【正文】 架丌發(fā)、設(shè)計(jì)、 分析和制造的效能和車架的性能。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力 變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本 低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。 ②通過運(yùn)用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參 考 。 ④對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行初步探討，為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設(shè)計(jì)服務(wù) 。 目前，在進(jìn)行汽車車架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對車架進(jìn)行簡化的計(jì)算，或者由其它部門進(jìn)行有限元分析計(jì)算。為了促進(jìn)車架設(shè)計(jì)水平的提高，保證整車在市場上的競爭能力，必須將車架有限元分析技術(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來。 有限元法在 國內(nèi)外 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 研究現(xiàn)狀 在國外，從 60 年代起就開始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和 剛度的計(jì)算。當(dāng)前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已非常成熟，其工作重心已轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。 在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應(yīng)力分析時(shí)的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測手段。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很困難的事，同時(shí)有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。目前應(yīng)用于車架開發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強(qiáng)度分析 (應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì) )， NVH 分析 (各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等 )、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析等；建立在分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的種優(yōu)化方法 為車架設(shè)計(jì)提供了多種實(shí)用的 3 選擇方案，使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到優(yōu)化設(shè)計(jì)跨出了一大步?？偟目磥?，國外輕量化研究主要有以下幾個(gè)方面： (1)提出先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，發(fā)展先進(jìn)的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結(jié)構(gòu)； (2)將拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中； (3)提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進(jìn)入到結(jié)構(gòu)輕量化中； (4)利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量化結(jié)構(gòu)。目前，我國利用有限元法進(jìn)行汽車分析已發(fā)展到普遍應(yīng)用有限元法靜強(qiáng)度和有限元動態(tài)響應(yīng)分析及優(yōu)化分析階段。 2021 年 10 月李娜采用板殼單元對機(jī)車車頂結(jié)構(gòu)建立有限元模型，應(yīng)用自己編制的遺傳算 法程序，對形狀、加強(qiáng)筋的布置數(shù)量和位置以及截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，減輕重量 。為了解決在刪除無效材料時(shí)可能導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，基于圍繞結(jié)構(gòu)邊界和孔洞周圍附加人工材料單元的思想，提出了一種新的基于應(yīng)力及其靈敏度的優(yōu)化準(zhǔn)則。 2021 年6 月北京航空航天大學(xué)的張洪偉，張以都等人探討了基于動力特性靈敏度分析的動力修改技術(shù)。雖然前人在車架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究對靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)大都是分開進(jìn)行的，對其進(jìn)行 動力修改，提高其動力性能，單憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改動達(dá)到最佳的效果，因此有必要在靈敏度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體在車架結(jié)構(gòu)分析方面，車架的剛度分析對結(jié)構(gòu)分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。虛擬試驗(yàn)場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實(shí)用化階段，為車架的全面優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。與國外相比，國內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計(jì)過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設(shè)計(jì)過程中的分析規(guī)模較小， CAD／ CAE 一體化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段的應(yīng)用還不成熟以至于汽車生產(chǎn)廠家很少采用。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的 SAP、美國麻省理工學(xué)院研制的 ADINA、美國國家航空與航天局研制的 NASTRAN、德國斯圖加特大學(xué)宇航結(jié)構(gòu)靜力學(xué)研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)的 ANSYS 軟件等等。這些大型商業(yè)通用有限元分析軟件也像 CAD 設(shè)計(jì)軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實(shí)力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開發(fā)獨(dú)立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。 主要 研究 內(nèi)容 及技術(shù)路線 ANSYS 是大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。首先，對 ANSYS 進(jìn)行 了簡要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析做好準(zhǔn)備工作；其次，以 CA1040 輕 型貨車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，利用 ANSYS建立了車架結(jié)構(gòu)實(shí)體單元模型，對車架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性進(jìn)行深入研究，對車架進(jìn)行性能分析評價(jià)，最后以 車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，以車架總體積為設(shè)計(jì)目標(biāo)， 5 運(yùn)用 ANSYS 優(yōu)化模塊對車架結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行有益的嘗試。它 以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，又與經(jīng)典的彈性力學(xué)解析法不同。有限元單元的分割和節(jié)點(diǎn)的配置非常靈活，它可適應(yīng)于任意復(fù)雜的幾何形狀，處理不同的邊界條件。節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷，這樣就組成了有限單元集合體。最后把所有單元的這種特性關(guān)系集合起來，就可建立整個(gè)物體的平衡方程組。 而且，單元細(xì)化程度越高，所得的解越接近精確值。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來 。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣的材料由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。這時(shí)可以對單元中位移的分 布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù) 。此時(shí)應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元剛度矩陣，這是有限元基本步驟之一。但 是，對于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。 （ 3）單元組集 利用機(jī)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程 KQ F? （ ） 式中， K 是 整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣； Q 是節(jié)點(diǎn)位移列陣； F 是載荷列陣。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來選擇合適的計(jì)算方法。 ②唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型有限元分析軟件。 ④有強(qiáng)大的非線性分析功能。 8 ⑥支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)，以及所有平臺之間的并行計(jì)算。 ⑧多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù)。 ⑩良好的用戶開發(fā)環(huán)境，綜合應(yīng)用菜單、對話框、工具條、命令行輸入，圖形化輸出等多種方式，使應(yīng)用更加方便。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動器械等。 ①前處理模塊 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便 地構(gòu)造有限元模型。 1)實(shí)體建模 ANSYS 程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。 ANSYS 程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。 ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然 后依次是相關(guān)的線、面、體。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低 于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。 ③后處理模塊 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上 。 ANSYS 提供的分析類型 ANSYS 軟件提供的分析類型如下： ①結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 ③結(jié)構(gòu)非線性分析 10 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。 ④動力學(xué)分析 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動。 ⑤熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱分析還具有可以模擬材料固化和 熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱一結(jié)構(gòu)耦合分析能力。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。另外，還可以使用三維表面效 應(yīng)單元和熱一流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析。 本章小結(jié) 對有限元分析軟件 ANSYS 的發(fā)展過程、特點(diǎn)及功能進(jìn)行了簡要的概述，對 ANSYS用于有限元前后處理的特點(diǎn)、用戶界面及數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要的介紹，對 ANSYS的分析文件、常用基本單元、耦合與約束方程、連接關(guān)系的處理、 網(wǎng)格檢查以及求解 11 器等內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，為以后應(yīng)用該軟件做好了準(zhǔn)備。 ①使用 Pro／ E，首先應(yīng)從繪制平面草圖入手，因?yàn)閷?shí)體特征都是由平面草圖 通過各種命令，如旋轉(zhuǎn)、拉伸等生成的。開始作圖時(shí)，只需要大致的輪 廓尺寸，部需要精確控制草圖的每一個(gè)尺寸；修改草圖時(shí)，再輸入要求的控制尺 寸，系統(tǒng)就可以通過再生建立準(zhǔn)確的圖形。 ②建立幾何模型之前，要觀察結(jié)構(gòu)的主要特征是什么，確定從哪里開始建模。 ③基準(zhǔn)是完成特征的第一步。實(shí)體建模，首先需要考慮是采用系統(tǒng)默認(rèn)的基準(zhǔn)，還是采用白定義的基準(zhǔn)，很多部規(guī)則的實(shí)體特征都是在自定義的參考基準(zhǔn)上生成的。通常創(chuàng)建一個(gè)新特征的時(shí)候，不可避免要參考已有的特征，如選取已有的表面作為繪圖平面或參考面，選取已有的特征邊線為參考線等，此時(shí)便形成特征之間的父子關(guān)系。 Pro／ E提供的是一種全參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，最大優(yōu)點(diǎn)就是可以對模型的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，并重新自動生成模型。發(fā)生這種情況，要通過重新排序或重新規(guī)劃特征的方式修改父特征或子特征，以使兩者對應(yīng)，但一般應(yīng)盡量避免發(fā)生這種情況。由于交叉復(fù)雜，需要注意調(diào)整圓角建立的先后順序，或者使用高級圓角命令。 ⑥幾何建模時(shí)，應(yīng)盡可能用較少的 特征完成模型創(chuàng)建，可以考慮的幾種方法 是： 13 1)創(chuàng)建相對較為復(fù)雜的草繪圖形，將多