架进行修改和删减，所以当质量一样时，钢管式车架很容易获得更好的强度。
碳纤维车架（如图1-4所示）是将底板、坐舱和引擎舱结构用碳纤维浇铸而成一体,然后装配上各种机械零件。
图1-4 碳纤维车架
碳纤维车在刚度高质量低重心低的方面优势更加明显。但是高昂的制造成本无疑是最致命的硬伤,因此目前只有在赛车上才会使用这种车架。在操控和安全性方面碳纤维车架起到了很大的作用。
图1-5 碳纤维车架
宝马在4月份开始在日本销售i3电动汽车（如图1-5），该车则是采用的碳纤维车架，碳纤维的重量只有普通钢铁的四分之一，大大的减少了车身的重量，对于电动汽车来说，一次充电所能够行驶的距离相当有限，除了开发更有效的电池之外，减轻车身的重量则是电动汽车发展的又一方向。碳纤维车身在降低重量的同时又能够保证车身拥有足够的强度来应对各种问题，我对碳纤维车架的大规模使用表示期待，如果能够克服高昂造价这一问题，我相信汽车将迎来新的纪元。
本文讨论的车载钻机则是采用大梁式车架（如图1-6所示），大梁式车架的原理是很简单的，焊接粗大的钢梁成为一个钢架，然后将安装各种如发动机、传动装置、车身等部件装在钢架上，这个钢架就是我们所说的车架。
图1-6 大梁式车架
大梁式车架的优点则是能够提供很强的抗扭刚度与承载能力，并且结构比较简单、易于开发、较低的生产工艺要求。支架上安装大梁的缺点是质量沉重的钢梁占据车架很大的比重。此外，大梁需要贯穿全车，严重影响车辆的合理布局，使得空间利用率极大的减小，同时梁的本身厚度使整体的重心提高。
1.2 研究对象
本文研究的对象是车载钻机车架，由于是对车架进行分析，则将车载的质量作等效处理。前端包括驾驶室的材料是钢，预估计驾驶生员和配套设施总质量为1200kg，并且在前端3.5m范围均布。后端的操作平台和动力系统的总体质量为18000kg，并且在后端8.9m范围内均布。车载钻机的车架则是由型钢焊接而成。两根大梁采用矩形型钢，总长度为12.8m，截面的高度为0.45m，宽度为0.18m，厚度选用20mm；前后为U型槽钢，宽度为0.4m，高度为0.18m，厚度为20mm；中间的八根钢制横梁也是矩形型钢，其宽度为0.4m
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