【文章內(nèi)容簡介】 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，一方面是由于“豐田”的擴(kuò)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。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。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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析正好滿足企業(yè)的要求。特別是誕生于七十年代的 ANSYS 軟件，由于其出色的功能和幾乎完美的計(jì)算而席卷了有限元大半個(gè)市場。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。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]。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。利用 ANSYS 軟件對(duì)汽車車架進(jìn)行可靠性分析，可以在設(shè)計(jì)階段判斷車架的壽命薄弱位置，通過修改設(shè)計(jì)可以預(yù)先避免不合理的強(qiáng)度剛度分布。因此，它能夠減少試驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)量，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，進(jìn)而降低開發(fā)成本，提高市場競爭力。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)。希望我的工作對(duì)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。 論文選題的意義與目的 論文選題的意義隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在：(1) 運(yùn)用有限元法對(duì)初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車架的性能 [3]。(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。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題 [4]。(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(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。(4) 通過可靠性計(jì)算模塊，能預(yù)測產(chǎn)品的可靠度，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及投入市場提供依據(jù)。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)品更新速度越來越快，設(shè)計(jì)成本越來越低和舒適性要求越來越高的今天，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。 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。(2) 通過運(yùn)用有限元軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參考。(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。(4) 講述分析的過程及注意是事項(xiàng)，提供實(shí)際的參考價(jià)值。 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(duì)的對(duì)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(gè)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)。那個(gè)時(shí)候車架結(jié)構(gòu)性能計(jì)算是通過將車架簡化成單根縱梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核，由于很多梁是變截面的，這樣就不得不在變截面處使用多根梁來模擬，這種方法算得的結(jié)果誤差很大。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。后來，人們將比較設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)中。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(duì)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。20 世紀(jì) 60 年代以來，由于電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應(yīng)用 [712]。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。有限元法將具有無限個(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，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的問題。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。目前，有限元法已經(jīng)成為求解數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)以及工程問題的一種有效的數(shù)值方法 [13]。 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(jìn)行分析的，這種單元集合體稱為有限元模型 [14]。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。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。因此，有限元模型的建立是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵性一步。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(shí)體單元模型。梁單元模型將車架簡化為一組兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)際結(jié)構(gòu)特性。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。梁單元模型適用于車架結(jié)構(gòu)的初步方案設(shè)計(jì)。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。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。板殼單元模型適用于對(duì)車架分析精度要求較高的場合。實(shí)體單元模型能夠很好地分析車架縱梁和橫梁連接處的應(yīng)力變化情況，但是用作模態(tài)分析時(shí)，往往存在剛性過大現(xiàn)象 [3]。 有限元法在車架結(jié)構(gòu)分析中存在的問題(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。 [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)。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。(3) 采用實(shí)體單元建立的車架有限元模型，板殼之間的鉚釘及螺栓連接的模擬形式對(duì)于汽車車架結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果有較大的影響，如何建立這種連接方式是一個(gè)值得探討的問題。(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(guān)的商業(yè)化軟件。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)的問題，對(duì)于汽車車架結(jié)構(gòu)有限元分析更是如此 [15]。 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。本文將基于 ANSYS建立車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析。首先，對(duì)ANSYS 進(jìn)行了簡要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)的有限元分析做好準(zhǔn)備工作；然后，以長春一汽輕型車廠生產(chǎn)的華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉柵運(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)。2 ANSYS 軟件的介紹ANSYS 公司是由美國著名力學(xué)專家美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授 John Swanson博士于 1970 年創(chuàng)建并發(fā)展起來的，是目前世界 CAE 行業(yè)中最大的公司。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]。在汽車行業(yè)中，ANSYS 廣泛應(yīng)用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及整車的通過性和平順性的分析，大大提高了汽車的設(shè)計(jì)水平，正在成為設(shè)計(jì)計(jì)算的強(qiáng)有力工具之一。 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，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。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。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。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。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。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。軟件提供了 200 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 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(yīng)力和力。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題。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)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。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。ANSYS 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。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。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動(dòng)力學(xué)分析ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。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(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。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。流體動(dòng)力學(xué)分析ANSYS 流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。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(duì)流換熱效應(yīng)。聲場分析程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC（交流） 、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(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(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。 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)工程問題進(jìn)行分析時(shí)推薦使用工作文件名和工作標(biāo)題。文件名是用來識(shí)別 ANSYS 作業(yè)的，通過為分析的工程指定文件名，可以確保文件不被覆蓋。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。ANSYS 的工作文件名可以通過如下方式進(jìn)行改寫：一是進(jìn)入 ANSYS 時(shí)通過入口選項(xiàng)進(jìn)行修改；二是進(jìn)入 ANSYS 后，可以通過以下命令或菜單方式進(jìn)行修改：Command:FILNAMEGUI:Main MenuFileChange Jobname 定義工作標(biāo)題用下列命令或菜單方式定義工作標(biāo)題：mand:TITLEGUI:Utility MenuFileChange Tile 定義單元類型和單元關(guān)鍵字ANSYS 提供了將近 200 種不同的單元類型，每一種單元類型都有自己特定的編號(hào)和單元類型名，如 PLANE18SOLID90、SHELL208 等；單元關(guān)鍵字定義了單元的不同特性，如軸對(duì)稱，平面應(yīng)力等，用戶需根據(jù)需要選擇相應(yīng)的單元類型，并設(shè)置其關(guān)鍵字。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單元類型：Command:ETGUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete用下列命令或菜單方式定義單元關(guān)鍵字：Command:KEYOPTGUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 定義單元實(shí)常數(shù)實(shí)常數(shù)指某一單元的補(bǔ)充幾何特征，如單元的厚度、梁的橫截面積和慣性矩等，指定了單元類型之后，應(yīng)根據(jù)單元類型指定相應(yīng)的實(shí)常數(shù)。用下列命令或菜單方式定義單元實(shí)常數(shù)：Command:RGUI:Main MenuPreprocessor