【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可靠性分析研究2 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]。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?jiǎn)卧Ｐ?、板殼單元模型和?shí)體單元模型。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。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(wèn)題。梁?jiǎn)卧Ｐ瓦m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(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。板殼單元模型適用于對(duì)車架分析精度要求較高的場(chǎng)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(guò)大現(xiàn)象 [3]。 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。 [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(wèn)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(wèn)題。(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。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]。 本文的主要研究?jī)?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(guó)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(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 的汽車車架可靠性分析研究32 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。經(jīng)過(guò) 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(guò)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(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)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(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。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(lái)，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(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)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(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種?；?ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究4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(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。電磁場(chǎng)分析主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)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(wú)損檢測(cè)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(guò)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(chǎng)分析程序的聲學(xué)功能用來(lái)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(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場(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)。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(wèn)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(lái)識(shí)別 ANSYS 作業(yè)的，通過(guò)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(guò)如下方式進(jìn)行改寫：一是進(jìn)入 ANSYS 時(shí)通過(guò)入口選項(xiàng)進(jìn)行修改；二是進(jìn)入 ANSYS 后，可以通過(guò)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基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究5 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 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(wèn)題的物理環(huán)境不同而不同。如在結(jié)構(gòu)分析中必須輸入材料的彈性摸量、泊松比；在熱結(jié)構(gòu)耦合分析中必須輸入材料的熱導(dǎo)、線膨脹系數(shù)；如果在分析工程中需要考慮重力、慣性力，則必須要輸入材料的密度。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。除了磁場(chǎng)分析之外，在輸入數(shù)據(jù)時(shí)用戶不需要指定 ANSYS 所用的單位，但要注意確保所輸入量的單位必須保持統(tǒng)一。 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。然后導(dǎo)入。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。所謂自底向上建模是指先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后利用關(guān)鍵點(diǎn)定義較高級(jí)的實(shí)體圖元（即線、面和體） ；而自頂向下建模是指生成體素，屬于該體素的較低級(jí)圖元會(huì)由 ANSYS 自動(dòng)生成。在實(shí)體建模的過(guò)程中，這兩種建模技術(shù)可以自由組合。 進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分有限元模型是將幾何模型劃分為有限個(gè)單元，單元間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接，在每個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)上求解物理問(wèn)題的近似解。 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。具體步驟如下： 定義分析類型和分析選項(xiàng)基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究6ANSYS 的分析類型包括：靜態(tài)、瞬態(tài)、調(diào)諧、模態(tài)、譜分析、撓度和子結(jié)構(gòu)分析等，用戶可以根據(jù)需要解決的工程問(wèn)題進(jìn)行選擇。 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(chǎng)載荷。這些載荷大部分可以施加到集合模型上，包括關(guān)鍵點(diǎn)、線和面；也可以施加到有限元模型上，包括單元和節(jié)點(diǎn)。 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。 求解初始化該項(xiàng)的主要功能是在 ANSYS 程序數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得模型和載荷信息，進(jìn)行計(jì)算求解，并將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入到結(jié)果文件（、和 ）和數(shù)據(jù)庫(kù)中。 查看求解結(jié)果程序計(jì)算完成之后，可以通過(guò)通用后處理 POST1 和時(shí)間歷程后處理 POST26 查看求解結(jié)果。POST1 用于查看整個(gè)模型或部分模型在某一時(shí)間步的計(jì)算結(jié)果，POST26 后處理器用于查看模型的特定點(diǎn)在所有時(shí)間步內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。 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?；?ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究73 車架實(shí)體模型的建立由于 ANSYS 對(duì)復(fù)雜模型的創(chuàng)建十分困難，所以在做本課題時(shí)采用在 Pro/E 中裝配車架實(shí)體模型，然后導(dǎo)入 ANSYS 通過(guò)前處理模塊的操作使實(shí)體模型成為有限元模型。該車架的尺寸在河南名優(yōu)汽配廣場(chǎng)測(cè)得。 車架總體介紹該車架是典型的邊梁式結(jié)構(gòu)，主要由 4 根縱梁及八根橫梁組成。整個(gè)車架前后等寬，車架長(zhǎng) 8241mm，寬 870mm。車架的材料為 16Mn?？v梁和橫梁之間為鉚釘連接。第 7 根橫梁和內(nèi)縱梁通過(guò)厚 5mm 的加強(qiáng)板鉚接。該車架的實(shí)物圖如圖 。圖 華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉(cāng)柵運(yùn)輸車車架實(shí)物圖 Pro/Engineer 基本功能Pro/Engineer，簡(jiǎn)稱 Pro/E，是由美國(guó) PTC 公司開發(fā)的大型三維 CAD/CAE/CAM一體化產(chǎn)品造型系統(tǒng)。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。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式，Pro/E 可以輸出三維或二維圖形用于其它應(yīng)用軟件。使用 Pro/E 配置的開發(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。Pro/E 的基本功能是：(1) 特征建模基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究8在 Pro/E 中，特征是組成模型的基本單位，如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等特征。