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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 選題的背景
車架是汽車各總成的安裝基體，它將發(fā)動(dòng)機(jī)和車身等總成連成一個(gè)有機(jī)的整體，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總成都是以車架為載體，因此設(shè)計(jì)出重量輕且各方面性能達(dá)到要求的車架結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用類比的思想進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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。設(shè)計(jì)出的車架結(jié)構(gòu)除了個(gè)別部位的應(yīng)力水平比較高外，大部分部位的應(yīng)力水平較低。因此，有必要采用有限元法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低車架的重量，減少汽車的制造成本，提高市場競爭力。
1.2 選題的目的
通過本文的研究，預(yù)計(jì)達(dá)到以下目的：
（1）將有限元技術(shù)應(yīng)用于中型載貨汽車車架設(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）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。
1.3 選題的意義
（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開發(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)雜受力及變形情況，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。
1.4 研究現(xiàn)狀
有限元法是當(dāng)今工程分析中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算法。由于他的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為計(jì)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。
近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題的有效途 徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器，國防軍工，船舶， 鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）增加產(chǎn)品和工程的可靠性； （2）在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；（3）經(jīng)過分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低原材料成本；（4）縮短產(chǎn)品投向市場的時(shí)間 ；（5）模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。
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。
縱觀當(dāng)今國際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析方法的一些發(fā)展趨勢：
1）與CAD軟件的無縫集成
當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限 元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。為了滿足工程師快捷地解 決復(fù)雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE軟件為了實(shí)現(xiàn)和CAD軟件的無縫集成而采 用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了基于Parasolid內(nèi)核的實(shí)體建模技術(shù)，能和以Parasolid為核心的CAD軟件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實(shí)現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。
2）更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力
有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對象的離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果的后處理三部分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的 正確性與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進(jìn)，如對三維實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個(gè)別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能。自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分是指對三維實(shí)體模型程序能自動(dòng)的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對簡單規(guī)則模型適用，對于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問題中將會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果使用中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)引起求解時(shí)間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果估計(jì)計(jì)算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計(jì)算的一個(gè)循環(huán)過程。對于許多工程實(shí)際問題，在整個(gè)求解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴(kuò)展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要條件。
3）由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技巧，學(xué)習(xí)起來也較為困難。為此國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非 線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫，ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。
4）由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解
有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來求解線性結(jié)構(gòu)問題，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解 對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值?，F(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場 問題的求解。例如由于摩擦接觸而產(chǎn)生的熱問題，金屬成形時(shí)由于塑性功而產(chǎn)生的熱問題,需要結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即"熱力耦合"的 問題。當(dāng)流體在彎管中流動(dòng)時(shí)，流體壓力會(huì)使彎管產(chǎn)生變形，而管的變形又反過來影響到流體的流動(dòng)……這就需要對結(jié)構(gòu)場和流場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解， 即所謂"流固耦合"的問題。由于有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，耦合場的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。
5）程序面向用戶的開放性
隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費(fèi)了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管他們怎樣努力也不可能滿足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個(gè)開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定 義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。
1.5課題的主要內(nèi)容
了解車架在車輛結(jié)構(gòu)中的重要作用，學(xué)習(xí)車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。ANSYS軟件的學(xué)習(xí)，用Pro/E建立車架實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS軟件，假定汽車滿載情況下，對車架進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急剎車、急轉(zhuǎn)彎四種工況下的受力和變形情況的靜態(tài)有限元分析，在不加載荷的情況下對車架進(jìn)行模態(tài)分析。
第2章 有限元基礎(chǔ)及ANSYS軟件介紹
2.1 有限元分析簡介
利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素—即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。
有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)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(gè)合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。
有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。
對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。
2.2 有限元方法的基本求解過程
有限元法用相互連接的單元模擬實(shí)際物體的結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元都有一個(gè)位移函數(shù)與之相關(guān)。相互聯(lián)結(jié)的單元通過共同（或共享）的界面，與其他單元聯(lián)結(jié)起來。通過使用構(gòu)成結(jié)構(gòu)材料已知的應(yīng)力應(yīng)變特性，可以用結(jié)構(gòu)中其他單元的特性確定給定節(jié)點(diǎn)的特性。描述每一節(jié)點(diǎn)特性的整組方程得出一系列用矩陣符號最佳表示的代數(shù)方程，具體說，進(jìn)行有限元分析，主要可分為如下步驟：
步驟1：離散結(jié)構(gòu)和選擇單元類型
將給定的物體劃分為具有相關(guān)節(jié)點(diǎn)的等價(jià)的有限元系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋蛠碜罱咏哪M系統(tǒng)實(shí)際的物理性能。所用的單元總數(shù)和給定物體內(nèi)單元大小和類型的變化是需要工程判斷的主要問題。單元必須小到可以給出有用的結(jié)果，又必須足夠大以節(jié)省計(jì)算費(fèi)用。一般來說，一維結(jié)構(gòu)的有限單元可以為線段；二維結(jié)構(gòu)的優(yōu)先單元為三角形、四邊形；三維連續(xù)體的有限單元可以是四面體、長方體和六面體。各種類型的單元有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，發(fā)展出了更多的單元，最典型的區(qū)分就是有無中節(jié)點(diǎn)。分析人員必須要決定單元的類型、數(shù)目、大小和排列方式，以便能夠合理有效地表示給定的物理系統(tǒng)。
步驟2：選擇位移函數(shù)
假設(shè)的位移函數(shù)或模型只是近似地表示了真實(shí)的位移分布。通常假設(shè)位移函數(shù)為多項(xiàng)式，最簡單的情況為線性多項(xiàng)式。在實(shí)際應(yīng)用中，沒有一種多項(xiàng)式可以與實(shí)際位移完全一致。用戶所要做的就是選擇多項(xiàng)式的階次，以使多項(xiàng)式在可以承受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)達(dá)到足夠的精度。此外，還需要選擇表示位移大小的參數(shù)，他們通常是節(jié)點(diǎn)的位移，但也有可能包括節(jié)點(diǎn)的位移導(dǎo)數(shù)。所選擇的位移函數(shù)是用單元的節(jié)點(diǎn)值在單元內(nèi)部定義的，并且每個(gè)單元可以重復(fù)使用同一個(gè)通用的位移函數(shù)。
步驟3：定義應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
為了推導(dǎo)每一個(gè)有限單元的方程，需要應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。例如，在一維變形和小應(yīng)變的情況下，x方面的應(yīng)變?chǔ)舩和位移u的關(guān)系如下公式：
εx= du/dx （2-1）
此外，應(yīng)力和應(yīng)變必須通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（通常叫做本構(gòu)關(guān)系）聯(lián)系起來。在獲取可接受的結(jié)果時(shí)，精確定義材料行為的能力是最重要的。最簡單的應(yīng)力/應(yīng)變定律即是胡克定律。
步驟4：推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚭头匠?
單元?jiǎng)偠染仃囀礁鶕?jù)最小位能原理或其他原理，由單元材料和幾何性質(zhì)導(dǎo)出的平衡方程系數(shù)構(gòu)成的。單元?jiǎng)偠染仃噷⒐?jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力聯(lián)系起來，物體受到的分布載荷變換為節(jié)點(diǎn)處的等價(jià)集中力。剛度矩陣K、節(jié)點(diǎn)力矢量F和節(jié)點(diǎn)位移矢量D的平衡關(guān)系表示為矩陣形式為
{F}=[K]{D} （2-2）
步驟5：組裝單元方程得出總體方程并引進(jìn)邊界條件
可以使用疊加法將步驟4得到的每個(gè)單元方程組裝在一起得出整個(gè)結(jié)構(gòu)的總體方程。疊加法中所隱含的是連續(xù)和協(xié)調(diào)概念，要求結(jié)構(gòu)保持完整，在結(jié)構(gòu)任何一處都不發(fā)生撕裂。
最后得到如下形式的總體矩陣方程：
{F}=[K]{D} （2-3）
式中 {F}——整體節(jié)點(diǎn)力矢量；
[K]——總體剛度矩陣；
{D}——總體節(jié)點(diǎn)位移矢量
步驟6：解未知自由度
即是求解上面得到的矩陣方程。
步驟7：求解單元應(yīng)變和應(yīng)力
對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析來說，因?yàn)閼?yīng)力應(yīng)變可以用步驟6確定的位移直接表達(dá)，因此，應(yīng)力應(yīng)變是第二批得到的重要的量，可以使用典型的應(yīng)變和位移關(guān)系，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。如上面所述。
步驟8：解釋結(jié)果
最后的目標(biāo)是解釋和分析用于應(yīng)力應(yīng)變分析過程的結(jié)果，在進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析決策時(shí)，通常需要確定結(jié)構(gòu)中位移最大和應(yīng)力最大的位置，后處理計(jì)算機(jī)程序用圖形顯示的方式，幫助用戶解釋結(jié)果。
在使用有限元程序求解結(jié)果時(shí)，分析人員必須做出決定的問題是：將結(jié)構(gòu)或連續(xù)體劃分為有限元的問題，選擇單位類型或分析中要使用的單元類型、外加載荷的類型、邊界條件的類型、外加支撐的類型問題。其中，步驟2~7由計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)完成。
2.3 有限元分析的誤差及建模準(zhǔn)則
有限元分析結(jié)果的精確性依賴于計(jì)算全過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)的誤差性質(zhì)和大小。這些誤差主要包括：
1)理論模型本身的誤差，例如克?；舴蚣僭O(shè)，幾何變形線性化假設(shè)對于薄板彎曲問題的誤差；
2）理論模型有限元離散近似誤差，其中既包括低維模型近似、邊界條件近似、載荷條件近似和幾何形狀近似等引起的誤差，也包括幾何方程、物理方程、平衡方程等近似產(chǎn)生的誤差；
3)有限元分析基本的線性代數(shù)方程組求解過程的誤差，例如單元?jiǎng)偠染仃嚨臄?shù)值積分，迭代計(jì)算近似誤差等；
4)有限元軟件系統(tǒng)的編程誤差等。
有限元模型是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的離散近似模型。對于線性靜力問題，它包括有限元網(wǎng)絡(luò)的離散點(diǎn)組成的近似幾何模型，由材料力學(xué)特性數(shù)據(jù)和單元?jiǎng)偠染仃嚤磉_(dá)的變形應(yīng)力平衡近似，以及外載荷近似和邊界條件近似的總體。因此，即便理論模型是準(zhǔn)確的，模型誤差總是在所難免的。為了使誤差處于可控制的范圍內(nèi)，必須遵循合理的有限元建模準(zhǔn)則。
建模的總則是根據(jù)工程分析精度要求，建立合適的能模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型。在連續(xù)體離散化及用有限個(gè)參數(shù)表征無限個(gè)形態(tài)自由度過程中不可避免的引入了近似。為使分析結(jié)果有足夠的精度，所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價(jià)。具體應(yīng)滿足下述準(zhǔn)則：
1)有限元模型應(yīng)滿足平衡條件，即結(jié)構(gòu)的整體和任一單元在節(jié)點(diǎn)上都必須保持靜力平衡；
2)變形協(xié)調(diào)條件。交匯于一點(diǎn)上的各元素在外力作用下，引起元素變形后必須仍保持交匯于一個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)結(jié)構(gòu)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，也都應(yīng)同時(shí)滿足變形協(xié)調(diào)條件。若用協(xié)調(diào)元素，元素邊界上亦應(yīng)滿足相應(yīng)的位移協(xié)調(diào)條件；
3)必須滿足邊界條件（包括整個(gè)結(jié)構(gòu)邊界條件及單元間的邊界條件）和材料的本構(gòu)關(guān)系；
4)剛度等價(jià)原則。有限元模型的抗彎、抗扭、抗拉及抗剪剛度應(yīng)該盡可能等價(jià)；
5)認(rèn)真選取單元，使之能較好的反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點(diǎn)，尤其是對主要受力構(gòu)件，應(yīng)該做到盡可能不失真。在單元內(nèi)部所采用的應(yīng)力和位移函數(shù)必須是當(dāng)單元大小遞減時(shí)有限元解趨于連續(xù)系統(tǒng)的精確解；
6)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)力分布情況、單元性質(zhì)、精度要求以及計(jì)算量大小等仔細(xì)劃分計(jì)算網(wǎng)格。在高應(yīng)力、應(yīng)力梯度大的區(qū)域，網(wǎng)格要細(xì)；在低應(yīng)力、應(yīng)力變化比較平緩的區(qū)域，網(wǎng)格可以粗一些；在網(wǎng)格疏密相交區(qū)域，可以使用過渡元。分析結(jié)構(gòu)變形問題的網(wǎng)格可以比分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力問題的網(wǎng)格粗；分析結(jié)構(gòu)的頻率和振型的問題可以比分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問題的網(wǎng)格粗；重要部位和位移變化很大的部位（例如凹角，連接處，不同材料連接處，空邊等應(yīng)力集中區(qū)域）的單元尺度要??；
7)在幾何上要盡可能的逼近真實(shí)的結(jié)構(gòu)體，其中特別要注意曲線與曲面的逼近問題；
8)仔細(xì)處理載荷模型，正確的生成節(jié)點(diǎn)力，同時(shí)載荷的簡化不應(yīng)跨越主要構(gòu)件；
9)質(zhì)量的堆聚應(yīng)滿足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩的等效要求；
10)當(dāng)量阻尼折算應(yīng)符合能量等價(jià)要求；
11)超單元的劃分盡可能單級化并使剩余結(jié)構(gòu)最小。
有限元法和模態(tài)實(shí)驗(yàn)法是目前常用的方法。進(jìn)行有限元分析時(shí)，模型建立的合理與否以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)是否準(zhǔn)確的確定，都關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。與有限元方法不同的是，實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以比較精確的分析出內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，這就是振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)分析技術(shù)。動(dòng)態(tài)測試分析儀器、快速傅立葉變換（FFT）以及各種計(jì)算和測量分析軟件的應(yīng)用，使振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的作用得到充分的發(fā)揮。振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)采用人工激勵(lì)的方法使被測系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，通過多通道數(shù)字分析儀分析激勵(lì)和響應(yīng)信號，來建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)，最后運(yùn)用參數(shù)識別方法確定各階的模態(tài)參數(shù)。振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是參數(shù)識別理論的具體應(yīng)用。
2.4 有限元分析軟件ANSYS簡介
2.4.1 ANSYS的發(fā)展概述
ANSYS軟件是由美國ANSYS公司研制的大型通用有限元軟件。1970年，有遠(yuǎn)見的JohnSwanson博士洞悉到計(jì)算機(jī)模擬工程應(yīng)該商品化的發(fā)展趨勢，在賓州匹茲堡創(chuàng)立了ANSYS公司。ANSYS公司開發(fā)的ANSYS第一個(gè)版本只提供線性結(jié)構(gòu)分析及熱分析功能，是一個(gè)批處理程序，而且只能在大型機(jī)上運(yùn)行。其后，ANSYS公司在ANSYS中不斷地加入越來越多的單元類型，考慮了非線性、子結(jié)構(gòu)等新技術(shù)。20世紀(jì)70年代末，ANSYS引入了交互式概念，大大提高了用戶對程序的使用效能；其前處理器和后處理器的概念，使得用戶在建模與結(jié)構(gòu)處理上非常方便。在跟蹤有限元學(xué)科及其應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，ANSYS也適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠在多種工作平臺和多個(gè)操作系統(tǒng)上完全兼容，其并行處理技術(shù)大大提高了分析效率。
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、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。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, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAD工具之一。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。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；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；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（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）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。
2.4.2典型的ANSYS分析過程
一個(gè)典型的ANSYS分析過程，由前處理、加載求解和后處理三部分組成?，F(xiàn)分別加以介紹。
1.前處理
(1)定義工作文件名和分析標(biāo)題：
①定義文件名
②定義分析標(biāo)題
③定義單位制
(2)選擇分析類型
為待分析的題目選擇分析類型：
①定義單元類型
ANSYS單元庫中有100多種不同的單元類型，可以根據(jù)問題的實(shí)際選擇合適的單元類型。
②定義單元實(shí)常數(shù)
為材料選擇了單元類型后，隨后應(yīng)該輸入與此單元類型相關(guān)的單元常數(shù)。單元類型的實(shí)常數(shù)是根據(jù)所選單元的類型而定的。
③定義材料特性
大多數(shù)單元類型分析時(shí)，都需要制定材料特性，ANSYS以選擇的特性有：線性和非線性；各向同性、正交異性或非彈性；不隨溫度而變化或隨溫度變化。
(3)建立模型并劃分網(wǎng)絡(luò)
建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成物理模型，對實(shí)際問題進(jìn)行模擬。
實(shí)體建模的兩種思路：自底向上建模和自頂向下建模。
2. 加載求解
(1)定義分析類型和分析選項(xiàng)
可以根據(jù)載荷條件和想要計(jì)算的響應(yīng)選擇分析類型。ANSYS提供的有靜態(tài)、瞬態(tài)、調(diào)諧、模態(tài)、譜分析、屈曲和子結(jié)構(gòu)分析等。
(2)施加載荷和約束.
在ANSYS程序中，載荷包括六類：DOF約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合常載荷。這些載荷可以加在幾何模型上，包括點(diǎn)、線、面；也可以直接加到物理模型上，包括節(jié)點(diǎn)和單元。
(3)指定載荷步選項(xiàng)
它的主要功能是對載荷步進(jìn)行修改和控制。
3. 計(jì)算求解
由計(jì)算機(jī)自行完成。
4.后處理
ANSYS計(jì)算求解完成后，需要在后處理階段查看分析結(jié)果。這包括以下幾方面：
(1)從求解結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)。
(2)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示。
(3)可對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行列表顯示。
(4)進(jìn)行各種后續(xù)分析
2.4.3 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(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)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。
2.4.4 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。
2.4.5 ANSYS軟件提供的分析類型
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。
2.5 本章小結(jié)
對有限元分析軟件ANSYS的發(fā)展過程、特點(diǎn)及主要功能進(jìn)行了簡要的概述，對ANSYS用于有限元前后處理的過程、進(jìn)行了簡要的介紹，對ANSYS的系統(tǒng)的處理、以及求解等內(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
汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元模型可以采用梁單元、板殼單元或?qū)嶓w單元建立。梁單元模型將結(jié)構(gòu)簡化為一組兩節(jié)點(diǎn)梁單元組成的結(jié)構(gòu)，以梁單元的截面特性反映車架的結(jié)構(gòu)特性，這種模型的優(yōu)點(diǎn)是單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，前處理工作量少，計(jì)算量較小，計(jì)算速度快，但是無法分析車架應(yīng)力集中問題，計(jì)算精度較低。板殼單元模型則與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本吻合，計(jì)算精度較高，但是由于單元與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量龐大，前處理工作量大，計(jì)算量大。實(shí)體單元模型能夠很好地分析車架縱梁和橫梁連接處的應(yīng)力變化情況，但是用作模態(tài)分析時(shí)，往往存在剛性過大現(xiàn)象。為了縮短建立模型的時(shí)間，基于實(shí)體單元，本章將嘗試聯(lián)合應(yīng)用Pro/Engineer與ANSYS完成車架結(jié)構(gòu)幾何模型與有限元模型的建模工作。
3.1 車架的實(shí)體建模
3.1.1 Pro/E軟件簡介
Pro/ENGINEER是美國參數(shù)技術(shù)公司推出的一套功能強(qiáng)大的三維CAD/CAM/CAE參數(shù)化軟件。該軟件參數(shù)化、單一數(shù)據(jù)庫、基于特征和完全關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)理念已成為當(dāng)今世界CAD/CAM/CAE領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。Pro/E廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航天航空、家電、玩具等行業(yè)，是一個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，它集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、NC加工、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測量、機(jī)構(gòu)模擬、壓力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能于一體。
Pro/E軟件的主要一些特性：
(1)全相關(guān)性：Pro/E的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。
(2)基于特征的參數(shù)化造型：Pro/E使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。
(3)裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)(不但包括幾何尺寸，還包括非凡何屬性)，然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。(4)數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/E獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。
(4)裝配管理：Pro/E的基本結(jié)構(gòu)能夠利用一些直觀的命令，例如“嚙合"、“插入”、“對齊’’等很容易的把零件裝配起來，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。
(5)易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得用戶容易學(xué)習(xí)和使用。
3.1.2 Pro/E軟件基本功能
Pro/E能夠完成特征建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)、零件實(shí)體造型及裝配造型、完整工程圖產(chǎn)生等工作。通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式，Pro/E可以輸出三維或二維圖形用于其它應(yīng)用軟件。使用Pro/E配置的開發(fā)模塊或利用C語言，用戶也可以擴(kuò)展與增強(qiáng)Pro/E的功能。
Pro/E的基本功能是：
①特征建模
在Pro/E中，特征是組成模型的基本單位，如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等特征。模型創(chuàng)建過程就是按照一定順序以“搭積木”的方式添加各類特征的過程，通過構(gòu)建不同的特征建立幾何模型。
②參數(shù)化設(shè)計(jì)
參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者只需抓住圖形的某一個(gè)典型特點(diǎn)繪出圖形的大致形狀，通過向圖形添加適當(dāng)?shù)募s束條件規(guī)范其形狀，最后修改圖形的尺寸數(shù)值，經(jīng)過系統(tǒng)再生即可獲得需要的圖形。
③支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)
Pro/E支持大型、復(fù)雜組合件的構(gòu)造和管理，可以利用一些直觀的命令，如“嚙合”、“插入”、“對齊”等，將基本零件裝配起來，形成組合件。
④整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)完全相關(guān)
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程，Pro/E各個(gè)模塊共享模型的數(shù)據(jù)庫文件，在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處數(shù)據(jù)修改了，整個(gè)設(shè)計(jì)中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)也隨之自動(dòng)修改。
3.1.3 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。
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。
為了便于分析，在不失真實(shí)情況的前提下，現(xiàn)對一些附屬結(jié)構(gòu)及工藝結(jié)構(gòu)．根據(jù)具體情況進(jìn)行如下簡化：
1.略去功能件和非承載構(gòu)件。有些構(gòu)件僅為滿足工藝或使用上的要求而設(shè)置．并非根據(jù)強(qiáng)度的要求而設(shè)置。這些構(gòu)件對車架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形影響都較小，因此在建模時(shí)可以忽略，如工藝孔，過渡圓角等。
2.對部分部件進(jìn)行簡化。首先是某些連接結(jié)構(gòu)的簡化，根據(jù)其功能用途，對于分析關(guān)系不大．所以將其略去，如駕駛室和乘客的連接支架以及車架后端用于連接車廂的后連接支架, 而將其簡化為車架左右縱粱上的均布載。
3.根據(jù)車架上部件上實(shí)際作用效果，將其復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化為實(shí)際接觸面，以便把載荷施加到作用的面上。
4. 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；
以上各種簡化一方面是為了方便進(jìn)行有限元分析，另一方面也是節(jié)省計(jì)算機(jī)的內(nèi)在資源，并且利用了復(fù)雜系統(tǒng)有限元分析簡化的原則，可以說以上的簡化不是盲目、隨便進(jìn)行的簡化，都是在保證可以模擬實(shí)際情況，又不過大偏離分析結(jié)果的前提下進(jìn)行的簡化，是符合實(shí)際工程分析中簡化原則的，所以說對其進(jìn)行的備種分析是符合實(shí)際情況的。
3.2 應(yīng)用Pro/E軟件三維幾何模型的建立
本節(jié)將以中型載貨汽車CA1093的車架為對象，應(yīng)用Pro/E Wildfire4.0版建立該車架的幾何模型，車型如圖3.1所示。
圖3.1解放CA1093長頭汽油載貨汽車
圖3.2 車架二維圖
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，車架上各零件的實(shí)際尺寸如圖3.2所示；
圖3.3 車架簡化后的三維圖
②在直角坐標(biāo)系中直接繪制實(shí)體，得到三維幾何模型如圖3.3所示，利用Pro/E與ANSYS軟件建立好的接口直接導(dǎo)入。
3.3 應(yīng)用ANSYS對車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分
①啟動(dòng)ANSYS，選擇Plot>Volumes,顯示導(dǎo)入的三維圖形；
②選擇MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，打開單元類型對話框；
③單元類型庫對話框中單擊Add；
④左邊列中單擊Solid，選擇實(shí)體單元類型；
⑤在右邊列中單擊Solid，選擇8節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)單元Brick 8node 45；
⑥選擇Main Menu>Proprossor>MaterialProps>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2.12E+11和泊松比0.31，密度7870kg/m；如圖3.4和3.5所示。
圖3.4輸入彈性模量和泊松比
圖3.5輸入材料密度
⑦選擇MainMeau>Preprocessor>Meshing>MeshTool打開網(wǎng)格劃分工具，選擇SmartSize 將網(wǎng)格大小取6，點(diǎn)擊Mesh鍵，在粗線的對話框點(diǎn)擊Pick All，網(wǎng)格劃分開始。劃分好網(wǎng)格的實(shí)體如圖3.6所示。
圖3.6 網(wǎng)格劃分完成的車架
3.4 實(shí)體單元Solid 45的簡介
①Solid 45單元說明
Solid 45單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)沿XYZ方向平移的自由度，單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化和大應(yīng)變能力.類似的單元有適用于各向異性材料的solid64 單元。Solid45 單元的更高階單元是solid95。
②輸入數(shù)據(jù)
單元由8 個(gè)節(jié)點(diǎn)和各向同性的材料參數(shù)來定義.各向同性材料方向?qū)?yīng)于單元坐標(biāo)系方向.單元載荷包括節(jié)點(diǎn)載荷和單元載荷.keypoint(1)用于指定包括或不包括附加的位移形函數(shù)。Keypoint（5）和keypoint（6）提供不同的單元輸出選項(xiàng)。單元結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。
圖3.7
③solid45 單元輸入數(shù)據(jù)摘要
單元名稱 Solid45
節(jié)點(diǎn) I，J，K，L，M，N，O，P
節(jié)點(diǎn)自由度 UX，UY，UZ
材料參數(shù) EX，EY，EZ，（PRXY，PRYZ，PRXZ or NUXY，NUYZ，NUXZ），ALPX，ALPY，ALPZ，DENS，GXY，GYZ，GXZ，DAMP
表面載荷 壓力s——表面1（J-I-L-K），表面2（I-J-N-M），表面3（J-K-O-N），表面4（K-L-P-O）,表面5（L-I-M-P），表面6（M-N-O-P）
體載荷 溫度——T（I），T（J），T（K），T（L），T（M），T（N），
T（O），T（P）；
熱流量——FL（I），F(xiàn)L（J），F(xiàn)L（K），F(xiàn)L（L），F(xiàn)L（M），
FL（N），F(xiàn)L（O）FL（P）
特殊功能 塑性,蠕變,膨脹,應(yīng)力強(qiáng)化,大變形,大應(yīng)變,單元死活
KEYPOINT(1) 0 ——包括附加的位移形函數(shù)
1 ——不包括附加的位移形函數(shù)
KEYPOINT(2) 0 ——依據(jù)KEYPIONT(1)帶,或者不帶附加的位移形函數(shù),執(zhí)行完全積分
1 ——帶砂漏控制的均勻縮減積分,不帶附加的位移形函數(shù)(KEYPOINT(1)自動(dòng)設(shè)置為1)
KEYPOINT(4) 0——單元坐標(biāo)系平行于整體坐標(biāo)系
1——單元坐標(biāo)系沿單元I-J 一側(cè)
KEYPOINT(5) 0 ——基本單元解
1 ——在所有積分點(diǎn)上重復(fù)基本解
2——節(jié)點(diǎn)應(yīng)力解
KEYPOINT(6) 0——基本單元解
1——附帶表面I-J-N-M 的表面解
2——表面I-J-N-M 和表面K-L-P-O 的表面解(表面解只對線性材料可用)
3 ——附帶每個(gè)積分點(diǎn)的非線性解
4 ——非零壓力表面的表面解
KEYPOINT(9) 0——沒有提供初始應(yīng)力的用戶子程序(默認(rèn)情況)
1——從用戶子程序中讀入初始應(yīng)力數(shù)據(jù)
④輸出數(shù)據(jù)
與單元結(jié)果相聯(lián)系的結(jié)果輸出主要有兩種方式:
(1) 節(jié)點(diǎn)位移和所有節(jié)點(diǎn)結(jié)果。
(2) 結(jié)果輸出表中給出的附加的單元輸出。
單元應(yīng)力方向平行于單元坐標(biāo)系.表面應(yīng)力輸出是在表面坐標(biāo)系且可以在任何表面(KEYPOINT(6)。
SOLID45 單元的結(jié)果輸出
⑤假定和限制
體積等于0 的單元是不允許的。同時(shí),單元也不允許扭曲,以至于形成兩個(gè)體。所有單元必須具有8 個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過將K和L重合,O和P節(jié)點(diǎn)重合,可以定義出棱形單元。四面體單元當(dāng)然也可以作出的。這些退化單元的形函數(shù)自然會(huì)退化。
3.5 本章小結(jié)
本章概述了幾何建模軟件Pro/E的發(fā)展歷程、基木功能和幾何建模的簡化，應(yīng)用ANSYS對車架網(wǎng)格劃分，并對有限元分析要采用的實(shí)體單元Solid 45進(jìn)行了簡要的介紹。以解放CA1093長頭汽油載貨汽車車架為研究對象，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 車架有限元的靜力及模態(tài)分析
車輛是運(yùn)輸機(jī)械，在工作過程中總是受到來自各個(gè)方面載荷的作用。車架作為汽車承載的主要部件一方面要承受發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、水箱、底盤和牽引貨物等的重量，另一方面還要承受汽車行駛過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩的作用。汽車在行駛過程中，要行駛和經(jīng)過各種路面工況，如：一個(gè)車輪跳過臺階上或一個(gè)車輪駛過路面上的坑洞等。在上述各種行駛工況下，都會(huì)產(chǎn)生新的附加載荷并作用于車架上，因此車架就必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度來承受作用于其上的各種載荷。當(dāng)動(dòng)載荷很小時(shí)，可以忽略不計(jì)，只需要進(jìn)行靜力分析；當(dāng)動(dòng)載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時(shí)，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振，從而產(chǎn)生很大的變形，破壞車輛的性能，此時(shí)僅僅進(jìn)行靜力分析是不夠的，還必須進(jìn)行模態(tài)分析。若車架的強(qiáng)度和剛度達(dá)不到要求則會(huì)造成車架開裂等各種損壞現(xiàn)象的發(fā)生，輕則影響汽車的正常行駛，重則造成嚴(yán)重的交通事故，因此車架的強(qiáng)度和剛度不僅關(guān)系到車輛能否正常行駛，同時(shí)還關(guān)系到整車的安全性好壞為了考察所研究車架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，本章對其結(jié)構(gòu)靜力性能和動(dòng)力性能進(jìn)行分析與研究。
4.1 車架靜力分析
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。
車輛在行駛中車架承受的載荷很多，車架受到的載荷主要有彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷等幾種。其中彎曲載荷主要是由車身、車載設(shè)備、乘客和貨物等的質(zhì)量在重力作用下產(chǎn)生，彎曲工況下汽車四輪均著地；扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生于路面不平度對車身造成的非對稱支承；另外還有側(cè)向和縱向載荷的沖擊，側(cè)向載荷主要是由汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力作用而產(chǎn)生的；縱向載荷則是由于汽車在加速、制動(dòng)時(shí)的慣性力的作用而產(chǎn)生的。本文分別對四種工況進(jìn)行分析。
4.1.1 車架受力情況
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。
由于客觀條件的限制，只施加部分作用在車架上的載荷，其中發(fā)動(dòng)機(jī)總成560kg，駕駛室及成員3人700kg,油箱及燃油130kg，車廂以及貨物載荷共6000kg。駕駛室和成員的重量以均布載荷施加在車架的前部，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量放置在發(fā)動(dòng)機(jī)前置橫梁和后置橫梁，載荷分布在三個(gè)面上，貨物和車廂的重量以均布載荷施加在車架的后半部分上。
4.1.2 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。車架所使用的材料為16Mn鋼，其材料特性如下：彈性模量E=2.12e5MPa、泊松比0.31、密度7.870kg/m、抗拉強(qiáng)度為510~660MPa、屈服極限為350 MPa。
下面就分別對四種工況進(jìn)行分析。
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或靜止的狀態(tài)。打開ANSYS軟件，完成材料定義和網(wǎng)格劃分工作，進(jìn)行約束處理。彎曲工況約束的施加與實(shí)際情況相符，在鋼板彈簧和車架連接的鉚釘孔處施加面位移，操作步驟：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Displacement>On Areas 如圖所示：
圖4.1 約束的施加
選取要施加約束的面，點(diǎn)擊OK，完成約束處理。
完成約束處理后，需要施加載荷了，操作步驟：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Pressure>On Areas,選取要施加的面，加完載荷如圖所示：
圖4.2 施加載荷
設(shè)置分析類型為靜態(tài)分析，操作步驟：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis命令；選取Static，點(diǎn)擊OK按鈕，選擇靜態(tài)分析。
在完成上述步驟后就開始求解，操作步驟：Main Menu>Solution>Solve>Current LS；
在完成結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算后，采用ANSYS提供的通用后處理模塊就可以方便、直觀地觀察有限元分析的結(jié)果。操作步驟：Main Menu>Genneral Postproc>Plot Results>
Contour Plot>Nodal Solu, 選擇應(yīng)力Stress>von Mises選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK按鈕。如圖所示：
圖4