基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究

郑州轻工业学院郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 学生姓名 刘傲鹏 专业班级 机设 06-5 学 号 200602010524 院 （系） 机电工程学院 指导教师 李育文（教授） 完成时间 2010 年 5 月 20 日 郑州轻工业学院郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 题题 目目 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 专专 业业 机械设计制造及其自动化 班班 级级 机设 06-5 班 学学 号号 24 号 姓姓 名名 刘傲鹏 主要内容主要内容： 1. 测绘得到一部车架的尺寸，在此基础上使用 Pro/E 建模。 2. 将实体模型导入 ANSYS，建立车架有限元模型。 3. 通过对有限元模型的动静态分析，得出该车架的可靠性参数。 基本要求：基本要求： 建立正确的有限元模型对车架进行典型工况的静态和动态分析，并在此基础上 进行可靠性分析，得出车架的可靠性参数。 主要参考资料：主要参考资料： 1. 汽车可靠性工程基础 2. ANSYS10.0 有限元分析自学手册 3. ANSYS8.0 结构分析及实例解析 4. 汽车现代设计制造 完完 成成 期期 限：限：2010.3.12010.6.10 指指导导教教师师签签章章： 专业负责人签章：专业负责人签章： 20102010 年年 0303 月月 0101 日日 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 摘 要 本文以长春一汽轻型车厂生产的华凯牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型仓栅运输 车车架为研究对象，对其进行了静力和模态分析，在此基础上研究了车架的可靠性。 车架尺寸在河南名优汽配广场测得，一些重要参数通过网络查得。车架实体模型在 Pro/E 中装配，然后通过接口导入 ANSYS 中。 本文首先建立了以实体单元为基本单元的车架有限元模型，在此模型基础上进 行弯曲和弯扭联合工况分析，得到了车架各工况下的应力分布，然后对车架进行模 态分析，得到车架的各阶固有频率和固有振型，为以后的高级动应力分析做准备。 最后，根据这些计算结果，找出车架最容易破坏的地方，通过这一部分的可靠度研 究来分析整个车架的可靠性。 目前人们对使用这种方法进行的车架分析已有很多研究，但是对使用这种方法 进行车架分析的过程及一些注意问题研究的还很少，所以就会导致刚入门的一些工 程人员使用这种方法进行分析时走很多弯路，甚至得到的结果是错误的。 本文通过对车架有限元结构分析来讲述分析的过程及注意事项，为有限元分析 技术应用于车架设计提供了一种规范化的过程与步骤。 关键词 Pro/E；ANSYS；静力分析；模态分析；可靠性 Study on Reliability of Frame Based on ANSYS ABSTRACT In this paper, the static and modal of Changchun FAW Light Vehicle Production Huakai brand CA5160CLXYK28L5BE3A type truck frame is analyzed. Frame size is measured in Henan famous Auto Plaza, some important parameters through the network to look up. Frame solid model is assembled in Pro / E, and then imported into ANSYS. Frame FEM computation model taking solid as basic unit is established. Based on this model, firstly, static is analyzed and the stress distribution of frame under various static working condition is attained; secondly, modal analysis of frame is carried out and natural frequency and modes of this frame is received， the dynamic stress analysis of future high-level preparation. Finally, according to the results, identify the most easily damaged parts of the frame, and then to evaluate the reliability of this part of the reliability of the entire frame. Now people use this method of frame analysis has been a lot of research, however, the use of this method should be noted that very few people still study area, it will lead to a number of engineers has just started to use this method of analysis, taking many detours, and even the results obtained is wrong. Based on the frame finite element analysis to describe the process of analysis and attention are matters for the finite element analysis technology to provide a standardized frame design process and steps. Keywords Pro / E; ANSYS; static analysis; modal analysis; reliability 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 I 目 录 中文摘要 英文摘要 1 绪论1 1.1 课题的背景.1 1.2 论文选题的意义与目的.1 1.2.1 论文选题的意义.1 1.2.2 论文选题的目的.2 1.3 有限元法在车架结构设计中的应用现状及问题.2 1.3.1 车架结构设计与分析的概述.2 1.3.2 车架结构有限元模型的形式.2 1.3.3 有限元法在车架结构分析中存在的问题.3 1.4 本文的主要研究内容.3 2 ANSYS 软件的介绍4 2.1 ANSYS 的主要功能.4 2.2 ANSYS 提供的分析类型4 2.3 ANSYS 的典型分析步骤5 2.3.1 建立有限元模型.5 2.3.2 加载求解.6 2.3.3 查看求解结果.7 2.4 本章小结.7 3 车架实体模型的建立.8 3.1 车架总体介绍8 3.2 Pro/Engineer 基本功能.8 3.3 模型的简化.9 3.5 Pro/E 使用经验.13 3.6 本章小结.15 4 车架有限元模型的建立16 4.1 Pro/E 和 ANSYS 的连接.16 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 II 4.2 单位转换.17 4.2.1 单位转换的原因.17 4.2.2 单位制问题解决的办法.17 4.3 模型的导入.19 4.4 有限元模型的建立.19 4.5 Booleans 运算.22 4.5.1 未进行 Booleans 运算的分析结果22 4.5.2 Booleans 运算命令的选择25 4.6 干涉问题.25 4.6.1 装配体中有零件干涉将会出现的问题.26 4.6.2 装配体中零件间发生干涉后的解决方法.29 4.7 由于镜像命令而引起的模型损失问题.31 4.7.1 模型损失问题的描述.31 4.7.2 模型损失问题的解决办法.32 4.8 本章小结.32 5 车架静力分析.33 5.1车架结构有限元分析的类型33 5.2SOLID92 单元简介33 5.3 汽车弯曲工况的分析34 5.3.1 求解.34 5.3.2 后处理.38 5.4 汽车弯扭联合工况的分析.40 5.4.1 求解.40 5.4.2 后处理.42 5.5 车架 ANSYS 静力分析经验.43 5.5.1 对象选择问题.43 5.5.2 施加面力问题.44 5.5.3 重力的方向问题.44 5.5.4 划分网格问题.44 5.5.5 单独查看某个零件结果的难题.45 5.6 本章小结.46 6 车架模态分析.47 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 III 6.1 模态分析的理论基础47 6.2 车架模态分析的类型48 6.3 两种状态时的结果对比分析52 6.3.1 两种状态时的固有频率.52 6.3.2 两种状态下车架的前十阶振型对照图.53 6.4 模态分析中的约束问题.64 6.5 模态分析中要不要考虑重力65 6.7 本章小结.66 7 可靠性分析.67 7.1 可靠性概述.67 7.1.1 可靠性发展简史.67 7.1.2 现阶段可靠性工作的特点.67 7.1.3 国内可靠性研究现状.67 7.2 常规设计与可靠性设计.67 7.3 ANSYS 可靠性分析功能68 7.3.1 蒙特卡罗法.68 7.3.2 响应面法.69 7.3.3 可靠性分析一般步骤.70 7.4 车架可靠性.70 7.4.1 该分析的假设.70 7.4.2 变量的确定.70 7.4.3 纵梁可靠性分析过程.71 7.5 本章小节78 8 论文总结79 8.1 所做的工作.79 8.2 需要进一步改进的地方.79 致 谢80 参考文献.81 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 1 1 绪论 计算机的出现给社会带来了深刻的变革，同时也为工程结构的设计、制造提供 了强有力工具。汽车产业属于高科技产业，要设计生产出性能优越、安全可靠的汽 车，不应用计算机进行辅助设计分析是根本不可能实现的。因此，汽车的各个生产 设计部门都非常重视在设计制造过程中采用计算机技术。其中，用于结构设计中的 有限元法是近几十年发展起来的新的计算方法和技术，可以解决以往许多手工计算 无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益1。 1.1 课题的背景 当十八世纪即将卸下帷幕的时候，出现了一种当时人们都不屑的交通工具。可 是谁也没有想到它会发展的那么快，对现在人们的生活会有那么大的影响。这种交 通工具就是汽车。而当时人们最热衷的马车却早已不见踪影。 百年来的发展，现在的汽车已经超出了交通工具的范畴，正在朝着个性化的方 向发展。虽然如此，汽车的可靠性还是不容忽视的，如最近丰田汽车（Toyota）发 生的因制动脚踏板、电子制动主动系统所引发的召回门事件，在常人看来，一方面 是由于“丰田”的扩张过快，所造成了企业在发展的速度上无暇顾及发展过后的稳 妥质量把握问题；另一方面“丰田”的控制成本让世界感到惊讶。所以，在“丰田” 汽车质量问题在北美东窗事发之际，汽车的可靠性，俨然已经成为令人注目的大问 题。 现代企业为了发展，在产品的开发设计上就必须短开发周期，进而降低开发成 本，而利用有限元软件对产品进行分析正好满足企业的要求。特别是诞生于七十年 代的 ANSYS 软件，由于其出色的功能和几乎完美的计算而席卷了有限元大半个市 场。车架是汽车各总成的安装基体，它的功能是将发动机、底盘、车身等总成连成 一辆完整的汽车。在行驶中，它不但要承受汽车各总成的质量和有效载荷，而且还 要承受行驶时所产生的各种静载荷和动载荷2。由于现在汽车不断向着高速化发展， 为了保证安全行驶，所以车架设计的可靠性就显得非常重要了。利用 ANSYS 软件 对汽车车架进行可靠性分析，可以在设计阶段判断车架的寿命薄弱位置，通过修改 设计可以预先避免不合理的强度刚度分布。因此，它能够减少试验样机的数量，缩 短产品的开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力。 因此，正是基于以上情况，我选择了课题基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分 析研究作为自己的毕业设计。希望我的工作对今后使用 ANSYS 分析汽车车架可 靠性并由此而进行的车架设计提供理论支持和数据参考。 1.2 论文选题的意义与目的 1.2.1 论文选题的意义 随着现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必然 的趋势，主要体现在： (1)运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设计、分 析和制造的效能和车架的性能3。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 2 (2)车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车 架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况，有限元法正好能够解决 这一问题4。 (3)利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避 免车架出现共振的现象。 (4)通过可靠性计算模块，能预测产品的可靠度，为产品的设计及投入市场提供依 据。 综上所述，有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更新 速度越来越快，设计成本越来越低和舒适性要求越来越高的今天，对于提高汽车产 品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争能力具有 重要意义。 1.2.2 论文选题的目的 通过本文的研究，基本达到以下目的： (1)建立车架结构有限元分析的规范化步骤，为将有限元技术应用于车架设计做好 基础性工作。 (2)通过运用有限元软件对车架结构进行分析，可供车架设计有关人员提供参考。 (3)对所研究的车架进行结构的静、动态特性分析，为车架的设计提供理论支持。 (4)讲述分析的过程及注意是事项，提供实际的参考价值。 1.3 有限元法在车架结构设计中的应用现状及问题 1.3.1 车架结构设计与分析的概述 早期车架设计采用设计和试验交叉进行5-6，即在车架结构定型之前往往经过多 轮设计，设计面对的对象是实物，需要经过样品制造试验修改再设计的往复， 这种方式不可避免地导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和财力资源的严重 浪费。那个时候车架结构性能计算是通过将车架简化成单根纵梁，进行弯曲强度校 核，由于很多梁是变截面的，这样就不得不在变截面处使用多根梁来模拟，这种方 法算得的结果误差很大。接着提出的车架结构扭转强度计算方法，但是只能计算纯 扭转工况，不能考虑车架的实际工况，并且计算比较复杂，工作量大，在实际运用 中存在着很大的困难。后来，人们将比较设计的思想应用于车架设计中。这种设计 方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计，由于这样的对照设计考虑 的因素比较少并且设计出来的产品比较安全，所以目前依然是车架结构初步设计的 主要方法，但是，这种方法可能造成车架各处强度不均匀，某些局部强度富裕较大， 产生材料浪费等现象。 20 世纪 60 年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得了 广泛应用7-12。有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既可以考虑各种 计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度高。有限元法将具有无限个 自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法 的问题。只要确定了单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求解，使分析过 程大为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问题。目前， 有限元法已经成为求解数学、物理、力学以及工程问题的一种有效的数值方法13。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 3 1.3.2 车架结构有限元模型的形式 有限元分析是用一组离散化的单元集合来代替连续体结构进行分析的，这种单 元集合体称为有限元模型14。如果已知各个单元的刚度特性，就可以根据节点的变 形连续条件和平衡条件推出结构的特性并研究其性能。由于有限元法是一种近似的 数值方法，其计算结果是近似解，精度主要取决于离散化误差。因此，有限元模型 的建立是进行有限元分析的关键性一步。根据采用的单元形式，车架有限元模型可 以分为梁单元模型、板壳单元模型和实体单元模型。梁单元模型将车架简化为一组 两个节点的梁单元组成的框架结构，用梁单元的截面特性反映车架的实际结构特性。 这种结构单元和节点数目少，计算速度快；但是计算精度低，而且不能处理应力集 中问题。梁单元模型适用于车架结构的初步方案设计。板壳单元模型用板壳单元将 车架的纵、横梁及连接板进行离散化，用板壳单元的厚度描述零件的厚度。这种结 构单元准确的描述了形状复杂的车架结构，大大提高了有限元分析的精度，能够处 理连接部位的应力问题；但是这种模型单元与节点数目众多，前处理工作量大，需 要计算机内存大，计算速度慢。板壳单元模型适用于对车架分析精度要求较高的场 合。实体单元模型能够很好地分析车架纵梁和横梁连接处的应力变化情况，但是用 作模态分析时，往往存在刚性过大现象3。 1.3.3 有限元法在车架结构分析中存在的问题 (1)采用适当的有限元模型，对汽车车架结构进行静力分析和模态分析正在成为一 种常用的分析手段，但对汽车车架结构进行有限元动力响应分析的研究目前还 很不成熟。15 (2)可靠性要求已经成为现代汽车设计的重要任务。如何在设计阶段估算车架的可 靠性已成为急需解决的问题。 (3)采用实体单元建立的车架有限元模型，板壳之间的铆钉及螺栓连接的模拟形式 对于汽车车架结构的分析结果有较大的影响，如何建立这种连接方式是一个值 得探讨的问题。 (4)近些年来，大多数国内汽车厂家已花巨资购买了各种与有限元分析相关的商业 化软件。这些软件功能完备，精度高，以及通用性和可靠性好，如何学习、消 化与吸收花巨资引进的软件，为我所用，是实际工作必须面对的问题，对于汽 车车架结构有限元分析更是如此15。 1.4 本文的主要研究内容 ANSYS 是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结构分 析能力和优化设计模块，因而被国外大多数汽车公司所采用。本文将基于 ANSYS 建立车架结构的有限元模型，对汽车车架结构进行静力和动力分析。首先，对 ANSYS 进行了简要的介绍，为车架结构的有限元分析做好准备工作；然后，以长春 一汽轻型车厂生产的华凯牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型仓栅运输车车架结构为研 究对象，利用 Pro/E 建立了车架结构实体单元模型，然后导入 ANSYS 对结构的静、 动态特性进行深入研究，对车架进行可靠性评价，并给出一些分析步骤和一些实用 技巧及注意事项。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 4 2 ANSYS 软件的介绍 ANSYS 公司是由美国著名力学专家美国匹兹堡大学力学系教授 John Swanson 博士于 1970 年创建并发展起来的，是目前世界 CAE 行业中最大的公司。经过 30 多 年的发展，ANSYS 软件不断发展提高，目前已发展到 12.0 版本14。 在汽车行业中，ANSYS 广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离 合器、轮胎、壳体等零部件以及整车的通过性和平顺性的分析，大大提高了汽车的 设计水平，正在成为设计计算的强有力工具之一。 2.1 ANSYS 的主要功能 ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解 结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航 天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动 器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造 有限元模型。ANSYS 的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 分析计算模块 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析） 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可 模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 后处理模块 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹 显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来， 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 200 种以上的单元类型， 用来模拟工程中的各种结构和材料。 2.2 ANSYS 提供的分析类型 ANSYS 软件提供的分析类型如下： 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结 构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且 也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析 不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 可 进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随 机振动响应分析。 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS 程序可求解 静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 5 动力学分析 ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可 使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、 应变和变形。 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均 可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过 程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、 磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电 机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 流体动力学分析 ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结 果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压 力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管 单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中 的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅 的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 压电分析 用于分析二维或三维结构对 AC（交流） 、DC（直流）或任意随时间变化的电流 或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件 及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分 析、谐波响应分析、瞬态响应分析。 2.3 ANSYS 的典型分析步骤 2.3.1 建立有限元模型 指定工作文件名和工作标题 该项工作并不是必须要求做的，但是做对多个工程问题进行分析时推荐使用工 作文件名和工作标题。文件名是用来识别 ANSYS 作业的，通过为分析的工程指定 文件名，可以确保文件不被覆盖。如果用户在分析开始没有定义工作文件名，则所 有的文件名都被默认地设置为 file。ANSYS 的工作文件名可以通过如下方式进行改 写：一是进入 ANSYS 时通过入口选项进行修改；二是进入 ANSYS 后，可以通过以 下命令或菜单方式进行修改： Command:FILNAME GUI:Main Menu-File-Change Jobname 定义工作标题 用下列命令或菜单方式定义工作标题： command:TITLE GUI:Utility Menu-File-Change Tile 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 6 定义单元类型和单元关键字 ANSYS 提供了将近 200 种不同的单元类型，每一种单元类型都有自己特定的编 号和单元类型名，如 PLANE182、SOLID90、SHELL208 等；单元关键字定义了单 元的不同特性，如轴对称，平面应力等，用户需根据需要选择相应的单元类型，并 设置其关键字。随着版本的不断升级，有些老的单元被停用和新的单元被添加。用 下列命令或菜单方式定义单元类型： Command:ET GUI:Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete 用下列命令或菜单方式定义单元关键字： Command:KEYOPT GUI:Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete 定义单元实常数 实常数指某一单元的补充几何特征，如单元的厚度、梁的横截面积和惯性矩等， 指定了单元类型之后，应根据单元类型指定相应的实常数。用下列命令或菜单方式 定义单元实常数： Command:R GUI:Main Menu-Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delte 定义材料属性 在所有的分析中都要输入材料属性，材料属性根据分析问题的物理环境不同而 不同。如在结构分析中必须输入材料的弹性摸量、泊松比；在热结构耦合分析中必 须输入材料的热导、线膨胀系数；如果在分析工程中需要考虑重力、惯性力，则必 须要输入材料的密度。用下列命令或菜单方式定义材料属性： Command:MP、TB GUI:Main Menu-Preprocessor-Material Props ANSYS 定义了上百种材料模型，用户只需要按照模型格式输入相关数据即可定 义常用材料和某些特定材料的材料属性。除了磁场分析之外，在输入数据时用户不 需要指定 ANSYS 所用的单位，但要注意确保所输入量的单位必须保持统一。 创建几何模型 ANSYS 提供了下列生成模型的方法： 用 ANAYS 直接创建实体模型和输入在计算机辅助设计系统创建的模型，本文 采用第二种方法，在 Pro/E 中创建模型。然后导入。采用实体建模有自底向上建模 和自顶向下建模两种方法。所谓自底向上建模是指先定义关键点，然后利用关键点 定义较高级的实体图元（即线、面和体） ；而自顶向下建模是指生成体素，属于该体 素的较低级图元会由 ANSYS 自动生成。在实体建模的过程中，这两种建模技术可 以自由组合。 进行有限元网格划分 有限元模型是将几何模型划分为有限个单元，单元间通过节点相连接，在每个 单元和节点上求解物理问题的近似解。 2.3.2 加载求解 在有限元模型建立之后，可以运用 SOLUTION 处理器定义分析类型和分析选项， 施加载荷，指定载荷步长，进行求解。具体步骤如下： 定义分析类型和分析选项 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 7 ANSYS 的分析类型包括：静态、瞬态、调谐、模态、谱分析、挠度和子结构分 析等，用户可以根据需要解决的工程问题进行选择。 加载 ANSYS 的载荷可分为六大类：位移约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性 载荷、耦合场载荷。这些载荷大部分可以施加到集合模型上，包括关键点、线和面； 也可以施加到有限元模型上，包括单元和节点。 指定载荷步选项 载荷步选项的功能是对载荷步进行修改和控制，包括对子步数、步长和输出控 制等。 求解初始化 该项的主要功能是在 ANSYS 程序数据库中获得模型和载荷信息，进行计算求 解，并将结果数据写入到结果文件（Jobname.RST、Jobname.RTH、Jobname.RMG 和 Jobname.RFL）和数据库中。 2.3.3 查看求解结果 程序计算完成之后，可以通过通用后处理 POST1 和时间历程后处理 POST26 查 看求解结果。POST1 用于查看整个模型或部分模型在某一时间步的计算结果， POST26 后处理器用于查看模型的特定点在所有时间步内的计算结果。 2.4 本章小结 对有限元分析软件 ANSYS 的发展过程、特点及功能进行了简要的概述，并对 ANSYS 的典型分析步骤做了介绍，为以后应用该软件做好了准备。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 8 3 车架实体模型的建立 由于 ANSYS 对复杂模型的创建十分困难，所以在做本课题时采用在 Pro/E 中装 配车架实体模型，然后导入 ANSYS 通过前处理模块的操作使实体模型成为有限元 模型。该车架的尺寸在河南名优汽配广场测得。 3.1 车架总体介绍 该车架是典型的边梁式结构，主要由 4 根纵梁及八根横梁组成。整个车架前后 等宽，车架长 8241mm，宽 870mm。车架的材料为 16Mn。纵梁和横梁之间为铆钉 连接。第 4、5、6、7 根横梁和内纵梁通过厚 5mm 的加强板铆接。该车架的实物图 如图 3.1。 图 3.1 华凯牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型仓栅运输车车架实物图 3.2 Pro/Engineer 基本功能 Pro/Engineer，简称 Pro/E，是由美国 PTC 公司开发的大型三维 CAD/CAE/CAM 一体化产品造型系统。 Pro/E 能够完成特征建模、参数化设计、零件实体造型及装配造型、完整工程图 产生等工作。通过标准数据交换格式，Pro/E 可以输出三维或二维图形用于其它应用 软件。使用 Pro/E 配置的开发模块或利用 C 语言，用户也可以扩展与增强 Pro/E 的 功能。Pro/E 的基本功能是： (1)特征建模 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 9 在 Pro/E 中，特征是组成模型的基本单位，如：凸台、槽、倒角、腔、壳等特 征。模型创建过程就是按照一定顺序以“搭积木”的方式添加各类特征的过程，通 过构建不同的特征建立几何模型。 (2)参数化设计 参数化设计是指设计者只需抓住图形的某一个典型特点绘出图形的大致形状， 通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统 再生即可获得需要的图形。 (3)支持大型、复杂组合件的设计 Pro/E 支持大型、复杂组合件的构造和管理，可以利用一些直观的命令，如“啮 合” 、 “插入” 、 “对齐”等，将基本零件装配起来，形成组合件。 (4)整个设计环节的数据完全相关 在整个设计过程，Pro/E 各个模块共享模型的数据库文件，在产品开发过程中某 一处数据修改了，整个设计中的所有相关数据也随之自动修改16。 3.3 模型的简化 车架是一个大型复杂的装配体，如果不做一些优化就进行整体分析，不但实体 建模费时，而且在 ANSYS 的环境下划分网格就更困难，求解也要耗费更多的时间， 这样得到的结果显然不经济，甚至就求解不了，因为未经简化的模型结构比较复杂， 越是复杂就越容易出现的错误。如果结构经过合理简化，不需要耗太多工夫而得到 的结果同样很准确。做本课题时简化的构件有： (1)忽略所有的倒角。比如纵梁和横梁等上的所有圆角过渡。如图 3.2 。 图 3.2 车架纵梁和横梁断面形状的处理 (2)忽略纵梁和横梁上所有直径较小的孔。这些孔有些是装配孔，有些是防止应力 集中的孔等。 (3)忽略所有的螺栓和铆钉。这些小部件在 ANSYS 中分网极其困难，并且需要很 多单元来模拟，如果不是专门进行这些连接处分析，则不值得建这些零部件。 (4)去掉一些不影响整体车架性能的零部件。比如备胎和油箱的支架、横梁上传动 轴的支架等车架附属件，如果对悬架使用弹簧和刚性杆单元模拟或者是通过指 定位移模拟，则可忽略减震器的建模 (5)简化一些零件的建模。比如前后钢板弹簧支架的建模，由于这些零部件都是铸 造的，形状很复杂，我们只需根据其受力特点建出简化模型即可。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 10 3.4 建模过程 根据实地测量的华凯牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型仓栅运输车车架的各个零 件的尺寸，创建各个零件。表 1.1 为该车的一些参数。 表 3.1 CA5160 整车的一些重要参数 名称数值 车辆外形长 (mm)8980 车辆外形宽 (mm)2490 车辆外形高 (mm)3740 货厢长 (mm)6700 货厢宽 (mm)2300 货厢高 (mm)600 整备质量 （Kg）6310 总质量 （Kg）15505 额定载质量 (kg)：9000 轴荷：5610(前) 9895（后） 发动机功率(kw)： 105 发动机排量： 4752 发动机功率(kw)： 105 轴数：2 根据 3.3 节的简化处理思路，共创建 36 个零件，各零件的名称列于表 3.2 。 表 3.2 简化后的车架零件和零件的数量 名称数量 左外纵梁1 右外纵梁1 左内纵梁1 右内纵梁1 第一根横梁1 第二根横梁1 第三根横梁（发动机后悬置梁） 1 第四根横梁1 第四根横梁与纵梁槽型连接板2 第五根横梁1 第五根横梁与纵梁槽型连接板2 第六根横梁1 第六根横梁与纵梁槽型连接板2 第七根横梁1 第七根横梁与纵梁槽型连接板2 第八根横梁1 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 11 将这 36 个零件在 Pro/E 的组件环境下装配成如图 3.3 和 3.4 的车架实体模型。 图 3.3 车架的整体视图 图 3.4 车架的三维实体模型 因为发动机后悬置梁和外纵梁的建模过程有一些非常简单的过程，所以这里简 要说明一下。 (1)发动机后悬置梁的建模过程 插入扫描伸出项，绘制如图 3.5 的扫描轨迹。 前钢板弹簧滑板端支架2 前钢板弹簧固定端支架2 后钢板弹簧滑板端支架2 后钢板弹簧固定端支架2 后副钢板弹簧支架4 车厢紧固角钢4 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 12 图 3.5 发动机后悬置梁的草绘轨迹 然后画出截面形状，最后得到发动机后悬置梁的实体模型，如图 3.6 。 图 3.6 发动机后悬置梁的实体模型 可见只要一个扫描命令即可建成发动机后悬置梁的实体模型，如果使用拉伸命 令则会很麻烦，所以在建模前不要盲目下手，先思考模型的特点，这样反而会节省 很多时间。 (2)左外纵梁的建模过程 使用拉伸命令创建如图 3.7 所示的实体 图 3.7 使用拉伸命令创建的左外纵梁 然后使用抽壳命令一步生成左外纵梁，注意抽壳时在参照里把三个不要的面 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 13 全部选中，这样才能抽成图 3.8 的样子。 图 3.8 左外纵梁模型的局部视图 3.5 Pro/E 使用经验 (1)Pro/E 的启动速度很慢，为了加快启动速度，可选择：工具定制屏幕 浏览 器，改为不选，或则干脆让浏览器打开空页面，设置方法为在配置文件 中设置：web_browser_homepage :BLANK (2)设置一个启动目录。这虽然是一个常识问题，但还是很多人没有注意到。启动 目录是启动 Pro/E 后软件默认的工作目录所在的位置，如果不进行修改的话， 那么设计的文件都将会缺省保存在这个位置，很不方便查找和保存。 (3)要养成经常拭除不显示的文件。如果使用 Pro/E 时间比较长，就会发现电脑运 行速度很慢，原来关闭窗口后，以前所有的文件还在内存中，这是要我们手动 释放这些内存的。有时我们发现修改一个零件后并没有保存，但是打开这个零 件后发现是修改后的样子，原来 Pro/E 使用的是暂存在内存中最后修改的文件， 这样非常容易造成当我们再次打开电脑时发现有些零件还是修改前的样子，所 以一定要养成经常拭除不显示的文件，一方面为了 Pro/E 的速度，另一方面为 了减少出错的机会。 (4)Pro/E 经常会由于种种原因自动关闭，所以应养成建模过程经常保存的习惯。 (5)绘图时，要培养使用鼠标右键的习惯，Pro/E 会自动判断何种环境下会有什么 样的菜单命令。 (6)当要打开一个组件中的一个零件时，点浏览，在浏览窗口再点这个零件，然后 这个零件就会单独出现在浏览窗口，就可以直接打开了。 (7)在装配零件时，如果最后一个约束出现约束无效的提示时，这时不必删除约束 重装，也不需要考虑需要什么约束，只需要在约束框的下拉列表中选择另一个 就能完全约束了。这里以第一根横梁的装配为例来说明。当前两个约束关系确 定后，最后这个关系不用选择，直接选择要约束的元素，这时如果出现图 3.9 的情况，可按照图 3.10 的做法，然后就会出现图 3.11 完全约束的提示。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 14 图 3.9 系统提示约束无效 图 3.10 处理约束无效的方法 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 15 图 3.11 完全约束的第一根横梁 3.6 本章小结 本章简要介绍了 Pro/E 的功能，列出了该车的一些参数，根据简化原则并结合 测得的数据在 Pro/E 中创建了该车架的全部零件，然后在装配环境下得到车架的实 体模型。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 16 4 车架有限元模型的建立 车架在 Pro/E 中装配成实体模型后，必须导入到 ANSYS 中赋予属性，划分了单 元才是有限元模型。本章讲述车架有限元模型的创建。 4.1 Pro/E 和 ANSYS 的连接 Pro/E 和 ANSYS 之间转换数据可通过中间数据格式，比如*.igs，但是实践证明， 这种方法导入的模型损失比较多，修补起来相当麻烦。还有一种方法就是通过 ANSYS 安装程序提供的与 Pro/E 的接口来配置。这种方法导入的模型质量比较高， 但是如果 ANSYS 的版本比 Pro/E 版本发行的时间早，连接起来就比较麻烦。本人使 用的 Pro/E4.0 和 ANSYS11.0 就属于此种情况。下面给出配置步骤。 在运行 ANSYS11.0 安装程序的时候，选择连接的软件 Pro/E，如图 4.1 然后选 择 Pro/E 的安装路径，如图 4.2。 图 4.1 选择 Pro/E 图 4.2 选择 Pro/E 的安装路径 安装完成后，找到你安装盘:Program FilesANSYS Incv110AISOLCAD IntegrationProEProEPagesconfig，用记事本打开 WBPlugInPE.dat 文件，对照下面的 代码，把缺少的斜体代码加进去。 NAME WB110PluginProWF EXEC_FILE $AWP_ROOT110AISOLCAD IntegrationProE$ANSYS_SYSDIRWBPlugInPEU.dll TEXT_DIR $AWP_ROOT110AISOLCAD IntegrationProEProEPagesLanguage$AWP_LOCALE110 STARTUP dll delay_start FALSE allow_stop TRUE unicode_encoding FALSE 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 17 REVISION ProEWildfire END name ac4pro110dll exec_path $AWP_ROOT110ANSYSac4binpro$ANSYS_SYSDIRac4pro.exe text_path $AWP_ROOT110ANSYSac4dataprotext STARTUP dll delay_start FALSE allow_stop TRUE unicode_encoding FALSE revision 24.0 end 现在打开 Pro/E，在菜单栏就会出现 ANSYS11.0 的菜单，如图 4.3 图 4.3Pro/E 中的菜单 4.2 单位转换 4.2.1 单位转换的原因 在 Pro/E 中无论是出零件还是装配体，所采用的单位基本上都是公制，即 mmns 。而在 ANSYS 中分析时，往往不注意单位。当结合这两款软件作分析时就会发现 分析的结果严重失常。究其原因，ANSYS 中原来并没有单位，只要把单位统一就不 会出现问题。比如长度为 mm，时间为 sec 时，那么输入重力加速度 g 就只能是 9800 了，而如果输入 9.800，其分析的结果可想而知了。再比如在 Pro/E 里面采用的 长度单位是米，那么弹性模量的单位就是 Pa ，如果在 ANSYS 中再把弹性模量的单 位当做 MPa ，结果肯定偏离的厉害，其它物理量也是类似情况。 4.2.2 单位制问题解决的办法 所以为了保证我们分析得到的是正确的结果，有下面 2 中方法： (1)建模时只确定几个物理量的单位，在 ANSYS 中输入参数的时候，将所有物理 量的单位都依照确定量的单位做相应转化。这里简称这种方法为统一法。 (2)建模时就使用国际单位，在 ANSYS 中输入参数的时候，所有物理量的单位都 按照国际单位。这里简称这种方法为标准法。 显而易见，标准法简单、工作量小、易于读懂结果数据而且不易出错。所以本 课题在将车架实体模型导入 ANSYS 分析前，先把装配体中的单位转化为国际标准 单位。具体步骤如下： 在 Pro/E 中选择“编辑设置单位” ，然后新建单位制，全部采用国际标准单 位制，即长度：m ；质量：kg ；时间：sec ；温度：k ；如图 4.4 所示。 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 18 图 4.4 在 Pro/E 中新建单位制 图 4.5 Pro/E 中改变模型单位对话框 接着选中刚才建立的国际标准单位制 mnsk，点击“设置” ，弹出如图 2.2 的对话 框。 为了确认单位转换是否成功，我们分别测量了转换前后车架的宽度，分别如图 4.6 和图 4.7。可见，车架的宽度已从转换前的 870 变成了当前的 0.87，即装配体中 的 mmns 单位制已成功转化为国际标准单位制。 图 4.6 单位转换前车架的宽度 图 4.7 单位转换后车架的宽度 基于 ANSYS 的汽车车架可靠性分析研究 19 图 4.8 切换到国际单位制后 ANSYS 的单位 图 4.9 数据导入 ANSYS 时的确认 框 再启动 ANSYS Geom ，导入模型后，首先运行“/units,si” ，把系统单位制切换 到国际单位制。运行“/status,units”查看单位，如图 4.8 所示： 至此，将在 Pro/E 中所装配的车架导入 ANSYS 分析时，出现的由于单位制导致 的分析结果异常问题已经解决。 4.3 模型的导入 装配好的车架经