【文章內(nèi)容簡介】 位移載荷、力或矩陣、面載荷、體積載荷、慣性載荷及耦合場載荷。③ 指定載荷步載荷步選項是用來更改載荷步的，例如子步數(shù)、載荷步的結(jié)束時間以及輸出控制等。④ 求解子模塊ANSYS軟件的求解模塊包含結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學(xué)分析、聲場分析及壓電分析。（3）后處理模塊當(dāng)ANSYS完成計算后，可以通過后處理器來觀察結(jié)果。ANSYS軟件的后處理包括兩個部分：通用后處理模塊和時間歷程響應(yīng)后處理模塊。通過友好的用戶界面，很容易就可以獲得求解過程的計算結(jié)果，并對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可以是位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示或者數(shù)據(jù)列表。第3章 車架的建模 汽車車架是一個復(fù)雜的空間的薄壁結(jié)構(gòu)，若要全部如實的考慮它的結(jié)構(gòu)是很困難的，因此，必須對其進(jìn)行簡化[15]。有限元計算模型的建立，即模型化，是有限元法的一個重要的步驟。模型化就是要確定節(jié)點，并選擇單元類型，也就是將結(jié)構(gòu)離散化或者單元的劃分過程。簡化結(jié)果時要以主要的力學(xué)特征為前提，也就是要力求每個單元與實際結(jié)構(gòu)之間的幾何類型一致，還要與單元傳遞的動力學(xué)特性相一致。結(jié)構(gòu)簡化要遵循一定的原則：在保證能夠充分反映實際結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下做些必要的簡化。有限元分析的目的是分析整體車架的強(qiáng)度和薄弱環(huán)節(jié)等的力學(xué)特性，太過細(xì)致地描述細(xì)小的結(jié)構(gòu)不僅會增加建模時的難度，還會增加節(jié)點的數(shù)目，而且會使有限元模型的單元尺寸變化過于突然，影響計算的精度。在能充分反映結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性的前提下，應(yīng)盡量使用較少的單元，選取簡單的單元類型，以便達(dá)到既合理又經(jīng)濟(jì)的目的。為了提高軟件分析的效率，減少分析計算中不必要的時間，在UG中建立車架的三維實體模型時，對一些工藝結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，所依據(jù)的簡化規(guī)則為：（1）對分析結(jié)果影響較小的孔忽略不計：直徑小于15mm。車架縱梁上有許多裝配用孔，雖然這些小幾何體對整個車架的強(qiáng)度和剛度的影響不大，但對接下來的車架分析計算很是不利。這些細(xì)節(jié)在劃分網(wǎng)格是會產(chǎn)生許多網(wǎng)格，網(wǎng)格的質(zhì)量將會降低，從而導(dǎo)致計算量大，計算精度降低。（2）結(jié)構(gòu)中不受力的結(jié)構(gòu)忽略不計。有的部件是為了滿足使用上的要求而設(shè)計的，并不是依據(jù)強(qiáng)度要求設(shè)計的，因而可以忽略；（3）將結(jié)構(gòu)中較小的圓角變?yōu)橹苯?。?gòu)件上還有些過渡圓角，和小孔一樣，對計算分析產(chǎn)生的影響較小，故將其忽略。本文研究的是6470型SUV車架，該車架有兩根縱梁，五根橫梁，一根扭桿梁，一根變速箱梁和前后副杠組成，以焊接方式構(gòu)成剛性結(jié)構(gòu)。通過對該車架的數(shù)據(jù)分析，在三維制圖軟件UG中建立了車架的三維實體模型，步驟如下：通過構(gòu)建基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，草圖拉伸，建立車架左側(cè)縱梁，并以YZ面為鏡像平面，做出右側(cè)縱梁，如圖31，32所示。 圖31 車架左縱梁形成圖 圖32 鏡像得到右側(cè)縱梁以XY面為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，拉伸制作前后副杠，如圖33所示。圖33 拉伸形成縱梁前后杠以右邊縱梁前端內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，將正方形草圖拉伸與縱梁等寬，并以YZ面為鏡像面，生成對稱體。將草圖中兩同心圓拉伸并求差，得到第一根橫梁。如圖34所示。 圖34 草圖拉伸形成第一根橫梁 圖35 草圖拉伸形成第二根橫梁創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，在該面內(nèi)制作草圖，拉伸草圖形成第二根橫梁，如圖35所示。以XY面為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，拉伸草圖形成變速箱梁，如圖36所示。分別以右邊縱梁中間部分、后端及其連接部分的內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)面，創(chuàng)建草圖，沿X方向拉伸形成扭桿梁、第三根和第四根橫梁，如圖37所示。其中，第三根及第四根梁為空心結(jié)構(gòu)，如圖37所示。 圖36 草圖拉伸成變速箱梁 圖37 拉伸形成扭桿梁、第三根及第四根梁創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，在該平面內(nèi)制作草圖，沿Y方向拉伸成第五根橫梁，如圖38所示。 圖38 草圖拉伸形成第五根梁 圖39 鋼板彈簧吊耳模型建立鋼板彈簧吊耳模型。左右縱梁各有四個鋼板彈簧吊耳，關(guān)于YZ平面對稱，所以，在左邊縱梁外側(cè)建立吊耳模型，通過鏡像體得到右側(cè)吊耳。建立左側(cè)吊耳時，在其與車架連接的相應(yīng)位置創(chuàng)建所需基準(zhǔn)平面，繪制草圖，進(jìn)行拉伸。其中，前輪處的兩個鋼板彈簧吊耳關(guān)于前車橋的中心平面對稱，可以由鏡像體得到。而后輪的鋼板彈簧為非對稱放置，故后輪處吊耳不對稱，只能一一建模，但螺栓孔中心在同一水平面上。鋼板彈簧吊耳模型如圖39所示。對車架各部分求和，使之成為一個整體，得到車架的三維實體模型，如圖314所示。圖314 車架三維實體模型第4章 車架的有限元分析汽車是運輸機(jī)械，在工作的過程中總會受到來自各個方面的載荷作用。所以車架必須要有足夠大的強(qiáng)度和剛度來承受這些載荷，因此有必要對車架進(jìn)行必要的CAE分析。，計算分析了其在四種不同最大載荷工況下應(yīng)力和變形，以便校核其強(qiáng)度和剛度。 靜力分析基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計算不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用在結(jié)構(gòu)或者部件上時引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假設(shè)，也就是假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨著時間的變化非常緩慢。靜力分析所加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)定的慣性力和位移載荷等。通過車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的有限元靜力分析，能夠找到車架在各種工況下各個部件變形和應(yīng)力的分布情況及最大值。以此為依據(jù)，改變結(jié)構(gòu)的形狀尺寸或者改變材料的特性以調(diào)整質(zhì)量和剛度的分布，能夠使車架各部位的變形和受力情況盡可能的均衡。同時還可以在保證結(jié)構(gòu)滿足使用強(qiáng)度和剛度的前提下，最大限度地降低材料用量，既能減輕車架的自重，也可以節(jié)省材料，降低油耗，提高整車性能。在有限元分析的過程中，靜力分析的控制方程為： {K}{U} = {F} (41)其中，{K}——結(jié)構(gòu)剛度矩陣{U}——位移向量{F}——載荷向量在用有限元法進(jìn)行機(jī)體結(jié)構(gòu)的靜力分析時，其基本原理是一樣的：用矩陣形式表示整個結(jié)構(gòu)的平衡方程，得 {K}{δ}={R} （42）其中，{K}——整個剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元剛度陣組成{δ}——整個物體的節(jié)點位移陣列，由單元節(jié)點位移陣列組成{R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點力陣列組成用式（42）求出節(jié)點位移{δ}，利用式（43）結(jié)合求得的節(jié)點位移計算出各個單元的力，并加以整理得出所要的結(jié)果。 [σ]=[D][B][σ] （43）其中，[σ]——材料的許用應(yīng)力陣列[D]——與單元材料有關(guān)的彈性陣列[B]——單元應(yīng)變陣列[ δ]e ——單元的節(jié)點位移陣列通過式（43）可以計算得到車架的應(yīng)力和變形結(jié)果，變形可以由后處理中的模塊將模型的變形直觀的變現(xiàn)出來，應(yīng)力的分布則以應(yīng)力云圖或者應(yīng)力圖的等高線表示。節(jié)點的應(yīng)力是與之相連的單元應(yīng)力在節(jié)點位置的算數(shù)平均值。通過車架的強(qiáng)度要求和材料的特性，選擇最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或者綜合應(yīng)力作為強(qiáng)度校核的基準(zhǔn)，材料的失效是以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志的，所以車架的靜態(tài)強(qiáng)度校核可以根據(jù)第四強(qiáng)度理論，用Vonmiss等效應(yīng)力來校核車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。 Vonmiss等效應(yīng)力可以表示為： （44）強(qiáng)度條件為：σ≤[σ] （45） 應(yīng)用UG軟件對車架進(jìn)行三維建模，通過UG軟件和ANSYS軟件的無縫連接將模型導(dǎo)入ANSYS中去，用ANSYS自帶的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對有限元模型添加載荷及約束，進(jìn)入求解器求解，在后處理模塊中檢查結(jié)果。這也是ANSYS中靜力分析的主要步驟，本文將按照這個步驟進(jìn)行靜力分析。（1）車架材料特性目前，車架的材料應(yīng)用最多的是16Mn鋼。16Mn鋼的合金含量較少，綜合性能好，低溫性能好，焊接性能和可切削性能良好，廣泛的應(yīng)用在橋梁、鍋爐、起重運輸機(jī)械和其他較高載荷的焊接結(jié)構(gòu)件中。它的物理性能如下：彈性模量E=1011 Pa材料密度ρ=7850kg/m3 泊松比μ=最小屈服極限360MPa最小抗拉強(qiáng)度510MPa最大抗拉強(qiáng)度 610MPa（2）車架模型導(dǎo)入ANSYS通過UG軟件與ANSYS軟件之間的無縫連接將三維實體模型導(dǎo)入ANSYS，形成ANSYS模型，具體操作為：File→Import→UG，選擇三維實體模型，即可將模型導(dǎo)入ANSYS軟件。將模型顯示為實體：PlotCtrls→Style→Solid Model Facets,在彈出的對話框中選擇性Normal Faceting，選擇Plot→Rplot，得到車架的實體模型，如圖41所示。圖41 導(dǎo)入ANSYS后的實體模型保存所的模型，F(xiàn)ile→Save as。（3）定義單元類型實際工程中的結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，為了方便模擬，ANSYS為用戶提供了幾十種單元用于結(jié)構(gòu)分析，而選取恰當(dāng)?shù)膯卧愋褪琼樌M(jìn)行有限元分析的重要一步。單元類型的選取，既要充分反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，也要盡可能的選取簡單的單元，使模型計算時簡單又節(jié)約計算費用。ANSYS軟件中，常用的單元類型有Solid實體單元、Shell板殼單元等。本文選用Solid95單元。相對于3D，8節(jié)點的Solid45單元來說，Solid95單元更為高級，Solid95單元由20個節(jié)點定義，每個節(jié)點有三個自由度，為節(jié)點在x，y，z方向的平移自由度。它能夠吸收不規(guī)則形狀的單元而沒有精度損失，還有可并立的位移形狀，對于曲線邊界的模型能很好的適應(yīng)。Solid95單元有塑性、蠕變、應(yīng)力剛度、大變形及大應(yīng)變能力。Solid95單元的示意圖如圖42所示。圖42 Solid95單元定義單元類型的具體操作為：Main Menu→Preferences→Element Type→Add/Edit/Delete，在彈出的對話框中點擊Add，彈出Library of Element Types對話框，選擇Solid→20node 95。如圖43所示。圖43 選擇單元類型對話框（4）定義材料屬性具體操作：Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models, 在彈出的對話框中選擇Structural→Linear→Elastic→Isotropic。