【正文】 參考文獻(xiàn) 1. “Mechanics of HeavyDuty Trucks and Truck Combinations” ,UMTRI Course Notes, July, 1995. 2. Stasa, Frank L., “Applied Finite Element Analysis for Engineers”, CBS College Publishing, 1985. 3. Ottarsson, Gisli, “Modal Flexibility Method in ADAMS/FLEX”, Mechanical Dynamics, Inc., March, 1998. 4. “Using ADAMS/FLEX”, Mechanical Dynamics, Inc.,1997. 5. “ADAMS/Finite Element Analysis Reference Manual”, Mechanical Dynamics, Inc. , November 15,1994. 6. “Pro/MESH and Pro/FEM Post, User’s Guide”, Parametric Technology Corporation, 1997. 7. “ANSYS Structural Analysis Guide”, Analysis, Inc.,1994. 8. Gillespie, Thomas D., “Fundamentals of Vehicle Dynamics”, Society of Automotive Engineers, Inc.,1992. 9. Gobessi, Mark and Arnold, Wes, “The Application of Bonded Aluminum Sandwich Construction Technology to Achieve a Lightweight, Low Cost Automotive Structure”, SAE paper 982279. 9 1999013760 Application of Computer Aided Engineering in the Design of HeavyDuty Truck Frames Carlos Cosme, Amir Ghasemi and Jimmy Gandevia Western Star Trucks, Inc. Copyright 169。 致謝 我們要感謝西方 星卡車 的 管理團(tuán)隊(duì) ，他們?yōu)?CAE 技術(shù)的研究提供大力 支持。疲勞壽命輪廓可以被看作有限元模型 ，正如現(xiàn)在 強(qiáng)調(diào)輪廓。 新的 CAE 技術(shù)，如疲勞分析會被添加。 柔性使用模態(tài)綜合技術(shù)將被添加到其他結(jié)構(gòu)如駕駛室 /臥鋪和拖車。這將用于了解模擬的弱點(diǎn)，并調(diào) 整 模型的參數(shù)。雖然這個過程能 成功使用，在許多地方可以進(jìn)一步增強(qiáng)提出，將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)。該工藝充分利用了每個代碼的優(yōu)勢，創(chuàng)造高逼真度的環(huán)境 ， 其中微妙的設(shè)計(jì)變更影響卡車框架可以衡量車輛性能和耐久性的要求。 結(jié)論 在這份文件中提出 的項(xiàng)目的目的是制定一個過程，設(shè)計(jì)變更到卡車可快速評估框架，使得并發(fā)設(shè)計(jì)和分析成為可能。然后計(jì)算和比較以模態(tài)的卡車類似的測試數(shù)據(jù)配置。 但測試并沒有包含足夠的測量點(diǎn) 、 要清楚界定 模式形狀。 ADAMS模態(tài)頻率也符合良好的測試數(shù)據(jù)，并 為 確認(rèn)靈活的框架提供了一個準(zhǔn)確的代表性結(jié)構(gòu)。同一個 ANSYS有限元模型 ，在建成使用過程中 ， 將 所述以上特征值和特征向量的計(jì)算進(jìn)行比較。 因此，改變 的軌道幾何形狀或位置交叉成員可以迅速網(wǎng)狀和出口到 ANSYS。同時(shí)建立內(nèi)部的 Pro / ENGINEER環(huán)境網(wǎng)格有許多優(yōu)點(diǎn)。有限元網(wǎng)格是創(chuàng)建一個附加模塊為 Pro /ENGINEE。該方 法 在這里 一開始 就 采用 Pro / Engineer的實(shí)體模型 ，如圖 1所示。 ?刪除以前的剛體代表框架。 ?創(chuàng)建并連接 每個無質(zhì)量剛體節(jié)點(diǎn)力和約束應(yīng)用于彈性體。該過程開始于一個剛性 框架。另外，如果 現(xiàn)有的靈活的框架 ，需要 取代 新的 設(shè)計(jì)更改，更多的建模努力是必要的，潛在的引進(jìn)建模 錯誤是可能的 。 倒是 這些都必須先連接到無質(zhì)量剛體 ， 然后被鎖定在使用固定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，對自由度添加無質(zhì)量剛體。 雖然，這種方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，它仍然 需要 費(fèi)時(shí)實(shí)施。 ?模擬結(jié)果的可視化的改善，因?yàn)橛邢拊W(wǎng)格的存在，在環(huán)境中的 MSS 可用于觀看畫面變形動畫。 ?一個模擬模態(tài)參與，可跟蹤的應(yīng)變能的貢獻(xiàn)為基礎(chǔ)。 ?阻尼影像于一個模式的基礎(chǔ)。 ?線性 靈活的特點(diǎn)，框架模型更為確切，因?yàn)樗鼈兪腔谝粋€完整的有限元模型，而不是一個剛體集合和力量的元素。 ?每 個 彈性體模式可將 一個 自由度 仿真。在 MSS 的模型中 被表示為一個單一靈活的組織，并沒有大量的剛體。因此，很容易重復(fù)使用其他型號的 MSS。最后一組的方式寫入到一個模態(tài)中性文件 ，可讀取 ADAMS。為了計(jì)算模式，用戶選擇的節(jié)點(diǎn)代表接口點(diǎn) 在受力和限制進(jìn)入的框架，然后 運(yùn)行 宏，執(zhí)行適當(dāng)?shù)?ANSYS 命令。正交化后，修改設(shè)置存在的模式：正常模式，無約束 結(jié)構(gòu)（ 如類似的模式 在特征值計(jì)算的有限元分析運(yùn)行一個典型）和 界面的自由度。它標(biāo)識剛體模 6 式使它們很容易禁用。此外，約束模式可能包含高頻率，很難解決 。在這種形式下，克雷格 .班普頓模式不 適合集成理想的 多體方程。由于約束模式是靜態(tài)的形狀，其頻率的信息是未知的。 第一種 約束模式是計(jì)算每個 自由度 的 一個接 口點(diǎn)，它描述的靜態(tài)形狀 是對這種結(jié)構(gòu)的自由度 給出一個單位 偏斜度，同時(shí)保持所有 自由度 的 其他接口點(diǎn)固定。 這種方法的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是有約束和接口點(diǎn)力量應(yīng)用，并且每個接口點(diǎn)最多可以有六個自由度：三 個 平移和三個旋轉(zhuǎn)。因此，他們在計(jì)算上更有效率。它結(jié)合了正常模式與約束模式。 約束應(yīng)用到結(jié)構(gòu)。利用模態(tài)疊加，一個結(jié)構(gòu)變形可以說是由它的每一個貢獻(xiàn)模式。模態(tài)綜合技術(shù) 在有限元分析和 MSS 整合最新進(jìn)展克服了上述方法的困難。 在工作中 需要很大的努力來調(diào)整其屬性 ， 配合一些諸如靜撓度測試的參考，模態(tài)測試，或有限元模擬結(jié)果。上述所有方法很難用于 創(chuàng)建 一個 卡車 精 確靈活的車架 。雖然這 種 方法是在有限元解的基礎(chǔ)上，它仍然可以 實(shí)現(xiàn) 難以精確的結(jié)果。減少的模型是 檢查原 有限元模型，以確保重要動態(tài) 參數(shù)的捕獲。第三種方法是最準(zhǔn)確的 ，并且是 基于有限元的代表性框架。這是類似于套管的方法，但許多更為嚴(yán)格的機(jī)構(gòu) 通常使用，而且它們的連接用 的是 無質(zhì)量的梁單元的方程 5 （ Timoshenko 梁理論），更適合 貨車車架縱梁和交叉的橫梁。隨著可以預(yù)計(jì)，這種方法 使用起來很麻煩 ， 如果適當(dāng)調(diào)整，這將是唯一的能夠捕捉基本彎曲和扭轉(zhuǎn)的框架模式。 第一種方法車 架分為兩 種 更為嚴(yán)格的機(jī)構(gòu)或以剛性 元素連接在一起有套管式的車架：剛性 和三個阻尼方向。 CAE 解決方案的框架靈活性 前人技法 在過 去，一些技術(shù) 已經(jīng)使用捕捉畫面 靈活性 的 MSS 的模型 。在現(xiàn)實(shí)中，卡車車 架包含了大量的靈活性，會影響車輛性能及 穩(wěn)定?？傊?，該模型使用定制軟件程序與 含 代碼的 CAD 和 CAE， 評定一個定制環(huán)境耐用的重型卡車。該加載文件然后讀入 ANSYS 和應(yīng)用到有限元模型的車架。模擬運(yùn)行后， 受力 和扭矩作用在車 架上 的數(shù)據(jù) 寫入數(shù)據(jù)文件。自定義控制算法開發(fā)，以控制車輛行駛速度，轉(zhuǎn)向，傳動扭矩。 自定義 軟件程序 ，然后 翻譯成兩個文件 的 ADAMS 的網(wǎng)格 ，以確定輪胎 /路面 相互作用力，圖形 查看在后 面 處理 成 動畫。輪胎與路面接觸處理 內(nèi)置在 ADAMS 輪胎程序，包括處理模型和輪胎 耐用性 。使用這種 技術(shù)， 不同的 汽車型號， 通過改變 這個變量 前軸位置可快速 開發(fā) 。 由于重卡行業(yè)提供各種各樣的 車輛布局， 為便于進(jìn)行 修改參數(shù) ， 卡車的許多子系統(tǒng)的 被分開 。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和球形接頭是用來連接點(diǎn)模型， 如輪轂軸承和扭矩桿支點(diǎn) 。非線性單分力用于模擬空氣彈簧和減震器。對于許多質(zhì)量屬性 這些機(jī)構(gòu) 采用簡化的實(shí)體模型。圖二展示了 在 ADAMS 環(huán)境 下的模型 。為了充分了解車架影響汽車操縱的變化，滾動穩(wěn)定性，平順性和持久性 ，需要一個詳細(xì)的MSS 模型，可以模擬所有這些影響。 CAE 重型汽車建模 如上所述，在目前提供的 CAD 與 CAE 工具提 供了大量的整合。 CAE 技術(shù)在本文所討論的工具包括 基 與CAD 的 Pro / Engineer， ANSYS 進(jìn)行有限元分析，以及 基于 ADAMS 的 MSS。 CAD 實(shí)體模型數(shù)據(jù)也可以用來估計(jì) 每個剛體 的 位置 ， 質(zhì) 心 和慣性特性 。至于 有限元分析， CAD 數(shù)據(jù)經(jīng)常使用 MSS 的 發(fā)展模式。該方程 在數(shù)值上集成 剛體 3 位移，速度，加速度 和受力。一個典型的 完整的車型 MSS 將剛體組成（車輪，車軸，車架， 發(fā)動機(jī)，駕駛室 ）模擬成 關(guān)節(jié)連接和理想化力元。結(jié)果后處理包括圖像變形負(fù)載結(jié)構(gòu)，彩色應(yīng)力輪廓，振型動畫。其他投入，如邊界條件，載荷和材料特性，必須 是由用戶定義。他們定義的局部質(zhì)量，剛度和阻尼性能結(jié)構(gòu)。該網(wǎng) 格是由節(jié)點(diǎn)和元素 組成 ， 而且經(jīng)常 從 CAD 創(chuàng)建 幾何 系統(tǒng)。 典型的有限元分析 的重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)應(yīng)力，撓度和自然頻率。他們已經(jīng)發(fā)展成為主要的數(shù)據(jù)庫 ， 為 工程信息 尤其是 CAD 系統(tǒng)提供下游 CAE 應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)。它們使設(shè)計(jì)師和工程師能夠快速畫出卡車零部件，汽車真 實(shí)模型和設(shè)計(jì)圖紙。 當(dāng)今 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是使用兩個 CAE 工具：有限元 分析（ FEA）和多體系統(tǒng) （ MSS） ，結(jié)合 CAD 提高設(shè)計(jì)和分析 。 2 圖 1 重型載貨汽車車架 計(jì)算機(jī)輔助工程 在過去的二十年中 汽車自動化設(shè)計(jì)工具 CAE 得到了巨大的發(fā)展 。 例如， 如果橫梁的抗扭剛度降低，對汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性和耐久性的影響是怎么的呢 ？設(shè)計(jì) 工程師們需要對這些類型的問題給出 答案 以 指導(dǎo)他們的工 作。請參考圖 1 插圖 ， 一輛卡車的 車架 。而且 ，需要考慮各種因素： 重量， 復(fù)雜性和成本。典型的結(jié)構(gòu)框架是梯形框架，中間交叉 幾根橫梁 。本文概述了電腦輔助工程（ CAE）分析更改車架以及 這些變化會 如何 影響車輛性能。這一直是卡車制造商的主要挑戰(zhàn) ， 在不犧牲耐用性和性能 的前提下，尋找 好的 方式來優(yōu)化他們的 汽 車設(shè)計(jì)。一個 說明 這是 如何 已被使用的技術(shù) 詳細(xì)的個案研究 也包括在內(nèi)。之間的多體仿真鏈接與有限元程序也可以用來傳輸 、加載 應(yīng)力分析有限元模型。 特別是，本文集中論述了一個 ADAMS 多體動力學(xué)模型，一個完整的卡車 和拖車來模擬車輛的 側(cè)翻穩(wěn)定性，平順性，和耐久性載荷。目前的挑戰(zhàn) 是在不犧牲耐用性和性能降低的前提下滿足質(zhì)量和成本 。 1 應(yīng)用計(jì)算機(jī) 輔助工程設(shè)計(jì)重型卡車 車架 Carlos Cosme, Amir Ghasemi and Jimmy Gandevia Western Star Trucks, Inc. 摘要 ： 近年來，重型卡車市場變得非常的 注重 重量和降低成本。這 對設(shè)計(jì)工程師是重大挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些車輛被用在各種各樣的公路 環(huán)境，從高速公路到 嚴(yán)重 的 越野環(huán)境。本文論述了 運(yùn)用 計(jì)算機(jī)集成 、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和工程軟件代碼（ Pro / Engineer，ADAMS 軟件和 ANSYS）來輔助 設(shè) 計(jì)更改車架。該模型包括一個采用靈活的框架模型模態(tài)綜合模式 ， 探討了有限元分析程序。所有代碼之間緊密連結(jié)，確保新 的 設(shè)計(jì) 并行計(jì)算 可快速 用于設(shè)計(jì)和分析。 簡介 最近，重卡行業(yè)經(jīng)歷了 汽車 降低成本 和 重量 的大發(fā)展 。 由于車架是 車輛 系統(tǒng) 的重要組成部分，它經(jīng)常被用于完善。 重型卡車的車 架是該車輛的骨干 ， 上面 集成了主要的卡車組成系統(tǒng)，如車軸， 懸架 ，動力總成，駕駛室。 縱梁的斷面尺寸變化很大，根據(jù)在卡車上的受力 而定。這些變化將取決于橫梁 的作用 和位置。然而， 橫梁布置的變化帶來的影響還無法看出來 。特別是，及時(shí)的 設(shè)計(jì)和分析程序是必需的，這樣新 的 設(shè)計(jì)可以快速評估。這項(xiàng)技術(shù)的 已被很多汽車制造商采用以改善汽車設(shè)計(jì)來滿足快速增長的市場要求。 在過去十五年 里， CAD 系統(tǒng)已 取代 繪圖 板作為首選 設(shè)計(jì) 方法。先進(jìn)的 CAD系統(tǒng)功能豐富，如參數(shù)化實(shí)體建模和大型裝配管理。 工程師通常使用 有限元分析研究 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度。 首先對通常 被稱為網(wǎng)格 的 離散結(jié)構(gòu) 進(jìn)行分析 。這些節(jié)點(diǎn)代表 位移計(jì)算的 結(jié)構(gòu)。有關(guān)這些數(shù)量方程 ，可 以自動開發(fā) 節(jié)點(diǎn)位移。所有這些 效果 都需要小心的判斷和對有意義的結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真的分析 。 MSS 多體系統(tǒng)仿真方法研究了 運(yùn)動部件和組件，并經(jīng)常 用 來研究車輛暫停或車輛的操作 和 動態(tài) 響應(yīng)。 MSS 代碼自動發(fā)展非線性微分方程和代數(shù)方程定義模型中的物體運(yùn)動。結(jié)果以 圖形和動 畫 顯示該系統(tǒng)的運(yùn)動。 CAD 幾何數(shù)據(jù)是用于建立 MSS 的布局模式，如接頭和力量元素的位置。 作用在剛體 上的力 可以 用作 MSS 的輸入負(fù)載，有限元分析確定 該剛體 的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。下面的 討論引用的是某型卡車的車架有限元分析 。盡管如此，這些工具是非常 粗略的分析， 仍然需要 努力分析 重型 卡車和卡車 車架 。使用 ADAMS 軟件代碼， 建立了 WesterStar卡車的 模型 。