【正文】 制造更新快、性能價 格比高，促使許多國家和企業(yè)都把發(fā)展 CAD／ CAE／ CAM技術(shù)作為制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。隨著企業(yè) CAD應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖板，企業(yè)的繪圖和造型技術(shù)水平得到了提高，但是包括產(chǎn)品性能設(shè)計分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的 CAE技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段。因此在成功應(yīng)用 CAD后，利用 CAE技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的動靜態(tài)性能的分析驗證、 調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，已成為企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。 本次分析將把有限元 CAE的技術(shù)充分的應(yīng)用到汽車千斤頂?shù)难芯可厦妫?隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車隨車千斤頂?shù)囊笠苍絹碓礁?；同時隨著市場競爭的加劇，用戶要求的不斷變化，將迫使千斤頂?shù)脑O(shè)計質(zhì)量要不斷提高，以適應(yīng)用戶的需求。如何在知識經(jīng) 濟(jì)的時代充分利用各種有利因素，對資源進(jìn)行有效整合等 ， 都將是我們面臨著又必須解決的重要的問題。尤其是當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的日新月異為千斤頂設(shè)計質(zhì)量的進(jìn)一步完善和提高，甚至突破提供了有力的支持。在設(shè)計過程中，為了使設(shè)計更直觀、更方便，不僅可以使用AutoCAD技術(shù)輔助進(jìn)行設(shè)計，還可以結(jié)合功能強(qiáng)大的三維造型軟件 Pro／ ENGNEER以及 UG軟件 來進(jìn) 行實體建模和分析；而針對千斤頂設(shè)計過程中所需要進(jìn)行的各種計算，可以考慮將有限元分析方法應(yīng)用到其元件和系統(tǒng)中；將系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和價值分析等現(xiàn)代設(shè)計方法運用到千斤頂?shù)拈_發(fā)當(dāng)中，也是今后在千斤頂?shù)脑O(shè)計中必須考慮的問題。 江蘇通潤機(jī)電集團(tuán)是中國最大的千斤頂生產(chǎn)商，產(chǎn)品品種規(guī)格繁多、生產(chǎn)批量大。同時， 由于千斤頂結(jié)構(gòu)的特點和市場激烈的競爭，使千斤頂?shù)牟牧铣杀驹诋a(chǎn)品的制造成本中占有很大比重 。由于汽車千斤頂作為其中的一個零部件需要參與汽車商的全球協(xié)同開發(fā)，要求縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少實物樣品試驗。在千斤頂?shù)脑O(shè)計開發(fā)流程中，國外企業(yè)已較早引入 CAE技術(shù)，并獲得了很多成功的經(jīng)驗。而國內(nèi)企業(yè)起步較晚，通潤汽車零部件公司已能采用三維CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行千斤頂?shù)脑O(shè)計與制造，但對 CAE技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段。將以為 GM OEM生產(chǎn)的 small型號剪式千斤頂為研究對象，考慮材料非線性后對應(yīng)力應(yīng)變的影響及非線性材料模型的構(gòu)建，建立一個上支臂加載的非線性計算模型，在分析 66%頂起高度的額度載荷作用下上支臂的應(yīng)力和變形情況后，對上支臂的承載能力進(jìn)行 評估，為產(chǎn)品的設(shè)計和試驗提供依據(jù)和指導(dǎo)。 1943年 R． Courant首先提出離散化概念 —— 將一個原來連續(xù)的整體剖分 (離散 )成為有限個分段連續(xù)單元的組合，并第一次嘗試應(yīng)用三角形單元的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合來求解捉轉(zhuǎn)問題。 1960年 R． W． Clough 首次提出“有限元”這個名詞，有限元法作為 一種 數(shù)值分析方法正式出現(xiàn)于工程技術(shù)領(lǐng)域。從 1968年開始，很多關(guān)于有限元法的數(shù)學(xué)文獻(xiàn)相繼發(fā)表，論證有限元法的基本理論是逼近論，是偏微分方程及其變分形式和泛函分析的結(jié)合，并致力于估計各種單元類型離散化的誤差、收斂速度和穩(wěn)定性。 國際上早在 20世紀(jì) 60年代初就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序。 70到 80年代是有限元分析軟件蓬勃發(fā)展的時期，美國的 ANSYS、 ABAQUS、 ADINA、 IDEAS、LS． DYNA、 MARC、 SAP，德國的 ASKA、英國的 PAFEC、法國的 SYSTUS等軟件不斷推出功能強(qiáng)大的新版本。 90年代后有限元分析軟件發(fā)展更加成熟，在單元類型、非線性分析、場分析、優(yōu)化設(shè)計和數(shù)值方法等方面有很大改進(jìn)和增強(qiáng)外，前后置處理功能更加強(qiáng)大和方便，具備良好的用戶開發(fā)環(huán)境，同時還提供與 CAD軟件 (如 Pro/E、 UG等 )的接口，將 CAD模型自動轉(zhuǎn)換為適于有限元分析的模型。 1981年 ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進(jìn)，一時間許多一直無法解決的工程難題都迎 刃而解了。很多企業(yè)和科研院所及高校開始引進(jìn)國外商品化軟件或者自行開發(fā)專用軟件，獲得了巨大經(jīng)濟(jì)和社會效益。 早期的最優(yōu)化方法可追溯到古典微分法和變分法，五、六十年代發(fā)展起來的計算機(jī)及計算技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展提供了有利的手段和理論基礎(chǔ)。有限元分析作為一種有效的力學(xué)分析手段，其結(jié)果中的結(jié)構(gòu)在外載荷下的力學(xué)響應(yīng)量及其對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)都是結(jié)構(gòu)優(yōu)化必不可少的信息。使結(jié)構(gòu)設(shè)計由消極的校驗設(shè)計變?yōu)橹鲃拥母纳圃O(shè)計，即可以根據(jù)結(jié)構(gòu)使用和運行的要求，按照力學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型，將有限元分析技術(shù)與優(yōu)化搜索技術(shù)結(jié)合起來，自動地設(shè)計出滿足各種給定要求的最佳結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等，可使得結(jié)構(gòu)設(shè) 計快速而較精確，從而大大縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品和性能。它是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS公司開發(fā)。它己廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車交通、軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、石油化工、輕工、造船、能源、航空航天等等眾多工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究當(dāng)中。通過對分析對象劃分網(wǎng)格，求解有限個數(shù)值來逼近和模擬真實環(huán)境的無限個未知量 。軟件能自動地劃分大部分有限元網(wǎng)格，但必須提供相應(yīng)的指導(dǎo)，例如：單元類型和單元密度。在進(jìn)行下一步操作前，必須檢查輸入數(shù)據(jù)的正確性 。如果性能 10 依賴于時間或者是非線性問題，另外進(jìn)行具體的計算。除了分析者 需要告訴軟件列出或顯示那些變量外，這一步操作也是自動的。 在采用有限元法 (線彈性 )對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算時，通常采用如下步驟： （ 1） 結(jié)構(gòu)離散化 結(jié)構(gòu)離散化是把實際結(jié)構(gòu)劃分為有限個單元的集合體，相鄰單元之間只在節(jié)點處互相連接在一起，傳遞力和位移，使力學(xué)模型變成離散模型。常用的有桿單元、梁單元、板殼單元、體單元等等。通常在應(yīng)力集中的部位以及應(yīng)力變化比較劇烈的地方，單元宜劃分的密一些，單元的大小要逐步過渡。 （ 3） 整體分析 整體分析是將原結(jié)構(gòu)作為由有限個單元組成的離散結(jié)構(gòu)來分析，即將各單元的節(jié)點力向量和節(jié)點位移向量疊加到整個連續(xù)體上。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，某節(jié)點的位移對于共有該節(jié)點的相鄰單元來說是相同的，結(jié)構(gòu)的節(jié)點平衡條件是外界作用在各個節(jié)點上 的力和力矩等于各個單元在這些節(jié)點上的力和力矩之和 （ 1）非線性求解的類型 材料非線性問題的起因在于結(jié)構(gòu)材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，即用來描述材料物理性質(zhì)的理論及數(shù)學(xué)公式是非線性的。本課題中結(jié)構(gòu)僅在局部進(jìn)入塑性，其它大部分區(qū)域仍保持彈性，屬于彈塑性小變形問題。 ? 接觸非線性： 在這種情況下，來年各個相鄰部分之間的間隙可能張開或閉合，兩部分之間的接觸面積隨著接觸力的變化而變化，或者在兩個相互滑動的接觸面上存在著摩擦力。載荷也可能在變形增大的情況下改變方向，就像壓力使薄膜膨脹一樣。例如在結(jié)構(gòu)的形狀有不連續(xù)變化的部位存在應(yīng)力集中，當(dāng)外載荷達(dá)到一定數(shù)值時該部位首先進(jìn)入塑性，這時該部位線彈性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再適用；又如長期處于高溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，將發(fā)生蠕變變形，即在載荷或應(yīng)力保持不變的情況下，變形或應(yīng)變?nèi)噪S著時間增長，這也不是線彈性物理方程所能描述的。工程中還存在另一類的幾何非線性問題。由于本課題的分析對象屬于彈塑性小變形問題，所以對幾何非線性問題不作具體討論。 相對于線性分析，只有在試圖去解決它的時候非線性問題的本質(zhì)才會變得更加清晰。試圖一次性地去解決非線性問題很可能失敗，產(chǎn)生混亂和挫折感。因為 線性分析可以發(fā)現(xiàn)影響非線性分析的錯誤，并且可以檢測出初始離散化充分程度。 12 一旦通過初步試算，應(yīng)該對剩余的分析內(nèi)容如每個階段做什么和為什么做訂出計劃。軟件發(fā)出的通報和警告應(yīng)該認(rèn)真地采納和理解。 非線性有限元法是在線性有限元法的基礎(chǔ)上， 作為計算非線性結(jié)構(gòu)問題的一種有效的數(shù)值方法提出來的。彈塑性有限元法中由于材料的本構(gòu)關(guān)系的非線性導(dǎo)致整體剛度方程的非線性。通常在彈塑性有限元分析中將載荷分成若干個增量，然后對每一載荷增量將非線性整體剛度方程線性化，從而將彈塑性分析分解為一系列容易求解的線性彈性問題。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到彈性極限后，出現(xiàn)一段應(yīng)力不變而應(yīng)變增長的屈服流動階段。 圖 31簡單拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線 13 在應(yīng)力超過 s? 以后，應(yīng)力與應(yīng)變之間為非線性關(guān)系。過屈服階段后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的應(yīng)變強(qiáng)化。 于是，上述的單向應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可記為 ： ?? E? （ s??? ；式中， E為彈性模量。） (22) 此時，應(yīng)力與應(yīng)變之間為非線性關(guān)系： )(???? （ s??? ；式中， 為 ? 總應(yīng)變。 若在某應(yīng)力 )( SBB ??? ? 下卸載，則有 : ?? dEd ? (24) 即卸載過程應(yīng)力的改 變量與應(yīng)變的改變量之間存在著線性關(guān)系，如圖 2． 2所示。又重新加載，則有 ： ?? Edd ? （ B??? ） (25) 與式（ 21）相比較， B? 相當(dāng)于新的屈服應(yīng)力 (又稱后繼屈服應(yīng)力或當(dāng)前屈服應(yīng) 力 )。如果 SB ??? ，則材料稱為理想彈塑性或完全塑性。屈 服階段中應(yīng)力一應(yīng)變曲線是水平的，卸載后重新加載沒有強(qiáng)化現(xiàn)象，如圖 33a 所示。 (3)冪次模型除了用折線逼近實驗所得應(yīng)力一應(yīng)變曲線外，還可視具體情況采用冪次逼近，如圖 33c所示，即 : ??? sinnA? （ 27） 式中， A和 n為材料常數(shù)， n又稱為強(qiáng)化系數(shù)。這種模型在 S??? 段的近似性較好，且在數(shù)學(xué)處理上比較方便。 15 第四章 剪式千斤頂?shù)氖芰Ψ治鲇杏邢拊? 剪式千斤頂 是一種用于在車庫內(nèi)進(jìn)行車輛檢修、拆換輪胎等作業(yè)的輕小行起重機(jī) 械，如圖 41所示 ，它主要由頂板、兩個上支臂、兩個下肢臂、兩個上銷、兩個下銷、底座和螺旋