【正文】 ANSYS Workbench 12 框架還能支持耦合場(chǎng)分析，其相關(guān)的耦合場(chǎng)單元能直接支持熱電耦合。 同時(shí) ANSYS Workbench 12 提供的自動(dòng)網(wǎng)格劃分解決方案在流體動(dòng)力學(xué)中也取得了很好的結(jié)果。 此外， ANSYS Workbench 12 平臺(tái)還可以作為一個(gè)應(yīng)用開發(fā)框架，提供項(xiàng)目全腳本、報(bào)告、用戶界面（ UI）工具包和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，該功能隨后將發(fā)布。 經(jīng)過計(jì)算得到車架應(yīng)力和變形的結(jié)果，變形可通過后處理中模型的變形圖直觀地反映出來，應(yīng)力的分布則以應(yīng)力云圖或在應(yīng)力圖中以等高線的形式表示。靜力分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓 29 力、穩(wěn)態(tài)的慣性力 (如重力和離心力 )、位移載荷等。因?yàn)橛邢迒卧僭O(shè)載荷是作用在節(jié)點(diǎn)上，并由節(jié)點(diǎn)傳遞的。 （２） 選擇單元位移模式 這是單元特性分折助第一步。有限單元法分析過程可大概歸納為以下幾點(diǎn)： （１） 彈性連續(xù)體的 離散化 這是有限單元法的基礎(chǔ)。節(jié)點(diǎn)的位移分別是作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。分析每單元的力學(xué)特性后，再組集起 來就能建立整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程式，然后利用計(jì)算機(jī)求解。在汽車 CAD/CAE 技術(shù)中，有限元分析方法和軟件技術(shù)占據(jù)了一個(gè)極其重要的位置。 1956 年 Turner、 Clough、 Martin 和Topp 等人在他們的經(jīng)典論文中首次應(yīng)用三角形單元求得的平面應(yīng)力問題的真正解答。本章最終獲得車架的裝配圖，為下一步進(jìn)行有限元分析提供基礎(chǔ)。連接件上打有兩種孔，一種是與橫縱梁的連接孔，另一種用于 鉚接鋼板彈簧兩端的鉚接孔。為減少應(yīng)力集中 ，在縱梁的相應(yīng)部位倒圓角。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。 全相關(guān)性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。本章的 重點(diǎn)是對(duì) 車架強(qiáng)度及剛度的校核，并將校核結(jié)果反饋到某些參數(shù)的選擇，保證車架滿足實(shí)際工作要求。 由材料力學(xué)知 ： EJqlf 3845 41 ? （ ） mNLGq s 6 2 65 5 4 22 1 8 0 3 221???? 根據(jù)矩形截面的慣性矩的 計(jì)算公式、慣性矩的組合公式和平行移軸公式，得： 45332 8 86)12 67567597(2 mJ ??????????? 對(duì)低碳鋼和 16Mn 鋼，彈性模量： M PaE ?? 。 式 ()中 ： h=200mm， b=75mm， t=6mm。 圖 汽車轉(zhuǎn)彎示意圖 15 已知前輪距為： 1600mm?？v、橫梁采用 16Mn 鋼板沖壓制造，鉚釘聯(lián)接。有的重型貨車、自卸車、越野車為了提高車架強(qiáng)度，減小質(zhì)量而采用中碳合金鋼板熱壓成形，再經(jīng)熱處理，例如采用 30Ti鋼板的縱梁經(jīng)正火后抗拉強(qiáng)度即由 450MPa（ HB156）提 高到 480～ 620MPa（ HB170）。 圖 橫梁的斷面形狀及其與縱梁的聯(lián)接 1— 橫梁； 2— 縱梁 圖 縱、橫梁的 鉚釘聯(lián)接方式 車架的制造工藝 車架縱梁和其他零件的制造，多采用鋼板的冷沖壓工藝在大型壓力機(jī)上沖孔及成形；也有采用槽型鋼、工字鋼、管料等型材制造的。 橫梁的斷面形狀與縱梁的聯(lián)接形式如圖 和圖 所示。槽型斷面梁的扭轉(zhuǎn)剛度及 強(qiáng)度均好。容許車輪有較大的跳動(dòng)空間，使汽車有較好的平順性和通過性。車架寬度多為全長(zhǎng)等寬。 在中、輕型客車上也有所采用，轎車則較少采用。傳動(dòng)軸經(jīng) 中部管梁通向后方。前緩沖臂位于車廂前圍板下部?jī)A斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)該盡可能減小，以減小車身質(zhì)量。 將建立好的 Pro/E 模型導(dǎo)入有限元 軟件 ANSYS 中，完成車架在各種工況下的靜力分析。計(jì)算結(jié)果多用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。從分析類型上看，仍以車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析為主。 在國(guó)外，從 60 年代起就開始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。 車架有限元法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都具有作為整車骨架的車架，車架是整個(gè)汽車的基體。 4 因此開展汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算與分析工作，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化的目標(biāo)，對(duì)汽車 設(shè)計(jì)具有重要的意義。汽車尾氣中 C0 CO、 HC 是大氣污染的主要有害氣體，特別是 C02 溫室效應(yīng)近年來傾向日趨明顯。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。有限元法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學(xué)問題。同時(shí)，為減少新車型的開發(fā)成本、縮短新車型的開發(fā)周期、提高新產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，全球各大汽車公司普遍實(shí)施了“平 臺(tái)戰(zhàn)略”，車架的開發(fā)便是該戰(zhàn)略的主要組成部分。 但我國(guó)的汽車工業(yè)存在自己的特殊性：一是引進(jìn)國(guó)外設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)； 二是仿 制或改裝設(shè)計(jì)，自己獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品很少。 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 40 各工況分析結(jié)果總結(jié) 38 單側(cè)扭轉(zhuǎn)工況分析 22 本章小結(jié) 21 三維模型的建立 19 本章小結(jié) 7 車架的設(shè) 計(jì)要求 在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的前提下，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行 了 保留主要承載橫梁 的簡(jiǎn)化。然后 初選 車架橫、縱梁的尺寸參數(shù) ，運(yùn)用 材料力學(xué)對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核 。 ANASYS 。 4 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 14 車架橫、縱梁設(shè)計(jì) 35 單側(cè)偏載工況分析 44 附錄 附錄 B 輕量化是 21世紀(jì)整車發(fā)展趨勢(shì)之 一，減輕汽車質(zhì)量意味著節(jié)約了能源和材料。 另外，對(duì)一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和優(yōu) 化，由于缺少一定的理論依據(jù)，往往得不到很好的實(shí)施，因此開展載貨汽車 車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算工作，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化的目的、對(duì)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。在計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展并廣 泛應(yīng)用的今天，采用近似的數(shù)值解己成為較為現(xiàn)實(shí)又非常有效的選擇。 （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。 任何問題都有兩面性，汽 車工業(yè)的發(fā)展為人們帶入現(xiàn)代生活的同時(shí)也帶來了許多問題 [45]。近年來，世界石油資源緊張，油價(jià)不斷上漲，對(duì)汽車工業(yè)和汽車運(yùn)輸業(yè)來說，降低燃油消耗量成為關(guān)鍵。 本課題就是在上述背景下提出的， 目的在于研究載貨汽車車架結(jié)構(gòu)使之受力合理，等強(qiáng)度及等壽命設(shè)計(jì)。而板殼單元克服了梁?jiǎn)卧谲嚰芙：蛻?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(cè)手段?？偟目磥?，國(guó)外輕量化研究主要有以下幾個(gè)方面： （１） 提出先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，發(fā)展先進(jìn)的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結(jié)構(gòu)； （２） 將拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中； （３） 提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進(jìn)入到結(jié)構(gòu)輕量化中； （４） 利用硬件優(yōu)勢(shì)，大量考慮動(dòng)態(tài)過程中的各種約束，對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量化結(jié)構(gòu)。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計(jì)過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設(shè)計(jì)過程中的分析規(guī)模較小， CAD/CAE一體化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段的應(yīng)用還不成熟以至于汽車生產(chǎn)廠家很少采用。這些大 型商業(yè)通用有限元分析軟件也像 CAD設(shè)計(jì)軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實(shí)力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開發(fā)獨(dú)立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。但車架扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差，使通過性變壞。中部寬度取決于車身門檻梁的內(nèi)壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉(zhuǎn)角；后端寬度則有后輪距確定。 8 （ a） 周邊式車架 （ b） X 形車架 （ c）梯形車架 圖 轎車車架 X 形車架 如圖 （ b）所示，這種車架為一些轎車所采用。 梯形車架 梯形車架又稱邊梁式車架，是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。 載貨汽車的梯形車架如圖 所示，由兩根相互平行且開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。 脊梁式車架 如圖 所示脊梁式車技由一根位于汽車左右對(duì)稱中心的大斷面管形梁和某些懸伸托架構(gòu)成，猶如一根脊梁。 （ a） 采用周邊式車架時(shí)； （ b） 采用 X 形車架時(shí)； （ c） 采用梯形車架時(shí) ； ； ； 圖 采用不同車架時(shí)的車身底板 圖 載貨汽車的梯形車架 圖 具有脊梁式車架的汽車底盤 11 圖 綜合式車架 橫梁、縱梁及其聯(lián)接型式 縱梁是車架的主要承載元件，也是車架中最大的加工件，其形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的前支點(diǎn)位于左右縱梁上時(shí)，前橫梁則可減小寬度并采用槽型或 Z 形斷面。 當(dāng)縱、橫梁以它們的上、下翼緣均分別聯(lián)接時(shí)，由于聯(lián)接跨度大，剛度亦較大， 12 這時(shí)其扭轉(zhuǎn)剛度及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均較大。車架材料與所選定的制造工藝密切相關(guān)。 且 槽形斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的 35%～40%[6]。 （ 1） d=10mm， kd =， k=， R? 9mm。 16 圖 貨車車架上均布載荷的分布情況 在圖 中， fR 為一根縱梁的前支承反力，由該圖可求得： )]2()2([41 2ccGebLGlR sf ???? （ ） 在駕駛室的長(zhǎng)度范圍內(nèi)這一段縱梁的彎矩為 ： 2)(4 axLGRM sfx ??? （ ） 駕駛室后端至后周這一段縱梁的彎矩為： 212/ )]([4)(4 xlccGaxLGxRM esfx ?????? （ ） 顯然，最大彎矩就發(fā)生在這一段縱梁內(nèi)，可用對(duì)上式中 )(/ xfMx ? 求導(dǎo)數(shù)并令其為零的方法求出最大彎矩發(fā)生的位置 x ，即， 0)(2)(2 1/ ??????? clxcGaxLGRdxdM esfx 由此求得： )/(])(2[ 1 cGLGc clGL aGRx esesf ?????? （ ） 將式（ ） 代入 式（ ），即可求出縱梁承受的最大彎矩 maxM 。 彎曲工況：約束后橋在車架縱梁腹板上的豎直投影點(diǎn)的垂直位移，約束車架前懸與車架縱梁聯(lián)接處縱梁腹板中點(diǎn)的垂直位移，讓車架形成一簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，并在前后支承中點(diǎn)處加一垂直向下的力，讓車架產(chǎn)生彎曲變形，如圖 。 1 8 033 ???lJ 縱梁鋼板彈簧跨度 計(jì)算 20 表 板彈簧的伸直長(zhǎng)度 [7] 應(yīng)用場(chǎng)合 前彈簧 后彈簧 載貨汽車 25% ~35%軸距 30% ~40%軸距 有效長(zhǎng)度： sLLC ?? ，式中： s— U 形螺栓中心距， s=108mm。 PTC 的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)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)提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用 [10]。 發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置橫梁 橫梁設(shè)計(jì)為下凹結(jié)構(gòu)，這樣可以適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度。 圖 爆炸圖 本章小結(jié) 本章 根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，應(yīng)用 Pro/E 軟件 對(duì)橫、縱梁和其他零件創(chuàng)建三維模型 。 1943 年， R， Courant 第一次在論文中定義了在三角形域上的分片連續(xù)函數(shù)并利用最小勢(shì)能原理研究了 St． Venant的扭轉(zhuǎn)問題 [11]。從 70 年代開始，隨著大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和美國(guó)宇航局結(jié)構(gòu)分析程序 NASTRAN 的開發(fā)成功，美國(guó)幾家大的汽車公司開始了一場(chǎng)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的革命。因此可以說，有限元法的發(fā)展借助于兩個(gè)重要的工具：在理論推導(dǎo)中采用了矩陣方法，在實(shí)際計(jì)算中使用了電子計(jì)算機(jī)。