【正文】 應(yīng)用己經(jīng)從彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到了空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題；從靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到了塑性、粘性、粘塑性和復(fù)合材料問(wèn)題等。實(shí)際上，有限元法發(fā)展到了今天，已發(fā)展的較為完善，它已經(jīng)被認(rèn)為是工程分析中最強(qiáng)有力而又最通用的計(jì)算方法，其應(yīng)用范圍很廣，并且由于實(shí)踐性強(qiáng)而具有強(qiáng)大的生命力。有限元分析法在汽車中的應(yīng)用非常廣泛，概括起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算；結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析；汽車整車性能分析；傳熱分析；汽車動(dòng)力學(xué)分析；汽車結(jié)構(gòu)噪聲分析；汽車被動(dòng)安全分析等。車架是汽車的承載體，不僅承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)和牽引貨物的質(zhì)量，而且還要承受汽車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。對(duì)車架設(shè)計(jì)的要求是:在保證足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性下，盡可能達(dá)到質(zhì)量輕、形狀合理，并最大限度地減緩過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中。Ao, Kazuo等人對(duì)利用有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。早期的車架有限元模型多把車架簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，但對(duì)于一些低合金鋼板沖壓成型或槽鋼，工字鋼等制作的車架，這種模擬方法存在許多不足之處，無(wú)法反映車架縱梁和橫梁的連接情況，難以準(zhǔn)確計(jì)算車架構(gòu)建結(jié)合部的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果只是各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況，且計(jì)算精度較低。板殼單元模型適用于對(duì)車架分析精度要求較高的場(chǎng)合，采用板殼單元建立的車架有限元模型板殼之間的焊接及螺栓連接的模擬形式對(duì)于汽車車架結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果有較大的影響，如何處理焊點(diǎn)模擬與螺栓連接是很關(guān)鍵的問(wèn)題。汽車車架是汽車結(jié)構(gòu)件中結(jié)構(gòu)與載荷都很復(fù)雜的重要部件，也是人們首先開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的對(duì)象。各梁所采用的截面形狀和尺寸；縱、橫梁聯(lián)接接頭的型式等等。河北工學(xué)院的馮國(guó)勝曾經(jīng)在有限元分析的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合形法和懲罰函數(shù)法對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)例優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量也只涉及到了截面的參數(shù)，并未考慮到同樣比較重要的布置參數(shù)。為此，車架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車行駛過(guò)程中保持不變并使車身的變形最小。車架剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也使汽車的乘座舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降?？紤]到客車在國(guó)內(nèi)的具體使用情況在可能的情況下，車架的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮易于吸收撞擊的結(jié)構(gòu)[22]。本課題就是有限元分析方法在汽車車架改進(jìn)設(shè)計(jì)方面的具體應(yīng)用，主要目的就是掌握UG繪圖軟件的使用，并對(duì)該車車架進(jìn)行抗彎靜載強(qiáng)度測(cè)試，以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正有限元計(jì)算模型。UG軟件建立車架的幾何模型，并且針對(duì)于該車車架，、模態(tài)分析。2 有限元的基本理論有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，它在 50 年代初期隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已越來(lái)越適應(yīng)不了發(fā)展的需要?？梢哉J(rèn)為有限元計(jì)算是利用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。國(guó)外機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)已進(jìn)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及自動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)代，目前它正以有限元—優(yōu)化設(shè)計(jì)為中心不斷地向前發(fā)展。人們知道，直接從一個(gè)微分方程推導(dǎo)出它的泛函，常常是很復(fù)雜的，有時(shí)甚至是不可能的，所以在求泛函時(shí)常借助于所研究問(wèn)題的物理特性。從物理或幾何概念來(lái)說(shuō)，有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種計(jì)算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用，其基本思路是將彈性連續(xù)體劃分成有限數(shù)量的小單元體，它們?cè)谟邢薅鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)上相互連結(jié)。2．1 有限元法分析過(guò)程有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地將其描繪為:“有限元法=RayleighRitz法+分片函數(shù)”，即有限元法是RayleighRitz法的一種局部化情況。對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。第二步:求解域離散化將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。第三步:確定狀態(tài)變量及控制方法一個(gè)具體的物理問(wèn)題通?？梢杂靡唤M包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。總裝是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)(可能的話)連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分。前處理是對(duì)計(jì)算對(duì)象網(wǎng)格劃分、形成計(jì)算模型的過(guò)程。許多商用有限元軟件不僅提供了與主流CAD系統(tǒng)的接口，自己本身也又很好的實(shí)體建模性能，有限元軟件都提供了一種以上的網(wǎng)格劃分方法，以供使用者根據(jù)計(jì)算要求進(jìn)行選擇。由于商用軟件已經(jīng)針對(duì)多種模型進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證運(yùn)算，因此只需要按照提示輸入各種條件，包括收斂的方法(在軟件中，這常被稱為求解器)等，計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。3 建模和有限元軟件的選擇在本文的研究中，使用的是目前國(guó)際上最為通用的商用繪圖軟件Unigraphics Solutions(簡(jiǎn)稱UGS)繪圖軟件和UGS的內(nèi)部高級(jí)仿真模塊NX. Nastran.3．1 UG的CAD功能簡(jiǎn)介本課題應(yīng)用的是Unigraphics Solutions(簡(jiǎn)稱UGS)繪圖軟件和 The Corporation(簡(jiǎn)稱 MSC)有限元分析軟件。UG軟件在航空航天，汽車、通用機(jī)械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)和模具加工自動(dòng)化的市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。UGS公司的產(chǎn)品同時(shí)還遍布通用機(jī)械、醫(yī)療器械、電子、高技術(shù)以及日用消費(fèi)品等行業(yè)，如3M, WillPemco, Biomes. Zirnmer、飛利浦公司、吉列公司、Timex, Eureka和Arctic Cat}等。2000年來(lái)UGS公司在中國(guó)的用戶已超過(guò)800家，裝機(jī)量達(dá)到3500多臺(tái)?？梢韵嘈牛SCAD系統(tǒng)必將逐步取代二維CAD系統(tǒng)而成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析的工具，掌握這一主流工具將迅速成為對(duì)工程設(shè)計(jì)人員的基本要求之一。創(chuàng)建實(shí)體(Solid )，曲面 (surface )、線框（Wireframe）及其于特征的參數(shù)化建模。u 實(shí)體操作1．利用實(shí)體體素∶塊，圓柱，圓錐，球；2．布爾操作∶求和，求差，求交； 3．顯示的面編輯命令∶移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，刪除，偏置，代替幾何體； 4．從拉伸和旋轉(zhuǎn)草圖外形生成實(shí)體； 5．為高級(jí)的相關(guān)定位的基準(zhǔn)平面和基準(zhǔn)軸。 u 特征編輯1．編輯和刪除特征∶參數(shù)化編輯和重定位； 2．特征抑制，特征重排序，特征插入。特征被參數(shù)化定義為基于尺寸和位置的尺寸驅(qū)動(dòng)編輯， 主要特征：1．面向工程的成形特征鍵槽，孔，凸墊，凸臺(tái)、腔捕捉設(shè)計(jì)意圖和增加生產(chǎn)率； 2．特征引用陣列矩形和圓形陣列在陣列中，個(gè)別的和所有特征是與主特征相關(guān)的。u 高級(jí)建模操作1．輪廓可以被掃描，拉伸或旋轉(zhuǎn)形成實(shí)體； 2．高級(jí)的挖空體命令在幾秒鐘內(nèi)使實(shí)體變成薄壁設(shè)計(jì)。u 自由形狀建模 UG/Freeform Modeling用于設(shè)計(jì)高級(jí)的自由形狀外形，或直接在實(shí)體上，或作為一獨(dú)立的片體，除了它們不必閉合空間體積外，類似于實(shí)體。許多自由形狀建模操作可以直接產(chǎn)生或修改實(shí)體。 1．自由形狀構(gòu)造功能強(qiáng)大的構(gòu)造方法組∶直紋，掃描，過(guò)曲線，網(wǎng)格曲面，點(diǎn)，偏置曲面；自由形狀可以定義以光順通過(guò)多于外形；定義外形尖形拐角并可以包含不同數(shù)量的曲線, 外形可以由線框, 實(shí)體邊緣, 或也可以是草圖, 結(jié)果是參數(shù)化的自由形狀；二次錐曲面與圓角；固定與可變半徑圓角曲面。3. 2 高級(jí)仿真模塊介紹高級(jí)仿真是一種綜合性的有限元建模和結(jié)果可視化的產(chǎn)品，旨在滿足資深分析員的需要。高級(jí)仿真提供對(duì)許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)解算器的無(wú)縫、透明支持，這樣的解算器包括 NX Nastran、MSC Nastran、ANSYS 和 ABAQUS。本軟件然后使用該解算器的術(shù)語(yǔ)或“語(yǔ)言”及分析類型來(lái)展示所有網(wǎng)格劃分、邊界條件和解法選項(xiàng)。高級(jí)仿真提供設(shè)計(jì)仿真中可用的所有功能，還支持高級(jí)分析流程的眾多其它功能。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還允許分析員輕松地共享 FE 數(shù)據(jù)，以執(zhí)行多種分析。本軟件旨在使用經(jīng)濟(jì)的單元計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生高質(zhì)量網(wǎng)格。另外，高級(jí)仿真使分析員能夠控制特定網(wǎng)格公差，這些公差控制著（例如）軟件如何對(duì)復(fù)雜幾何體（例如圓角）劃分網(wǎng)格。例如，分析員可以使用這些工具提高其網(wǎng)格的整體質(zhì)量，方法是消除有問(wèn)題的幾何體（例如微小的邊）。o NX 熱解算器是一種完全集成的有限偏差解算器。o NX 流解算器是一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）解算器。您可以使用 NX 熱和 NX 流一起執(zhí)行耦合熱/流分析。用戶引進(jìn)時(shí)可根據(jù)自身的經(jīng)費(fèi)狀況和功能需要靈活的選擇不同的模塊和不同的解題規(guī)模，以最小的經(jīng)濟(jì)投入取得最大效益。、加載方法、數(shù)據(jù)類型等功能做進(jìn)一步的介紹：靜力分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員使用最為頻繁的分析手段，主要用來(lái)求解結(jié)構(gòu)在與時(shí)間無(wú)關(guān)或時(shí)間作用效果可忽略的靜力載荷（如集中/分布靜力、溫度載荷、強(qiáng)制位移、慣性力等）作用下的響應(yīng)，并得出所需節(jié)點(diǎn)的位移、節(jié)力點(diǎn)、約束（反）力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力和應(yīng)變能等。包括：均質(zhì)各向同性材料，下交各向異性材料，各向異性材料，隨溫度變化的材料，方便的載荷與工況組合單元上的點(diǎn)、線和面載荷、熱載荷、強(qiáng)迫位移、各種載荷的加權(quán)組合，可把載荷直接施加于幾何體上。在靜力分析中除線性外，主要分為幾何非線性，材料非線性及考慮接觸狀態(tài)的非線性如塑性、蠕變、大變形、大應(yīng)變和接觸問(wèn)題等。線彈性屈曲分析又稱特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預(yù)載荷，也可以用慣性釋放；非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩(wěn)分析，彈塑性失穩(wěn)分析，非線性后屈曲（Snapthrough）分析。該方法較其它有限元軟件中所使用的限定載荷量級(jí)法具有更高的精確度和可靠性。結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析不同于靜力分析，常用來(lái)確定時(shí)變載荷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時(shí)還可以考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。針對(duì)于中小及超大型問(wèn)題不同的解題規(guī)模。