【正文】 隨機振動響應分析。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。分析計算模塊分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、流體動力學分析、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。因此它可應用于以下工業(yè)領域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。2 ANSYS 軟件的介紹ANSYS 公司是由美國著名力學專家美國匹茲堡大學力學系教授 John Swanson博士于 1970 年創(chuàng)建并發(fā)展起來的，是目前世界 CAE 行業(yè)中最大的公司。這些軟件功能完備，精度高，以及通用性和可靠性好，如何學習、消化與吸收花巨資引進的軟件，為我所用，是實際工作必須面對的問題，對于汽車車架結(jié)構(gòu)有限元分析更是如此 [15]。 [15](2) 可靠性要求已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設計的重要任務。這種結(jié)構(gòu)單元準確的描述了形狀復雜的車架結(jié)構(gòu)，大大提高了有限元分析的精度，能夠處理連接部位的應力問題；但是這種模型單元與節(jié)點數(shù)目眾多，前處理工作量大，需要計算機內(nèi)存大，計算速度慢。梁單元模型將車架簡化為一組兩個節(jié)點的梁單元組成的框架結(jié)構(gòu)，用梁單元的截面特性反映車架的實際結(jié)構(gòu)特性。如果已知各個單元的剛度特性，就可以根據(jù)節(jié)點的變形連續(xù)條件和平衡條件推出結(jié)構(gòu)的特性并研究其性能。有限元法將具有無限個自由度的連續(xù)體離散為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的問題。后來，人們將比較設計的思想應用于車架設計中。(4) 講述分析的過程及注意是事項，提供實際的參考價值。綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設計的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度越來越快，設計成本越來越低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。傳統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題 [4]。因此，正是基于以上情況，我選擇了課題《基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究》作為自己的畢業(yè)設計。在行駛中，它不但要承受汽車各總成的質(zhì)量和有效載荷，而且還要承受行駛時所產(chǎn)生的各種靜載荷和動載荷 [2]。所以，在“豐田”汽車質(zhì)量問題在北美東窗事發(fā)之際，汽車的可靠性，儼然已經(jīng)成為令人注目的大問題。這種交通工具就是汽車。因此，汽車的各個生產(chǎn)設計部門都非常重視在設計制造過程中采用計算機技術。 static analysis。本文通過對車架有限元結(jié)構(gòu)分析來講述分析的過程及注意事項，為有限元分析技術應用于車架設計提供了一種規(guī)范化的過程與步驟。車架實體模型在Pro/E 中裝配，然后通過接口導入 ANSYS 中。車架尺寸在河南名優(yōu)汽配廣場測得，一些重要參數(shù)通過網(wǎng)絡查得。目前人們對使用這種方法進行的車架分析已有很多研究，但是對使用這種方法進行車架分析的過程及一些注意問題研究的還很少，所以就會導致剛?cè)腴T的一些工程人員使用這種方法進行分析時走很多彎路，甚至得到的結(jié)果是錯誤的。 ANSYS。汽車產(chǎn)業(yè)屬于高科技產(chǎn)業(yè)，要設計生產(chǎn)出性能優(yōu)越、安全可靠的汽車，不應用計算機進行輔助設計分析是根本不可能實現(xiàn)的?？墒钦l也沒有想到它會發(fā)展的那么快，對現(xiàn)在人們的生活會有那么大的影響。雖然如此，汽車的可靠性還是不容忽視的，如最近豐田汽車（Toyota）發(fā)生的因制動腳踏板、電子制動主動系統(tǒng)所引發(fā)的召回門事件，在常人看來，一方面是由于“豐田”的擴張過快，所造成了企業(yè)在發(fā)展的速度上無暇顧及發(fā)展過后的穩(wěn)妥質(zhì)量把握問題；另一方面“豐田”的控制成本讓世界感到驚訝。車架是汽車各總成的安裝基體，它的功能是將發(fā)動機、底盤、車身等總成連成一輛完整的汽車。因此，它能夠減少試驗樣機的數(shù)量，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，進而降低開發(fā)成本，提高市場競爭力。(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。(4) 通過可靠性計算模塊，能預測產(chǎn)品的可靠度，為產(chǎn)品的設計及投入市場提供依據(jù)。(3) 對所研究的車架進行結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析，為車架的設計提供理論支持。接著提出的車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強度計算方法，但是只能計算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車架的實際工況，并且計算比較復雜，工作量大，在實際運用中存在著很大的困難。有限元法不需要對所分析的結(jié)構(gòu)進行嚴格的簡化，既可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度高。 車架結(jié)構(gòu)有限元模型的形式有限元分析是用一組離散化的單元集合來代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)進行分析的，這種單元集合體稱為有限元模型 [14]。根據(jù)采用的單元形式，車架有限元模型可以分為梁單元模型、板殼單元模型和實體單元模型。板殼單元模型用板殼單元將車架的縱、橫梁及連接板進行離散化，用板殼單元的厚度描述零件的厚度。 有限元法在車架結(jié)構(gòu)分析中存在的問題(1) 采用適當?shù)挠邢拊Ｐ停瑢ζ囓嚰芙Y(jié)構(gòu)進行靜力分析和模態(tài)分析正在成為一種常用的分析手段，但對汽車車架結(jié)構(gòu)進行有限元動力響應分析的研究目前還很不成熟。(4) 近些年來，大多數(shù)國內(nèi)汽車廠家已花巨資購買了各種與有限元分析相關的商業(yè)化軟件。首先，對ANSYS 進行了簡要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)的有限元分析做好準備工作；然后，以長春一汽輕型車廠生產(chǎn)的華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉柵運輸車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，利用 Pro/E 建立了車架結(jié)構(gòu)實體單元模型，然后導入 ANSYS 對結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性進行深入研究，對車架進行可靠性評價，并給出一些分析步驟和一些實用技巧及注意事項。 ANSYS 的主要功能ANSYS 有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。ANSYS 的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。 ANSYS 提供的分析類型ANSYS 軟件提供的分析類型如下：結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。動力學分析ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。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)應力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。 ANSYS 的典型分析步驟 建立有限元模型 指定工作文件名和工作標題該項工作并不是必須要求做的，但是做對多個工程問題進行分析時推薦使用工作文件名和工作標題。隨著版本的不斷升級，有些老的單元被停用和新的單元被添加。用下列命令或菜單方式定義材料屬性：Command:MP、TBGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsANSYS 定義了上百種材料模型，用戶只需要按照模型格式輸入相關數(shù)據(jù)即可定義常用材料和某些特定材料的材料屬性。采用實體建模有自底向上建模和自頂向下建模兩種方法。 加載求解在有限元模型建立之后，可以運用 SOLUTION 處理器定義分析類型和分析選項，施加載荷，指定載荷步長，進行求解。 指定載荷步選項載荷步選項的功能是對載荷步進行修改和控制，包括對子步數(shù)、步長和輸出控制等。 本章小結(jié)對有限元分析軟件 ANSYS 的發(fā)展過程、特點及功能進行了簡要的概述，并對ANSYS 的典型分析步驟做了介紹，為以后應用該軟件做好了準備。整個車架前后等寬，車架長 8241mm，寬 870mm。該車架的實物圖如圖 。使用 Pro/E 配置的開發(fā)模塊或利用 C 語言，用戶也可以擴展與增強 Pro/E 的功能。(3) 支持大型、復雜組合件的設計Pro/E 支持大型、復雜組合件的構(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。做本課題時簡化的構(gòu)件有：(1) 忽略所有的倒角。這些孔有些是裝配孔，有些是防止應力集中的孔等。比如備胎和油箱的支架、橫梁上傳動軸的支架等車架附屬件，如果對懸架使用彈簧和剛性桿單元模擬或者是通過指定位移模擬，則可忽略減震器的建模(5) 簡化一些零件的建模。表 CA5160 整車的一些重要參數(shù)名稱 數(shù)值車輛外形長 (mm) 8980車輛外形寬 (mm) 2490車輛外形高 (mm) 3740貨廂長 (mm) 6700貨廂寬 (mm) 2300貨廂高 (mm) 600整備質(zhì)量 （Kg） 6310總質(zhì)量 （Kg） 15505額定載質(zhì)量 (kg)： 9000軸荷： 5610(前) 9895（后）發(fā)動機功率(kw) ： 105 發(fā)動機排量： 4752 發(fā)動機功率(kw) ： 105 軸數(shù)： 2根據(jù) 節(jié)的簡化處理思路，共創(chuàng)建 36 個零件，各零件的名稱列于表 。前鋼板彈簧滑板端支架 2前鋼板彈簧固定端支架 2后鋼板彈簧滑板端支架 2后鋼板彈簧固定端支架 2后副鋼板彈簧支架 4車廂緊固角鋼 4圖 發(fā)動機后懸置梁的草繪軌跡? 然后畫出截面形狀，最后得到發(fā)動機后懸置梁的實體模型，如圖 。這雖然是一個常識問題，但還是很多人沒有注意到。有時我們發(fā)現(xiàn)修改一個零件后并沒有保存，但是打開這個零件后發(fā)現(xiàn)是修改后的樣子，原來 Pro/E 使用的是暫存在內(nèi)存中最后修改的文件，這樣非常容易造成當我們再次打開電腦時發(fā)現(xiàn)有些零件還是修改前的樣子，所以一定要養(yǎng)成經(jīng)常拭除不顯示的文件，一方面為了 Pro/E 的速度，另一方面為了減少出錯的機會。(7) 在裝配零件時，如果最后一個約束出現(xiàn)約束無效的提示時，這時不必刪除約束重裝，也不需要考慮需要什么約束，只需要在約束框的下拉列表中選擇另一個就能完全約束了。4 車架有限元模型的建立車架在 Pro/E 中裝配成實體模型后，必須導入到 ANSYS 中賦予屬性，劃分了單元才是有限元模型。這種方法導入的模型質(zhì)量比較高，但是如果 ANSYS 的版本比 Pro/E 版本發(fā)行的時間早，連接起來就比較麻煩。圖 選擇 Pro/E 圖 選擇 Pro/E 的安裝路徑安裝完成后，找到你安裝盤:\Program Files\ANSYS Inc\v110\AISOL\CAD Integration\ProE\ProEPages\config，用記事本打開 文件，對照下面的代碼，把缺少的斜體代碼加進去。究其原因，ANSYS 中原來并沒有單位，只要把單位統(tǒng)一就不會出現(xiàn)問題。這里簡稱這種方法為統(tǒng)一法。所以本課題在將車架實體模型導入 ANSYS 分析前，先把裝配體中的單位轉(zhuǎn)化為國際標準單位。可見，車架的寬度已從轉(zhuǎn)換前的 870 變成了當前的 ，即裝配體中的 mmns 單位制已成功轉(zhuǎn)化為國際標準單位制。 有限元模型的建立 導入模型后，先將 ANSYS 的工作環(huán)境設置在國際標準單位制下。圖 為體Overlap 對話框，單擊 Pick all 即可。這里之所以要定義單元尺寸，是因為車架模型比較復雜，使用其它分網(wǎng)方法比較困難，使用自由劃分時，如果再設置一下單元尺寸，將會很好地控制單元的數(shù)量。定義過屬性和劃分網(wǎng)格后，由于施加約束的位置不同將出現(xiàn)上面提到的兩種問題，所以這里分兩種情況分別討論。為了比較清楚的查看并對比各個零件的變形情況，現(xiàn)分別將內(nèi)外縱梁、彈簧板支架的變形及節(jié)點應力等值線圖分別列于圖 ~ 。圖 外縱梁節(jié)點應力等值線圖 內(nèi)縱梁節(jié)點應力等值線圖圖 內(nèi)外縱梁節(jié)點應力等值線圖 彈簧板固定端受載后的變形圖 在彈簧板支架上施加約束，約束這四處的所有自由度刪掉之前的約束，然后在彈簧板支架上施加約束，同樣在外縱梁上翼緣的中部施加一集中力載荷，求解后查看結(jié)果，發(fā)現(xiàn)內(nèi)縱梁和彈簧板固定端沒有什么變化，而外縱梁卻找不到了，如圖 。Glue 是粘接運算，相同維數(shù)的幾何元素在邊界上存在位置重疊，即各圖元之間有公共部分，粘接運算結(jié)果為重合邊界部分產(chǎn)生它們之間公共的新幾何元素連接參與運算的幾何元素，但參加運算的幾何元素之間仍然相對獨立，粘接操作沒有新的圖元產(chǎn)生，就通過合并關鍵點獲得粘接效果，只有公共區(qū)域的維數(shù)低于粘接圖元的維數(shù)，粘接操作才有效。 干涉問題對于在 Pro/E 中裝配的實體模型，大家往往過于自信而不注意檢查各零件間是否發(fā)生了干涉，這樣的裝配體導入到 ANSYS 作分析時就會發(fā)生很多問題，對于這些問題的出現(xiàn)卻不知如何解決，甚至有人懷疑是這兩種軟件的接口有問題，還有的人認為這只是一個無關緊要的警告等。圖 ANSYS 中對實體模型劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)的錯誤這個錯誤記錄的意思是沒有與這些面相關聯(lián)的節(jié)點，所以加在這些面上的約束會被忽略?，F(xiàn)在我們進入 Pro/E 環(huán)境下檢查全局干涉的情況，如圖 所示。圖 Pro/E 再次進行全局干涉檢查的結(jié)果再次將修改后的裝配體導入到 ANSYS 中進行分網(wǎng)時，不再出現(xiàn)錯誤警告，說明出現(xiàn)圖 的錯誤警示確系零件間干涉所致。選擇 Plot——Volumes，發(fā)現(xiàn) ANSYS 的圖形顯示窗口里沒有這兩根縱梁，再選擇 Plot——Areas后，發(fā)現(xiàn)這兩根縱梁又回到了圖形窗口了，如圖 和圖 ：圖 ANSYS 只顯示體時的車架 圖 ANSYS 只顯示面時的車架這正說明左右縱梁導入 ANSYS 時只導入了面。比如模態(tài)分析中，在材料類型庫中是要輸入材料密度的，即在模態(tài)分析中，主要考慮的因素有密度，如果這些零件只有面，那么分析得出的各階振型自然不對。(2) 在 Pro/E 中不使用鏡像命令建立零