中型載貨汽車車架有限元靜力學(xué)分析

1、本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中型載貨汽車車架有限元靜力學(xué)分析The Graduation Design for Bachelor's DegreeThe Finite Elements Static Analysis of Mid-duty Trucks Frame Structure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。汽車車架作為汽車總成的一部分，承受著來自道路和裝載的各種復(fù)雜載荷作用，而且汽車上許多重要總成部件都是以車架為載體。所以，車架的強(qiáng)度和剛度在汽車總體設(shè)計(jì)中起到了十分重要的作用。本設(shè)計(jì)是基于Pro/E

2、軟件建立了車架結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)該車架在彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動(dòng)工況和緊急轉(zhuǎn)彎工況下進(jìn)行了靜力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，該車架受到的最大應(yīng)力值小于材料的強(qiáng)度極限，滿足設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)說明有限元法和ANSYS軟件為車架結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析軟件，可以更加全面的得出車架的應(yīng)力分布狀況，為車架的下一步設(shè)計(jì)過程提供了依據(jù)和理論支持，而且降低了制造成本，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 關(guān)鍵詞：載貨汽車；車架；Pro/E；有限元；靜力分析 ABSTRACTFrame is an important assembly bearing loads of an automobile. All kinds

3、 of loads will pass to it. So the performance of frame structure affects whether the automobile design is successful or not. As a part of the truck, the frame supports all kinds of complicated loads coming from the road and freight. And many assembly of the truck are built in the frame. So the inten

4、sity and the strong of the frame play a very important role in the design of trucks. A model of the frame is established by using Pro/E in this paper. The static intensity of the frame is analyzed in the situation of bending, torsion, braking and swerve by ANSYS. The result indicates that the stress

5、 of the frame is less than the utmost intension. And the frame is satisfied with the design. The result of this paper indicates that the research of FEA and ANSYS software offered a set of basic theory and method for the frame structure and simulation of dynamic characteristic. At last, the material

6、 of the frame is saved, and it is stronger in the market.Key words: Truck; Frame; Pro/E; Finite element; Static analysisII目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 選題目的與意義11.2 車架的設(shè)計(jì)理論發(fā)展過程和發(fā)展?fàn)顩r21.3 本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容4第2章 有限元法及ANSYS軟件的介紹62.1 有限元法簡(jiǎn)介62.1.1 有限元法的基本思想62.1.2 有限元法的特點(diǎn)72.1.3 有限元法分析的一般步驟82.2 車架有限元模型建立的原則82.3 ANSYS軟件的介

7、紹82.3.1 ANSYS的發(fā)展92.3.2 ANSYS軟件的特點(diǎn)92.3.3 ANSYS軟件的功能92.3.4 ANSYS軟件的程序結(jié)構(gòu) 112.3.5 ANSYS軟件分析的基本過程122.4 本章小結(jié)13第3章 有限元模型建立143.1 車架幾何模型建立143.1.1 車架尺寸的確定143.1.2 確定建立模型參考平面143.1.3 利用Pro/E軟件建立幾何模型153.2 車架有限元模型的建立173.2.1 車架幾何模型導(dǎo)入到ANSYS軟件173.2.2 shell單元的定義183.2.3 設(shè)置材料參數(shù)和屬性223.2.4 進(jìn)行網(wǎng)格劃分223.3 本章小結(jié)23第4章 車架的靜力學(xué)分析24

8、4.1 靜力學(xué)分析基本概念和過程244.2 車架的載荷及處理244.2.1 車架受到的載荷244.2.2 載荷的處理254.3 車架的剛度理論基礎(chǔ)264.3.1 車架的彎曲剛度264.3.2 車架的扭轉(zhuǎn)剛度264.4 車架的工況分析及約束的處理274.4.1 車架的滿載彎曲工況274.4.2 車架的滿載扭轉(zhuǎn)工況334.4.3 車架的緊急剎車工況364.4.4 車架的緊急轉(zhuǎn)彎工況374.5 本章小結(jié)39結(jié)論40參考文獻(xiàn)41致謝43附錄44附錄A 外文文獻(xiàn)中英文翻譯44附錄B 靜力學(xué)分析命令流54第1章 緒 論在人們的日常生活中，汽車作為主要的交通運(yùn)輸工具之一，發(fā)揮著非常重要的作用。因此，要求汽車

9、制造廠提供更多更好的結(jié)構(gòu)輕、性能好、質(zhì)量高、用途廣、安全性可靠的汽車。汽車車架作為汽車總成的一部分，承受著來自道路及各種復(fù)雜載荷的作用，而且汽車上許多重要的總成部件都是以車架為載體的。因而，車架的強(qiáng)度和剛度在汽車總體設(shè)計(jì)中顯得非常重要。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)給社會(huì)發(fā)展帶來了深刻的變革，同時(shí)也為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造提供了強(qiáng)有力的工具。汽車工業(yè)屬于高技術(shù)產(chǎn)業(yè),要設(shè)計(jì)生產(chǎn)出性能優(yōu)越、安全可靠的汽車，不應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)分析是根本無法實(shí)現(xiàn)的。因此，目前各生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門都非常重視在設(shè)計(jì)制造過程中采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的有限元強(qiáng)度分析，是近幾十年來發(fā)展起來的新的計(jì)算方法和技術(shù),它可以解決許多以

10、往手工計(jì)算根本無法解決的問題，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益1。1.1 選題目的與意義汽車工業(yè)屬于高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，要設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越，安全可靠的汽車，不利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析是根本無法實(shí)現(xiàn)的。我國(guó)汽車工業(yè)采用CAD技術(shù)，從無到有，已經(jīng)有近30年的歷史了。盡管大多數(shù)的廠家采用一定的CAD技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)，如常見的AUTOCAD等輔助設(shè)計(jì)軟件，但是這些軟件一般并不具有結(jié)構(gòu)分析的功能。所以，利用有限元法進(jìn)行汽車車架的靜、動(dòng)態(tài)特性分析已成為一種趨勢(shì)。早期由于有限元法所要求解的問題計(jì)算規(guī)模比較大，而計(jì)算機(jī)的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性。但隨著有限元技術(shù)的成熟和調(diào)整計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，各種通

11、用程序、專用程序的求解功能都很齊全，前后處理也很方便，汽車結(jié)構(gòu)中絕大部分部件甚至整車的有限元靜、動(dòng)態(tài)分析和固有特性分析等都可應(yīng)用這些通用程序或?qū)Ｓ贸绦騺矸治鲇?jì)算。利用有限元法進(jìn)行分析，可以更好地知道應(yīng)力分布情況，進(jìn)而設(shè)計(jì)出符合要求的車架結(jié)構(gòu)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車的設(shè)計(jì)和開發(fā)日益向環(huán)保化、安全化、智能化、輕污染、低排放及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化的方向發(fā)展。產(chǎn)品的類型和結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，對(duì)汽車的產(chǎn)品開發(fā)的要求也越來越高。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品可靠性，安全性的要求也越來越高。汽車作為目前我們國(guó)家的主要城鄉(xiāng)交通工具，對(duì)其剛度、強(qiáng)度，安全性能的研究具有重要意義。1.2 車架的設(shè)計(jì)理論發(fā)展過程和發(fā)展?fàn)顩r車

12、架作為汽車的承載體，被貨車、客車和轎車所應(yīng)用，支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、底盤總成和貨箱等機(jī)件，承受傳給它的各種力和力矩。因此，車架應(yīng)該有足夠的彎曲剛度，以使得安裝在其上的相關(guān)部件之間的相對(duì)位置在汽車行駛過程中保持不變并且使得車身的變形量降低到最小；同時(shí)汽車車架應(yīng)該有足夠的剛度，保證汽車車架有足夠的壽命和良好的可靠性，縱梁等主要部件在使用過程中不應(yīng)該有嚴(yán)重的變形和開裂。車架的剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也會(huì)使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和某些的可靠性下降，貨車車架的最大彎曲撓度應(yīng)該小于10mm。但車架扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過大，否則將使得車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差，使通過性變壞。通常在使

13、用中其軸間扭角約為1°/m。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)該盡可能小些，以減小整車質(zhì)量。貨車車架的質(zhì)量一般約為整車整備質(zhì)量的1/10。從被動(dòng)安全性考慮，乘用車車架應(yīng)該具有吸收撞擊能量的特點(diǎn)。此外，車架設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮車型系列化及改裝車等方面的要求2。早在上世紀(jì)五十年代，歐美國(guó)家就已經(jīng)在車架結(jié)構(gòu)分析中采用有限元方法，并能較好地模擬、分析車架動(dòng)態(tài)特性。隨著有限元模擬方法的不斷完善和發(fā)展，歐、美、日、韓等國(guó)家的汽車生產(chǎn)周期不斷縮短，一種新車型從概念到批量生產(chǎn)由6年，5年，4年發(fā)展到目前的2年甚至更短的時(shí)間，而且產(chǎn)品性能越來越高。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件水平的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的有限元系統(tǒng)

14、，如ANSYS、NASTRAN、I-DESA等，使得車架靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析等成了可能。國(guó)外已經(jīng)能夠用有限元對(duì)結(jié)構(gòu)、材料和形狀參數(shù)等進(jìn)行靈敏度分析，并取得了重大成果。經(jīng)過三十多年的積累和發(fā)展，國(guó)外許多大公司建立了高性能的車架計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)，形成了完整和設(shè)計(jì)、分析方法和實(shí)驗(yàn)程序。目前，國(guó)外車型開發(fā)周期已經(jīng)縮短到24至36個(gè)月，這與采用現(xiàn)代車架結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法是分不開的?，F(xiàn)代車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由原來的經(jīng)驗(yàn)、類比、靜態(tài)設(shè)計(jì)，向建模、靜動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)優(yōu)化及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。國(guó)內(nèi)起步較晚，在80年代才開始有限元方面的研究，但經(jīng)過眾多學(xué)者的研究和探索，已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)春汽車研究所的谷安淘和常國(guó)振首先采

15、用桿系有限元法求解了車架結(jié)構(gòu)分析問題。他們將汽車車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一組離散單元的集合體，這些單元通過各自的端點(diǎn)連接起來，用以代替真實(shí)的車架。隨后，吉林大學(xué)的黃金陵進(jìn)一步研究和完善了汽車車架桿系有限元法在車架靜力學(xué)方面的計(jì)算理論。后來，應(yīng)用有限元法對(duì)車架結(jié)構(gòu)分析的研究越來越多， 運(yùn)用有限元法對(duì)車架結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算不再局限于靜力學(xué)分析，還開始考慮動(dòng)態(tài)特性分析。同時(shí)，隨著大量有限元軟件的引進(jìn)，車架的有限元法不僅由桿系理論上升到連續(xù)體的理論，而且計(jì)算模型的建立也越來越復(fù)雜，相應(yīng)的計(jì)算精度也越來越高。目前，采用有限元法對(duì)汽車的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析正在成為車架設(shè)計(jì)的主流手段。今后，可以預(yù)計(jì)運(yùn)用有限元法對(duì)汽車的車架結(jié)

16、構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算將成為設(shè)計(jì)的主流。目前國(guó)內(nèi)對(duì)重型車架的分析一般僅限于強(qiáng)度和剛度的靜態(tài)分析，在動(dòng)態(tài)分析上起步較晚。這一方面是由于受到所具備的計(jì)算軟、硬件的制約，另一方面車架建模過程涉及因素多而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有待于進(jìn)一步的研究和探索。上世紀(jì)五六十年代，我國(guó)對(duì)于車架的設(shè)計(jì)都是依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和方法進(jìn)行的，即依靠材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的結(jié)果由試驗(yàn)來驗(yàn)證，該方法有一定的可靠性和科學(xué)性。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具有簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，目前在我國(guó)車輛設(shè)計(jì)計(jì)算中仍然直到一定的作用。但是，該方法有明顯不足的地方，主要體現(xiàn)在以下二個(gè)方面：1、由于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶有盲目性，每次車架設(shè)計(jì)

17、過程中不會(huì)有明顯的突破。使得其整體的強(qiáng)度、剛度都得不到合理的解決。而且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，不斷產(chǎn)品的更新，使得產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度比較慢，降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。2、傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不能對(duì)車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及剛度進(jìn)行定量分析。因此，設(shè)計(jì)過程中會(huì)出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。導(dǎo)致整個(gè)車架的成本過高，同時(shí)存在某些地方不足，易出現(xiàn)事故；某些地方的強(qiáng)度又過于富裕，造成了浪費(fèi)。由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有不足之處，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序的使用，取代了高強(qiáng)度的手工勞動(dòng)，結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)速度大大提高。有限元就是其中的一種方法。目前，在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限元單元法(亦稱有限元法Finite Element Me

18、thod，F(xiàn)EM)、邊界法(Boundary Element Method，BEM)和有限差分法(Finite Difference Method ，F(xiàn)DM)等，但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限元法。作為一種離散化的數(shù)值解法，有限單元法首先應(yīng)用在結(jié)構(gòu)分析中，然后又在其他領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用軟件已發(fā)展到幾百種。比較著名的有：NASTRAN(大型綜合有限元軟件)，ASKA(大型通用有限元軟件)，MARC(大型綜合非線性有限元軟件)，GTSTRUDL(大型綜合土木建筑結(jié)構(gòu)分析的有限元軟件)，SAP(線性有限元軟件)，ADINA(非線性結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件)，ANSYS(有限元

19、分析系統(tǒng))，ALGORFEAS(大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件)等3。有限元分析的基本思想，是用一組離散化的單元組集，來代替連續(xù)體機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，這種單元組集體稱之為結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。如果已知各個(gè)單元體的力和位移(單元的剛度特性)，只需根據(jù)節(jié)點(diǎn)的變形連續(xù)條件與節(jié)點(diǎn)的平衡條件，來推導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)的特性并研究其性能。有限元的特點(diǎn)是始終以矩陣形式來作為數(shù)學(xué)表達(dá)式，便于程序設(shè)計(jì)，大量工作是由電子計(jì)算機(jī)來完成，只要計(jì)算機(jī)容量足夠，單元的剖分可以是任意的，對(duì)于任何復(fù)雜的幾何形狀，多樣化的載荷和任意的邊界條件都能適應(yīng)。然而，由于有限元是一種數(shù)值分析方法，計(jì)算結(jié)果是近似解，其精度主要取決于離散化誤差。如果結(jié)離散化恰當(dāng)，單

20、元位移函數(shù)選取合理，隨著單元逐步縮小，近似解將收斂于精確解。因此，正確建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，是分析工作的第一步。目前采用有限元分析模型有如下二種：梁?jiǎn)卧Ｐ秃徒M合模型是等。梁?jiǎn)卧Ｐ褪菍④嚰芙Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為由一組兩節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧M成的框架結(jié)構(gòu)，以梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦詠矸从耻嚰艿膶?shí)際結(jié)構(gòu)特性。其優(yōu)點(diǎn)是：劃分的單元數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，計(jì)算機(jī)計(jì)算速度快，而且模型前處理工作量小，適合初選方案。其缺點(diǎn)是：無法仔細(xì)分析車架應(yīng)力集中問題，因而不能為車架縱、橫梁連接提供實(shí)用的幫助。組合單元模型則是既采用梁?jiǎn)卧膊捎冒鍤卧M(jìn)行離散。在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于車架是一由系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，且形狀復(fù)雜，宜離散許多板殼單元的組集，其

21、缺點(diǎn)是前處理工作量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這個(gè)問題已得到了較好的解決，而且由于有大型有限元軟件的支撐，巨大的前處理工作量絕大部分可由計(jì)算機(jī)來完成，也不是制約板殼模型實(shí)際運(yùn)用的困難了。這種模型使得對(duì)車架分析計(jì)算更為準(zhǔn)確，能為車架設(shè)計(jì)提供更為有利的幫助4。有限元法為車架結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)提供重要的基礎(chǔ)，同時(shí)也促進(jìn)車架結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)的發(fā)展。但隨著對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)性能要求的不斷提高，車輛的工作環(huán)境愈來愈復(fù)雜。就車架而言，仍把滿足靜強(qiáng)度的要求作為結(jié)構(gòu)的主要乃至唯一的依據(jù)，顯然不能符合實(shí)際情況。但進(jìn)行力學(xué)分析是不可或缺的設(shè)計(jì)過程，同時(shí)對(duì)于某些車輛的車架，在重載、高速行駛時(shí)其振動(dòng)問題日益突出。

22、車架的強(qiáng)烈振動(dòng)一方面會(huì)影響人們乘坐舒適性，另一方面會(huì)影響汽車零部件的安全使用。因此，車架的動(dòng)態(tài)分析就日益顯得重要了，但在進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析前的步驟是做靜態(tài)分析，亦是做車架的靜力學(xué)分析。所以，為了能夠在車架的設(shè)計(jì)初期就對(duì)車架的靜態(tài)性能有較全面的了解，提高車架的設(shè)計(jì)效率，很有必要在這方面作一些工作，即對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，進(jìn)而更加合理的設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求車架。1.3 本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容本設(shè)計(jì)研究的是某中型載貨汽車車架，運(yùn)用PRO/E軟件建立實(shí)體模型，利用有限元軟件對(duì)車架進(jìn)行四種工況的靜力學(xué)分析，得到它的應(yīng)力分布圖和變形圖，根據(jù)各部分所受的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，進(jìn)而為后續(xù)工作做準(zhǔn)備。具體步驟如下： 建立車架的實(shí)體

23、模型。利用PRO/E軟件建立車架實(shí)體模型。 安裝PRO/E與ANSYS軟件轉(zhuǎn)換接口。 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置參數(shù)、屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 假定在汽車滿載的情況下，對(duì)車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急剎車、急轉(zhuǎn)彎四種工況下的受力和變形情況進(jìn)行靜力學(xué)分析。 結(jié)合應(yīng)力圖和變形圖進(jìn)行分析。 最終得出結(jié)論。第2章 有限元法及ANSYS軟件的介紹2.1 有限元法簡(jiǎn)介自從20世紀(jì)60年代Clough第一次提出“有限單元法(或稱有限元法)”這個(gè)名稱以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，它如今已經(jīng)成為工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法之一。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視，伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)和飛速發(fā)展，有限單元法現(xiàn)已為計(jì)

24、算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的重要組成部分。有限元方法是解決工程和數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值方法?？捎糜邢拊椒ń鉀Q的有關(guān)工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的典型問題包括結(jié)構(gòu)分析、熱傳導(dǎo)、液體流動(dòng)、質(zhì)量傳輸和電磁電位等。對(duì)于大多數(shù)的工程技術(shù)問題，由于物體的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜或者某些特征是非線性的，很少有解析解。這類問題的求解方法通常有兩種，一是引入簡(jiǎn)化假設(shè)；二是人們?cè)趶V泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)來獲得滿足工程技術(shù)要求的數(shù)值解。目前在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限單元法。由于汽

25、車的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用有限元法不但能完成車身、車架等結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，而且還能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，因此是汽車設(shè)計(jì)計(jì)算的重要工具。尤其是近些年，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在汽車及總成部件設(shè)計(jì)制造中所起到的作用越來越明顯。2.1.1 有限元法的基本思想有限元法的基本思想是將一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分成“有限”個(gè)“單元”,對(duì)這些單元分別進(jìn)行分析,建立其位移內(nèi)力之間的關(guān)系,以變分原理為工具,將微分方程化為代數(shù)方程,再將單元組裝成結(jié)構(gòu),形成整體結(jié)構(gòu)的剛度方程。KU=Q (2.1)式中: K結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣； U節(jié)點(diǎn)位移列陣； Q節(jié)點(diǎn)載荷列陣。在工程或物理問題的數(shù)學(xué)模型(基本變量、基本方程、求解域和邊界條件)確定

26、以后，有限元法作為對(duì)其進(jìn)行分析的數(shù)值計(jì)算方法的基本思想可簡(jiǎn)單概括以下三點(diǎn)：將一個(gè)表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散成為若干個(gè)子域(單元)，并通過它們邊界上的節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)為一個(gè)組合體。用每個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)來分片表示全求解域內(nèi)待求解的未知場(chǎng)變量，而每個(gè)單元內(nèi)的近似函數(shù)未知場(chǎng)函數(shù)(或未知導(dǎo)數(shù))在單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值和與其對(duì)應(yīng)的插值函數(shù)來表示。由于在聯(lián)結(jié)相鄰單元的節(jié)點(diǎn)上，場(chǎng)函數(shù)具有相同的數(shù)值，因此將它們作為數(shù)值求解的基本未知量。這樣一來，求解原待求場(chǎng)函數(shù)的無窮多自由度問題轉(zhuǎn)換為求解場(chǎng)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值的有限自由度問題。通過和原問題數(shù)學(xué)模型(如基本方程、邊界條件等)等效的變分原理或加權(quán)余量法，建立求解基本未知

27、量(場(chǎng)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值)的代數(shù)方程組或常微分方程組。此方程組成為有限元求解方程，并表示成規(guī)范化的矩陣形式，接著用相應(yīng)的數(shù)值方法求解該方程，從而得到原問題的解答。2.1.2 有限元法的特點(diǎn)有限元法之所以能有如此廣泛的用途，是因?yàn)樗衅渥陨淼奶攸c(diǎn)，概括如下：對(duì)于各種物理問題的適用性由于單元內(nèi)近似函數(shù)分片的表示全求解域的未知場(chǎng)函數(shù)，并未限制場(chǎng)函數(shù)所滿足的方程形式，也未限制各個(gè)單元所對(duì)應(yīng)的方程必須有相同的形式，因此它適用于各種物理問題，例如線彈性問題、彈塑性問題、粘彈性問題、動(dòng)力問題、屈曲問題、流體力學(xué)問題、熱傳導(dǎo)問題、聲學(xué)問題、電磁場(chǎng)問題等，而且還可以用于各種物理現(xiàn)象相互耦合的問題。對(duì)復(fù)雜幾何模型的適應(yīng)性

28、由于單元在空間可以是一維、二維或三維的。而且每一種單元可以有不同的形狀，同時(shí)各種單元可以采用不同的連接方式，所以，工程實(shí)際中遇到的非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造都可以離散為由單元組合體表示的有限元模型。建立于嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性因?yàn)橛糜诮⒂邢拊匠痰淖兎衷砘蚣訖?quán)余量法在數(shù)學(xué)上已證明是微分方程和邊界條件的等效積分形式，所以只要原問題的數(shù)學(xué)模型是正確的，同時(shí)用來求解有限元方程的數(shù)值算法是穩(wěn)定可靠的，則隨著單元數(shù)目的增加（即單元尺寸的縮?。┗蛘呤请S著單元自由度數(shù)的增加（即插值函數(shù)階次的提高），有限元解的近似程度不斷被改進(jìn)。如果單元是滿足收斂準(zhǔn)則的，則近似解最后收斂于原數(shù)學(xué)函數(shù)模型的精確解。適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

29、的高效性由于有限元分析的各個(gè)步驟可以表示成規(guī)范化的矩陣形式，所以最后求解方程可以統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)的矩陣代數(shù)問題，特別適合計(jì)算機(jī)的編程和執(zhí)行。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的高速發(fā)展以及新的數(shù)值算法的不斷出現(xiàn)，大型復(fù)雜問題的有限元分析已成為工程技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)工作5。2.1.3 有限元法分析的一般步驟有限元法分析的一般步驟可歸納如下：離散和選擇單元類型。在有限元分析中，單元類型的選擇取決于實(shí)際受載條件下物體的物理構(gòu)成，也取決于分析者所期望的對(duì)實(shí)際行為的近似程度。必須考慮選擇一維、二維或三維進(jìn)行理想化是否適當(dāng)。選擇位移函數(shù)。定義應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚭头匠?。組裝單元方程得出總體方程并引進(jìn)邊界條件。解

30、未知自由度(或廣義位移)。求解單元應(yīng)變和應(yīng)力。解釋結(jié)果。2.2 車架有限元模型建立的原則在建立車架有限元分析模型時(shí)，本文主要考慮了以下幾個(gè)方面的問題:車架有限元分析模型盡可能逼近車架真實(shí)結(jié)構(gòu)，尤其是從動(dòng)力學(xué)特性上進(jìn)行逼近。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，保證任意一板殼單元的頂點(diǎn)同時(shí)也是其相鄰單元的頂點(diǎn)；盡可能的使單元形狀規(guī)則，以避免單元的某個(gè)邊過長(zhǎng)或者過短以及某個(gè)內(nèi)角太大或太小。 對(duì)一些很小的或者不重要的地方，如過渡圓角，在建模時(shí)候進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。為了提高計(jì)算精度，建模時(shí)根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷分布特點(diǎn)，在可能產(chǎn)生應(yīng)力集中或者應(yīng)力包劇變化的部位網(wǎng)格劃分比其它部分細(xì)密。2.3 ANSYS軟件的介紹ANSYS軟件

31、是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于機(jī)械工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物制藥、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從PC到工作站再到巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所在的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)均兼容。ANSYS多物理場(chǎng)耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計(jì)算成本，如熱耦合、磁結(jié)構(gòu)耦合，以及電磁液體熱耦合，在PC上生成的模型同樣可運(yùn)行在巨型機(jī)上，這樣就確保了ANSYS對(duì)多領(lǐng)域多變工程問題的求解5。2.3.1 ANSYS的發(fā)展ANSYS由世

32、界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。2.3.2 ANSYS軟件的特點(diǎn)ANSYS是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件。與其它有限元分析軟件相比，它有如下特點(diǎn)：唯一能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)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。有強(qiáng)大的非線性分析功能。唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的有限元分析軟件。唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型有限元軟件。多種求解器分別適合于不同

33、問題及不同的硬件配置。多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)格浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容。支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)，以及所有平臺(tái)間的并行計(jì)算?？膳c大多數(shù)CAE軟件集成并有接口。有良好的用戶開發(fā)環(huán)境，綜合應(yīng)用菜單、對(duì)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。2.3.3 ANSYS軟件的功能ANSYS軟件包括以下主要功能模塊：1、結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析包括以下類型。靜力分析用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為。例如，大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈性及蠕變。模態(tài)分析計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形，譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，勝于計(jì)算機(jī)

34、由隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變(也叫做響應(yīng)譜或PSD)。諧響應(yīng)分析確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨著時(shí)間正弦任意變化的載荷的響應(yīng)。可以考慮與靜力學(xué)分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為。特征屈曲分析用于計(jì)算線性屈曲載荷，并確定屈曲模態(tài)形狀(結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析)。專項(xiàng)分析斷裂分析、復(fù)合材料分析、疲勞分析。專項(xiàng)分析用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為。它的顯示方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法。2、ANSYS熱分析熱分析一般不是單獨(dú)的，其后往往進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)

35、力。熱分析包括以下類型：相變(熔化及凝固) 全屬合金在溫度變化時(shí)的相變，如鐵合金中馬氏休體與奧氏體的轉(zhuǎn)變。內(nèi)熱源(電阻發(fā)熱等) 存在熱源問題，如加熱爐中對(duì)試件進(jìn)行加熱。熱傳導(dǎo)熱傳遞的一種方式，當(dāng)相接觸的兩物體存在溫度差時(shí)發(fā)生。熱對(duì)流熱傳遞的一種方式，當(dāng)存在流體、氣體和產(chǎn)、溫度差時(shí)發(fā)生。熱輻射熱傳遞的一種方式，只要存在溫度差時(shí)就會(huì)發(fā)生，可以在真空中進(jìn)行。3、ANSYS電磁分析電磁分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場(chǎng)密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、耗能及磁通量泄漏等。靜磁場(chǎng)分析計(jì)算直流電(DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)分析計(jì)算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。瞬態(tài)磁場(chǎng)分析計(jì)算隨著時(shí)間隨機(jī)變化

36、的電流或外界引起的磁場(chǎng)。電場(chǎng)分析用于計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)的電場(chǎng)。典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場(chǎng)及電阻熱等。高頻電磁場(chǎng)分析用于微波及RF無源組件，波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)、同軸連接器等分析。4、ANSYS流體分析流體分析主要用于確定流體的流動(dòng)及熱行為。流體分析包括以下幾種類型:CFD(Coupling Fluid Dynamic耦合流體動(dòng)力) ANSYS/FLOTRAN提供強(qiáng)大的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組份流等。聲學(xué)分析考慮流體介質(zhì)與周圍固體的相互作用，進(jìn)行聲波傳遞或水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析等。容器內(nèi)流體分析考慮容器內(nèi)的非流動(dòng)流體的影響。可以確定由于晃動(dòng)引起的

37、靜力壓力。流體動(dòng)力學(xué)耦合分析在考慮流體約束質(zhì)量的動(dòng)力響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中使用流體耦合單元。5、ANSYS耦合場(chǎng)分析耦合專場(chǎng)分析主要考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響，單獨(dú)求解一個(gè)物理場(chǎng)是不可能得到正確結(jié)果的，因此需要一個(gè)能夠?qū)蓚€(gè)物理場(chǎng)組合到一起求解的分析軟件。例如，在電壓分析中，需要同時(shí)求解電壓分布(電場(chǎng)分析)和應(yīng)變(結(jié)構(gòu)分析)。2.3.4 ANSYS軟件的程序結(jié)構(gòu)ANSYS系統(tǒng)把各個(gè)分析過程分為一些模塊進(jìn)行操作，一個(gè)問題的分析主要可以經(jīng)過這些模塊的分步操作實(shí)現(xiàn)，各個(gè)模塊組成了程序的結(jié)構(gòu)。處理器。在ANSYS中，一般用到的處理器有：前處理器、求解器、通用后處理器、時(shí)間歷程后處理器、拓?fù)鋬?yōu)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)文件格式。在ANSYS中涉及的主要文件的類型及格式如表2.1。表2.1 文件的類型及格式文件的類型文件的名稱文件的格式日志文件Jobname.LOG文本錯(cuò)誤文件Jobname.ERR文本輸出文件Jobname.OUT文本數(shù)據(jù)文件Jobname.DB二進(jìn)制結(jié)果文件結(jié)構(gòu)或其耦合熱磁場(chǎng)流體