【正文】 利用有限元法建立了一個載貨汽車車架的有限元模型，并對其進行了動態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)果對車架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化[4]。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其工作重心已經(jīng)轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析的領(lǐng)域。而隨機激勵響應(yīng)分析可以用來對車輛的強度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析。我國的有限元理論的研究開始于上個世紀50年代末，我國著名的數(shù)學家馮康教授創(chuàng)立了一套現(xiàn)代化、系統(tǒng)化求解微分方程的近似方法，名為基于變分原理它的差分格式。它的內(nèi)容就是當時被國際人士成為的有限元法。我國大約是在20世紀70年代末才把有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析中。1977年，長春汽車研究所的谷安濤和常國振發(fā)表的“汽車車架設(shè)計計算的有限元法”，是計算機輔助工程在我國汽車行業(yè)中的首次應(yīng)用，為有限元分析在我國的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ)[5]。當時研究的內(nèi)容主要是車架強度分析和如何用梁單元模擬客車骨架等方面。到了九十年代，有限元分析法迅速的被應(yīng)用到實際汽車零部件結(jié)構(gòu)的分析中，國內(nèi)各大汽車公司也正在逐步將有限元分析應(yīng)用到實際的汽車設(shè)計中。如長春第一汽車廠，他們對所有的重要零部件都進行有限元分析校核，上海大眾與同濟大學聯(lián)合建立了桑塔納車身有限元模型，對車身進行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)計算等等[6]。而各大高校也都用有限元分析法對車架結(jié)構(gòu)進行分析及優(yōu)化。如吉林大學的黃金陵曾經(jīng)用理論分析了影響車架結(jié)構(gòu)強度和剛度的因素，并在此基礎(chǔ)上運用懲罰函數(shù)法找到了汽車車架各梁截面參數(shù)的最佳值[7]。武漢理工大學的鄧亞東教授對輕型載貨汽車車架進行優(yōu)化設(shè)計，并得出優(yōu)化結(jié)果[8]；清華大學的扶原放老師對微型電動車車架進行結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮了多種行駛狀況下的沖擊載荷對車架的作用，在這些沖擊破壞下對該車架進行優(yōu)化，從而改進設(shè)計結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)可靠性和有限元法對新設(shè)計車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了可靠性優(yōu)化設(shè)計等等[9]。安全與節(jié)能已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要主題。汽車的任何設(shè)計都是以保證安全為前提條件的，所以，現(xiàn)代汽車的首要原則就是保證結(jié)構(gòu)性能的安全性。而車架作為汽車的承載體，不但承擔著發(fā)動機、底盤和貨物的重量，還要承受行駛過程中各部位傳來的各種力和力矩。故而，車架的強度分析尤為重要，這不僅關(guān)系到車輛的正常行駛，還關(guān)系到整車的安全性能。所以汽車車架的結(jié)構(gòu)性能分析對汽車安全性起到非常重要的作用。目前，車架設(shè)計一般分為兩種：一種是傳統(tǒng)設(shè)計方法（經(jīng)驗設(shè)計法），另一種是現(xiàn)代設(shè)計方法（有限元分析計算法）。由于傳統(tǒng)的設(shè)計方法所依靠的是經(jīng)典的經(jīng)驗公式，需對車架結(jié)構(gòu)做大量的簡化以便進行分析，所以它帶有一定的盲目性，也不能對車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及剛度分布進行定量分析。因而達不到車架優(yōu)化設(shè)計的目的。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元法已經(jīng)發(fā)展成為一個十分重要的工程計算方法，應(yīng)用范圍也越來越廣。在汽車的設(shè)計和研究上，應(yīng)用有限元法可以對汽車結(jié)構(gòu)進行強度、模態(tài)、振動、碰撞等多方面的分析和優(yōu)化，為汽車的設(shè)計、檢驗、優(yōu)化提供了參考和指導。現(xiàn)代設(shè)計方法，即有限元分析法，使用有限元分析軟件CAE軟件和CAD軟件，兩者并用，使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。不僅減少了設(shè)計成本，縮短了設(shè)計和分析時間，產(chǎn)品和工程的可靠性也得到了提高，還能在制造產(chǎn)品前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛伏的問題，進行各種模擬試驗，減少了試驗時間和經(jīng)費，此外，還能進行機械事故分析，查找事故原因。從上可以看出，有限元法在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中的優(yōu)勢越來越明顯，越來越多的汽車公司將有限元分析方法引入到各個關(guān)鍵領(lǐng)域，以提升汽車的整車性能，從而占據(jù)市場份額。本文以6470型SUV車架作為研究對象，用UG軟件建立三維實體模型，通過UG軟件與ANSYS軟件之間的無縫連接，將三維實體模型導入ANSYS軟件，建立有限元模型，運用ANSYS軟件強大的分析功能對車架進行結(jié)構(gòu)分析，進而校核該車架的強度和剛度。通過實例體驗CAD/CAE技術(shù)在汽車車架設(shè)計中的應(yīng)用。通過本課題的研究，可達到如下目的：（1）學習UG，ANSYS軟件，建立車架結(jié)構(gòu)的三維實體模型和有限元模型，為有限元技術(shù)在車架優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。（2）對所研究的車架進行靜態(tài)特性分析，為車架的輕量化設(shè)計提供理論支持。第2章 軟件介紹 UG簡介 UG(Unigraphics)是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAM/CAE與一身的三維機械設(shè)計平臺，也是如今世界廣泛使用的計算機輔助設(shè)計、分析及制造軟件之一，被廣泛的應(yīng)用在汽車、飛機、機械、消費產(chǎn)品、醫(yī)療器械、船只制造等行業(yè)，為制造行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的全過程提供了解決方法[11]。UG的功能包含概念設(shè)計、工程設(shè)計、性能分析及制造。 UG發(fā)展綜述UG最早應(yīng)用在美國麥道飛機公司。該公司是從二維制圖、數(shù)控加工編程、曲面造型等方面發(fā)展起來的。20世紀90年代初，美國的通用汽車公司選擇UG作為全公司的CAD/CAM/CAE的主導系統(tǒng)，推動了UG的發(fā)展。1997年10月，Unigraphics Solutions公司同Intergraph公司簽約，合并了Intergraph公司的機械CAD產(chǎn)品，將微機版的Solidedge軟件統(tǒng)一到Parasolid平臺上。從而形成了一個從低端到高端，既有Unix工作站版，也有Windows NT微機版的比較完善的企業(yè)級CAD/CAE/CAM/PDM集成系統(tǒng)。1991年，UG并入美國的EDS公司，2001年9月，與SDRC公司一同并入EDS公司。它集成了美國航空航天、汽車工業(yè)的經(jīng)驗，成為機械集成化CAD/CAE/CAM的主流軟件之一。知識驅(qū)動了自動化技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先者實現(xiàn)了將設(shè)計的優(yōu)化技術(shù)與基于產(chǎn)品和過程的知識工程相結(jié)合，在航空航天、汽車、通用機械、醫(yī)療器械、工業(yè)設(shè)備及其他高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機械設(shè)計、模具加工自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大大改進了工業(yè)生產(chǎn)率。它采用的是基于約束的特征建模和傳統(tǒng)的幾何建模為一體的復合建模技術(shù)。在曲面造型、數(shù)控加工方面是UG的強項，而分析方面相對較弱。但UG提供了分析軟件NASTRAN 、ANSYS 、PATRAN接口，注塑模分析軟件MOLDFLOW、機構(gòu)動力學軟件IDAMS接口等，以便于對模型進行分析。 UG軟件的優(yōu)勢（1）能夠為機械設(shè)計、模具設(shè)計和電器設(shè)計單位提供一套完整的設(shè)計、分析、制造方案；（2）它是一個完全的參數(shù)化軟件，能為零部件的系列化建模、裝配、分析提供強大的基礎(chǔ)支持。（3）能夠管理CAD數(shù)據(jù)和整個產(chǎn)品的開發(fā)周期中所有的相關(guān)數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)逆向工程和并行工程等先進的設(shè)計方法。（4）可以完成包括自由曲面在內(nèi)的復雜模型的建模，同時還可以在圖形顯示方面運用區(qū)域化管理，節(jié)約系統(tǒng)資源。（5）擁有強大的裝配功能，并且在裝配模塊中運用了引用集的設(shè)計思想。有效地解決了節(jié)省計算機資源的問題，極大地提高了設(shè)計效率。隨著UG版本的提高，軟件的功能越來越強大，復雜程度也隨之增加。對于汽車設(shè)計者來說，UG是使用最廣泛的設(shè)計軟件之一。目前，國內(nèi)的許多院校、研發(fā)部門都在使用該軟件。 ANSYS簡介ANSYS公司是1970年由美國匹茲堡大學的John Swanson博士創(chuàng)建的，其總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡，是目前世界上CAE行業(yè)最大的公司。最初版本的ANSYS只能提供熱分析和線性分析的功能，是一個批處理程序，而且僅能在大型計算機上使用。20世紀70年代，隨著非線性、子結(jié)構(gòu)和更多的單元類型的加入，ANSYS軟件發(fā)生了巨大的變化，新技術(shù)的融入進一步滿足了用戶的需求；70年代末，交互方式加入ANSYS，使軟件發(fā)生了顯著的變化，使模型生成和結(jié)果評價大為簡化。40年來，ANSYS公司一直致力于設(shè)計分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計算方法，和計算技術(shù)，領(lǐng)導著世界有限元技術(shù)的發(fā)展 [12] 。 ANSYS的技術(shù)特點與其他的有限元分析軟件相比較，ANSYS具有以下技術(shù)特點：1．能夠?qū)崿F(xiàn)多場和多場耦合功能；2. 集前后處理、分析求解與多場分析于一體；3. 具有獨一無二的優(yōu)化功能，是唯一具有流場優(yōu)化功能的CFD軟件；4. 具有強大的非線性分析功能；5. 具備快速求解器；；、工作站、大型機直至巨型機的所有硬件平臺上，全部的數(shù)據(jù)文件都兼容；、WS到巨星級的所有硬件平臺；、工作站、大型機到巨型機的所有硬件平臺，具有統(tǒng)一的用戶界面；能與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口；1可以進行智能劃分網(wǎng)格；1具有多層次、多框架的產(chǎn)品系列；。 ANSYS的功能ANSYS軟件主要包括3個部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。前處理模塊擁有強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，方便用戶構(gòu)造有限元模型。求解模塊包含結(jié)構(gòu)分析（結(jié)構(gòu)線性分析、結(jié)構(gòu)非線性分析及結(jié)構(gòu)高度非線性分析）、熱分析、流體動力學分析、聲場分析、電磁場分析、壓電分析及多物理場的耦合分析，可以模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊可以將計算機結(jié)果用彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等方式顯示，也可以將計算結(jié)果用圖表、曲線的形式顯示或輸出。ANSYS軟件為用戶提供了100多種的單元類型，以模擬實際工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。（1）前處理模塊單擊實用菜單中的“Preprocessor”,進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有三部分內(nèi)容：參數(shù)定義、建立有限元模型和網(wǎng)格劃分。①參數(shù)定義ANSYS軟件在建立有限元模型的過程中，首先需要進行相關(guān)的參數(shù)定義，主要包括定義單位制、定義單元類型、定義單元實常數(shù)、定義材料模型和材料特性參數(shù)、定義幾何參數(shù)等。在定義單位制的時候，除了磁場分析以外，ANSYS軟件可以使用任一種單位制，但是一定要保證單位制的統(tǒng)一。建立有限元模型或是對有限元模型進行網(wǎng)格劃分之前，必須先定義相應(yīng)的單元類型，而單元實常數(shù)的確定也依賴于單元類型的特性。材料模型和材料特性參數(shù)能夠表征實際工程問題所涉及材料的具體特性，所以，材料模型的正確選擇和材料參數(shù)的精確輸入是實際工程問題得到正確解答的關(guān)鍵。②建立有限元模型ANSYS軟件提供了4種方法來建立有限元模型：直接建模，實體建模，導入在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)CAD中創(chuàng)建實體模型，導入在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)CAD中創(chuàng)建的有限元模型。③網(wǎng)格劃分ANSYS程序為用戶提供了使用便捷、高質(zhì)量的對幾何模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種劃分方法：自由網(wǎng)格劃分，映射網(wǎng)格劃分，延伸網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。 （2）求解模塊求解模塊是ANSYS軟件對所建立的有限元模型進行力學分析和有限元求解的模塊，在這個模塊中，用戶可以定義分析類型及分析選項，施加載荷及載荷步選項。① 定義分析類型和分析分析選項根據(jù)所施加的載荷條件和所要計算的響應(yīng)選擇分析類型。ANSYS軟件提供的分析類型有靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）分析、瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波分析、譜分析、撓度和子結(jié)構(gòu)。定義完分析類型后，用戶可以根據(jù)分析類型來定義分析選項。② 載荷在ANSYS軟件中，載荷分為