【正文】 YS 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。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。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(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)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(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。2 ANSYS 軟件的介紹ANSYS 公司是由美國(guó)著名力學(xué)專家美國(guó)匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授 John Swanson博士于 1970 年創(chuàng)建并發(fā)展起來(lái)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(xué)習(xí)、消化與吸收花巨資引進(jìn)的軟件，為我所用，是實(shí)際工作必須面對(duì)的問(wèn)題，對(duì)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(shè)計(jì)的重要任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)單元準(zhǔn)確的描述了形狀復(fù)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(yīng)力問(wèn)題；但是這種模型單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，前處理工作量大，需要計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，計(jì)算速度慢。梁?jiǎn)卧Ｐ蛯④嚰芎?jiǎn)化為一組兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧M成的框架結(jié)構(gòu)，用梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦苑从耻嚰艿膶?shí)際結(jié)構(gòu)特性。如果已知各個(gè)單元的剛度特性，就可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體離散為有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的問(wèn)題。后來(lái)，人們將比較設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)中。(4) 講述分析的過(guò)程及注意是事項(xiàng)，提供實(shí)際的參考價(jià)值。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)品更新速度越來(lái)越快，設(shè)計(jì)成本越來(lái)越低和舒適性要求越來(lái)越高的今天，對(duì)于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力具有重要意義。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(wèn)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(shè)計(jì)。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(shí)所產(chǎn)生的各種靜載荷和動(dòng)載荷 [2]。所以，在“豐田”汽車質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題。這種交通工具就是汽車。因此，汽車的各個(gè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門都非常重視在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。 static analysis。本文通過(guò)對(duì)車架有限元結(jié)構(gòu)分析來(lái)講述分析的過(guò)程及注意事項(xiàng)，為有限元分析技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)提供了一種規(guī)范化的過(guò)程與步驟。車架實(shí)體模型在Pro/E 中裝配，然后通過(guò)接口導(dǎo)入 ANSYS 中。3. 通過(guò)對(duì)有限元模型的動(dòng)靜態(tài)分析，得出該車架的可靠性參數(shù)。2. 將實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS，建立車架有限元模型。車架尺寸在河南名優(yōu)汽配廣場(chǎng)測(cè)得，一些重要參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查得。目前人們對(duì)使用這種方法進(jìn)行的車架分析已有很多研究，但是對(duì)使用這種方法進(jìn)行車架分析的過(guò)程及一些注意問(wèn)題研究的還很少，所以就會(huì)導(dǎo)致剛?cè)腴T的一些工程人員使用這種方法進(jìn)行分析時(shí)走很多彎路，甚至得到的結(jié)果是錯(cuò)誤的。 ANSYS。汽車產(chǎn)業(yè)屬于高科技產(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)分析是根本不可能實(shí)現(xiàn)的?？墒钦l(shuí)也沒(méi)有想到它會(huì)發(fā)展的那么快，對(duì)現(xiàn)在人們的生活會(huì)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(dòng)腳踏板、電子制動(dòng)主動(dòng)系統(tǒng)所引發(fā)的召回門事件，在常人看來(lái)，一方面是由于“豐田”的擴(kuò)張過(guò)快，所造成了企業(yè)在發(fā)展的速度上無(wú)暇顧及發(fā)展過(guò)后的穩(wěn)妥質(zhì)量把握問(wèn)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(dòng)機(jī)、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(yàn)樣機(jī)的數(shù)量，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)可靠性計(jì)算模塊，能預(yù)測(cè)產(chǎn)品的可靠度，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及投入市場(chǎng)提供依據(jù)。(3) 對(duì)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。接著提出的車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法，但是只能計(jì)算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車架的實(shí)際工況，并且計(jì)算比較復(fù)雜，工作量大，在實(shí)際運(yùn)用中存在著很大的困難。有限元法不需要對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的簡(jiǎn)化，既可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)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(lái)代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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?jiǎn)卧Ｐ?、板殼單元模型和?shí)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(jìn)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(wèn)題(1) 采用適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ?，?duì)汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)恿憫?yīng)分析的研究目前還很不成熟。(4) 近些年來(lái)，大多數(shù)國(guó)內(nèi)汽車廠家已花巨資購(gòu)買了各種與有限元分析相關(guān)的商業(yè)化軟件。首先，對(duì)ANSYS 進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)的有限元分析做好準(zhǔn)備工作；然后，以長(zhǎng)春一汽輕型車廠生產(chǎn)的華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉(cāng)柵運(yùn)輸車車架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用 Pro/E 建立了車架結(jié)構(gòu)實(shí)體單元模型，然后導(dǎo)入 ANSYS 對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入研究，對(duì)車架進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，并給出一些分析步驟和一些實(shí)用技巧及注意事項(xiàng)。 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(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。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。 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(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。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(duì)阻尼和慣性的影響。動(dòng)力學(xué)分析ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)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－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 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(biāo)題該項(xiàng)工作并不是必須要求做的，但是做對(duì)多個(gè)工程問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)推薦使用工作文件名和工作標(biāo)題。隨著版本的不斷升級(jí)，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(guān)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(shí)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(yùn)用 SOLUTION 處理器定義分析類型和分析選項(xiàng)，施加載荷，指定載荷步長(zhǎng)，進(jìn)行求解。 指定載荷步選項(xiàng)載荷步選項(xiàng)的功能是對(duì)載荷步進(jìn)行修改和控制，包括對(duì)子步數(shù)、步長(zhǎng)和輸出控制等。 本章小結(jié)對(duì)有限元分析軟件 ANSYS 的發(fā)展過(guò)程、特點(diǎn)及功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，并對(duì)ANSYS 的典型分析步驟做了介紹，為以后應(yīng)用該軟件做好了準(zhǔn)備。整個(gè)車架前后等寬，車架長(zhǎng) 8241mm，寬 870mm。該車架的實(shí)物圖如圖 。使用 Pro/E 配置的開(kāi)發(fā)模塊或利用 C 語(yǔ)言，用戶也可以擴(kuò)展與增強(qiáng) Pro/E 的功能。(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(duì)齊”等，將基本零件裝配起來(lái)，形成組合件。做本課題時(shí)簡(jiǎn)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(yīng)力集中的孔等。比如備胎和油箱的支架、橫梁上傳動(dòng)軸的支架等車架附屬件，如果對(duì)懸架使用彈簧和剛性桿單元模擬或者是通過(guò)指定位移模擬，則可忽略減震器的建模(5) 簡(jiǎn)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(zhǎng) (mm) 8980車輛外形寬 (mm) 2490車輛外形高 (mm) 3740貨廂長(zhǎng) (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(dòng)機(jī)功率(kw) ： 105 發(fā)動(dòng)機(jī)排量： 4752 發(fā)動(dòng)機(jī)功率(kw) ： 105 軸數(shù)： 2根據(jù) 節(jié)的簡(jiǎn)化處理思路，共創(chuàng)建 36 個(gè)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(dòng)機(jī)后懸置梁的草繪軌跡? 然后畫(huà)出截面形狀，最后得到發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁的實(shí)體模型，如圖 。這雖然是一個(gè)常識(shí)問(wèn)題，但還是很多人沒(méi)有注意到。有時(shí)我們發(fā)現(xiàn)修改一個(gè)零件后并沒(méi)有保存，但是打開(kāi)這個(gè)零件后發(fā)現(xiàn)是修改后的樣子，原來(lái) 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(dāng)我們?cè)俅未蜷_(kāi)電腦時(shí)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(cuò)的機(jī)會(huì)。(7) 在裝配零件時(shí)，如果最后一個(gè)約束出現(xiàn)約束無(wú)效的提示時(shí)，這時(shí)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(gè)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(shí)體模型后，必須導(dǎo)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(dǎo)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(shí)間早，連接起來(lái)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(kāi) 文件，對(duì)照下面的代碼，把缺少的斜體代碼加進(jìn)去。究其原因，ANSYS 中原來(lái)并沒(méi)有單位，只要把單位統(tǒng)一就不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。這里簡(jiǎn)稱這種方法為統(tǒng)一法。所以本課題在將車架實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 分析前，先把裝配體中的單位轉(zhuǎn)化為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位?？梢?jiàn)，車架的寬度已從轉(zhuǎn)換前的 870 變成了當(dāng)前的 ，即裝配體中的 mmns 單位制已成功轉(zhuǎn)化為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制。 有限元模型的建立 導(dǎo)入模型后，先將 ANSYS 的工作環(huán)境設(shè)置在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制下。圖 為體Overlap 對(duì)話框，單擊 Pick all 即可。這里之所以要定義單元尺寸，是因?yàn)檐嚰苣Ｐ捅容^復(fù)雜，使用其它分網(wǎng)方法比較困難，使用自由劃分時(shí)，如果再設(shè)置一下單元尺寸，將會(huì)很好地控制單元的數(shù)量。定義過(guò)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(wèn)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(duì)比各個(gè)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(diǎn)應(yīng)力等值線圖分別列于圖 ~ 。圖 外縱梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等值線圖 內(nèi)縱梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等值線圖圖 內(nèi)外縱梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(méi)有什么變化，而外縱梁卻找不到了，如圖 。Glue 是粘接運(yùn)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(yùn)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(yùn)算的幾何元素，但參加運(yùn)算的幾何元素之間仍然相對(duì)獨(dú)立，粘接操作沒(méi)有新的圖元產(chǎn)生，就通過(guò)合并關(guān)鍵點(diǎn)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(wèn)題對(duì)于在 Pro/E 中裝配的實(shí)體模型，大家往往過(guò)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(dǎo)入到 ANSYS 作分析時(shí)就會(huì)發(fā)生很多問(wèn)題，對(duì)于這些問(wèn)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(wèn)題，還有的人認(rèn)為這只是一個(gè)無(wú)關(guān)緊要的警告等。圖 ANSYS 中對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤這個(gè)錯(cuò)誤記錄的意思是沒(méi)有與這些面相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)，所以加在這些面上的約束會(huì)被忽略?，F(xiàn)在我們進(jìn)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(jìn)行全局干涉檢查的結(jié)果再次將修改后的裝配體導(dǎo)入到 ANSYS 中進(jìn)行分網(wǎng)時(shí)，不再出現(xiàn)錯(cuò)誤警告，說(shuō)明出現(xiàn)圖 的錯(cuò)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(méi)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(shí)的車架 圖 ANSYS 只顯示面時(shí)的車架這正說(shuō)明左右縱梁導(dǎo)入 ANSYS 時(shí)只導(dǎo)入