【文章內(nèi)容簡介】 可靠性分析研究2 車架結構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)體結構進行分析的，這種單元集合體稱為有限元模型 [14]。如果已知各個單元的剛度特性，就可以根據(jù)節(jié)點的變形連續(xù)條件和平衡條件推出結構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，其計算結果是近似解，精度主要取決于離散化誤差。因此，有限元模型的建立是進行有限元分析的關鍵性一步。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、板殼單元模型和實體單元模型。梁單元模型將車架簡化為一組兩個節(jié)點的梁單元組成的框架結構，用梁單元的截面特性反映車架的實際結構特性。這種結構單元和節(jié)點數(shù)目少，計算速度快；但是計算精度低，而且不能處理應力集中問題。梁單元模型適用于車架結構的初步方案設計。板殼單元模型用板殼單元將車架的縱、橫梁及連接板進行離散化，用板殼單元的厚度描述零件的厚度。這種結構單元準確的描述了形狀復雜的車架結構，大大提高了有限元分析的精度，能夠處理連接部位的應力問題；但是這種模型單元與節(jié)點數(shù)目眾多，前處理工作量大，需要計算機內(nèi)存大，計算速度慢。板殼單元模型適用于對車架分析精度要求較高的場合。實體單元模型能夠很好地分析車架縱梁和橫梁連接處的應力變化情況，但是用作模態(tài)分析時，往往存在剛性過大現(xiàn)象 [3]。 有限元法在車架結構分析中存在的問題(1) 采用適當?shù)挠邢拊Ｐ?，對汽車車架結構進行靜力分析和模態(tài)分析正在成為一種常用的分析手段，但對汽車車架結構進行有限元動力響應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)代汽車設計的重要任務。如何在設計階段估算車架的可靠性已成為急需解決的問題。(3) 采用實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于汽車車架結構的分析結果有較大的影響，如何建立這種連接方式是一個值得探討的問題。(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，如何學習、消化與吸收花巨資引進的軟件，為我所用，是實際工作必須面對的問題，對于汽車車架結構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，其功能強大，可靠性好，具有強大的結構分析能力和優(yōu)化設計模塊，因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。本文將基于 ANSYS建立車架結構的有限元模型，對汽車車架結構進行靜力和動力分析。首先，對ANSYS 進行了簡要的介紹，為車架結構的有限元分析做好準備工作；然后，以長春一汽輕型車廠生產(chǎn)的華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉柵運輸車車架結構為研究對象，利用 Pro/E 建立了車架結構實體單元模型，然后導入 ANSYS 對結構的靜、動態(tài)特性進行深入研究，對車架進行可靠性評價，并給出一些分析步驟和一些實用技巧及注意事項?；?ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究32 ANSYS 軟件的介紹ANSYS 公司是由美國著名力學專家美國匹茲堡大學力學系教授 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計水平，正在成為設計計算的強有力工具之一。 ANSYS 的主要功能ANSYS 有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。ANSYS 的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。分析計算模塊分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、流體動力學分析、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算結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（可看到結構內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、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構和材料。 ANSYS 提供的分析類型ANSYS 軟件提供的分析類型如下：結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。結構動力學分析結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。結構非線性分析結構非線性導致結構或部件的響應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。基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究4動力學分析ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(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構應力之間的熱－結構耦合分析能力。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、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。流體動力學分析ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。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單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。聲場分析程序的聲學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構的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。壓電分析用于分析二維或三維結構對 AC（交流） 、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析。 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題該項工作并不是必須要求做的，但是做對多個工程問題進行分析時推薦使用工作文件名和工作標題。文件名是用來識別 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地設置為 file。ANSYS 的工作文件名可以通過如下方式進行改寫：一是進入 ANSYS 時通過入口選項進行修改；二是進入 ANSYS 后，可以通過以下命令或菜單方式進行修改：Command:FILNAMEGUI:Main MenuFileChange Jobname 定義工作標題用下列命令或菜單方式定義工作標題：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和單元類型名，如 PLANE18SOLID90、SHELL208 等；單元關鍵字定義了單元的不同特性，如軸對稱，平面應力等，用戶需根據(jù)需要選擇相應的單元類型，并設置其關鍵字。隨著版本的不斷升級，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鍵字：Command:KEYOPTGUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 定義單元實常數(shù)實常數(shù)指某一單元的補充幾何特征，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，應根據(jù)單元類型指定相應的實常數(shù)。用下列命令或菜單方式定義單元實常數(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。如在結構分析中必須輸入材料的彈性摸量、泊松比；在熱結構耦合分析中必須輸入材料的熱導、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。除了磁場分析之外，在輸入數(shù)據(jù)時用戶不需要指定 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)建實體模型和輸入在計算機輔助設計系統(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。然后導入。采用實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鍵點，然后利用關鍵點定義較高級的實體圖元（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圖元會由 ANSYS 自動生成。在實體建模的過程中，這兩種建模技術可以自由組合。 進行有限元網(wǎng)格劃分有限元模型是將幾何模型劃分為有限個單元，單元間通過節(jié)點相連接，在每個單元和節(jié)點上求解物理問題的近似解。 加載求解在有限元模型建立之后，可以運用 SOLUTION 處理器定義分析類型和分析選項，施加載荷，指定載荷步長，進行求解。具體步驟如下： 定義分析類型和分析選項基于 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、撓度和子結構分析等，用戶可以根據(jù)需要解決的工程問題進行選擇。 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、耦合場載荷。這些載荷大部分可以施加到集合模型上，包括關鍵點、線和面；也可以施加到有限元模型上，包括單元和節(jié)點。 指定載荷步選項載荷步選項的功能是對載荷步進行修改和控制，包括對子步數(shù)、步長和輸出控制等。 求解初始化該項的主要功能是在 ANSYS 程序數(shù)據(jù)庫中獲得模型和載荷信息，進行計算求解，并將結果數(shù)據(jù)寫入到結果文件（、和 ）和數(shù)據(jù)庫中。 查看求解結果程序計算完成之后，可以通過通用后處理 POST1 和時間歷程后處理 POST26 查看求解結果。POST1 用于查看整個模型或部分模型在某一時間步的計算結果，POST26 后處理器用于查看模型的特定點在所有時間步內(nèi)的計算結果。 本章小結對有限元分析軟件 ANSYS 的發(fā)展過程、特點及功能進行了簡要的概述，并對ANSYS 的典型分析步驟做了介紹，為以后應用該軟件做好了準備?；?ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究73 車架實體模型的建立由于 ANSYS 對復雜模型的創(chuàng)建十分困難，所以在做本課題時采用在 Pro/E 中裝配車架實體模型，然后導入 ANSYS 通過前處理模塊的操作使實體模型成為有限元模型。該車架的尺寸在河南名優(yōu)汽配廣場測得。 車架總體介紹該車架是典型的邊梁式結構，主要由 4 根縱梁及八根橫梁組成。整個車架前后等寬，車架長 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)縱梁通過厚 5mm 的加強板鉚接。該車架的實物圖如圖 。圖 華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉柵運輸車車架實物圖 Pro/Engineer 基本功能Pro/Engineer，簡稱 Pro/E，是由美國 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)化設計、零件實體造型及裝配造型、完整工程圖產(chǎn)生等工作。通過標準數(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用軟件。使用 Pro/E 配置的開發(fā)模塊或利用 C 語言，用戶也可以擴展與增強 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、槽、倒角、腔、殼等特征。