【正文】 ...........................................69 可靠性分析一般步驟 .........................................................................................70 車架可靠性 ...........................................................................................................70 該分析的假設(shè) .....................................................................................................70 變量的確定 .........................................................................................................70 縱梁可靠性分析過程 .........................................................................................71 本章小節(jié) ......................................................................................................................................788 論文總結(jié) ......................................................................................................................79 所做的工作 ...........................................................................................................79 需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方 ...................................................................................79致 謝 ..................................................................................................................................80參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................................81基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究01 緒論計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)給社會帶來了深刻的變革，同時也為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造提供了強(qiáng)有力工具。其中，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有限元法是近幾十年發(fā)展起來的新的計(jì)算方法和技術(shù)，可以解決以往許多手工計(jì)算無法解決的問題，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 [1]。而當(dāng)時人們最熱衷的馬車卻早已不見蹤影。現(xiàn)代企業(yè)為了發(fā)展，在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)上就必須短開發(fā)周期，進(jìn)而降低開發(fā)成本，而利用有限元軟件對產(chǎn)品進(jìn)行分析正好滿足企業(yè)的要求。由于現(xiàn)在汽車不斷向著高速化發(fā)展，為了保證安全行駛，所以車架設(shè)計(jì)的可靠性就顯得非常重要了。希望我的工作對今后使用 ANSYS 分析汽車車架可靠性并由此而進(jìn)行的車架設(shè)計(jì)提供理論支持和數(shù)據(jù)參考。(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)的動態(tài)特性。 論文選題的目的通過本文的研究，基本達(dá)到以下目的：(1) 建立車架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)性工作。 有限元法在車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的概述早期車架設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)交叉進(jìn)行 [56]，即在車架結(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過多輪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)面對的對象是實(shí)物，需要經(jīng)過樣品制造—試驗(yàn)—修改—再設(shè)計(jì)的往復(fù)，這種方式不可避免地導(dǎo)致整個設(shè)計(jì)過程周期長，以及人力、物力和財(cái)力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。這種設(shè)計(jì)方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進(jìn)行車架的設(shè)計(jì)，由于這樣的對照設(shè)計(jì)考慮的因素比較少并且設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品比較安全，所以目前依然是車架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的主要方法，但是，這種方法可能造成車架各處強(qiáng)度不均勻，某些局部強(qiáng)度富裕較大，產(chǎn)生材料浪費(fèi)等現(xiàn)象。只要確定了單元的力學(xué)特性，就可以按照結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使分析過程大為簡化，配以計(jì)算機(jī)就可以解決許多解析法無法解決的復(fù)雜工程問題。由于有限元法是一種近似的數(shù)值方法，其計(jì)算結(jié)果是近似解，精度主要取決于離散化誤差。這種結(jié)構(gòu)單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，計(jì)算速度快；但是計(jì)算精度低，而且不能處理應(yīng)力集中問題。板殼單元模型適用于對車架分析精度要求較高的場合。如何在設(shè)計(jì)階段估算車架的可靠性已成為急需解決的問題。 本文的主要研究內(nèi)容ANSYS 是大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，ANSYS 軟件不斷發(fā)展提高，目前已發(fā)展到 版本 [14]。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。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。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。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。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。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。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－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)。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)動態(tài)性能分析。如果用戶在分析開始沒有定義工作文件名，則所有的文件名都被默認(rèn)地設(shè)置為 file。用下列命令或菜單方式定義單元實(shí)常數(shù)：Command:RGUI:Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delte 定義材料屬性在所有的分析中都要輸入材料屬性，材料屬性根據(jù)分析問題的物理環(huán)境不同而不同。 創(chuàng)建幾何模型ANSYS 提供了下列生成模型的方法：用 ANAYS 直接創(chuàng)建實(shí)體模型和輸入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)創(chuàng)建的模型，本文采用第二種方法，在 Pro/E 中創(chuàng)建模型。在實(shí)體建模的過程中，這兩種建模技術(shù)可以自由組合。 加載ANSYS 的載荷可分為六大類：位移約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷。 查看求解結(jié)果程序計(jì)算完成之后，可以通過通用后處理 POST1 和時間歷程后處理 POST26 查看求解結(jié)果。該車架的尺寸在河南名優(yōu)汽配廣場測得?？v梁和橫梁之間為鉚釘連接。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。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。 模型的簡化車架是一個大型復(fù)雜的裝配體，如果不做一些優(yōu)化就進(jìn)行整體分析，不但實(shí)體建模費(fèi)時，而且在 ANSYS 的環(huán)境下劃分網(wǎng)格就更困難，求解也要耗費(fèi)更多的時間，這樣得到的結(jié)果顯然不經(jīng)濟(jì)，甚至就求解不了，因?yàn)槲唇?jīng)簡化的模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，越是復(fù)雜就越容易出現(xiàn)的錯誤。如圖 。這些小部件在 ANSYS 中分網(wǎng)極其困難，并且需要很多單元來模擬，如果不是專門進(jìn)行這些連接處分析，則不值得建這些零部件?；?ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究9 建模過程根據(jù)實(shí)地測量的華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉柵運(yùn)輸車車架的各個零件的尺寸，創(chuàng)建各個零件。圖 車架的整體視圖圖 車架的三維實(shí)體模型因?yàn)榘l(fā)動機(jī)后懸置梁和外縱梁的建模過程有一些非常簡單的過程，所以這里簡要說明一下。(2) 左外縱梁的建模過程? 使用拉伸命令創(chuàng)建如圖 所示的實(shí)體圖 使用拉伸命令創(chuàng)建的左外縱梁? 然后使用抽殼命令一步生成左外縱梁，注意抽殼時在參照里把三個不要的面基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究12全部選中，這樣才能抽成圖 的樣子。(3) 要養(yǎng)成經(jīng)常拭除不顯示的文件。(5) 繪圖時，要培養(yǎng)使用鼠標(biāo)右鍵的習(xí)慣，Pro/E 會自動判斷何種環(huán)境下會有什么樣的菜單命令。當(dāng)前兩個約束關(guān)系確定后，最后這個關(guān)系不用選擇，直接選擇要約束的元素，這時如果出現(xiàn)圖 的情況，可按照圖 的做法，然后就會出現(xiàn)圖 完全約束的提示。 Pro/E 和 ANSYS 的連接Pro/E 和 ANSYS 之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可通過中間數(shù)據(jù)格式，比如*.igs，但是實(shí)踐證明，這種方法導(dǎo)入的模型損失比較多，修補(bǔ)起來相當(dāng)麻煩。下面給出配置步驟。而在 ANSYS 中分析時，往往不注意單位。再比如在 Pro/E 里面采用的長度單位是米，那么彈性模量的單位就是 Pa ，如果在 ANSYS 中再把彈性模量的單位當(dāng)做 MPa ，結(jié)果肯定偏離的厲害，其它物理量也是類似情況。這里簡稱這種方法為標(biāo)準(zhǔn)法?；?ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究17圖 在 Pro/E 中新建單位制 圖 Pro/E 中改變模型單位對話框接著選中剛才建立的國際標(biāo)準(zhǔn)單位制 mnsk，點(diǎn)擊“設(shè)置” ，彈出如圖 的對話框。運(yùn)行“/status,units”查看單位，如圖 所示：至此，將在 Pro/E 中所裝配的車架導(dǎo)入 ANSYS 分析時，出現(xiàn)的由于單位制導(dǎo)致的分析結(jié)果異常問題已經(jīng)解決。根據(jù)車架實(shí)際受力情況和各單元的特性，我們選擇 SOLID92 單元作為車架裝配體所有零件分網(wǎng)時的單元賦予類型，圖 為選擇的單元類型。圖 為分網(wǎng)前的單元賦予工作，當(dāng)定義有不同單元或是不同實(shí)常數(shù)時必須操作這一步，這里可以省略。 Booleans 運(yùn)算對于 Pro/E 中裝配的實(shí)體模型，往往會認(rèn)為裝配體中的各個零件已經(jīng)全部約束，所以將裝配體模型導(dǎo)入 ANSYS 后，很多人不進(jìn)行 Booleans 運(yùn)算就劃分網(wǎng)格、求解等操作，這樣就會出現(xiàn)非常失真的結(jié)果，有些零件受力后根本就沒有發(fā)生變化，甚至由于求出的結(jié)果跟實(shí)際值差不太多而沒有發(fā)現(xiàn)自己的失誤等等情況。(2) 在彈簧板支架上施加約束，約束這四處的所有自由度。這就是在 Pro/E 環(huán)境下裝配的實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 分析時，如果不進(jìn)行 Booleans 運(yùn)算所產(chǎn)生的問題。圖 在彈簧板支架上約束求解后的車架左側(cè)變形圖 Booleans 運(yùn)算命令的選擇在對裝配模型進(jìn)行 Booleans 運(yùn)算時，是使用 Add 、Glue 還是 Overlap 呢？下面對這些命令做一下簡介。通俗的說，Add 就是把裝配體中的各個零件熔化，再重塑一個 “零件型”模型，Glue 就是在相鄰零件的連接處涂上膠水并使各個部分粘上，Overlap 是零件間的相交處新生成一個個體，原來的各少一塊。圖 為在Pro/E 中裝配的車架實(shí)體模型。基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究26圖 Boolean 運(yùn)算前發(fā)動機(jī)后懸置梁 圖 Boolean 運(yùn)算后發(fā)動機(jī)后懸置梁圖 Boolean 運(yùn)算前車架左外縱梁 圖 Boolean 運(yùn)算后車架左外縱梁局部圖 運(yùn)算前車架左內(nèi)縱梁 圖 Boolean 運(yùn)算后車架左內(nèi)縱梁局部基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究27圖 運(yùn)算后發(fā)動機(jī)后懸置梁與外縱梁的連接端由此可見，Boolean 運(yùn)算后發(fā)動機(jī)后懸置梁被分成三部分，這三部分恰好是Boolean 運(yùn)算前的發(fā)動機(jī)后懸置梁，而車架左內(nèi)外縱梁與發(fā)動機(jī)后懸置梁的連接處均被刪除了一部分，將這一部分放大，如圖 所示。圖 和 是這根梁的掃描軌跡更改前后的情況。所以在將裝配體導(dǎo)入到 ANSYS 之前必須進(jìn)行干涉檢查。因?yàn)檫@些零件導(dǎo)入 ANSYS 中只剩下了面，自然不能劃分成三維實(shí)體單元了。 模型損失問題的解決辦法解決的辦法有：(1) 在 ANSYS 中修復(fù)這些損失的體。由于裝配體的特殊性，這里分析了由于 Boolean 運(yùn)算、模型干涉和鏡像命令的使用而引起的問題，將這些問題都解決后，通過 ANSYS 的前處理模塊將實(shí)體模型轉(zhuǎn)變成有限元模型。若車架的強(qiáng)度和剛度達(dá)不到要求則會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使，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使，同時還關(guān)系到整車的安全性好壞。靜力分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力(如重力和離心力)、相對位移等。典型工況主要包括高速道路、一般道路和彎道行駛，行駛時會出現(xiàn)靜彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動和急速轉(zhuǎn)彎等四種工況。 SOLID92 單元簡介該單元為三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，圖 為該單元的示意?；?ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究33圖 SOLID92 單元的示意圖 汽車彎曲工況的分析 求解為建立的有限元車架模型選擇分析類型，如圖