【正文】 （45） 應(yīng)用UG軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行三維建模，通過(guò)UG軟件和ANSYS軟件的無(wú)縫連接將模型導(dǎo)入ANSYS中去，用ANSYS自帶的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)有限元模型添加載荷及約束，進(jìn)入求解器求解，在后處理模塊中檢查結(jié)果。節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力是與之相連的單元應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)位置的算數(shù)平均值。在有限元分析的過(guò)程中，靜力分析的控制方程為： {K}{U} = {F} (41)其中，{K}——結(jié)構(gòu)剛度矩陣{U}——位移向量{F}——載荷向量在用有限元法進(jìn)行機(jī)體結(jié)構(gòu)的靜力分析時(shí)，其基本原理是一樣的：用矩陣形式表示整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程，得 {K}{δ}={R} （42）其中，{K}——整個(gè)剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元?jiǎng)偠汝嚱M成{δ}——整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移陣列，由單元節(jié)點(diǎn)位移陣列組成{R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力陣列組成用式（42）求出節(jié)點(diǎn)位移{δ}，利用式（43）結(jié)合求得的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算出各個(gè)單元的力，并加以整理得出所要的結(jié)果。以此為依據(jù)，改變結(jié)構(gòu)的形狀尺寸或者改變材料的特性以調(diào)整質(zhì)量和剛度的分布，能夠使車(chē)架各部位的變形和受力情況盡可能的均衡。靜力分析所加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)定的慣性力和位移載荷等。 靜力分析基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)靜力分析是用來(lái)計(jì)算不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用在結(jié)構(gòu)或者部件上時(shí)引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。所以車(chē)架必須要有足夠大的強(qiáng)度和剛度來(lái)承受這些載荷，因此有必要對(duì)車(chē)架進(jìn)行必要的CAE分析。對(duì)車(chē)架各部分求和，使之成為一個(gè)整體，得到車(chē)架的三維實(shí)體模型，如圖314所示。而后輪的鋼板彈簧為非對(duì)稱放置，故后輪處吊耳不對(duì)稱，只能一一建模，但螺栓孔中心在同一水平面上。建立左側(cè)吊耳時(shí)，在其與車(chē)架連接的相應(yīng)位置創(chuàng)建所需基準(zhǔn)平面，繪制草圖，進(jìn)行拉伸。 圖38 草圖拉伸形成第五根梁 圖39 鋼板彈簧吊耳模型建立鋼板彈簧吊耳模型。其中，第三根及第四根梁為空心結(jié)構(gòu)，如圖37所示。以XY面為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，拉伸草圖形成變速箱梁，如圖36所示。如圖34所示。圖33 拉伸形成縱梁前后杠以右邊縱梁前端內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，將正方形草圖拉伸與縱梁等寬，并以YZ面為鏡像面，生成對(duì)稱體。通過(guò)對(duì)該車(chē)架的數(shù)據(jù)分析，在三維制圖軟件UG中建立了車(chē)架的三維實(shí)體模型，步驟如下：通過(guò)構(gòu)建基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建草圖，草圖拉伸，建立車(chē)架左側(cè)縱梁，并以YZ面為鏡像平面，做出右側(cè)縱梁，如圖31，32所示。構(gòu)件上還有些過(guò)渡圓角，和小孔一樣，對(duì)計(jì)算分析產(chǎn)生的影響較小，故將其忽略。（2）結(jié)構(gòu)中不受力的結(jié)構(gòu)忽略不計(jì)。車(chē)架縱梁上有許多裝配用孔，雖然這些小幾何體對(duì)整個(gè)車(chē)架的強(qiáng)度和剛度的影響不大，但對(duì)接下來(lái)的車(chē)架分析計(jì)算很是不利。在能充分反映結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性的前提下，應(yīng)盡量使用較少的單元，選取簡(jiǎn)單的單元類(lèi)型，以便達(dá)到既合理又經(jīng)濟(jì)的目的。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化要遵循一定的原則：在保證能夠充分反映實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下做些必要的簡(jiǎn)化。模型化就是要確定節(jié)點(diǎn)，并選擇單元類(lèi)型，也就是將結(jié)構(gòu)離散化或者單元的劃分過(guò)程。第3章 車(chē)架的建模 汽車(chē)車(chē)架是一個(gè)復(fù)雜的空間的薄壁結(jié)構(gòu)，若要全部如實(shí)的考慮它的結(jié)構(gòu)是很困難的，因此，必須對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化[15]。通過(guò)友好的用戶界面，很容易就可以獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行顯示。（3）后處理模塊當(dāng)ANSYS完成計(jì)算后，可以通過(guò)后處理器來(lái)觀察結(jié)果。③ 指定載荷步載荷步選項(xiàng)是用來(lái)更改載荷步的，例如子步數(shù)、載荷步的結(jié)束時(shí)間以及輸出控制等。定義完分析類(lèi)型后，用戶可以根據(jù)分析類(lèi)型來(lái)定義分析選項(xiàng)。① 定義分析類(lèi)型和分析分析選項(xiàng)根據(jù)所施加的載荷條件和所要計(jì)算的響應(yīng)選擇分析類(lèi)型。包括4種劃分方法：自由網(wǎng)格劃分，映射網(wǎng)格劃分，延伸網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。②建立有限元模型ANSYS軟件提供了4種方法來(lái)建立有限元模型：直接建模，實(shí)體建模，導(dǎo)入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAD中創(chuàng)建實(shí)體模型，導(dǎo)入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAD中創(chuàng)建的有限元模型。建立有限元模型或是對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，必須先定義相應(yīng)的單元類(lèi)型，而單元實(shí)常數(shù)的確定也依賴于單元類(lèi)型的特性。①參數(shù)定義ANSYS軟件在建立有限元模型的過(guò)程中，首先需要進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)定義，主要包括定義單位制、定義單元類(lèi)型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料模型和材料特性參數(shù)、定義幾何參數(shù)等。（1）前處理模塊單擊實(shí)用菜單中的“Preprocessor”,進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。求解模塊包含結(jié)構(gòu)分析（結(jié)構(gòu)線性分析、結(jié)構(gòu)非線性分析及結(jié)構(gòu)高度非線性分析）、熱分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析、壓電分析及多物理場(chǎng)的耦合分析，可以模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊可以將計(jì)算機(jī)結(jié)果用彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等方式顯示，也可以將計(jì)算結(jié)果用圖表、曲線的形式顯示或輸出。 ANSYS的功能ANSYS軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。40年來(lái)，ANSYS公司一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開(kāi)發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方法，和計(jì)算技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的發(fā)展 [12] 。最初版本的ANSYS只能提供熱分析和線性分析的功能，是一個(gè)批處理程序，而且僅能在大型計(jì)算機(jī)上使用。目前，國(guó)內(nèi)的許多院校、研發(fā)部門(mén)都在使用該軟件。隨著UG版本的提高，軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大，復(fù)雜程度也隨之增加。（5）擁有強(qiáng)大的裝配功能，并且在裝配模塊中運(yùn)用了引用集的設(shè)計(jì)思想。（3）能夠管理CAD數(shù)據(jù)和整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期中所有的相關(guān)數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)逆向工程和并行工程等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。但UG提供了分析軟件NASTRAN 、ANSYS 、PATRAN接口，注塑模分析軟件MOLDFLOW、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)軟件IDAMS接口等，以便于對(duì)模型進(jìn)行分析。它采用的是基于約束的特征建模和傳統(tǒng)的幾何建模為一體的復(fù)合建模技術(shù)。它集成了美國(guó)航空航天、汽車(chē)工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，成為機(jī)械集成化CAD/CAE/CAM的主流軟件之一。從而形成了一個(gè)從低端到高端，既有Unix工作站版，也有Windows NT微機(jī)版的比較完善的企業(yè)級(jí)CAD/CAE/CAM/PDM集成系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)的通用汽車(chē)公司選擇UG作為全公司的CAD/CAM/CAE的主導(dǎo)系統(tǒng)，推動(dòng)了UG的發(fā)展。 UG發(fā)展綜述UG最早應(yīng)用在美國(guó)麥道飛機(jī)公司。第2章 軟件介紹 UG簡(jiǎn)介 UG(Unigraphics)是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAM/CAE與一身的三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)，也是如今世界廣泛使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析及制造軟件之一，被廣泛的應(yīng)用在汽車(chē)、飛機(jī)、機(jī)械、消費(fèi)產(chǎn)品、醫(yī)療器械、船只制造等行業(yè)，為制造行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程提供了解決方法[11]。通過(guò)本課題的研究，可達(dá)到如下目的：（1）學(xué)習(xí)UG，ANSYS軟件，建立車(chē)架結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型和有限元模型，為有限元技術(shù)在車(chē)架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文以6470型SUV車(chē)架作為研究對(duì)象，用UG軟件建立三維實(shí)體模型，通過(guò)UG軟件與ANSYS軟件之間的無(wú)縫連接，將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件，建立有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件強(qiáng)大的分析功能對(duì)車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)而校核該車(chē)架的強(qiáng)度和剛度。不僅減少了設(shè)計(jì)成本，縮短了設(shè)計(jì)和分析時(shí)間，產(chǎn)品和工程的可靠性也得到了提高，還能在制造產(chǎn)品前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛伏的問(wèn)題，進(jìn)行各種模擬試驗(yàn)，減少了試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，此外，還能進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。在汽車(chē)的設(shè)計(jì)和研究上，應(yīng)用有限元法可以對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、模態(tài)、振動(dòng)、碰撞等多方面的分析和優(yōu)化，為汽車(chē)的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、優(yōu)化提供了參考和指導(dǎo)。因而達(dá)不到車(chē)架優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。目前，車(chē)架設(shè)計(jì)一般分為兩種：一種是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法），另一種是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法（有限元分析計(jì)算法）。故而，車(chē)架的強(qiáng)度分析尤為重要，這不僅關(guān)系到車(chē)輛的正常行駛，還關(guān)系到整車(chē)的安全性能。汽車(chē)的任何設(shè)計(jì)都是以保證安全為前提條件的，所以，現(xiàn)代汽車(chē)的首要原則就是保證結(jié)構(gòu)性能的安全性。武漢理工大學(xué)的鄧亞?wèn)|教授對(duì)輕型載貨汽車(chē)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出優(yōu)化結(jié)果[8]；清華大學(xué)的扶原放老師對(duì)微型電動(dòng)車(chē)車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮了多種行駛狀況下的沖擊載荷對(duì)車(chē)架的作用，在這些沖擊破壞下對(duì)該車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)可靠性和有限元法對(duì)新設(shè)計(jì)車(chē)架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)等等[9]。而各大高校也都用有限元分析法對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化。到了九十年代，有限元分析法迅速的被應(yīng)用到實(shí)際汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)的分析中，國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)公司也正在逐步將有限元分析應(yīng)用到實(shí)際的汽車(chē)設(shè)計(jì)中。1977年，長(zhǎng)春汽車(chē)研究所的谷安濤和常國(guó)振發(fā)表的“汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)計(jì)算的有限元法”，是計(jì)算機(jī)輔助工程在我國(guó)汽車(chē)行業(yè)中的首次應(yīng)用，為有限元分析在我國(guó)的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ)[5]。它的內(nèi)容就是當(dāng)時(shí)被國(guó)際人士成為的有限元法。而隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)分析可以用來(lái)對(duì)車(chē)輛的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析。Colomina等人利用有限元法建立了一個(gè)載貨汽車(chē)車(chē)架的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[4]。從70年代起，開(kāi)始對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，并取得了大量的研究成果。這是最早的車(chē)輛輕量化分析。國(guó)外十分重視有限元法對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，并且取得了大量的研究成果。在國(guó)外，有限元法很早就被運(yùn)用在汽車(chē)的結(jié)構(gòu)分析方面。其中，有限元方法已經(jīng)成為建立有限元模型、模擬車(chē)架的主要分析途徑，并慢慢走向成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，汽車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。此外，車(chē)身車(chē)架是一個(gè)十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，用經(jīng)典力學(xué)的方法不可能得到精確的解答，特別是在設(shè)計(jì)的初期不會(huì)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因?yàn)橛媒?jīng)典力學(xué)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，為了能夠計(jì)算，必須把模型構(gòu)造的非常簡(jiǎn)單。過(guò)去，國(guó)內(nèi)汽車(chē)設(shè)計(jì)的主要手段是用傳統(tǒng)的樣車(chē)和舊車(chē)型作參考的模式。邊梁式車(chē)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是便于安裝駕駛室、車(chē)廂和一些特種裝備和布置其他總成，有利于改裝變型車(chē)和發(fā)展多品種汽車(chē)。橫梁不僅用來(lái)保證車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，而且還可以支撐汽車(chē)上的主要部件?？v梁通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面形狀一般是槽鋼，有的也做成Z字形或箱型斷面。在汽車(chē)車(chē)架中，應(yīng)用最為廣泛的還是邊梁式車(chē)架。（4）車(chē)架的形狀應(yīng)盡可能的配合車(chē)身和各總成，以降低汽車(chē)的質(zhì)心，及獲得較大的前輪轉(zhuǎn)向角，能夠提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。因此，車(chē)架還應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠取Ｔ谄閸绮黄降牡缆飞闲旭倳r(shí)，車(chē)架在載荷的作用下可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和在縱向平面的彎