【正文】 lumes。 車架模型的建立 ① 利 用 Pro／ E 軟件，按照車架上各零件的實際尺寸繪制所有零件的三維實體幾何模型 。 建立車架的幾何模型時，根據車架的結構和工作特點，在保持其力學性能不 變的條件下，對車架結構進行簡化： ①將車架結構中的圓角簡化成直角，既有利于簡化建模，也有利于有限元模型建立過程中提取中截面，便于采用實體單元進行網格劃分； ②忽略車架上用于裝配的小孔．因為這些小孔僅僅影響車架的局部強度，而對網格質量影響卻較大； ③忽略縱粱上的所有小孔。另外，壓縮特征 ，可能會影響到靈敏度分析和優(yōu)化分析。 3)同樣的壓縮對不同的結構分析類型可能產生不同的影響 模態(tài)分析可以壓縮的特征，也許并不適用于強度分析。只能對修飾特征進行壓縮，修飾特征一般指圓角、棱角、小的槽、定位孔等。 Pro／ E 提供的壓縮 (Suppress)特征的功能，可以按照用戶要求屏蔽復雜結構的特征，輸出簡化的結構模 型。因為網格劃分過程中，諸如倒角和小孔等特征需要很多單元才能模擬。建立幾何模型，可以將結構中的圓角簡化 成直角，既有利于簡化建模，也有利于有限元模型建立過程中的網格劃分。為了滿足這兩個要求，在建立幾何模型前，就需要考慮實際結構該怎么簡化。 幾何建模的簡 化 有限元模型是在幾何模型基礎上建立的，因此，建立幾何模型時，既要考慮幾何模型建立的特點，也要考慮有限元模型建立的特點。 ⑦在 Pro／ E 中，可以利用 UDF(User Defined Family)Library 將幾個常用的特征組合到一起，作為自定義的特征，并建立數據庫。 2)在同一種特征創(chuàng)建過程中，選取不同的特征創(chuàng)建方法也可能會減少特征的數量。高級圓角命令的最大特點，是能控制多個圓角在相交處的相交狀況。 ⑤在一些相交邊界上設置倒圓角時，幾個圓角可能在某處相交。修改時，如果對某個父特征重新定義，就有可能導致子特征自動生成失敗。父特征修改直接影響到子特征，刪除或隱藏父特征，子特征也會一起被 刪除或隱藏。 ④ Pro／ E 是基于特征建模的，因此，父子特征的關系就顯得十分重要?；鶞拾ɑ?準面、基準軸、基準曲線、基準點、基準坐標系，其主要用途是為三維造型設計提供建模參考，也可以作為草繪圖和標注的參考。一般先做出主要特征，再做出局部的特征，也就是從整體到局部的建模思路。應用尺寸驅動原理繪制草圖，既方便，也節(jié)省時間，提高設計效率。 繪制平面草圖時，要注意應用尺寸驅動原理。 12 第 3章 車架有限元模型的建立 模型的建立原則 幾何建模的注意事項 為了達到事半功信的目的，使用 Pro／ E 建立幾何模型，特別應該注意建模步 驟與技巧?？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。 ⑨壓電分析 用于分析二維或三維結構對 AC(交流 )、 DC(直流 )或任意隨時問變化的電流或機械載荷的響應。 ⑧聲場分析 程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態(tài)特性。并且可以利用后處理功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。 ⑦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)。 ⑥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。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。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生的應力、應變和變形。 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。 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。 ②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。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 的結構分析文件 在建立一個分析任務時， ANSYS 自動創(chuàng)建大量文件，這些文件以任務名為文件名的基礎，通過對該任務名后添加字符或者使用不同的擴展名來識別不同類型的文 件。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。 ②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的相互作用，具有靈 敏度分析及優(yōu)化分 析能力。 ANSYS 程序的自由網格劃分器功能是十分強 大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。延伸網格劃分可 9 將一個二維網格延伸成一個三維網格。 2)網格劃分 ANSYS 程序提供了使用便捷、高質量的對 CAD 模型進行網格劃分的功能。附加的功能還包括圓弧構造、 切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相 交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的 布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數據集，從而“雕塑出”一個實體模型。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動 定義相關的面、線及關鍵點。 ANSYS 的前處理模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。 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。 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。 ⑨可與大多數 CAD 軟件集成并有接口。 ⑦支持異種、異構平臺的網絡浮動，在異種、異構平臺上用戶界面統(tǒng)一、數據文件全部兼容。 ⑤多種求解器分別適用于不同問題及不同的硬件配置。 ③唯一具有多物理場優(yōu)化功能的有限元分析軟 件。 ANSYS軟件的簡介 ANSYS 的主要特點 ANSYS 在有限元分析軟件中具有領先地位，主要是因為它具有下列特點： ①唯一能夠實現多場及多場耦合分析功能的軟件，可以進行結構、熱、流體流動、電磁等的單獨研究或者它們之間相互影響的研究。 （ 4）求解未知節(jié)點位移 解有限元方程式 （ ） 得出位移。因而這種作用在單元邊界上的表面力，體積力或集中力都需要等效地移動節(jié)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元 上的 力。 ○ 3 計算等效節(jié)點力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。 ○ 2 分析單元的力學性質 根據單元的材料性質、形狀、尺寸、節(jié)點數目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，這是單元分析中的關鍵一步。通常，有限元法中將位移表示為坐標變量的簡單函數。 7 當采用位移法時，物體或結構物體離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應變和應力等用節(jié)點位移來表示。 （ 2）單元特性分析 ○ 1 選擇未知量模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法；選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法；取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法。這樣，用有限單元分析 計算所獲得的結果只是近似的。 單元節(jié)點的設置、 數目等問題的性質， 由 計算精度而定（一般情況，單元劃分越細則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量越大）。 有限元法的基本思路 （ 1） 物體離散法 將某個工程結構離散為有各種連結單元組成的計算模型，這一步稱作單元剖分?？紤]邊界 條件后 利用計算機 解此方程組求得節(jié)點位移，并計算各單元應力。 在此基礎上，對每一單元假設一個簡單的位移函數來近似模擬其位移分布規(guī)律，通過虛位移原理求得每個單元的平衡方程，即是建立單元節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關系。單元有各種類型，包括線、面和實體或稱為一維、二維和三維等類型單元。有限單元法 將連續(xù)體理想化為有限個單元集合而成，這些單元僅在有限個節(jié)點上相連接，亦即用有限個單元的集合來代替原來具有無限個自由度的自由體。 技術路線如圖 所示 ： 圖 技術路線圖 6 第 2章 有限元結構的基礎理論 有限元法的基本理論 有限元法的基本概念 有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現代數值計算方法。本文將基于 ANSYS 建立車架結構的實體單元模型，對汽車車架結構進行靜力和動力分析的研究以及對車架進行尺寸優(yōu)化設計的研究。 綜合分析這些文獻可知，當前國內對于有限元法應用于車架結構分析的研究只是限于對車架或車架結構在靜態(tài)扭轉、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結構的靜態(tài)應力分布，并對其進行了局部的修改，由于軟硬件對計算模型規(guī)模的限制，模型的細化程度不夠，因而結構的剛度、強度分析的結構還比較粗略，計算結果多用來進行結構的方案比較，離虛擬試驗的要求還有相當大 的差距。這些通用程序的研制成功，大大簡化了結構分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法 即可。 同時，國內外不少公司、科研機構及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用性很強的大型有限元結構分 析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結構，如整架飛機或整個汽車的結構。國內目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結構等的改形設計方面，在產品設計階段引入有限元法對車架輕量化設計的研究很少。其中，車架剛度、強度分 析，碰撞模擬分析，空氣動力特性分析。從分析類 4 型上看，仍以車架結構靜態(tài)分析為主。 在國內，高等院校對基于結構優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結構設計數據庫和設計規(guī)范，有時只能按解剖進口車結構來進行參照性設計。建立了某農用車車架的參數化有限元模型，并對車架進行靈敏度分析，在分析結果的指導下，進行了車架的動力修改，取得了良好的效果，為農用車改型設計及推出新產品提供了思路和設計依據，為在工程實踐中應用結構動力修改和結構優(yōu)化設計理論作了有益的嘗試。 2021 年 4 月吉林大學的余傳文采用板殼單元對某重型載貨汽車車架結構建立有限元模型，并對車架結構的靜、動態(tài)特性分析的進行了研究，在建立簡單的車架梁單元優(yōu)化模型的基礎上，以車架縱梁截面尺寸為設計變量對車架進行優(yōu)化分析，從車 架體積和最大變形隨著迭代過程的變化曲線可以看到車架的自重明顯降低 Iz01。 2021 年 5 月杜海珍針對汽車典型結構拓撲優(yōu)化方法及應用進行了研究。2021 年馬迅、盛勇牛以車架的部分結構的截面尺寸為優(yōu)化變量，采用板殼和梁單元組合建立有限元模型，以車架變形和一階頻率為約束，在彎曲和扭轉工況取得了減重％的效果。 我國早在 1956 年就由我國著名的數 學家馮康教授在有限單元法的研究方面發(fā)表了研究論文，在研究變分問題的差分格式中，獨立的