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基于有限元分析的汽车车架优化设计【ANSYS】【全套毕业资料】

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基于有限元分析的汽车车架优化设计.rar

基于有限元分析的汽车车架优化设计

命令流

优化

优化设计.log

模态

模态分析.log

静态

弯曲工况.log

扭转工况.log

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关键词：: 基于有限元分析汽车车架优化设计

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摘要

　　　车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的各种载荷最终都传递给车架，因此，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计的成败。通过有限元法对车架结构进行性能分析，在设计时考虑车架结构的优化，对提高整车的各种性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。大型通用有限元软件ANSYS凭借其强大的分析功能和高度可靠性，在结构静力分析和动力分析以及优化设计等方面具有无可比拟的优越性。

　　　本文以CA1040货车车架结构为研究对象，通过对Pro／E和ANSYS软件的消化与吸收，采用实体单元，对车架结构的有限元建模、车架结构的静、动态特性分析问题进行了研究。以实体单元为基础创建了车架结构的简单的尺寸优化模型，以车架的纵梁截面尺寸为设计变量，以车架结构的总体积最小为优化目标，对车架纵梁的截面尺寸进行优化并分析了优化结果。阐述了应用ANSYS进行结构优化设计的基本指导思想及方法，推广到解决以板壳单元为基础的车架优化问题，根据实际需要调整优化的设计变量、状态变量以及目标函数。通过对CA1040型货车车架结构的有限元仿真及优化，得到了一些有益的结论，为车架的设计提供了指导作用。

关键词：车架；载荷；轻量化；有限元分析；三维建模；ANSYS

ABSTRACT

　　　Frame is as an important assembly bearing loads of an automobile，which all kinds of 10ads will pass to，and as a result the performance of frame structure affects whether the automobile design is successful or not．Using finite element method to analyze automobile frame structure and to take frame structure optimization into account makes sense in improving automobile performance，reducing the cost of design and automotive manufacture and increasing capability of market competition．ANSYS software takes on unexampled advantages in static analysis，dynamic analysis and optimization design etc by right of its powerful analysis function and high reliability．

　　　Through studying Pro／E and ANSYS software the FEA model of a CA1040 truck with solid elements Was built．Based on the model the static and dynamic performance of the truck’S frame structure was studied．A topological optimization model and a simple optimization model was built based on solid elements．With the objection that the volume of the frame is minimal，the carling section dimensions was optimized and the results of optimization Was analyzed．This paper analyzes the principles and methods of optimization design，which Can be generalized to shell element model．The design variables，state Vadables and objective functions can be adjusted to meet the actual needs．

　　　Through the finite element simulation and optimization of a CA1040 truck frame structure some useful conclusions has been got for the design of the frame．

Key words：Frame; loads; Lightweight; Finite element analysis; Three-dimensional modeling; ANSYS

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1研究目的和意义1

1.2研究背景1

1.3有限元法在国内外车架结构设计中的研究现状2

1.4主要研究内容及技术路线4

第2章有限元结构的基础理论6

2.1有限元法的基本理论6

2.1.1有限元法的基本概念6

2.1.2有限元法的基本思路6

2.2ANSYS软件的简介7

2.2.1ANSYS的主要特点7

2.2.2ANSYS的主要功能8

2.2.3ANSYS的结构分析文件9

2.2.4ANSYS提供的分析类型9

2.3本章小结10

第3章车架有限元模型的建立12

3.1模型的建立原则12

3.1.1几何建模的注意事项12

3.1.2几何建模的简化13

3.2建立车架模型14

3.2.1建模时的简化处理14

3.2.2车架模型的建立14

3.2.3应用ANSYS对车架模型进行网格划分14

3.2.4对实体单元Sold 92的简要介绍15

3.3本章小结16

第4章车架结构的有限元静态分析17

4.1车辆载荷分析17

4.1.1行驶载荷17

4.1.2操作载荷17

4.1.3特殊载荷18

4.2车架受力情况18

4.2.1静载荷18

4.2.2动载荷19

4.3车架结构的静力性能分析19

4.3.1静力分析的基本概念及流程19

4.3.2车架结构静力分析工况及约束处理20

4.3.3车架结构静力分析规范21

4.4车架结构的静力性能分析结果22

4.4.1弯曲工况静力分析结果22

4.4.2扭转工况静力分析结果24

4.5本章小结26

第5章车架结构的动力性能分析27

5.1车架结构的动力性能分析27

5.1.1车架的模态分析27

5.1.2结构动力性能分析方程28

5.1.3刚度矩阵和质量矩阵形成29

5.1.4车架结构模态分析规范30

5.1.5车架结构模态分析结果31

5.2本章小结33

第6章车架结构参数的优化设计34

6.1优化设计的理论基础34

6.1.1优化设计的步骤34

6.1.2优化设计的数学描述38

6.1.3ANSYS的基本优化方法38

6.2优化设计数学模型的建立40

6.2.1优化设计数学模型建立的原则40

6.2.2简单的车架纵梁优化设计模型的建立40

6.3定义优化变量及运行优化43

6.3.1定义优化变量43

6.3.2设置并运行优化43

6.4优化结果分析44

6.5本章小结47

结论48

参考文献49

致谢51

附录52

附录A 外文文献原文52

附录B 外文文献中文翻译58

附录C 程序命令流59

附录C1弯曲分析命令流59

附录C2扭转分析命令流63

附录C3模态分析命令流70

附录C4优化设计命令流76

绪　　论

研究目的和意义

　　　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丌发、设计、分析和制造的效能和车架的性能。

　　　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变形情况，有限元法正好能够解决这一问题。

　　　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通过对车架结构的优化设计，可以进一步降低车架的重量，在保证车架性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。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快，设计成本低、轻量化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。

　　　通过本文的研究，预计达到以下目的：

　　　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对车架结构的优化进行初步探讨，为优化设计运用于车架设计进行初步的尝试，以便于以后更好地为车架设计服务。

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内容简介：: 毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目:基于有限元分析的汽车车架优化设计院系名称: 汽车与交通工程学院专业班级: 车辆工程07-1班学生姓名: 初瀚雷导师姓名: 赵雨旸开题时间: 2011-03-16 指导委员会审查意见：签字：年月日开题报告撰写要求一、“开题报告”参考提纲1. 课题研究目的和意义；2. 文献综述（课题研究现状及分析）；3. 基本内容、拟解决的主要问题；4. 技术路线或研究方法；5. 进度安排；6. 主要参考文献。二、“开题报告”撰写规范请参照黑龙江工程学院本科生毕业设计说明书及毕业论文撰写规范要求。字数应在4000字以上，文字要精练通顺，条理分明，文字图表要工整清楚。 SY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名初瀚雷系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程07-1班指导教师姓名赵雨旸职称副教授从事专业车辆工程、交通工程是否外聘是否题目名称基于有限元分析的汽车车架优化设计一、课题研究现状、选题目的和意义1）课题研究现状：在国外，从60年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算。1970年美国宇航局将NASTRAN有限元分析程序引入汽车结构分析中，对车架结构进行了静强度有限元分析，减轻了车架的自重，是最早进行车架轻量化的分析。当前，国外各大汽车公司利用有限元软件进行车架结构静态分析、模态分析的技术已非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等领域。特别是随机激励响应分析备受青睐，主要是因为它可用来进行车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析：国外将有限元法引入到车架强度计算比较早，而我国大约是在七十年代末才把有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。在有限元法对汽车车架结构的分析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好的描述结构较为复杂的车架结构，不能很好的反映车架横梁与纵梁接头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的。而板壳单元克服了梁单元在车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段。近十年来，由于计算机软件与硬件的飞速发展，板壳单元逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提高，由过去的定性或半定量的分析过度到定量阶段。随着计算机软、硬件技术的发展，特别是微机性能的大幅提高及普及，在微机上进行有限元分析已不再是很困难的事，同时有限元分析的应用得以向广度和深度发展。国外大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在车架设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构设计数据库、设计改正记录和设计规范。目前应用于车架开发上比较成熟的方面主要有：刚度、强度分析(应用于整车、大小总成与零部件分析以实现轻量化设计)，NVH分析(各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等)、机构运动分析等；建立在分析和实验基础上的种优化方法为车架设计提供了多种实用的选择方案，使车架设计从经验设计到优化设计跨出了一大步。在关于优化算法方面的研究，国外将遗传算法引入到结构形状优化算法中并获得良好的效果。总的看来，国外轻量化研究主要有以下几个方面：(1)提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量化结构；(2)将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中；(3)提出新的现代优化方法，并进入到结构轻量化中；(4)利用硬件优势，大量考虑动态过程中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量化结构。我国早在1956年就由我国著名的数学家冯康教授在有限单元法的研究方面发表了研究论文，在研究变分问题的差分格式中，独立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程结构的分析，为有限元法的形成做出了贡献。目前，我国利用有限元法进行汽车分析已发展到普遍应用有限元法静强度和有限元动态响应分析及优化分析阶段。2002年马迅、盛勇牛以车架的部分结构的截面尺寸为优化变量，采用板壳和梁单元组合建立有限元模型，以车架变形和一阶频率为约束，在弯曲和扭转工况取得了减重13.31的效果。2003年10月李娜采用板壳单元对机车车顶结构建立有限元模型，应用自己编制的遗传算法程序，对形状、加强筋的布置数量和位置以及截面尺寸进行了优化，减轻重量176.4Kg。2004年5月杜海珍针对汽车典型结构拓扑优化方法及应用进行了研究。为了解决在删除无效材料时可能导致的应力集中问题，基于围绕结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的思想，提出了一种新的基于应力及其灵敏度的优化准则。2005年4月吉林大学的余传文采用板壳单元对某重型载货汽车车架结构建立有限元模型，并对车架结构的静、动态特性分析的进行了研究，在建立简单的车架梁单元优化模型的基础上，以车架纵梁截面尺寸为设计变量对车架进行优化分析，从车架体积和最大变形随着迭代过程的变化曲线可以看到车架的自重明显降低Iz01。2006年6月北京航空航天大学的张洪伟，张以都等人探讨了基于动力特性灵敏度分析的动力修改技术。建立了某农用车车架的参数化有限元模型，并对车架进行灵敏度分析，在分析结果的指导下，进行了车架的动力修改，取得了良好的效果，为农用车改型设计及推出新产品提供了思路和设计依据，为在工程实践中应用结构动力修改和结构优化设计理论作了有益的尝试。虽然前人在车架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究对灵敏度分析和优化设计大都是分开进行的，对其进行动力修改，提高其动力性能，单凭设计人员的经验进行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改动达到最佳的效果，因此有必要在灵敏度分析的基础上进行优化设计。在国内，高等院校对基于结构优化的车辆轻量化研究发展也很多，但由于没有完备的结构设计数据库和设计规范，有时只能按解剖进口车结构来进行参照性设计。具体在车架结构分析方面，车架的刚度分析对结构分析的重要性近些年已受到广泛的重视。从分析类型上看，仍以车架结构静态分析为主。虚拟试验场整车分析正在着手研究，此外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。其中，车架刚度、强度分析，碰撞模拟分析，空气动力特性分析。金属板件拉延成形特性分析等已步入实用化阶段，为车架的全面优化设计奠定了基础。国内目前的轻量化研究主要集中在汽车一般零部件、底盘车架结构等的改形设计方面，在产品设计阶段引入有限元法对车架轻量化设计的研究很少。与国外相比，国内关于在轻量化设计过程中引入新的现代优化算法的研究比较匮乏，轻量化设计过程中的分析规模较小，CADCAE一体化在产品设计开发阶段的应用还不成熟以至于汽车生产厂家很少采用。同时，国内外不少公司、科研机构及高等院校陆续开发了一些通用性很强的大型有限元结构分析软件程序，这些程序可用来分析任意规模的结构，如整架飞机或整个汽车的结构。这些有限元软件已发展到成熟的阶段，比较成熟并且普及较广的有美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的SAP、美国麻省理工学院研制的ADINA、美国国家航空与航天局研制的NASTRAN、德国斯图加特大学宇航结构静力学研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发的ANSYS软件等等。这些通用程序的研制成功，大大简化了结构分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理论，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。这些大型商业通用有限元分析软件也像CAD设计软件一样在汽车研发过程中得到普及，有实力的汽车厂商甚至为自己的产品开发独立地从事这些有限元分析软件的二次开发。综合分析这些文献可知，当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究只是限于对车架或车架结构在静态扭转、弯曲载荷以及几种极限工况载荷作用下的分析，得出车架结构的静态应力分布，并对其进行了局部的修改，由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结构还比较粗略，计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距。2）课题研究目的和意义：汽车的设计过程比较复杂，涉及到工程材料、生产工艺、结构力学等众多学科。汽车车架是汽车底盘的主要工作装置，车架的强度、刚度及动态特性直接影响整车的使用寿命、舒适性、车内噪声、操纵稳定性等基本性能。传统的设计方法周期长、成本高，CAD/CAE技术的在车架设计中的应用，可以大大缩短车架开发周期、降低开发费用，提高设计质量。在车架的结构分析中，有限元法由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的优点而被广泛使用，各种汽车结构件都可以用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析。在进行静力学分析时，通过有限元分析，可看到构件在各个载荷状况下的变形情况，可以得到刚度、强度等各种力学性能。之后可将这些结果返回到设计过程中，修改其中不合理的参数，经过反复的优化，使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高汽车设计的可靠性、经济性、适用性的方法之一。因此，为了保证其设计的精确性和缩短设计周期，基于有限元分析，研究它的静、动态力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题设计的主要内容：（1）研究汽车车架的组成、结构与设计；（2）建立有限元计算模型；（3）研究汽车车架的载荷；（4）加载进行静、动态分析；（5）对汽车车架的结构参数进行优化设计。拟解决的主要问题：ANSYS分析主要步骤：（1）运用ANSYS进行有限元静、动态分析，重点进行强度分析。（2）应用ANSYS的参数化语言实现汽车车架参数的优化设计。三、技术路线（研究方法）四、进度安排（1）调研、资料收集，完成开题报告第1、2周（2）研究汽车车架的设计步骤与设计方法，分析汽车车架受力情况第3周（3）建立有限元模型第4、5周（4）施加载荷和边界条件，求解，进行静、动态分析第69周（5）对汽车车架的结构参数进行优化设计第1012周（7）完成设计说明书的撰写，指导教师审核第13周（8）毕业设计（论文）修改、完善第14周（9）毕业设计（论文）审核、预审第15周（10）毕业设计（论文）修改、完善第15、16周（11）毕业设计（论文）答辩准备及答辩第17周五、参考文献1王海霞，汤文成等客车车骨架有限元建模技术及结果分析D机械强度，2002，24.2Kim T，卢耀祖等机械与汽车结构的有限元分析M上海：同济大学出版社，2003.3杨华，曹立波特征建模在汽车车身覆盖件设计中应用J客车技术与研究，2002，4：11-12.4王国强实用工程数值模拟技术极其在ANSYS上的实践J西安：西北工业大学出版社, 2000.5黄天泽，黄金陵汽车车身结构与设计J北京：机械工业出版社，1992，10.6郑兆晶有限元应力计算结果改善处理的一种实用方法J计算力学学报，1999，11.7黎西亚，李成刚，胡于近车架有限元分析技术发展综述专用汽车，2001(1):13-15.8冯胜国，贾素梅轻型车有限元分析及应用J机械强度，1996,18(2).9刁勤芳汽车车身骨架结构的有限元分析及结构优化设计研究M南京：东南大学，1988.10孙凌玉，谢军，于春生等汽车车身结构动力学建模方法研究机械工程学报，1999, 35(5)：7274.11Radaj D，Soegiharto SStructural concentration at spotwelded jointS：improved model，comparison of resultS，stresS SingularityWelding in the Worl d，1990，28(910)：183-189.12McKnight JThe development of a low floor city busVolvo B1 OLProc，Insm Mech，Engrs，Part D，1995，209-7793.

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