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犬连理i ：人学专业学位硕十学位论文 摘要 汽车车架是汽车的基础，汽车的绝火多数部件和总成都是通过车架来固定其位置 的，并且它还承载着车内外的各种载荷。深入了解车架的承载特性是车架结构设计和改 进的基础，也是保证整车性能的关键。 本文总结了国内外大客车行业的发展历史及现状，对国内外大客车行业的c a e 发 展趋势进行了分析研究，介绍了有限元分析的发展历史及相关理论，介绍了融结构、流 体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件a n s y s 的功能特点和使 用方法，并通过使用a n s y s 软件对客车的车架结构进行参数化建模。 汽车作为一种方便快捷的现代化交通工具，已经普遍被全世界各国人民所接受，它 给人们的社会生活和经济生活带来的巨大变化也是有目共睹。但汽车的行驶工况非常复 杂，不可能完全模拟实际行驶过程中的所有工况。因此，本文着重分析了客车车架在弯 曲、扭转、紧急制动、急速转弯等四种典型 ：况卜的承受载荷情况和变形情况，同时还 进行了客车车架结构的模态分析。所得结果町直接用于汽车设计的改进和性能评价。 关键词：车架；有限元；结构分析：典型工况 刁有明：客车乍架结构分析 t h es t r u c t u r ea n a l y s i so ft h eb u sf r a m a b s t r a c t a sm eb a s eo fac a r ，a 厅a m e ，o nw h i c hm o s to t 也ec o n l p o n e n t sa n da s s e m b l ya r c p o s i t i o n c d ，s u p p o r t sa 1 1t h el o a d so f t h ea u t o m o b i l e r e s e a r c ho nt h cl o a d i n gc 埘a c t e r i s t i co f t l l ec a rf r a m en o to n l yi st h eg r o u n d w o r ko ft h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no faf r a m e ，b u ta l s oi s o fg r e a ti m p o n a n c ef o r t h ew h 0 1 ep e r f o n n a l l c eo fac a r i nt h i sa r t i c l et 1 1 ea u t h o rm a k eas u m m a r yo ft h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n da n a l y s e dt l l e d e v e l o p m e n to fc a ei nt l l eb u si n d u s t r y ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e sm ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n d t h et h e o r yo ff e a a n di n t r o d u c e st h el a r g e s c a l ec o m m o nu s e da t l a l y t i cs o f t w a r ea b o u tm e n n i t ee l e m e n t a n s y sw h i c hi sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n g 、n u i d 、e l e c t r i c 、m a g n e t i ca n d s o u n dn e l dt h e nu s e da n s y ss o f t w a r et oc r e a t ea 口a r a m e t e rm o d e lf o rt h eb o d v w o r ko ft h e p a s s e n g e rn a i n ， a n dc a r r i e do ns i m p l m c a t i o nt ot h ef i n i t ee l e m e mm o d e li nt l l ec o u r s eo f m o d e l i n g a sac o n v e n i e n ta i l df 瓠tv e h i c l e ，m eb u s h a v ea c c e p t e dw i t l lt h ep e o p l ea l lo f t h ew o r l d i t so b v i o u st oa l lt h a tt h eh u g ec h a n 卫ei nt h es o c i a ll i f ea n de c o n o m i cl i f e b u tt h er u n w o r k i n gc o n d i t i o no ft t l eb u si sv e r yc o m p l e xa n di t si m p o s s i b l et os 曲u l a t ec o m p l e t e l y s o ， i n “sa r t i c l e ，t h ea u t h o rm a k ef o u rk i n d so ft y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n st h a th a p p e n e dt om e p a s s e n g e rb u sf r 锄ew e r ei n c l u d e d a l s ot h ea 币c l ec a r r i e do nt h em o d a la n a l y s i so f 山e p a s s e n g e rb u s 矗锄ea n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sc o u l dd i r e c t l yh e i pt oe v a l u a t ea n di m p r o v et 1 1 e d e s i g n0 f t h eb u s k e yw o r d s ：f r a m e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r u c t u r ea n a i y s i s ；t ，p i c a lw o r l i n gc o n d i t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另l j 加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩e 或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 储繇刁钢嗍 翩虢彳鸦 大连理i ：大学专业学位硕十学位论文 引言 随着汽车工业的不断发展，汽车设计技术也得到了不断的更新，从最初的经验设计 发展到以科学实验和技术分析为基础的设计阶段。伴随着计算机技术的不断进步，逐渐 形成了新的计算机辅助设计与工程分析技术( c a d c a e ) ，它们与有限元法相结合应用在 汽车设计方面，已经成为今后汽车工业发展的必然趋势。 有限元法起源于上世纪四十年代初期，由于当时的条件有限没有引起重视。随着 计算机技术的发展，有限元这门特别依赖数值技术的学科也得到了飞速发展，目前已经 广泛应用于包括汽车工业在内的各个工程领域。美国a n s y s 公司开发的大型通用有限 元分析软件a n s y s ，因其功能强大而被广泛采用，在以往用于车架、车体以至整车 结构分析的实例屡见不鲜。 国外的客车行业儿乎是伴随汽车工、i k 的起步丽发展的，经过百余年的历程，目前在 大中型客车技术的发展方面，欧洲和美国领先1 ：世界，成为行业中的领导者。我国客车 的生产有5 0 余年的历史，已经取得了长足进步，但与国外相比，还存在相当大的差距。 车架是汽车的基础，其结构性能直接影1 1 向到汽车的性能。以往利用a n s y s 软件对 车架进行分析时都是采用梁单元，本文采用的足壳单元来模拟，所得分析结果更加精确、 实用。 刁有明：客下午架结构分析 1 绪论 1 1 研究背景及国内外现状 1 1 1 研究背景 十九世纪以来，汽车工业经历了近百年的发展过程。从全世界范围来看，目前还找 不出一个没有汽车的现代社会的先例，汽车已经成为现代文明的标志和不可或缺的种 交通运输工具，它的生产规模和产品质量成为衡量一个国家工业技术水平的一项重要标 志。目前，全世界汽车保有量已超过6 5 亿辆，一辆汽车有上万零件组成，由钢铁、有 色金属、工程塑料、橡胶、玻璃、纺织品、木材、涂料等多种材料组成；应用冶炼、铸 造、机械加工、焊接、装配、涂装等许多工艺和技术；涉及冶金、机械制造、化工、电 子、电力、石油、轻工等工业部门；汽车的销售和营运还涉及金融、商业、运输、旅游、 服务等第三产业。可以断言，没有哪个行业与汽车无关。汽车工业的发展会促进各行各 业的繁荣兴旺，带动整个国民经济的快速发展。因此，f l ：多发达国家都把汽车工业作为 重要的支柱产业。 1 1 2 国外客车设计技术特点 汽车扩大了人的活动范围，加快了人们的生活节奏，提高了工作效率【2 l 。汽车离不 开公路，随着城市建设和高速公路的发展以及人民生活水平的提高，对客车的需求也进 入了快速发展时期，主要表现在五个方面：城市公交车，快速、舒适的旅游用车，城市 间的运输客车，既能拉货又能载人的微型客车以及满足特殊行业特殊需要的专用客车 等。国外大中型客车行业起步很早，几乎是伴随汽车工业的起步而发展的，历经发展已 经成为一个相当成熟的行业。客车已成为人们主要的交通工具之一。在大中型客车技 术的发展方面，欧洲和美国领先于世界，成为行业中的领导者。目前，客车行业在设计 制造技术上的发展的主要特点是： ( 1 ) 采用客车专用底盘。客车技术性能的好坏主要取决于底盘，客车底盘的悬挂 向空气弹簧悬挂发展，变速器向自动变速器发展，转向器多采用助力式转向器，普遍安 装a b s 制动系统，有些安装了a b s a s r 防滑系统，力求舒适性、通过性和动力性好， 制动可靠。 ( 2 ) 采用大功率发动机，增强客车的动力性。目前客车发动机功率多在1 2 0 千瓦 以上，有些达到2 5 0 千瓦左右。发动机功率大，动力强，速度就会快，客车时速可达1 1 0 公里以上。这种大功率发动机一般采用涡轮增压型柴油发动机，可节省燃料，工作可靠。 人连理l 人学专l k 学位硕十学付：论文 柴油机大修里程可达5 0 万公里以上，而汽油机只有其一半。另外，排气污染较低。环 保性好。 ( 3 ) 车身造型流行大曲面流线型和直线方基调型两种。前者考虑空气动力特性， 风阻小，同时节省燃料，外形美观，目前多用于高级客车；后者线条简练工艺简单，目 前多用于城市公共汽车。车身结构多采用无车架式底盘与骨架车身相结合的全承载式结 构。 ( 4 ) 充分重视客车行驶的安全性，对客车的刚度和强度以及振动等都有很高的标 准要求，普遍强化汽车的c a e 研究分析n 1 1 3 我国客车工业现状 我国客车的生产已经有5 0 余年的历史，经历了三个重大的转折时期。解放初，客 车生产主要是汽车修配厂家利用国外底盘改装，加装上一个简易的车身，用于载客运输， 即为客车。1 9 5 6 年解放牌载货汽车下线后，我国客车生产企业集中转向利用解放牌载货 汽车底盘改装客车，从而实现了我国客车的批量化生产，成为我国客车发展历程中的第 一个重大转折时期：当时的客车，性能差，车速不高，冲击、振动大，舒适性差。2 0 世纪7 0 年代，随着二汽及其他一些汽车厂的建成投产，客车生产企业在选择底盘时有 了更多的余地，客车品种不断增加，新的客车生产厂家不断涌现，生产规模和生产能力 也有了很大的提高，进入客车发展第二个重大转折时期；改革开放以来，我国经济发展 充满了生机和活力，旅游业得到了长足的发展，各种旅游客车的需求不断增加，客车的 生产水平跨上了一个新的台阶，客车制造业进入了个蓬勃发展的大好时期，此即客车 发展的第三个重大转折时期。随着汽车工业的发展，人们对客车的动力性、安全性、稳 定性、舒适性和经济性提出了更高的要求，客车的设计水平、制造技术和生产能力都有 显著提高，开发了加大轴距，加宽轮距的客车专用前轴，采用了传动效率较高的循环球 式转向器或轻便的液压动力转向器、双管路制动系统、专用悬架、减振器和横向稳定杆 系统；对车身结构采取了一系列密封措施：车身内饰和乘客座椅按人体工程学理论进行 设计，大大提高了乘坐舒适性和安全性。因此，整车的动力性也得到了迅速的提高，可 靠性、安全性和经济性也得到相应提高。目前我国客车工业己经形成中高档各种档次和 大中小型种类齐全客车生产能力，为国民经济的发做出了巨大贡献，也基本满足了人们 日常生活需要。但是，与国外客车技术或工业相比，特别是与欧洲客车相比，我国客车 行业的发展，无论是从技术水平，还是整车配置，都存在相当大的差距。 刁有明：客车车架结构分析 1 1 4 现代汽车设计的新特点 现代汽车向清洁、节能、安全和智能方向发展，夹在质量和成本间的汽车设计数据 空间越来越少。这就提出了精益设计等一系列课题，主要表现是： ( 1 ) 电子和电器产品比重不断加大。新的电磁产品( 如电喷、a b s 、安全气囊开 启等控制系统核心都是电磁产品) 。汽车机电一体化速度加快。汽车电子产品工作条件 恶劣，同时对产品性能和可靠性的要求又极为严格，产品一旦失效，将造成对安全的威 胁，所以汽车的电磁分析及电磁兼容性( e m c ) 研究已提到了议事日程。 e m c 研究涉及电一磁一热一流体压电一结构的多学科交叉分析。在设计中，采 用场一路结合的方法模拟电机电磁场分析，取得部件磁场分布。例如：气隙磁场、转子 力矩、空载及负载的特性帮助产品设计。 ( 2 ) 非线性分析进入实用化。世界事物的本质是非线性的，传统设计中常常简化 为线性，是因为过去非线性分析往往无法实现。现在，精益设计呼唤非线性分析。 ( 3 ) 系统分析成广泛应用。汽车结构是一个复杂的系统，相关部件间的载荷传递， 一般无明确的规范，仅单零部件的工况明确。现在为汽车业提供的解决方案允许将分析 对象扩大至总成系统、直至整车，从而绕过了零部件内部复杂的受力关系这一难题，使 得分析结果更加符合实际。 ( 4 ) 动力学分析和弹性体分析结合。传统上动力学分析对象只能是刚体，应力分 析的弹性体只能是被约束的。现在不需要对各机构部件刚化，可以在考虑结构弹性的同 时分析其运动情况和工作时间的应力响应，可以大幅度提高分析精度】。 1 1 5c a e 在汽车产品开发中的应用 随着计算机技术的发展以及c a d 、c a e 技术的r 渐成熟，c a e 在汽车等机械产品 的开发中应用非常广泛。如采用有限法( f e m ) 计算机械零件的应力和变形以进行强度和 刚度分析；采用多体动力学方法进行汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分 析；采用有限元法进行汽车碰撞分析；采用有限元法和边界元方法( b e m ) 分析汽车的噪 声等等。可以说，c a e 在汽车产品丌发过程中所发挥的作用己经无法被取代。 c a e 在汽车产品开发过程中的作用集中体现在三方面： ( 1 ) c a e 极大地缩短了产品的研制周期。在建模和分析过程中采用实体造型和参 数化，模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩 短。 ( 2 ) 减少了开发费用。相对于道路试验和室内台架试验而言，利用c a e 分析汽车 整车及零部件的各种性能所需要的费用大幅减少。 人连理e k 学专业学位硕士学位论文 ( 3 ) 有利丁通过优化等手段外发i _ u 性能更为优越的汽车整车和零部件。臀如通过 优化车架和车身的结构参数减轻整车重量；通过优化行走系和转向系的参数提高整车的 操纵稳定性和行驶平顺性等1 7 i 。 当然，从实际应用的角度来说，汽车c a e 作用的发挥还依赖于两个重要前提，其 一是对c a e 技术的熟练掌握，其一是璎提供聚基本的实验数据永i 榍关数抛库。这翠所 指的基本实验数据，是指轮胎特性数据、道跚特性数据、各种材料的力学特性等。所谓 相关数据席是指企、l k 在产。l 没计和丌发过程i - 不断积累的、能够提供结构形式和主要参 数( 包括价格、外m 情况等1 的数据库。除此之外耍巫好地实施c a e 并发挥其作用，必 需与c a d c a p p c a m 、优化技术等结合起来j | j 以综合逛月】。将c a e 这样的数宁样机技 术用于汽车新产品的开发，是现代汽车产品丌发的重要手段之一，它可以在新产品的设 汁阶段就能评估它的性能，并指导设计上程师进行产品的优化设计，保证产品开发的 一次成助。汽1 i 1 1 架足整个汽4 二j “t ； 的哦篮 _ | l 成部分，汽4 三4 三架的性能决定于其结构 的动态特性，模态分析是车架结构动态特性分析的基础，年架结构的自然频率能够用来 评价车身与汽年行驶中各种振源( 如发动机，路面4 i f 度引起的随机激励) 之问的动态干 扰，避免共振的发生，乍架模态振裂可以用水确定对结构改进的措施，也可以应用到试 验中去，存模念试验和道路模拟试验时，j 。以根引模态分析结果来确定加速度计的安装 位置，以提高测试精度。乍架魁汽币。i ，结构和受力郝较复杂的部件，对于全承载式的 车身更足如此。车架有限元分析的日的f l ir 提高j 承城能力和抗变形能力、减轻其自身 重量并节省材料。另外，就整个汽车而南，当车架重量减轻后，整车重量也随之降低， 从而改善整车的幼力性和经济性等性能。 1 2 课题的研究内容和意义 1 2 1 客车车架的结构特点 汽车车身结构从形式上说，主要分为非承栽式和承载式两种1 。，非承载式车身的 汽车有刚性乍架，又称底盘大梁架。发动机、变速器、转向器及车身部分都固定其卜， 它除了承受静载荷外还要承受汽i 行驶时f “= ，| 的动载荷因此年架必须要有足够的强度 和刚度，以保证汽车在矿常使用| i 、r 受到箨种麻力卜不会破坏和变形。车身术体也悬置于 车架上，用弹一眺元什联接。年架的振动通过弹性元什传到年身上，人部分振动被减弱或 消除，发生碰撞时车架能吸收人部分冲二1 力，舀：坏路行驶时对车身起到保护作用，因此 车厢变形小，i 稳悱和安令性好，而j m 内噪爵低| l6 1 。但这种非承载式年身比较笨重， 质量大， ，t 车质心高。承载式乍身的汽乍没有刚性币架，只是： j j j 强了车头，侧阐，车尾， 底板等部化，4 1 身和底架共同组成了牟身本体的刚忡窄| h j 结构。这种承载式：4 三身除了其 刁有明：客1 ：午架结构分析 固有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷l ”j 。这种形式的车身具有较大的抗弯曲和抗 扭转的刚度，质量小，高度低，汽车质心低，装配简单，高速行驶稳定性较好。但由于 道路负载会通过悬架装置直接传给车身本体，因此噪音和振动较大。高速行驶稳定性较 差。 还有种介于非承载式车身和承载式车身之间的车身结构，被称为半承载式车身 。它的车身本体与底架用焊接或螺栓刚性连接，加强了部分车身底架而起到一部分车 架的作用，例如发动机和悬架都安装在加固的车身底架上，车身与底架成为一体共同承 受载荷。这种形式实质上是一种无车架的承载式车身结构。因此，通常人们只将汽车车 身结构划分为非承载式车身和承载式车身。 非承载式车身和承载式车身基于自身的优缺点，使用在不同用途的汽车上。一般而 言，非承载式车身用在货车、客车和越野车上，承载式车身一般用在轿车上，现在一些 客车也采用这种形式。 对非承载式和半承载式大客车车身而吉，车架纵梁是接个车身结构中的基础承载部 件，车架纵梁设计是大客车设计中至关重要的环节。在对车架纵粱进行强度分析时，往 往还要注意其刚度的分析。 目前，汽车车架的结构形式基本上有三种：边梁式车架、中梁式车架和综合式车架。 ( 1 )边梁式车架。由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或焊接法 将纵梁和横梁连接成峰固的刚性结构架。纵梁通常采用低合金钢板冲压成型，断面一般 为槽型也有作成z 型或箱型断面。根据汽车形式不同和结构布置的要求，纵粱可以在水 平面内作成弯曲的，以及等断面或非等断面的，横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承 受纵向载荷，而且可以支承汽车上的主要部件。其结构特点是便于安装驾驶室、车厢以 及一些特种装备和布置其它总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车，因此被广泛用 在载货汽车和大多数特种汽车上，本文分析的d d 6 9 0 0 h 2 型大客车便是采用了等断面边 梁式车架。 ( 2 )中梁式车架。由一根通过车架中央的封闭端面的纵梁和若干根悬伸托架构 成，因此也称为脊骨式车架。中梁的断面可做成管型或箱型。结构特点是车架有较大的 扭转剐度并使车轮有较大的运动空间。因此被采用在某些轿车、货车和越野车上。 ( 3 ) 综合式车架。同时具有边梁式和中梁式车架的特点，也称复合式车架。该车 架的边梁用来安装发动机，悬伸出来的支架可以固定车身，实际上属于中梁式车架的变 型。 6 人连理工大学专业学位硕十学位论文 1 2 2 课题的研究内容 本文分析的对象是某客车制造公司生产的d d 6 9 0 0 h 2 型大客车车架的结构特性。该 车采用了等断面边梁式车架，半承载式车身结构，后置发动机，表1 1 中给出了该车的 主要参数。 表1 1d d 6 9 0 0 h 2 型大客车的主要参数 t a b 1 1p a r 锄e t e ro f t i i eb i l s 车跃( m m ) 8 9 9 4 车宽( m m ) 2 4 0 8 车高( m m ) 2 4 2 9 最高车速( k m ，h ) 1 1 5 最小转弯直径( m ) 2 2 乘客座位数 3 3 + l ， 座椅间距f m m ) 8 4 1 最大总质量( k g ) 1 2 0 0 0 本文首先介绍了有限元的概念、原理以及分析的基本思路，说明了有限元法在车架 结构分析中的应用；然后以d d 6 9 0 0 h 2 型大客车的车架为具体分析对象，在二维工程图 纸的基础上，利用a n s y s n 软件的建模功能，建立车架的三维几何模型，并最终转化 成可供分析计算的有限元模型：然后结合客车在实际运行时的典型工况，确定相应载荷 及约束条件的施加，通过计算结果分析车架的结构强度和刚度；最后对车架进行了自由 振动模态分析，为以后设计改进提供了参考依据。 1 2 3 课题的研究意义 现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，其功用是支承连接汽车的各零部 件，并承受来自车内外的各种载荷。车架是整个汽车的基础，汽车绝大多数部件和总成 都是通过车架来固定其位置的。车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求。当汽车 在复杂的行驶过程中，固定在车架上各总成和部件之间不应发生干涉：当汽车在崎岖不 平的道路上行驶时，车架在载荷作用下可能产生扭转变形及在纵向平面内的弯曲变形， 当一边车轮遇到障碍时，还可能使整个车架成菱形。因此，车架还应具有足够的强度和 适当的刚度，同时还要求其质量尽可能的小，车架应布鼍地离地面近些等。因而，如何 判断车架结构的合理性及静动态特性的优劣，并对车架结构设计进行优化，是一项十分 重要的工作。 刁有明：客下午架结构分析 客车车架的结构复杂，用经典力学方法不可能得到精确解。特别是在设计的初期， 因无法实测数据，只能依靠经验和类比设计，因而缺乏建立在力学分析基础上的科学依 据。 客车车架的设计与制造是开发新车型最重要的组成部分。由于受各种条件的限制， 目前我国基本上还在沿用传统的手工设计方法和连接式的设计与制造过程。在汽车结构 的设计中，设计人员的重要任务之一是确定零部件的强度和刚度。保证零部件能够达到 一定的使用时间。由于客车是复杂的空问结构，车架又是客车中结构和受力情况都比较 复杂的部件，而且不少厂家仅凭经验或进行类比设计，往往导致结构强度过剩或强度不 足。强度过剩，带来结构的粗笨和材料的浪费：强度刁i 足又会发生早期失效，甚至酿成 事故。一个合理的设计应该是使其在不正常的恶劣运行条件下偶尔出现故障，在正常条 件下不发生严重失效。客车车架分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其 自身重量并节省材料。另外，就整车而占，当车架的重量降低之后自然会改善整车的动 力性和经济性等性能，因此探讨车架的分析方法是很有实际意义的。 人连理1 ：人学专_ k 学何预i ：学位论文 2 有限元分析的基本理论与方法 2 1 有限元法的发展历程和趋势 有限元法起源于上世纪四十年代初期1 2 0 1 。在1 9 4 3 年，当时的数学家r 库朗 ( r c o u r a n t ) 己从数学上明确提出过有限元的思想，他第一次尝试应用定义在三角形 区域上的分片连续函数的摄小位能原理求解s t v e n a n l 扭转问题。然而，此方法发展很 慢，直到1 9 5 6 年t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t o p p 等人在他们的经典论文中第一次绘 出了用三角形单元求得的平面应力问题的真_ f 解答。他们利用弹性理论的方程求出了三 角形单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的 研究工作探讨了早期有限元法的理论，促成了有限元法的诞生，随当时出现的数字计算 机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面【i ”。 由于当时的条件有限，计算机刚出现，有限元法的基本思想一离散化的概念没有引 起重视。后来，许多数学家，物理学家由于各种原因都涉及过有限元的概念。但由于即 使一个小规模的工程问题，用有限元分析都会产生较大的工作量，所以直到1 9 6 0 年后， 随着计算机技术的发展，有限元这门特别依赖数值技术的学科彳真正进入了飞速发展的 阶段。先是英国的航空学教授- 1 i i 阿吉翟斯( j i ia r g y r i s ) 和他的同志运用网格思想 成功地进行了结构分析，他们的研究工作从复杂结构的分析中发展出了有限元的雏形。 美国的r w 克拉夫( r w c 1 0 u g h ) 教授在1 9 6 0 年首次使用“有限元法( f i n i t ee 1 e m e n t m e t h o d ) ”这个概念。 6 0 年代中、后期，国外的数学家开始介入对有限元法的研究，促使有限元法有了坚 实的数学基础，他们对有限元法的发展做出了重要贡献。1 9 6 5 年，英国的o c 辛凯维 奇( o c z i e n k i e w i c z ) 和同事y k c e u n g 寅斫i ，有限元法适用于所有能按编分形式进 行计算的场问题，使有限元法获得了一个更为广泛地解释，有限元法的应用也推广应问 题的历程，应用范围也不断拓展，不断地走向更成熟的新阶段。 有限元技术所涉及的内容有：有限元法在数学和力学领域所依据的理论；单元的划 分原则，形状函数的选取及协调性；有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差，收 敛性和稳定性；计算机程序设计技术等。目前，作为利用计算机进行数值模拟分析的方 法，有限元法自上世纪5 0 年代出现，经过2 0 多年的发展，到7 0 、8 0 年代在理论上已 比较成熟，作为工程结构静、动力强度分析的有效工具，有限元法在工程技术领域中的 应用越来越广泛，有限元的计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据， 成为最强有力的数值分析方法之一i l 引。 刁有明：客车印架结构分析 有限元的理论产生以后，首先应用于飞机的设计制造中，利用矩阵对飞机结构进行 受力和变形分析。后来有限元法作为一科- 数值分析方法正式出现于工程技术领域。六、 七十年代中国在设计水坝中应用了有限元法，独立的发展了有特色的数学理论基础”。 目前国内所用到的有限元程序有s a p 、n a s t r 州、a n s y s 等1 1 8 】。 有限元不只局限在固体力学领域，它可以解决几乎所有的连续介质和场的问题。在 本文后面的分析中就对客车进行了模态分析。我们根据有限元求解问题的性质可以把它 在应用中分为三类： ( 1 ) 平衡问题不依赖时间的问题，即稳态问题，如本文后面进行的静态受力分 析。 ( 2 ) 特征值问题固体力学和流体力学的特征值问题是平衡问题的推广。 ( 3 ) 瞬态问题即随时间变化的问题。 有限元法有限元法】下在向纵深发展在以后的工作中，非线性问题和瞬态问题还要 做更多的工作。从工程实用观点来看，有限元法今后发展的方向应该使分析方法更有效、 更广泛、使用更方便。在求解大型工程时，要求成本低，在确保计算精度的前提下要求 花的时间和费用更少、更经济【l ”。 2 2 有限元法的基本思想 有限元法的分析计算思路和做法可归纳为如下内容： ( 1 ) 物体离散化。将某个工程结构离散成有各种连结单元组成的计算模型，离散后的 单元与单元之间用节点互相连结起来，因此有限元法中分析的结构已经不是原有的物体 或结构物，而是同样的材料出众多单元以。定方式连结成的离散物体，计算结果是近似 的，如果划分单元的数目非常多而且合理，那么计算结果就与实际情况相符合。 ( 2 ) 单元特性分析。在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法，这 种方法易于实现计算自动化，因此被广泛采用。当采用位移法时，可以把单元中的位移、 应变、应力等由节点位移表示。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及 其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式是有限元法的关键和基本步骤之一。另 外还要通过等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。 ( 3 ) 单元组集。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接 起来，形成整体的有限元方程。 ( 4 ) 通过求解得出未知节点位移。 大连理：r 大学专业学位硕士学位论文 2 3 有限元法的应用软件 有限元法通过计算机软件在工程中得到广泛的应用。国际上较大型的面向工程的有 限元通用程序达到几百种，其中著名的有：a n s y s ，n a s t r a n a s k a ，a d i n a ，s a p 等 它们多采用f o r 啊认n 语言编写，规模达几万条甚至几十万条语句，其功能越来越完善， 不仅包含多种条件下的有限元分析程序而且带有强大的前处理和后处理程序。由于有限 元通用程序使用方便、计算精度高，其计算结果已经成为各类工业产品设计和性能分析 的可靠依据，以a n s y s 为代表的有限元软件，不断吸取计算方法和计算机技术的最新 进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为解决现代工程学问题必 不可少的有力工具。 美国a n s y s 公司是c a e 行业的知名公司，在设计分析类软件中第一个通过了 i s 0 9 0 0 1 质量认证，现以该公司的有限元分析软件为例具体介绍此类产品。软件主要包 括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。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；分析计算模块包括结构分析、流 体动力学分析、电磁场分析、声场分析、电压分析以及多物理场的藕合分析；后处理模块 可将彩色计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示等图形方式显示出来或输出。 软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种材料和结构。该类软件有多 种不同版本，可运行在从个人机到人型机的多种计算机设备上【2 “。作为用户在购买和使 用此类软件时，可以从以下五个方面考评：网格划分、几何建模、与c a d 软件的数据传 递、图形技术和导航技术。只有这几方面都运行良好，才能充分满足设计分析和仿真计 算的需要。a n s y s 大型通用有限元分析软件软件是融结构、流体、电场、磁场、声场 分析于一体的大型通用有限元分析软件。出世界上最大的有限元分析软件公司之一的美 国a n s y s 公司开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如 p m e n g i n e e r ，n a s t r a n ，i d e a s ，a u t o c a d 等。 2 3 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件， 可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军 工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、同用家电等一般工业及科 学研究。a n s y s 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： 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藕合分析。可模拟多种物 刁有明：客车车架结构分析 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l o o 种以上的单元类型，用束模拟工程中的各种结构和材料。启动a n s y s ， 进入欢迎画面以后，程序停留在开始平台。从丌始平台( 主菜单) 可以进入各处理模 块：p r e p 7 ( 通用前处理模块) ，s 0 l u t l 0 n ( 求解模块) ，p 0 s t l ( 通用后处理模块) ，p o s t 2 6 ( 时 间历程后处理模块) 。a n s y s 用户手册的全部内容都可以联机查阅。用户的指令可以通过 鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命今输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该 命令就会在。l o g 文件中列出，打7 r 输出窗口可以看到l o g 文件的内容。如果软件运行 过程中出现问题，查看l o g 文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根 源。l o g 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时， 由a n s y s 自动读入并执行，这是a n s y s 软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进 行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度【2 。 2 3 2a n s y s 软件的分析步骤 a n s y s 软件的分析过程包括3 个主要的步骤：l j 处理、求解及后处理。 ( 1 ) 前处理模块 前处理用于定义求解所需的数据了。用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数 和材料特性、建立实体模型并对其进行网格剖分、控制节点和单元以及定义耦合和约束 方程。软件里提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 ( 2 ) 求解模块 在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段已通过求解器获得分析结果。在该阶段 用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元的求解。 ( 3 ) 后处理模块 a n s y s 的后处理过程在前处理和求解过程之后，它可以通过用户界面获得求解过 程的计算结果进行运算，这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等， 输出的形式有图形显示和数据列表两种。 将计算结果从结果文件中读入到数据库后，可以通过图形显示或数据列表来观察和 查询模型在某一特定时刻( 某载荷步、频率) 的计算结果，从而对模型结果进行分析。 计算结果以图形方式显示是一种十分有效的表示方法，更为直观形象。从图形上， 用户可以非常迅速地了解到所观察的结果数据在整个模型的分布变化。输出的图形包 久连理1 ：大学争业学侥硕 ：学能论文 括：等值线图、变形图、矢量图、路径同、反力图、粒子流轨迹国和带电粒子轨迹图、 混凝土断裂和压碎图等1 2 6 】。 列表显示可以详细给出所要分析数掘项的具体数值是计算结果的准确表示方式。 所有节点解数据、单元解数据、反作用力数据、唯元表数据及其它数据均可列表显示。 时间历程后处理模块用于检查在个时问段或予步历程中的结果，可以了解模型中 特定点计算结果随时问( 载荷步) 变化情况，如节点位移、应力或支反力。将节点自由 度、单元解、反作用力解、问隙力数据和求解数据定义成变量，还可以得到时间历程曲 线或数据列表。 2 3 ，3 心s y s 软件的基本功能 它的基本功能包括：结构静力学分析、结构力学分析和结构非线性分析等。 ( 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应山确l 力，很适合于求解惯性及阻尼对结构响应影响 并不显著的问题，这种分析类型厂。泛应用于机械工程和结构工程。静力分析包括线性分 析和非线性分析( 塑性、蠕变、膨胀、犬变形、火应变及接触面等) 。非线性静力分析 通常通过逐渐施加载荷完成，以获得精确解。 ( 2 ) 结构动力学分析 用来求解随时间的变化载荷对结构或部件的影响，它考虑载荷随时间的变化及阻尼 和惯性影响。这类载荷包括交变力( 旋转机械) 、冲击力( 冲击或爆炸) 、随机力( 地 震) 及其他瞬态力( 诸如桥上的运动载荷) 。a n s y s 可以求解下列类型的动力学分析 问题，如瞬态动力、模态、谐波响应及随机振动响应分析。 ( 3 ) 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。a n s y s 可求解静态和 瞬态非线性问题，包括材料 # 线性、几何非线性和单元非线性3 种。 ( 4 ) 动力学分析 a n s y s 可以分析大型3 d 柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可以使用这 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。 a n s y s 的主要特点是紧跟计算机软硬件发展的最新水平，功能丰富，用户界面操 作方便，前后处理和图形功能完备，并n 使用舟效的有限元系统。它拥有丰富的、完善 的单元库、材料模型库和求解器，能够解决很多实际问题。归纳其技术特点，主要表现 在以下几个方面j 刁有明：客车币架结构分析 ( 1 ) 数据统一：a n s y s 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处 理、分析求解及多场分析的数据统一。 ( 2 ) 强大的建模能力： n s y s 具有三维建模能力，依靠a n s y s 的图形用户界面就可 建立各种复杂的几何模型。 ( 3 ) 强大的加载求解能力：在a n s y sc l ，包括位移、力、温度在内的任何载荷都可 以直接加载在任何几何体或者有限元实体上，载荷可以是具体数值，也可以是与时间或 者坐标有关的函数。同时提供了数种求解器，用户可以根据要求选择合适的求解器。 ( 4 ) 智能化网格划分：a n s y s 具有智能网格划分功能，可根据模型的特点自动生成 有限元网格。 ( 5 ) 强大的后处理能力：利用a n s y s 可以荻得任何：肖点、单元的数据。这些数据具 有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数掘输出形式【2 4 1 。 人连理：i 人学专业学位硕十学竹论文 3 客车车架模型的建立 3 1 车架 本文分析构d d 6 9 0 0 h 2 型大客车采用的是边梁式车架。 边粱式车架由两根长纵梁及若干根短横梁铆接或焊接成形，纵梁主要承受弯曲载 荷，采用只有较大抗弯强度的槽形钢梁( 也宵采用钢管，但多用于轻型车架上) 。纵梁 中后部受力最大，因此设计者一般将纵粱i 一后部的截断高度加大，两端的截面高度逐渐 减少，这样。来可使应力分靠均匀，同时也减轻了讴最。横梁有槽形、管形或箱形，以 保证车架的扭转刚度和抗弯强度。横梁还刚i 三i 安装发动机、变速器、车身利燃油箱等。 为适应不同的车型，横梁布置有多种型式，如为了提高车架的扭转刚度采用x 型布置的 横梁。边粱式结构简单，l ：艺要求低，制造容易，使用广泛。但由于粗壮的大梁纵贯全 车，影响整车布置和空问利用率大粱的横截m ：i 度使牟f | i i 离地距离加大，乘客上下车 不方便，另外重量也大，整车行驶经济性变差”。这出缺点对小客车、轿车是缺点，对 r 越野车可能就是优点，因为越野车要求有很强的通过性，行驶崎岖路面时要有一定大 的离地间隙，而非常颠簸的道路会令车休人i m 射l 动，“有带刚性车架的承载式车身结构 才能抵御这种冲击力”。 d d 6 9 0 0 h 2 型大客车车架的两根纵梁在r f 削部能有所升高，是为了方便布最行李仓， 这种布景有利于降低整车的重心、提高汽4 ：的稳定性：在后面有所降低，是为了方便发 动机的安装，降低发动机的重心，也提高了汽车的稳定性，尽管这种结构比较复杂、而 且成本较高，但采用这种结构的优点足显而易见的。 汽车车架大都幽开口薄壁梁段经焊、锄l f l 成。并粱段两端多受约束，不能自由转动， 受扭矩作用时界面发生翘曲，其轴向转角函数有小同于自扭转的变化现律。截面翘曲 对粱的截面应力分布有很大影响，应充分讨论。 ( 1 ) 开口薄壁杆约束扭转的假设。端点受约束的丌i i 薄壁杆受纯扭矩m k 的作用，称 为约束扭转现象。假定此时薄壁抒的一 1 问而( 即薄壁的中矧面) 微元保持不发生转角变化。 这种现象可以理解为：截面内受剪力流作用。截r l ，间剪应力为零，内力两表而处剪应 力最大，即y = 0 ；其次假定杆件受纯扭矩作用，备截面仪绕轴线转过一定的角度，而截 面周边的形状不变，这与自由扭转现象类似。 设杆扭转时沿轴线x 力向的转角函数为q ( x ) ，杆的自山扭转方程为： 设杆扭转时沿轴线x 方向的转角函数为币( x ) ，卡下的自山扭转方程为： ，、，、 盟! ：竺嵝：p - ( 3 j ) 出g 以hj 刁有明：客下乍