基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì),基于,有限元分析,汽車,車架,優(yōu)化,設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 車架是汽車上重要的承載部件，車輛所受到的各種載荷最終都傳遞給車架，因此，車架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整車設(shè)計(jì)的成敗。通過有限元法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對提高整車的各種性能，降低設(shè)計(jì)與制造成本，增強(qiáng)市場競爭力等都具有十分重要的意義。大型通用有限元軟件ANSYS憑借其強(qiáng)大的分析功能和高度可靠性，在結(jié)構(gòu)靜力分析和動(dòng)力分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面具有無可比擬的優(yōu)越性。 本文以CA1040貨車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，通過對Pro／E和ANSYS軟件的消化與吸收，采用實(shí)體單元，對車架結(jié)構(gòu)的有限元建模、車架結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析問題進(jìn)行了研究。以實(shí)體單元為基礎(chǔ)創(chuàng)建了車架結(jié)構(gòu)的簡單的尺寸優(yōu)化模型，以車架的縱梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，以車架結(jié)構(gòu)的總體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，對車架縱梁的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化并分析了優(yōu)化結(jié)果。闡述了應(yīng)用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本指導(dǎo)思想及方法，推廣到解決以板殼單元為基礎(chǔ)的車架優(yōu)化問題，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)。通過對CA1040型貨車車架結(jié)構(gòu)的有限元仿真及優(yōu)化，得到了一些有益的結(jié)論，為車架的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用。 關(guān)鍵詞：車架；載荷；輕量化；有限元分析；三維建模；ANSYS ABSTRACT Frame is as an important assembly bearing loads of an automobile，which all kinds of 10ads will pass to，and as a result the performance of frame structure affects whether the automobile design is successful or not．Using finite element method to analyze automobile frame structure and to take frame structure optimization into account makes sense in improving automobile performance，reducing the cost of design and automotive manufacture and increasing capability of market competition．ANSYS software takes on unexampled advantages in static analysis，dynamic analysis and optimization design etc by right of its powerful analysis function and high reliability． Through studying Pro／E and ANSYS software the FEA model of a CA1040 truck with solid elements Was built．Based on the model the static and dynamic performance of the truck’S frame structure was studied．A topological optimization model and a simple optimization model was built based on solid elements．With the objection that the volume of the frame is minimal，the carling section dimensions was optimized and the results of optimization Was analyzed．This paper analyzes the principles and methods of optimization design，which Can be generalized to shell element model．The design variables，state Vadables and objective functions can be adjusted to meet the actual needs． Through the finite element simulation and optimization of a CA1040 truck frame structure some useful conclusions has been got for the design of the frame． Key words：Frame; loads; Lightweight; Finite element analysis; Three-dimensional modeling; ANSYS III 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 研究目的和意義 1 1.2 研究背景 1 1.3 有限元法在國內(nèi)外車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究現(xiàn)狀 2 1.4 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 4 第2章 有限元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論 6 2.1 有限元法的基本理論 6 2.1.1 有限元法的基本概念 6 2.1.2 有限元法的基本思路 6 2.2 ANSYS軟件的簡介 7 2.2.1 ANSYS的主要特點(diǎn) 7 2.2.2 ANSYS的主要功能 8 2.2.3 ANSYS的結(jié)構(gòu)分析文件 9 2.2.4 ANSYS提供的分析類型 9 2.3 本章小結(jié) 10 第3章 車架有限元模型的建立 12 3.1 模型的建立原則 12 3.1.1 幾何建模的注意事項(xiàng) 12 3.1.2 幾何建模的簡化 13 3.2 建立車架模型 14 3.2.1 建模時(shí)的簡化處理 14 3.2.2 車架模型的建立 14 3.2.3 應(yīng)用ANSYS對車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分 14 3.2.4 對實(shí)體單元Sold 92的簡要介紹 15 3.3 本章小結(jié) 16 第4章 車架結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)分析 17 4.1 車輛載荷分析 17 4.1.1 行駛載荷 17 4.1.2 操作載荷 17 4.1.3 特殊載荷 18 4.2 車架受力情況 18 4.2.1 靜載荷 18 4.2.2 動(dòng)載荷 19 4.3 車架結(jié)構(gòu)的靜力性能分析 19 4.3.1 靜力分析的基本概念及流程 19 4.3.2 車架結(jié)構(gòu)靜力分析工況及約束處理 20 4.3.3 車架結(jié)構(gòu)靜力分析規(guī)范 21 4.4 車架結(jié)構(gòu)的靜力性能分析結(jié)果 22 4.4.1 彎曲工況靜力分析結(jié)果 22 4.4.2 扭轉(zhuǎn)工況靜力分析結(jié)果 24 4.5 本章小結(jié) 26 第5章 車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能分析 27 5.1 車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能分析 27 5.1.1 車架的模態(tài)分析 27 5.1.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能分析方程 28 5.1.3 剛度矩陣和質(zhì)量矩陣形成 29 5.1.4 車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析規(guī)范 30 5.1.5 車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果 31 5.2 本章小結(jié) 33 第6章 車架結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 34 6.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 34 6.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟 34 6.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)描述 38 6.1.3 ANSYS的基本優(yōu)化方法 38 6.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立 40 6.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型建立的原則 40 6.2.2 簡單的車架縱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立 40 6.3 定義優(yōu)化變量及運(yùn)行優(yōu)化 43 6.3.1 定義優(yōu)化變量 43 6.3.2 設(shè)置并運(yùn)行優(yōu)化 43 6.4 優(yōu)化結(jié)果分析 44 6.5 本章小結(jié) 47 結(jié)論 48 參考文獻(xiàn) 49 致謝 51 附錄 52 附錄A 外文文獻(xiàn)原文 52 附錄B 外文文獻(xiàn)中文翻譯 58 附錄C 程序命令流 59 附錄C1 彎曲分析命令流 59 附錄C2 扭轉(zhuǎn)分析命令流 63 附錄C3 模態(tài)分析命令流 70 附錄C4 優(yōu)化設(shè)計(jì)命令流 76 第1章 緒　　論 1.1 研究目的和意義 隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在： ①運(yùn)用有限元法對初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架丌發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車架的性能。 ②車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。 ③利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。 ④通過對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。 通過本文的研究，預(yù)計(jì)達(dá)到以下目的： ①建立車架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)性工作。 ②通過運(yùn)用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參考。 ③對所研究的車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，為車架的設(shè)計(jì)提供理論支持。 ④對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行初步探討，為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設(shè)計(jì)服務(wù)。 1.2 研究背景 在汽車行業(yè)中，有限元法廣泛應(yīng)用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及駕駛室噪聲的分析，大大提高了汽車的設(shè)計(jì)水平，正在成為設(shè)計(jì)計(jì)算的強(qiáng)有力工具之一。 目前，在進(jìn)行汽車車架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對車架進(jìn)行簡化的計(jì)算，或者由其它部門進(jìn)行有限元分析計(jì)算。車架的這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致的問題 包括兩個(gè)方面：一是車架簡化計(jì)算精度不夠，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車架的設(shè)計(jì)過于安全，造成設(shè)計(jì)出的車架結(jié)構(gòu)過重，增加了設(shè)計(jì)成本；二是造成車架的設(shè)計(jì)與計(jì)算分離，不利于提高車架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。為了促進(jìn)車架設(shè)計(jì)水平的提高，保證整車在市場上的競爭能力，必須將車架有限元分析技術(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來。因此，本文以3.2t輕型貨車車架為研究對象，主要對車架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立，靜、動(dòng)態(tài)特性分析以及設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化等內(nèi)容進(jìn)行研究與探討，最終掌握車架結(jié)構(gòu)的特性，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)，得出車架結(jié)構(gòu)縱梁優(yōu)化模型，為車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及動(dòng)力特性的仿真以及優(yōu)化提供基礎(chǔ)。 1.3 有限元法在國內(nèi)外車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究現(xiàn)狀 在國外，從60年代起就開始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。1970年美國宇航局將NASTRAN有限元分析程序引入汽車結(jié)構(gòu)分析中，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進(jìn)行車架輕量化的分析。當(dāng)前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已非常成熟，其工作重心已轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。特別是隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)分析備受青睞，主要是因?yàn)樗捎脕磉M(jìn)行車輛的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析：國外將有限元法引入到車架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應(yīng)用于車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應(yīng)力分析時(shí)的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測手段。近十 年來，由于計(jì)算機(jī)軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很困難的事，同時(shí)有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。國外大型汽車公司經(jīng)過近百年的汽車設(shè)計(jì)制造，在車架設(shè)計(jì)方面積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析經(jīng)驗(yàn)，形成了實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)改正記錄和設(shè)計(jì)規(guī)范。目前應(yīng)用于車架開發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強(qiáng)度分析(應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì))，NVH分析(各種振動(dòng)、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析等；建立在分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的種優(yōu)化方法為車架設(shè)計(jì)提供了多種實(shí)用的選擇方案，使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到優(yōu)化設(shè)計(jì)跨出了一大步。在關(guān)于優(yōu)化算法方面的研究，國外將遺傳算法引入到結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果?？偟目磥?，國外輕量化研究主要有以下幾個(gè)方面：(1)提出先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，發(fā)展先進(jìn)的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結(jié)構(gòu)；(2)將拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中；(3)提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進(jìn)入到結(jié)構(gòu)輕量化中；(4)利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動(dòng)態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量化結(jié)構(gòu)。 我國早在1956年就由我國著名的數(shù)學(xué)家馮康教授在有限單元法的研究方面發(fā)表了研究論文，在研究變分問題的差分格式中，獨(dú)立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程結(jié)構(gòu)的分析，為有限元法的形成做出了貢獻(xiàn)。目前，我國利用有限元法進(jìn)行汽車分析已發(fā)展到普遍應(yīng)用有限元法靜強(qiáng)度和有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析及優(yōu)化分析階段。2002年馬迅、盛勇牛以車架的部分結(jié)構(gòu)的截面尺寸為優(yōu)化變量，采用板殼和梁單元組合建立有限元模型，以車架變形和一階頻率為約束，在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況取得了減重13.31％的效果。2003年10月李娜采用板殼單元對機(jī)車車頂結(jié)構(gòu)建立有限元模型，應(yīng)用自己編制的遺傳算法程序，對形狀、加強(qiáng)筋的布置數(shù)量和位置以及截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，減輕重量176.4Kg。2004年5月杜海珍針對汽車典型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法及應(yīng)用進(jìn)行了研究。為了解決在刪除無效材料時(shí)可能導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，基于圍繞結(jié)構(gòu)邊界和孔洞周圍附加人工材料單元的思想，提出了一種新的基于應(yīng)力及其靈敏度的優(yōu)化準(zhǔn)則。2005年4月吉林大學(xué)的余傳文采用板殼單元對某重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并對車架結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析的進(jìn)行了研究，在建立簡單的車架梁單元優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，以車架縱梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量對車架進(jìn)行優(yōu)化分析，從車架體積和最大變形隨著迭代過程的變化曲線可以看到車架的自重明顯降低Iz01。2006年6月北京航空航天大學(xué)的張洪偉，張以都等人探討了基于動(dòng)力特性靈敏度分析的動(dòng)力修改技術(shù)。建立了某農(nóng)用車車架的參數(shù)化有限元模型，并對車架進(jìn)行靈敏度分析，在分析結(jié)果的指導(dǎo)下，進(jìn)行了車架的動(dòng)力修改，取得了良好的效果，為農(nóng)用車改型設(shè)計(jì)及推出新產(chǎn)品提供了思路和設(shè)計(jì)依據(jù)，為在工程實(shí)踐中應(yīng)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論作了有益的嘗試。雖然前人在車架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究對靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)大都是分開進(jìn)行的，對其進(jìn)行動(dòng)力修改，提高其動(dòng)力性能，單憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改動(dòng)達(dá)到最佳的效果，因此有必要在靈敏度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在國內(nèi)，高等院校對基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)規(guī)范，有時(shí)只能按解剖進(jìn)口車結(jié)構(gòu)來進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)。具體在車架結(jié)構(gòu)分析方面，車架的剛度分析對結(jié)構(gòu)分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。從分析類型上看，仍以車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析為主。虛擬試驗(yàn)場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。其中，車架剛度、強(qiáng)度分析，碰撞模擬分析，空氣動(dòng)力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實(shí)用化階段，為車架的全面優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結(jié)構(gòu)等的改形設(shè)計(jì)方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入有限元法對車架輕量化設(shè)計(jì)的研究很少。與國外相比，國內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計(jì)過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設(shè)計(jì)過程中的分析規(guī)模較小，CAD／CAE一體化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段的應(yīng)用還不成熟以至于汽車生產(chǎn)廠家很少采用。 同時(shí)，國內(nèi)外不少公司、科研機(jī)構(gòu)及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用性很強(qiáng)的大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結(jié)構(gòu)，如整架飛機(jī)或整個(gè)汽車的結(jié)構(gòu)。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的SAP、美國麻省理工學(xué)院研制的ADINA、美國國家航空與航天局研制的NASTRAN、德國斯圖加特大學(xué)宇航結(jié)構(gòu)靜力學(xué)研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)的ANSYS軟件等等。這些通用程序的研制成功，大大簡化了結(jié)構(gòu)分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法即可。這些大型商業(yè)通用有限元分析軟件也像CAD設(shè)計(jì)軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實(shí)力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開發(fā)獨(dú)立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。 綜合分析這些文獻(xiàn)可知，當(dāng)前國內(nèi)對于有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對車架或車架結(jié)構(gòu)在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分布，并對其進(jìn)行了局部的修改，由于軟硬件對計(jì)算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計(jì)算結(jié)果多用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。 1.4 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。本文將基于ANSYS建立車架結(jié)構(gòu)的實(shí)體單元模型，對汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析的研究以及對車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。首先，對ANSYS進(jìn)行了簡要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析做好準(zhǔn)備工作；其次，以CA1040輕型貨車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，利用ANSYS建立了車架結(jié)構(gòu)實(shí)體單元模型，對車架結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入研究，對車架進(jìn)行性能分析評價(jià)，最后以車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，以車架總體積為設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用ANSYS優(yōu)化模塊對車架結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行有益的嘗試。 技術(shù)路線如圖1.1所示： 圖1.1 技術(shù)路線圖 第2章 有限元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論 2.1 有限元法的基本理論 2.1.1 有限元法的基本概念 有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法。它以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，又與經(jīng)典的彈性力學(xué)解析法不同。有限單元法將連續(xù)體理想化為有限個(gè)單元集合而成，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，亦即用有限個(gè)單元的集合來代替原來具有無限個(gè)自由度的自由體。有限元單元的分割和節(jié)點(diǎn)的配置非常靈活，它可適應(yīng)于任意復(fù)雜的幾何形狀，處理不同的邊界條件。單元有各種類型，包括線、面和實(shí)體或稱為一維、二維和三維等類型單元。節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷，這樣就組成了有限單元集合體。 在此基礎(chǔ)上，對每一單元假設(shè)一個(gè)簡單的位移函數(shù)來近似模擬其位移分布規(guī)律，通過虛位移原理求得每個(gè)單元的平衡方程，即是建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后把所有單元的這種特性關(guān)系集合起來，就可建立整個(gè)物體的平衡方程組。考慮邊界條件后利用計(jì)算機(jī)解此方程組求得節(jié)點(diǎn)位移，并計(jì)算各單元應(yīng)力。而且，單元細(xì)化程度越高，所得的解越接近精確值。 2.1.2 有限元法的基本思路 （1）物體離散法 將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為有各種連結(jié)單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來。單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、數(shù)目等問題的性質(zhì)，由計(jì)算精度而定（一般情況，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大）。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣的材料由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣，用有限單元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。 （2）單元特性分析 選擇未知量模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。 當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物體離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等用節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法中將位移表示為坐標(biāo)變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有限元基本步驟之一。 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而這種作用在單元邊界上的表面力，體積力或集中力都需要等效地移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元上的力。 （3）單元組集 利用機(jī)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程 　 ?。?.1） 式中，K是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；Q是節(jié)點(diǎn)位移列陣；F是載荷列陣。 （4）求解未知節(jié)點(diǎn)位移 解有限元方程式（2.1）得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來選擇合適的計(jì)算方法。 2.2 ANSYS軟件的簡介 2.2.1 ANSYS的主要特點(diǎn) ANSYS在有限元分析軟件中具有領(lǐng)先地位，主要是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)： ①唯一能夠?qū)崿F(xiàn)多場及多場耦合分析功能的軟件，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)、電磁等的單獨(dú)研究或者它們之間相互影響的研究。 ②唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型有限元分析軟件。 ③唯一具有多物理場優(yōu)化功能的有限元分析軟件。 ④有強(qiáng)大的非線性分析功能。 ⑤多種求解器分別適用于不同問題及不同的硬件配置。 ⑥支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)，以及所有平臺之間的并行計(jì)算。 ⑦支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容。 ⑧多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。 ⑨可與大多數(shù)CAD軟件集成并有接口。 ⑩良好的用戶開發(fā)環(huán)境，綜合應(yīng)用菜單、對話框、工具條、命令行輸入，圖形化輸出等多種方式，使應(yīng)用更加方便。 2.2.2 ANSYS的主要功能 ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 ①前處理模塊 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。 ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。 1)實(shí)體建模 ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。 2)網(wǎng)格劃分 ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。 ②分析計(jì)算模塊 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)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(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。 ③后處理模塊 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上。 2.2.3 ANSYS的結(jié)構(gòu)分析文件 在建立一個(gè)分析任務(wù)時(shí)，ANSYS自動(dòng)創(chuàng)建大量文件，這些文件以任務(wù)名為文件名的基礎(chǔ)，通過對該任務(wù)名后添加字符或者使用不同的擴(kuò)展名來識別不同類型的文件。 2.2.4 ANSYS提供的分析類型 ANSYS軟件提供的分析類型如下： ①結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。 ②結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 ③結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 ④動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 ⑤熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱一結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 ⑥電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 ⑦流體動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱一流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。 ⑧聲場分析 程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 ⑨壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC(交流)、DC(直流)或任意隨時(shí)問變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。 2.3 本章小結(jié) 對有限元分析軟件ANSYS的發(fā)展過程、特點(diǎn)及功能進(jìn)行了簡要的概述，對ANSYS用于有限元前后處理的特點(diǎn)、用戶界面及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要的介紹，對ANSYS的分析文件、常用基本單元、耦合與約束方程、連接關(guān)系的處理、網(wǎng)格檢查以及求解器等內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，為以后應(yīng)用該軟件做好了準(zhǔn)備。 第3章 車架有限元模型的建立 3.1 模型的建立原則 3.1.1 幾何建模的注意事項(xiàng) 為了達(dá)到事半功信的目的，使用Pro／E建立幾何模型，特別應(yīng)該注意建模步驟與技巧。 ①使用Pro／E，首先應(yīng)從繪制平面草圖入手，因?yàn)閷?shí)體特征都是由平面草圖通過各種命令，如旋轉(zhuǎn)、拉伸等生成的。 繪制平面草圖時(shí)，要注意應(yīng)用尺寸驅(qū)動(dòng)原理。開始作圖時(shí)，只需要大致的輪廓尺寸，部需要精確控制草圖的每一個(gè)尺寸；修改草圖時(shí)，再輸入要求的控制尺寸，系統(tǒng)就可以通過再生建立準(zhǔn)確的圖形。應(yīng)用尺寸驅(qū)動(dòng)原理繪制草圖，既方便，也節(jié)省時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。 ②建立幾何模型之前，要觀察結(jié)構(gòu)的主要特征是什么，確定從哪里開始建模。一般先做出主要特征，再做出局部的特征，也就是從整體到局部的建模思路。 ③基準(zhǔn)是完成特征的第一步。基準(zhǔn)包括基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線、基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)坐標(biāo)系，其主要用途是為三維造型設(shè)計(jì)提供建模參考，也可以作為草繪圖和標(biāo)注的參考。實(shí)體建模，首先需要考慮是采用系統(tǒng)默認(rèn)的基準(zhǔn)，還是采用白定義的基準(zhǔn)，很多部規(guī)則的實(shí)體特征都是在自定義的參考基準(zhǔn)上生成的。 ④Pro／E是基于特征建模的，因此，父子特征的關(guān)系就顯得十分重要。通常創(chuàng)建一個(gè)新特征的時(shí)候，不可避免要參考已有的特征，如選取已有的表面作為繪圖平面或參考面，選取已有的特征邊線為參考線等，此時(shí)便形成特征之間的父子關(guān)系。父特征修改直接影響到子特征，刪除或隱藏父特征，子特征也會(huì)一起被刪除或隱藏。Pro／E提供的是一種全參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，最大優(yōu)點(diǎn)就是可以對模型的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，并重新自動(dòng)生成模型。修改時(shí)，如果對某個(gè)父特征重新定義，就有可能導(dǎo)致子特征自動(dòng)生成失敗。發(fā)生這種情況，要通過重新排序或重新規(guī)劃特征的方式修改父特征或子特征，以使兩者對應(yīng)，但一般應(yīng)盡量避免發(fā)生這種情況。 ⑤在一些相交邊界上設(shè)置倒圓角時(shí)，幾個(gè)圓角可能在某處相交。由于交叉復(fù)雜，需要注意調(diào)整圓角建立的先后順序，或者使用高級圓角命令。高級圓角命令的最大特點(diǎn)，是能控制多個(gè)圓角在相交處的相交狀況。 ⑥幾何建模時(shí)，應(yīng)盡可能用較少的特征完成模型創(chuàng)建，可以考慮的幾種方法是： 1)創(chuàng)建相對較為復(fù)雜的草繪圖形，將多個(gè)特征的草繪截而合并為一個(gè)復(fù)雜截面，從而減少創(chuàng)建特征的操作過程。 2)在同一種特征創(chuàng)建過程中，選取不同的特征創(chuàng)建方法也可能會(huì)減少特征的數(shù)量。 3)使用復(fù)制、陣列和鏡像幾何形狀等方法創(chuàng)建特征。 ⑦在Pro／E中，可以利用UDF(User Defined Family)Library將幾個(gè)常用的特征組合到一起，作為自定義的特征，并建立數(shù)據(jù)庫。設(shè)計(jì)時(shí)直接從數(shù)據(jù)庫中選用UDF特征，既可以節(jié)省時(shí)間，又可以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的目的。 3.1.2 幾何建模的簡化 有限元模型是在幾何模型基礎(chǔ)上建立的，因此，建立幾何模型時(shí)，既要考慮幾何模型建立的特點(diǎn)，也要考慮有限元模型建立的特點(diǎn)。 建立有限元模型，既要如實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)特性，又要盡量采用較少的單元和簡單的單元形態(tài)，以保證較高的計(jì)算精度，同時(shí)縮小計(jì)算規(guī)模。為了滿足這兩個(gè)要求，在建立幾何模型前，就需要考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)該怎么簡化。使用Pro／E建立幾何模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化的思路是： ①盡可能使建模簡化 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)越復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時(shí)模擬結(jié)構(gòu)需要的單元就越多，分析時(shí)占用的資源也就越多。建立幾何模型，可以將結(jié)構(gòu)中的圓角簡化成直角，既有利于簡化建模，也有利于有限元模型建立過程中的網(wǎng)格劃分。 ②忽略細(xì)節(jié)特征 在建立幾何模型時(shí)，對整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布只產(chǎn)生較小局部影響的特征，如倒角和小孔等都可以忽略。因?yàn)榫W(wǎng)格劃分過程中，諸如倒角和小孔等特征需要很多單元才能模擬。 ③使用Pro／E對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行壓縮 如果沒有對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，也沒有忽略細(xì)節(jié)特征，使用Pro／E提供的壓縮(Suppress)特征的功能，也是簡化模型的好方法。Pro／E提供的壓縮(Suppress)特征的功能，可以按照用戶要求屏蔽復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特征，輸出簡化的結(jié)構(gòu)模型。壓縮特征時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn)： 1)壓縮特征是否會(huì)改變模型的力學(xué)特性 要考慮壓縮的特征是保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須的基本特征還是修飾特征。只能對修飾特征進(jìn)行壓縮，修飾特征一般指圓角、棱角、小的槽、定位孔等。 2)壓縮特征時(shí)需要注意特征間的父子關(guān)系 如果被壓縮的特征是其它關(guān)鍵特征的父特征，那么就必須重新定義特征的父子關(guān)系。 3)同樣的壓縮對不同的結(jié)構(gòu)分析類型可能產(chǎn)生不同的影響 模態(tài)分析可以壓縮的特征，也許并不適用于強(qiáng)度分析。如模態(tài)分析時(shí)可以忽略能夠產(chǎn)生應(yīng)力集中的特征，但在強(qiáng)度分析時(shí)就必須考慮這些因素。另外，壓縮特征，可能會(huì)影響到靈敏度分析和優(yōu)化分析。 3.2 建立車架模型 3.2.1 建模時(shí)的簡化處理 本節(jié)將以重型汽車汽車的車架為對象，應(yīng)用Pro／E建立該車架的幾何模型。 建立車架的幾何模型時(shí)，根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，在保持其力學(xué)性能不變的條件下，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化： ①將車架結(jié)構(gòu)中的圓角簡化成直角，既有利于簡化建模，也有利于有限元模型建立過程中提取中截面，便于采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分； ②忽略車架上用于裝配的小孔．因?yàn)檫@些小孔僅僅影響車架的局部強(qiáng)度，而對網(wǎng)格質(zhì)量影響卻較大； ③忽略縱粱上的所有小孔。 由于建模的車架是近似對稱結(jié)構(gòu)，所以總體的建模思路是建立模型的左半部分，然后通過對稱建立完整的幾何模型，最后完成公共的局部特征。 3.2.2 車架模型的建立 ①利用Pro／E軟件，按照車架上各零件的實(shí)際尺寸繪制所有零件的三維實(shí)體幾何模型。 ②按照直角坐標(biāo)系對車架各個(gè)零件進(jìn)行裝配，得到整個(gè)車架的三維幾何模型如圖3．1所示。 圖3.1 車架三維模型 3.2.3 應(yīng)用ANSYS對車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分 ①啟動(dòng)Pro/E，選擇ANSYS 12.0將車架模型導(dǎo)入ANSYS中； ②啟動(dòng)ANSYS，選擇通過Pro/E與ANSYS接口將車架模型導(dǎo)入ANSYS中； ③單擊Plot>Volumes。使車架在ANSYS中以體方式呈現(xiàn)。 ④選擇MainMenu>Preprocessor>Element Type>Add／Edit／Delete。打開單元類型對話框； ⑤在單元類型庫對話框中單擊Add； ⑥在左邊列中單擊Solid，選擇實(shí)體單元類型 ⑦在右邊列中單擊10node92，選擇10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)單元Solid 92； ⑧選擇Main Menu>Preprocessor>Material Props>Cortstant>Isotropic，打開各項(xiàng)同性材料特性對話框。在對話框中輸入彈性模量和泊松比。單擊OK并關(guān)閉對話框； ⑨選擇Main Meau>Preprocessor>Meshing>MeshTool打開網(wǎng)格劃分工具，置網(wǎng)格基本尺寸，劃分網(wǎng)格。 網(wǎng)格劃分后，共生成287個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，和177167個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后如圖3.1所示。 圖3.1 車架網(wǎng)格劃分圖 3.2.4 對實(shí)體單元Sold 92的簡要介紹 Solid92是三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，有二次方位移和能很好劃分不規(guī)則的網(wǎng)格(譬如由各種各樣的CAD／CAM系統(tǒng)生產(chǎn))。此單元由十個(gè)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)X、Y和Z方向位移：并且單元有可塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應(yīng)力銅化，大變形和大張力的能力。 ①Solid92輸入數(shù)據(jù) 單元輸入數(shù)據(jù)除了節(jié)點(diǎn)．還包括正交各向異性材料屬性，正交各向異性方向?qū)?yīng)于單元的坐標(biāo)方向。 壓力可以作為面載荷作用在單元面上，正壓力指向單元內(nèi)。溫度和流體因素也可以以體載荷的形式作用在單元節(jié)點(diǎn)上。結(jié)點(diǎn)上的溫度T默認(rèn)為參數(shù)TUNIF。如果沒有給出其它溫度，則默認(rèn)為T。如果給定所有角節(jié)點(diǎn)溫度，則各個(gè)中節(jié)點(diǎn)默認(rèn)為它的毗鄰角結(jié)點(diǎn)平均溫度。對于其他溫度輸入模式，非特指的溫度默認(rèn)為TUNIF。 給單元指定初始應(yīng)力狀態(tài)的命令為STRESS或ISFILE。 如果要讀取初始應(yīng)力，可以通過設(shè)置KEYOPT(9)=I讀取。 在幾何學(xué)非線性分析中，使用SOLCONTROL可以包含壓力載荷硬化的作用。壓力載荷硬化影響自動(dòng)包含在線性特征值計(jì)算里面?？梢杂肗ROPT,unsym命令在壓力載荷硬化中調(diào)用一個(gè)非對稱矩陣。 ②Solid92輸出數(shù)據(jù) 單元求解數(shù)據(jù)以下面兩種形式輸出： 1)以節(jié)點(diǎn)位移的形式輸出包括所有的節(jié)點(diǎn)的解答數(shù)據(jù)； 2)其它類型的單元輸出。 3.3 本章小結(jié) 本章概述了幾何建模軟件Pro／E的發(fā)展歷程、基木功能和主要基本模塊，總結(jié)了應(yīng)用Pro／E建立幾何模型的注意事項(xiàng)和幾何模型簡化的方法，并對有限元分析要采用的實(shí)體單元Solid 92進(jìn)行了簡要的介紹。以某重型貨車車架為研究對象，以有限元的基本理論為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用Pro／E和ANSYS軟件建立了基于實(shí)體單元的車架結(jié)構(gòu)有限元模型，為將實(shí)體單元應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)分析做好了準(zhǔn)備。 第4章 車架結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)分析 4.1 車輛載荷分析 按照載荷產(chǎn)生的原因，作用在車輛結(jié)構(gòu)件上的載荷分為三大類：行駛載荷、操作載荷和特殊載荷。 4.1.1 行駛載荷 行駛載荷是指當(dāng)汽車在各種條件下行駛時(shí)，在路面一車輛這一力學(xué)的傳遞系統(tǒng)中產(chǎn)生的載荷。 ①載貨和乘員 載貨和乘員的變化，將導(dǎo)致車輪載荷的變化，主要有使平均應(yīng)力級發(fā)生變動(dòng)的作用。對于應(yīng)力幅，當(dāng)把車輛作為一個(gè)振動(dòng)模型來看時(shí)，隨著質(zhì)量的變化，共振頻率和振幅也將發(fā)生變化，特別是對載貨汽車影響更為顯著。 ②行駛速度 車輛行駛速度的變化，對平均應(yīng)力級幾乎不產(chǎn)生影響。但是，振動(dòng)應(yīng)力幅與路面的狀念有著密切的關(guān)系，在彈簧上以及彈簧下構(gòu)件的固有振動(dòng)頻率是重疊出現(xiàn)的。隨著車速的提高，所有振動(dòng)頻率也有向高頻一側(cè)偏移的情況，當(dāng)車速很低時(shí)，路面的凹凸可由載荷波形如實(shí)反映出來。 ③路面狀況 路面狀況不影響平均應(yīng)力級的變動(dòng)，而僅僅和車速及車輛的振動(dòng)有關(guān)。由0.5Hz —3Hz的彈簧上成分，6Hz．15Hz的彈簧下成分以及構(gòu)件和總成構(gòu)成的系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率，表現(xiàn)為以各種比例重疊的波形，雖因構(gòu)件而異，但一般來講，在鋪筑的路面上，彈簧上的成分比例大，隨著路面凹凸的加劇，彈簧下及構(gòu)件的固有振動(dòng)頻率的成分加強(qiáng)，作為整個(gè)級別也將變大。這也和車速有密切關(guān)系，如果路面凹凸的周期接近于彈簧上、彈簧下構(gòu)件及系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率，則載荷的波形接近于正弦波，應(yīng)力幅也變得很大。 4.1.2 操作載荷 操作載荷是指為使汽車行駛而進(jìn)行必要的操作時(shí)直接作用在構(gòu)件上的力，或者由于操作而在某個(gè)傳力系產(chǎn)生的載荷。因此，操作載荷也可稱為在人一車系統(tǒng)下產(chǎn)生的載荷。 在下面兩種情況下有操作載荷，一種是把作用在踏板、開關(guān)按鈕、方向盤、操縱桿上的操縱力作為載荷的情況；另一種是由操作，經(jīng)過某傳力系以載荷波形表現(xiàn)的情況。對于后者進(jìn)一步分析如下： ①起動(dòng)操作載荷 對于懸架系，由于起步時(shí)的加速度引起重心的偏移，前后輪的載荷分配發(fā)生變化，這個(gè)變化是作為應(yīng)力變化出現(xiàn)的。但是，當(dāng)接近一定速度時(shí)，平均應(yīng)力也隨之接近于一個(gè)定值。此外，作為變動(dòng)的載荷，有扭矩變動(dòng)及后懸架扭曲引起的載荷等。 對于驅(qū)動(dòng)系，由于起步方法、發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)系數(shù)的彈性常數(shù)、減速比的不同，應(yīng)力振幅和頻率也會(huì)不同，如果離合器有抖動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，將會(huì)出現(xiàn)比驅(qū)動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)固有頻率高的多的頻率成分出現(xiàn)，隨著車輛進(jìn)入穩(wěn)定行駛狀態(tài)，波形將逐步衰減，當(dāng)衰減到對應(yīng)于一定扭轉(zhuǎn)值的應(yīng)力，作為平均應(yīng)力成分保留下來，應(yīng)力振幅在一定程度上表現(xiàn)為穩(wěn)定系統(tǒng)固有振動(dòng)時(shí)和扭轉(zhuǎn)變動(dòng)時(shí)的振動(dòng)波形。 ②制動(dòng)操作載荷 制動(dòng)操作載荷將導(dǎo)致垂直或縱向載荷發(fā)生變化，在制動(dòng)的初期階段，其波形和行駛載荷波形重疊在一起的應(yīng)力波形。由于車輛慣性矩和重心位置的偏移，前后輪載荷分配將發(fā)生變化，并以應(yīng)力級的變化表現(xiàn)出來。另外，隨著車輛的不同，制動(dòng)時(shí)，在制動(dòng)鼓、體片、回位彈簧等構(gòu)件上將伴隨著產(chǎn)生抖動(dòng)等想象，其固有振動(dòng)頻率將重疊到制動(dòng)鼓上。 ③轉(zhuǎn)向操作載荷 隨著重心的移動(dòng)，將引起垂直、橫向載荷的變動(dòng)，從而產(chǎn)生平均應(yīng)力的變化。另外，由于構(gòu)件幾何造型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力矩，也會(huì)使平均應(yīng)力級發(fā)生變動(dòng)。前者往往比較小，而后者隨構(gòu)件的不同將會(huì)有很大值。 4.1.3 特殊載荷 特殊載荷是指除了上述兩種載荷以外的、從汽車使用本來目的來看，完全是由于偶然因素造成的載荷，如駕駛差錯(cuò)、碰撞等造成的載荷，以及由于自然環(huán)境影響，對汽車構(gòu)件所造成的附加載荷等。由于本文不涉及這些方面的載荷，故不詳細(xì)論述。 4.2 車架受力情況 4.2.1 靜載荷 汽車靜止時(shí)，車架只承受鋼板彈簧以上部分的載荷，它由于車身和車架的自身質(zhì)量、車架上各總稱與附件質(zhì)量及有效載荷組成，其總和稱之為靜載荷。在本設(shè)計(jì)中主要考慮行駛載荷的作用。對載荷處理時(shí)，車架自身重量可以通過施加垂直方向上的重力加速度進(jìn)行施加；外加質(zhì)量、底盤各總成、發(fā)動(dòng)機(jī)以及附加物質(zhì)量等，可以簡化為作用在各支承點(diǎn)的集中載荷；貨車的貨物載荷一般處理為均布載荷，可以將乘客處理成集中載荷，也可以處理成均布載荷通常以每個(gè)乘客65kg進(jìn)行計(jì)算。 由于客觀條件的限制，在本文分析車架應(yīng)力時(shí)，只施加了部分作用在車架上的載荷，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)135kg，變速器56kg，油箱(載滿油時(shí))360kg,駕駛室及乘員130kg，引起的重力載荷以集中力的形式按照安放點(diǎn)的實(shí)際位置及各個(gè)位置所分擔(dān)的重力施加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；車廂以及貨物載荷共2620kg，以均布載荷的形式加到縱梁的相應(yīng)部位。 4.2.2 動(dòng)載荷 行駛中的汽車主要受動(dòng)載荷作用，動(dòng)載荷又可分為對稱的動(dòng)載荷和非對稱的動(dòng)載荷。當(dāng)汽車在平坦的道路上，以較高車速行駛時(shí)，產(chǎn)生對稱的動(dòng)載荷，它的大小不僅取決于作用在車架的靜載荷及其在車架上的分布，還取決于靜載荷作用處的垂直加速度，受這種載荷作用，車架會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。當(dāng)汽車行駛在崎嶇不平的路面上時(shí)，前后幾個(gè)車輪可能不在同一平面，因而產(chǎn)生非對稱動(dòng)載荷，它的大小取決于道路不平程度，以及車身、車架和懸架的剛度，受這種載荷作用，車架會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。車架除受純彎曲、純扭轉(zhuǎn)外，還受彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形。動(dòng)載荷和靜載荷對車架的作用不相同，在以后的分析中會(huì)采用不同的簡化形式，但作用力的分布與靜載荷相同。 4.3 車架結(jié)構(gòu)的靜力性能分析 4.3.1 靜力分析的基本概念及流程 靜力分析是計(jì)算在固定不變載荷作用下的結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及反力等的大小，即討論結(jié)構(gòu)受到外力后的變形、應(yīng)力和應(yīng)變，以便對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，保證結(jié)構(gòu)既安全、正常工作，又符合經(jīng)濟(jì)性的要求。 靜力分析主要從靜力學(xué)(靜力平衡條件)、幾何學(xué)(位移協(xié)調(diào)條件)、物理學(xué)(虎克定理)三個(gè)方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。無論處理什么問題，用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析的基本方程可以表示為： [K]{D}={P} 其中，[K]為經(jīng)過約束處理的結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣；{D}為待求解的整體位移向量；{P}為與待求解整體位移向量對應(yīng)的載荷向量。 靜力分析的基本流程： ①單元分析的主要任務(wù)是建立單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，得到反映它們之間關(guān)系的矩陣一單元?jiǎng)偠染仃嚕? ②整體分析的任務(wù)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的靜力平衡條件和位移協(xié)調(diào)條件建立反映各單元和整體結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系的矩陣—整體剛度矩陣； ③約束處理是引入邊界條件，對整體分析形成的整體剛度矩陣進(jìn)行處理，得到經(jīng)過約束處理的整體剛度矩陣[K]與載荷向量{P}； ④靜力分析方程求解是對方程[K]{D}={P}進(jìn)行求解運(yùn)算，得到全部節(jié)點(diǎn)的位移； ⑤單元節(jié)點(diǎn)力、內(nèi)力或應(yīng)力計(jì)算的主要任務(wù)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移求出單元節(jié)點(diǎn)力、內(nèi)力和應(yīng)力； ⑥計(jì)算結(jié)果后處理的主要任務(wù)是對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理。 4.3.2 車架結(jié)構(gòu)靜力分析工況及約束處理 進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，模型的約束方式必須滿足的條件是：保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生剛體位移，也就是說必須有足夠的自由度約束，以保證結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為滿秩矩陣，從而使整體剛度方程有唯一解。在汽車的行駛過程中，典型的工況主要包括彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎四種工況，其中彎曲和扭轉(zhuǎn)是對車架結(jié)構(gòu)影響較大的兩種工況。本章將以彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況做為分析工況，為保證車架有限元模型不產(chǎn)生剛性位移，對這兩種工況要進(jìn)行約束處理。 ①彎曲工況 彎曲工況是模擬在滿載狀態(tài)下、四輪著地時(shí)汽車在良好路面勻速直線行駛的狀態(tài)。通過有限元計(jì)算模擬彎曲工況時(shí)，車架承受的質(zhì)量和載荷要乘以一定的動(dòng)荷系數(shù)來進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校核。研究表明在對車架彎曲工況進(jìn)行模擬時(shí)，最大動(dòng)荷系數(shù)以不超過2.5。其約束為鋼板彈簧位置。其約束如圖4.1所示 圖4.1 彎曲工況約束 ②扭轉(zhuǎn)工況 扭轉(zhuǎn)工況是模擬一個(gè)車輪懸空時(shí)汽車的受力狀態(tài)。其約束如圖4.2所示，這時(shí)由于車速很低，所以慣性載荷很小，最大動(dòng)載荷系數(shù)以不超過1.3。 圖4.2 扭轉(zhuǎn)工況約束 4.3.3 車架結(jié)構(gòu)靜力分析規(guī)范 本節(jié)采用上一章建立的車架結(jié)構(gòu)有限元模型，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。 ①加載模型數(shù)據(jù)文件 啟動(dòng)ANSYS，打開文件。 ②更換工作文件名 (1)選取菜單Utility Menu>File>Change Jobname： (2)在彈出的對話框中輸入static-frame，點(diǎn)擊OK按鈕，完成工作文件名的定義。 ③定義標(biāo)題 (1)選取菜單Utility Menu>File>Change Title： (2)在彈出的對話框中輸入thebendmodel，說明本次計(jì)算為彎曲工況。 ④定義工況約束 根據(jù)整車彎曲工況的約束方案對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束： 自由度約束添加操作為： (1)選取Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Displacement>On Areas命令； (2)在彈出Apply UROT on Areas對話框后，在圖形區(qū)選取要進(jìn)行自由度約束的面，點(diǎn)擊OK按鈕； (3)在彈出的對話框中選擇要約束的自由度及自由度數(shù)值； (4)點(diǎn)擊OK按鈕，完成約束處理。 ⑤設(shè)置分析類型 ANSYS包含七種分析類型。在進(jìn)行分析求解之前，必須定義好求解類型，具體步驟為： (1)選取Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis命令； (2)選取Static，點(diǎn)擊OK按鈕，選擇靜態(tài)分析。 ⑥施加載荷 這一步主要是針對不同的工況進(jìn)行載荷的施加，根據(jù)不同工況施加載荷的不同，施加各個(gè)方向的力，從而使車架受力接近現(xiàn)實(shí)車架的受力。使得分析后的結(jié)果更接近實(shí)際車架受力。 ⑦求解 在完成上述所有步驟之后，就可以對有限元模型