【導(dǎo)讀】面對國際國內(nèi)能源的減縮，節(jié)能減排已經(jīng)成為汽車業(yè)所面臨的主題。有現(xiàn)實意義和深遠意義。車架是汽車的重要組成部分，承受車上裝置和來自地面的交。變作用力，需要滿足一定的剛度和強度。由HONDA公司發(fā)起的節(jié)能競技大賽將會促。汽車節(jié)能可以通過很多渠道做到，本設(shè)計主要從車輛。步減少節(jié)油車整車質(zhì)量。本設(shè)計對整車做了整體總布置，確定了重心的位置。過PRO/E軟件設(shè)計出了三個不同結(jié)構(gòu)的模型，然后將三個車架模型轉(zhuǎn)換成工程圖。分析，和基于實際情況的有限元優(yōu)化設(shè)計。由于車架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通過有限元軟件。不但可以減少繁重的計算量，而且可以有效提高計算精度。觀的反映出車架受的最大應(yīng)力和變形，同時便于三種車架比較。出車架的動態(tài)特性，看其是否在發(fā)動機怠速狀態(tài)下與發(fā)動機發(fā)生共振，應(yīng)該避免共振。設(shè)計是在選出最好的車架模型的基礎(chǔ)之上通過加減不同的梁，變換在不同處的梁截面，從而達到對車架優(yōu)化的目的，進一步實現(xiàn)整車的輕量化而使得節(jié)能車更節(jié)能、更環(huán)保。

　　

【正文】 之間僅 在節(jié)點處相連。根據(jù)物體的幾何形狀特征、載荷特征、邊界約束特征等，單元有各種類型。節(jié)點一般都在單元邊界上。節(jié)點的位移分別是作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。這樣組成的有限單元集合體，并引進等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，由于節(jié)點數(shù)目有限，就成為具有有限自由度的有限元計算模型，它替代了原來具有無限多自由度的連續(xù)體。 在此基礎(chǔ)上，對每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù)來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理 (或變分原理或基他方法 )求得每個單元的平衡方程，就是建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系。最后， 把所有單元的這種特性關(guān)系，按照保持節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點力平衡的方式集合起來，就可以得到整個物體的平衡方程組。引入邊界約束條件后解此方程就求得節(jié)點位移，并計算出各單元應(yīng)力。從以上論述可以看到，有限單元法的實質(zhì)是把具有無限多個自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。因此，只要研究并確定有限大小的單元力學(xué)特性，就可根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使問題得到簡化 [8]。 有限元法的分析過程 應(yīng)用有限單元法求解各種問題總是遵循一定的步驟。有限單元法分析過程可大概歸納 為以下幾點： （ 1） 彈性連續(xù)體的離散化 這是有限單元法的基礎(chǔ)。所謂離散化，就是假想把被分析的彈性連續(xù)體分割成由有限個單元組成的集合體。這些單元僅僅在節(jié)點處連接，單元之間荷也僅由節(jié)點傳遞。連續(xù)體的離散化又稱為網(wǎng)格劃分。離散而成的有限單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計算分析都搭在這個計算模型上進行。因此，網(wǎng)格劃分將關(guān)系到有限元分析的速度和精度，以至計算的成敗。有限元離散過程中有一重要環(huán)節(jié)是單元類型的選擇。這應(yīng)根據(jù)被分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀特點，綜合載荷、約束等全面考慮。 （ 2） 選擇單元位移模式 這是單元特性分 折助第一步。假設(shè)一個簡單的函數(shù)來模擬單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，這個簡單的函數(shù)，通常是選擇多項式，稱為位移模式或位移函數(shù)。多項式的項數(shù)及階數(shù)將取決于單元的自由度數(shù)和有關(guān)解的收斂性要求。單元位移模式又要轉(zhuǎn)換成用節(jié)點位移來表示，所以它也決定了相應(yīng)的位移插值函數(shù)。從這里也可看到，選擇合適助位移函數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵，它將決定有限元解答的性質(zhì)與近似程度，所以它的選樣應(yīng)遵循一定的準(zhǔn)則。 31 （ 3） 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 在選擇了單元類型和相應(yīng)的位移模式后，即可按幾何方程、物理方程導(dǎo)出單元應(yīng)變與應(yīng)力的表達式。然后應(yīng)用虛功原理或變分 法或其他方法建立各單元助剛度短陣，即單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系。單元分析的另一內(nèi)容是將作用在單元上的非節(jié)點載荷移置到節(jié)點上，形成等效節(jié)點載荷矩陣。因為有限單元法假設(shè)載荷是作用在節(jié)點上，并由節(jié)點傳遞的。 （ 4） 整體分析，組集結(jié)構(gòu)總剛度方程 整體分折的基礎(chǔ)是依據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點上的位移相同和每個節(jié)點上的節(jié)點力與節(jié)點載荷保持平衡這兩個原則。它包括兩方面內(nèi)容：一是由各單元助剛度短陣集合成整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣 [K]； 二是將作用于各單元的等效節(jié)點力集合成結(jié)構(gòu)總的載陣矩陣 {R}.這兩項就組成了整體結(jié)構(gòu)的總剛度方 程： [K ][△ ]={R } （ ） （ 5） 約束處理并求解總剛度方程 引進邊界約束條件，修正總剛度方程后，就可求得節(jié)點位移。求解大型聯(lián)立代數(shù)方程組的方法有很多，求解的時間占據(jù)了整個有限元計算時間的大部分。 （ 6） 計算單元應(yīng)力 根據(jù)求得的位移可以求出結(jié)構(gòu)上所有感興趣部件上 的應(yīng)力。并能夠繪出結(jié)構(gòu)變形圖及各種應(yīng)力分量、應(yīng)力組合的等值圖。 ANSYS 有限元分析軟件的簡介 ANSYS 是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程的分析軟件。功能完備的預(yù)處理器和后處理器（又稱預(yù)處理模塊和后處理模塊）使 ANSYS 易學(xué)易用，強大的圖形處理能力以及得心應(yīng)手 實用工具使得使用者輕松愉快，奇特的多平臺解決方案使用戶物盡其用，且有多種平臺支持（ Windows NT、 LINUX、 UNIX）和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動能力，各種硬件平臺數(shù)據(jù)庫兼容，使其功能一致，界面統(tǒng)一。目前， ANSYS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工 、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防、軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學(xué)研究。 ANSYS 軟件含有多種分析能力，包括簡單的靜態(tài)分析和復(fù)雜的非線性的模態(tài)分析，可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了預(yù)處理、解決程序以及后處理 和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。 ANSYS 公司是有美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授、有限元法的權(quán)威、著名力學(xué)專家John Swanson 博士于 1970 年創(chuàng)建 而發(fā)展起來的，其總部位于賓夕法尼亞洲的匹茲堡 32 市，目前是世界 CAE 行業(yè)最大的公司之一。 ANSYS 軟件的最初版本與今天的版本相比有很大不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能； 20 世紀(jì) 70 年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應(yīng)用到了 ANSYS中，使得 ANSYS 的使用進入了一個全新的階段 。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，如今的 ANSYS軟件更加趨于完善，功能更強大，使用也更加方便。 ANSYS 是一個通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動態(tài)分析。而且， ANSYS 還具有產(chǎn)品的優(yōu)化 設(shè)計。估計分析到 附加功能。 ANSYS 軟件能夠提供分析類型如下： 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結(jié)構(gòu)影響不顯著的問題。 ANSYS 程序中的靜力分析 不僅可以進行線性分析，而且可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。 結(jié)構(gòu)動力分析 結(jié)構(gòu)動力分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)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 可進行結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的類型包括瞬時動力分析、模態(tài)分析、諧波 響應(yīng)分析及隨機振動響應(yīng)分析。 結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)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。 ANSYS 程序可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非非線性問題。 結(jié)構(gòu)屈服分析 屈服分析是用來確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷大小與在特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)的問題。 ANSYS 中的穩(wěn)定性分析主要分為線性分析和非線性分析兩種。 熱力學(xué)分析 ANSYS 可處理熱傳遞的三種基本類型：傳到、對流和輻射。熱傳遞的三種基本類型均可以進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還可以進行模擬材料固化和熔解過程分析，以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的耦合 問題的分析。 電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、此能量密度、渦流、電場分布、磁力分分布、力、運動效應(yīng)、電路和能量損失等。 聲場分析 聲場分析主要用來研究主流體 (氣體、液體等 )介質(zhì)中的傳播問題以及在流體介質(zhì) 33 中的固態(tài)結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性。 壓電分析 壓電分析主要可以進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析和諧波響應(yīng)分析等， 可用來研究壓電材料結(jié)構(gòu)在隨時間變化的電流和機械載荷響應(yīng)特性。主要適用于諧振器、振蕩器以及其他電子材料的結(jié)構(gòu)動態(tài)分析。 流體動態(tài)分析 ANSYS 中的流體單元能進行流體動態(tài) 分析，分析類型可以為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和流過每個節(jié)點的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分析的圖形顯示 [8]。 基于對該 節(jié)油車 車架分析的軟件預(yù)設(shè)置 PRO/E 和 ANSYS 接口的創(chuàng)建 利用 ANSYS 對結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，由于用 ANSYS 建模相對比較麻煩，所以通常用 Pro/E 建立的三維模型，然后導(dǎo)入 ANSYS 中進行分析。所以需要將 Pro/E 三維實體模型通過專用的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到 ANSYS 中， Pro/E 與 ANSYS 之間的接口技術(shù)常用的有以下兩種： Pro/E 與 ANSYS 集成接口 ANSYS在默認的情況下是不能直接對 Pro /E中的 prt(或 asm)文件進行直接轉(zhuǎn)換的 ,必須通過以下對 ANSYS 設(shè)置連接過程進行激活模塊 :鼠標(biāo)點擊“開始→程序→→ Utilities→ ANS_ADM IN” ,出現(xiàn)如下圖 的對話框 ,選擇 configuration options→ OK,接下來的對話框順序選取。 Configuration Connection for Pro/E→ OK，ANSYSMultiphysics amp。 WIN 32→ OK。 圖 設(shè)置 ANSYS 連接過程 完成后 ANSYS 提示已在自己的安裝目錄中成功生成 文件 ,然后將Pro/E 的安裝目錄填入如下對話框里如圖 ，單擊 OK 完成接口的創(chuàng)建。 34 圖 Pro/E 的起始安裝路徑 運行 Pro/E，工具菜單后面出現(xiàn)了 打開某零件三維模型圖，點擊ANSYSGeom 按鈕 (如下圖 所示 )，則模型自動導(dǎo)入到 ANSYS 中，此時 軟件自動打開，點擊 Plot 下的 Volume，則模型導(dǎo)入成功。 圖 導(dǎo)入界面 通過 IGES(*.igs)格式文件導(dǎo)入 首先，在 Pro/E 環(huán)境下建立好零件模型或者完成零部件的裝配，然后 ,選擇主菜單【文件】下的【保存副本】子菜單，彈出保存副本對話框后，文件類型選擇 IGES(*.igs),在【新名稱】框內(nèi)為模型輸入新名稱 ,點擊【確定】按鈕會彈出輸出 IGES 對話框 ,在輸出 IGES 對話框中可以設(shè)置輸出圖元的類型、參考坐標(biāo)系以及 IGES 文件結(jié)構(gòu)。輸出的圖元類型有 :線框邊、曲面、實體、殼、基準(zhǔn)曲線和點 ,缺省輸出圖元是曲面 , 缺省是輸出所有面組 ,點擊【面組 ...】選擇特定面組輸出?？梢赃x擇多種圖元類型進行輸出 , 但是不能同時輸出曲面和實體 或者曲面和殼。單擊【定制層 ...】按鈕設(shè)置各層的輸出特性。文件結(jié)構(gòu)類型有 :平整、一級、所有級別、所有零件，默認輸出為平整。平整 :將組件的所有幾何輸出到一個 IGES 文件。導(dǎo)入到另一個系統(tǒng)時 ,該組件就擔(dān)當(dāng)一個零件的角色。應(yīng)將每一個零件分別放到一個層上 ,以便在接受系統(tǒng)中能加以區(qū)別。一級 :輸出一個組件的 IGES 文件 ,該文件只包含頂級幾何 (如組件特征 )。所有級別：輸出一個組件的 IGES 文件。用它可創(chuàng)建帶有各自的幾何和外部參照的元件零件和子組件。該選項支持所有層次。所有零件：將一個組件作為多個文件輸出到 IGES，這些文 件中包含所有元件和組件特征的幾何信息。零件使用相同的參照坐標(biāo)系，使接受系統(tǒng)中的重新裝 35 配更加容易。本次技能訓(xùn)練選擇實體特征，然后點擊【確定】完成。 ANSYS 導(dǎo)入IGES(*.igs)文件的方法有兩種：一種是通過 ANSYS 軟件的用戶界面操作導(dǎo)入；一種是通過輸入命令導(dǎo)入。本次技能訓(xùn)練可采用第一種方法。通過用戶界面操作導(dǎo)入 IGES的步驟是：選擇主菜單【 File】下的子菜單【 Import】的次級子菜單【 IGES...】 ,彈出導(dǎo)入 IGES 屬性設(shè)置對話框 ,在導(dǎo)入 IGES 屬性設(shè)置對話框中可以設(shè)置：是否導(dǎo)入所有數(shù)據(jù)，是否合并 圖元，是否創(chuàng)建實體，是否刪除小面。點擊【 OK】按鈕彈出文件路徑選擇對話框 ,在文件路徑選擇對話框中選擇好所需精度，輸入 IGES 文件路徑后 ,點擊【 OK】按鈕完成 IGES 文件導(dǎo)入。 設(shè)置內(nèi)存與選求解器 正確設(shè)置內(nèi)存分配 。 操作 如下 ： （ 1） 點擊任務(wù)欄開始菜單。 圖 左下角開始菜單 （ 2） 點擊 configure ANSYS products. 圖 設(shè)置過程截圖 （ 3） 進入設(shè)置界面。 36 圖 設(shè)置界面 正確選擇求解器 跟 SPARSE 和 FRONT 求解器相比，他要求較小的硬盤空間，對 于求解較大模型計算速度更快。對于板殼、 3D 模型，較大 2D 模型， P方法分析十分有效，對于其他問題如帶有對稱矩陣，稀松矩陣、正定、不定的非線性求解中， PCG 求解方法也是十分值得推薦的。 PCG 求解法要求的內(nèi)存至少是 JCG 的兩倍。僅對靜力分析、完全法瞬態(tài)分析， LANCZOS 擴展的模態(tài)分析有效， PCG 求解器可以有效的帶有約束方程的矩陣求解。 PCG 求解器可以處理有高級單元帶來的病態(tài)問題。病態(tài)可以有單元的大長寬比造成，也可以由單元的接觸屬性，彈塑性屬性等造成。 在本例的結(jié)構(gòu)靜力分析中采用的是 PCG 求解器。 操作步驟如 下： （ 1） 點擊 ANSYS 操作頁面左側(cè)菜單欄中的 solution。 圖 操作過程截圖 （ 2）點擊拓展菜單選項。 37 圖 操作過程截圖 （ 3）點擊圖示選項。 圖 操作過程截圖 （ 4） 打開求解器菜單選項。 38 圖 操作過程截圖 （ 5）打開求解器菜單選項，選擇 PCG 格式求解器。 圖 操作過程截圖 （ 6）點擊圖示選項。 圖 操作過程截圖 （ 7）點擊求解選擇項，并將劃條移到靠近速度一側(cè)，以提高求解速度。 39 圖 操作過程截圖 圖 操作過程截 圖 節(jié)油車車架的結(jié)構(gòu)靜力分析 ANSYS 參數(shù)的定義 三個 車架 的 材料 均 選用 6061T6 鋁合金。偏好選項中選中 Structual ，前處理器中設(shè)置 彈性模量的值為 pa91068? ，泊松比為 。 ANSYS 網(wǎng)格的劃分 方案一、二、 三 對應(yīng)的車架模型由于車架壁厚較薄，所以 均采用 2 級精度劃分 。 方案一網(wǎng)格劃分 前 后截圖。 40 圖 導(dǎo)入模型截圖 圖 網(wǎng)格劃分截圖 方案 二 網(wǎng)格劃分 前 后截圖。 圖 導(dǎo) 入模型 截圖 圖 網(wǎng)格劃分截圖 方案三網(wǎng)格劃分前 后截圖。 圖 導(dǎo)入模型 截圖 圖 網(wǎng)格劃分截圖 ANSYS 施加約束和載荷 受力分析 以節(jié)油車整體為研究對象，除了受到來自駕駛員、發(fā)動機、車架等的主動力（重 力）外，還受到來自地面的支反力作用。地面作用給節(jié)油車的支反力包括前橋支反力和后橋支反力，前橋支反力又包括左前橋支反力和右前橋支反力。 41 各力的大小及確定力作用 位置的根據(jù)是： 第一步 ，將前橋兩端投影為車架縱向?qū)ΨQ平面的一點，同理后橋兩端也投影為車架縱 向?qū)ΨQ平面的一點， 節(jié)油車整體的質(zhì)心位置設(shè)定為節(jié)油車重心位置，根據(jù)力學(xué)平衡方程式和對重心取矩的力矩式，求出前橋的總支反力和后橋的支反力； 第二步 ， 求得 車架前橋支反力 求得 等值的反作用力 后，根據(jù)該反作用力 與左前橋支反力、右前橋支反力的力學(xué)平衡方程式和力矩式，求得左前橋支反力和右前橋支反力，受力分析 截 圖如下： 圖 方案一 受力 截圖 圖 方案二受力 截圖 圖 方案三受力 截圖 施加約束載荷 分別對三個車架模型的前橋凸臺和后橋矩形管端面進行約束。在本設(shè)計中主要以純彎曲工況和 彎扭工況 來對節(jié) 油車車架進行分析、 比較。 純彎曲工況下是在前橋兩端施加全約束 ，后橋也施加全約束；彎扭工況下施加約束是在前橋左端施加全約束，前橋右端不施加約束，后橋施加全約束。 （ 1） 純彎曲工況下施加約束、載荷。 42 圖 方案一施加約束、載荷截圖 圖 方案二施加約束、載荷截圖 43 圖 方案三施加約束、載荷截圖 （ 2） 彎扭工況下施加約束和載荷。 圖 方案一施加約束、載荷截圖 44 圖 方案二施加約束、載荷截圖 圖 方案三施加約束、載荷截圖 45 ANSYS 車架的靜 力 分析 純彎曲工況下靜力分析截圖 圖 方案一的車架位移云圖 圖 方案一的車架應(yīng)力云圖 46 圖 方案二的車架位移云圖 圖 方案二的車架應(yīng)力云圖 47 圖 方案三的車架位移云圖 圖 方案三的車架應(yīng)力云圖 48 彎扭工況下靜力分析截圖 （ 1） 方案一 結(jié)構(gòu) 靜力分析 截圖 （圖 和圖 ） 圖 方案一的 車架位移云圖 圖 方案一的 車架應(yīng)力云圖 49 （ 2） 方案二 結(jié)構(gòu) 靜力分析 截圖 （圖 和圖 ）。 圖 方案二的 車架位移云圖 圖 方案二的 車架應(yīng)力云圖 50 （ 3） 方案三 結(jié)構(gòu) 靜力分析 截圖 （圖 和圖 ）。 圖 方案三的 車架位移云圖 圖 方案三的 車架應(yīng)力云圖 51 車架靜力分析的對比及階段性結(jié)論 通過 ANSYS 軟件對三個車架進行兩種工況下的 有限元結(jié)構(gòu)靜力分析， 發(fā)現(xiàn)純彎曲工況下車架車架變形不顯著，應(yīng)力均不大，而發(fā)現(xiàn)在彎扭工況下車架局部變形明顯，而且車架的應(yīng)力值也較大。 經(jīng)過綜合考慮，對 彎扭工況 的靜力 分析應(yīng)該作為 對 三個車架進行 比較和篩選 的依據(jù)。 故 得出以下結(jié)論： 表 三 種方案 彎扭工況下 的計算結(jié)果 方案 一 方案 二 方案 三 最大位移值 /mm 最大應(yīng)力值 /MPa 147 125 269 由表 1 可知 ， 方案三所對應(yīng)的 車架 的 應(yīng)力最大值為 269MPa， 大于所選材料 ——6061T6 鋁合金的 屈服極限 241MPa， 而且相對比較而言