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基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 摘要 随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场 的依赖程度不断加深，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我 国的经济发展造成的极大的负担。汽车作为耗油大户，其节能与否已直接 影响到我国整体的能源消耗水平，国家对此高度重视。由于汽车轻量化对 节能增效的巨大意义，国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下减轻车身 质量。汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究热点之 一o 在半挂车设计中，车身骨架是半挂车的主要承载件，车身骨架在整车 的整备质量中占三分之二左右，所以车身骨架的轻量化设计对减轻半挂车 的质量有着非常重要的意义。车身质量的减轻不仅可以节省材料，而且能 提高整车的动力性和经济性，并减少排放。本文就是利用c a e 技术对半挂 车车身骨架进行有限元分析计算，并进行轻量化设计。 本文基于a n s y s 软件对半挂车车架结构进行了参数化建模，对其结 构进行静力和动力分析的研究。首先，对a n s y s 进行了简要的介绍，为 车架结构进行有限元分析做好准备工作；其次，以某半挂车车车架结构为 研究对象，利用a n s y s 建立了车架结构有限元的参数化模型，对车架建 模过程进行了研究；再次，对车架结构的静、动态特性进行深入研究，对 车架进行性能分析评价；最后，以车架纵梁截面尺寸作为设计变量，以车 架总体积为设计目标，运用a n s y s 优化模块对车架结构的轻量化设计进 行了探讨，并得出理想的优化结果，车身骨架在保证安全性的前提下减轻 了质量，提高车身骨架的整体性能，达到了预期的目标，并对优化后的车 架进行了疲劳寿命仿真分析。 本文的研究说明有限元法和a n s y s 软件为车架结构及动力特性的仿 真以及轻量化设计提供了良好的基础理论及方法，借助于它们对车架结构 的轻量化设计研究具有非常重要的工程价值。 关键词：半挂车，轻量化设计，a n s y s 软件，结构分析，优化设计，疲劳 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o ras e m i t r a i l e r s k e l e t o nb a s e do na n s y s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea c c e l e r a t i n gp r o c e s so f e c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，o u rr e l i a n c e o ni n t e r n a t i o n a le n e r g ya n dr a wm a t e r i a lm a r k e td e e p e n i n gd e p e n d e n c e ，t h e c o n s t a n tr i s i n go fp r i c eo ni n t e m a t i o n a lc r u d eo i la n di n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l ， w h i c hr e s u l t si ng r e a tb u r d e nt oo u rc o u n t r y se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，v e h i c l e ，a s af u e lc o n s u m p t i o nv e h i c l e w h e t h e ri t ss a v eo rn o th a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h e w h o l ee n e r g y - c o n s u m p t i o nl e v e l ，o u rc o u n t r ya t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c et oi t b e c a u s eo fi t sg r e a ts i g n i f i c a n c e ，v e h i c l em a n u f a c t u r e r sa l lo v e rt h ew o r l dt r y t h e i rb e s tt ol i g h t e nt h ew e i g h to fc a r , t h et e c h n i q u eo fl i g h t - w e i g h td e s i g nh a s b e c a m eah o tt o p i ci nt h er e s e a r c hf i e l d t h es k e l e t o no fs e m i - t r a i l e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s i t s w e i g h ti sa b o u tt w ot h i r do ft h ew h o l ev e h i c l e t h eu g h t w e i g h to fs k e l e t o ni so f g r e a ti m p o r t a n c et or e d u c et h ev e h i c l ew e i g h t r e d u c t i o no f s k e l e t o nw e i g h tc a n n o to n l ys a v em a t e r i a l s ，b u ta l s oi m p r o v ea c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c ea n df u e l e c o n o m yo ft h ev e h i c l ea n dr e d u c ee n g i n ee m i s s i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns e e k s f e a s i b l em e t h o d s ( c a e ) t or e d u c et h es k e l e t o nw e i g h ta n dd o e sa no p t i m i z a t i o n d e s i g n t h i sa r t i c l e ，b a s e do na n s y ss o f t w a r e ，h a ss e tu pt h ep a r a m e t e rm o d e lo f t h ef r a m es t r u c t u r e ，a n dm a d ear e s e a r c ho ns t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s f i r s to f a l l ，t h i st h e s i sg i v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt oa n s y sa n dm a k eap r e p a r a t i o nf o r f e aa n a l y s i so ff r a m es t r u c t u r e ；s e c o n d l 5i tt o o ks o m ec a r r i e rs e m i t r a i l e r f r a m es t r u c t u r ea sr e s e a r c ho b j e c t ，e s t a b l i s h e dt h ep a r a m e t e rm o d e lb yu s i n g a n s y s ，a n dm a d ea r e s e a r c ho nt h ef r a m em o d e l i n gp r o c e s s ；t h i r d l y , i tc a r r i e s o nf u r t h e ri n v e s t i g a t i o no ns t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s ，a n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i st ot h es e m i t r a i l e rf r a m e ；f i n a l l y , t oc h o o s et h ew e i g h to ft h ew e i g h to f t h es e m i t r a i l e rt ob et h eg o a lf u n c t i o n ，t h ed e f o r m a t i o na n dt h es t r e s st ob et h e r e s t r a i nc o n d i t i o n ，a n dt h es e c t i o n a ls i z eo ft h ef r a m et ob ev a r i a b l eo fo p t i m i z i n g t h e nf o u n dt h a tt h er e s u l to fo p t i m i z i n gw a ss a t i s f y i n g t h ew e i g h to ft h es e m i i i i t r a i l e rs k e l e t o nw a sr e d u c e d ，a n da tt h es a m et i m et h es e c u r i t yo ft h es e m i t r a i l e r w a sg u a r a n t e e d s e m i - t r a i l e rw a sc a r r i e do u ts i m u l a t i o na n a l y s i so f f a t i g u el i r e h e r e i nt h er e s e a r c ho ff e aa n da n s y ss o f t w a r eo f f e r sas e to fb a s i c t h e o r ya n dm e t h o d f o r t h ef r a m es t r u c t u r ea n d s i m u l a t i o no fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，i th a sav e r yi m p o r t a n tp r o j e c tv a l u ei nl i g h t - w e i g h to ff l a m e d e s i g n a t i o no f t h ef r a m es t r u c t u r ew i t ht h ea i do ft h e m k e y w o r d s ：s e m i t r a i l e r , l i g h t - w e i g h t ，a n s y ss o f t w a r e ，s t r u c t u r ea n a l y s i s ， o p t i m i z e dd e s i g n ，f a t i g u e i v 基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二盈虹日期：上鲤严 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技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，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 攥搿，搿豢型缸2 哟幽论文作者签名：上醛乳导师签名：三竺：鳜：2 q q 拿生翅 基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 半挂车是一个具有着很好兼容性与方便快捷性的公路运输方式。兼容性，就是这一 分类当中可以包括：厢式半挂车、罐式半挂车、平板半挂车、集装箱半挂车、成品车辆 运输半挂车等品种。而且还可以在厢式半挂车的这一大类里又分出保温半挂车、冷藏半 挂车、保鲜半挂车等，可以说在每一个大类的下面都能分出大量的细分车型。而且国家 管理机构对半挂车也给出了如下规定：“专用半挂车的术语和定义是将专用汽车同类结 构产品术语中的车字改为半挂车，定义中的汽车改为半挂车即可。所以说，半挂车对 于其他车型的替代作用是非常明显的，这也就是专用车中半挂车比例最大的主要原因。 而说到它的方便与快捷，则“甩挂运输 就是半挂车这一特性的最好诠释。这种国际通 用的半挂车“甩挂运输 方式己经逐渐得到社会的认可。在天津、上海、深圳等大型港 口码头一车多挂的运输方式早就在大范围地应用着。在国内公路运输行业发展的将来， 一车多挂这种高效的运输方式绝对不仅只是港口码头的专利，而且还是大型汽车运输公 司、货场、车站乃至个体运输的首选模式。另外，业内专家也进一步证实，与“单体 式汽车相比，半挂车更能够提高公路运输的综合经济效益。运输效率可提高3 0 - 5 0 ，成本降低3 0 - - 4 0 ，油耗下降2 0 - - - 3 0 。更重要的是，半挂车的使用，还能对我 国物流的组织形式起到一定程度的促进作用。随着我国道路条件的不断改善，特别是高 速公路通车里程的大规模增加，半挂车日益显示其自身的优势，半挂汽车列车具有运输 效率高、吨千米油耗低、经济效益好、能够实现i j n i j 运输等优势，得到广泛应用，己 成为道路货运的主要运输工具之一并逐渐成为高速公路上的运输主力军。无论是栏板式 半挂车，还是平板式、骨架式、平板带插桩式半挂车，已形成了不同长度、不同结构、 不同用途的半挂车系列产品。半挂汽车列车是由牵引车和半挂车组合而成的，为了提高 运输效率，我国开始推广甩挂运输方式，即同一辆牵引车连接不同的半挂车进行运输， 而车架是半挂车的主要承载构件，其结构直接影响车辆的使用性能，则对半挂车车架的 研究显得尤为重要。专用汽车生产厂家的产品开发和设计任务也日益繁重，我们结合实 际设计工作，联系相关设计要求，提出了一种确定半挂车刚度、强度的计算方法，为产 品改进提供依据。 随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不 断加深。目前我国已超过日本成为世界第二大能源消费国，当前国际原油及工业原材料 价格的不断攀升，对我国的经济发展造成的极大的负担。据统计：我国汽车耗能不断攀 升，2 0 0 6 年，车用燃油消耗占国内石油消耗总量的2 7 ，其中汽油占全国汽油消耗总 量的8 6 4 ，柴油占全国柴油总消耗量的3 8 5 ，农用车对柴油的消耗达到1 1 。随着 陕两科技大学硕士学位论文 油耗的不断增加，我国石油对外依赖度加大。2 0 0 7 年，我国石油对外依赖度达到 4 6 2 ，石油供应安全面临严峻挑战，2 0 0 7 年，我国成为仅次于美国的石油消费国。汽 车作为耗油大户，其节能与否己直接影响到我国整体的能源消耗水平，国家对此高度重 视。国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了我国首个油耗强制 性国家标准一乘用车燃料消耗量限值( g b l 9 5 7 8 2 0 0 4 ) ，该标准对我国汽车的燃油消 耗作了上限规定，将分两个阶段实施。新标准的实施有望减少因为汽车保有量日益增加 而能效较低所带来的能源浪费，标准第一阶段实施后我国现有的汽车油耗水平将降低 5 1 0 ，第二阶段实施后油耗将比现在降低1 5 以上【- l 。 标准出台的目的是降低油耗，这将使汽车厂商更注重汽车的节能降耗。其中汽车的 轻量化是达到这个目的比较有力的手段之一。试验表明，汽车质量的轻重与汽车的能耗 有着直接的关系，在相同情况下，轿车的质量每减轻1 0 0 千克，每百公里的燃油消耗将 减少0 。4 - - - 1 升，汽车的自身质量每减少1 0 ，燃油的消耗可降低6 8 ，同时汽车 的废气排放也有明显侔低。 由于汽车轻量化对节能增效的卓越贡献，国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下 减轻车身质量。 其次，从驾驶方面来讲：汽车轻量化后加速性提高，稳定性和噪音、振动方面也均 有改善。从安全性考虑：碰撞时惯性小，制动距离减小。因此汽车的轻量化设计技术已 经成为目前汽车研究领域的研究热点之一。 1 2 前人在本选题研究领域中的工作成果简述 近2 0 年来，计算机软件工程和有限元分析软件的发展己相当成熟，因此，用计算 机手段实现结构的分析及优化已成为工程师和研究者的热点。特别是在车身方面，国内 外的众多学者都对车身结构及其优化问题做出了相应的探讨。特别是a n s y s 在我国的 许多领域都有广泛的应用，并且都取得了很丰硕的成果。 仅仅从车体结构以及结构优化方面来看，前人也有很多方面的探索。如 w i l h e l m r u s t 和k a r ls c h w e i z e r h o f 就应用a n s y s 和l s d y n a 解决了薄壁结构的有限 元应力分析问题 z 】。卢耀辉、邬平波、曾京建立了铰接式货车平车底架的有限元计算模 型，对其底架进行了静强度、刚度、固有频率及振型计算，针对铰接式货车底架刚度弱 的特点，提出了方案修改建议，对铰接部位采用不同结构形式进行了详细对比分析【3 j 。 李亦文在车身结构模型修改的问题研究中将结构参数修改重分析技术引入到c a e 分析 之中，结构重分析芳芳的研究大大降低了费用，分析时间得到了缩减f 4 l 。余传文利用熟 悉的软件建立三维模型，将几何模型导入h y p e r m e s h 中。利用其前处理的功能，提取 几何模型的中面，再导入a n s y s 中进行优化处理【5 】。周健生、蔡荫林以结构系统的可 2 基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 靠性作为结构的优化控制参数，用改进的分枝限界法判认主要失效模式，用p n e t 法计 算结构系统的可靠度，导出了强度、刚度可靠度的灵敏度分析表达式。提出最佳矢量型 法的迭代公式，有效地求解了结构在系统可靠度约束下的最小重量设计问题【6 】。 此外，在有限元优化设计理论及应用方面，s c o t ta c a n a n n 等就表面自动网格化， 考虑到网格化的坚实程度、网格特性、网格化速度、可控制性等要求，发表了总的有限 元网格方法m 。刘学静在应力约束下半挂车车架的拓扑优化设计中根据优化方法和求解 策略，使用a n s y s 参数化设计编写结构有限元分析程序，f o r t a n 语言编写优化程 序，c + + 语言编写绘图程序，为半挂车的设计提供了一条新的思路【8 】。李旗号、张春来 等讨论了有限元法与优化技术相结合用于实际问题的解决，结果表明合理的结构设计可 以提高设计的安全性、产品的安全性及经济性【9 】。兰凤崇、张建伟、陈吉清就轿卡货厢 车顶盖有限元分析及结构改进设计提出了自己的观点，提出了轿卡货厢车顶总成结构改 进设计方案，并进行了强度、刚度计算机模拟分析。探讨了侧围外板前端翻边拐角部位 疲劳裂纹失效的影响因素，并对不同改进设计方案进行了对比和优化分析l m l 。 h a d a d ，h 、r a m e z a n i ，a 等人对如何利用有限元模态分析结果修正车架设计方案进行了研 究f i l l 。崔弘、万淑敏、徐晓宽、王兴东运用有限元理论对压缩式垃圾车的重要工作装置 压缩板进行分析。用有限元分析软件a n s y s 建立了压缩板的有限元模型。同时，对压 缩板进行了不同工况载荷下的静态强度分析。利用分析的结果，对该装置进行了改进， 并对改进后的压缩板进行了静态强度实验，得到了比较满意的改进方案【1 2 1 。 在应用a n s y s 进行有限元分析中，有限元建模耗费了工程技术人员大量的的时间 与精力。虽然a n s y s 带有自建模功能，但是这个建模功能非常有限，只能处理一些相 对简单的模型。随着a n s y s 的应用日益广泛，它需要处理的模型越来越复杂， a n s y s 自带的建模功能就显的非常不足。如果将专业c a d 造型软件与a n s y s 结合使 用，利用c a d 造型软件快速准确建模的特长，利用a n s y s 与c a d 软件之间的图形接 口将模型导入a n s y s ，这样能有效提高建模速度、模型质量，简化分析工作。孙军、 经树栋针对a n s y s 建模困难的问题，比较了各种将c a d 软件的模型导入的方法，提 出了使用c a d 造型软件建模，利用p r o e 与a n s y s 之间的接口，将模型精确的导入 a n s y s 等有限元分析软件的方法【1 3 l 。梁声闻、吴浩圭等介绍了基于a n s y s 前处理与 a u t o c a d 的系统集成方法，以面向对象的o b j e e t a r x 作为开发工具，实现与a u t o c a d 的无缝结合，能够方便地将a u t o c a d 几何模型转换为a n s y s 有限元模型【1 4 l s 】。任晓 莉、李力等说明了a n s y s 软件建模功能不如专门的c a d 软件强大，特别是对于形状 复杂的模型不适合在a n s y s 中建模；同时将c a d 系统中三维模型输入到a n s y s 系 统中容易造成图元丢失及模型不适于网格划分等情况，针对这种情况提出了c a d 系统 建模与a n s y s 建模相结合的方法来完成实体模型的建立，并介绍c a d 系统与a n s y s 陕西科技大学硕士学位论文 之间数据传送方式【t 6 】。 1 3 本论文研究的主要内容 本文针对某半挂车厂开发研制的半挂车，运用有限元分析技术对半挂车主梁刚度、 强度进行了研究。 论文中首先介绍了现代车身结构设计的特点及趋势，即c a e 方法中的有限元分析 技术己广泛应用于汽车车身结构的设计中，形成了以计算分析方法为主、试验方法为辅 的设计思路。 其次简要介绍了在半挂车分析中应用有限元的概念、原理及分析的基本思路，详细 说明了有限元方法在车架结构分析中的步骤，并对分析软件中涉及到的壳单元作了详细 的介绍。 然后研究了车身结构分析载荷和约束的模拟，对车身在的弯曲工况、严重缺陷路面 运输工况、扭转工况进行了刚度、强度进行了有限元分析，并详细的介绍了车架模型的 建立过程及本文研究的车体模型的各种参数，在a n s y s 软件中进行边界条件设定、加 载、网格划分、计算及后处理。 论文中又对车架本身进行了模态的分析，最后探讨了半挂车车架结构的质量轻量化 设计，运用a n s y s 软件对改进方案的应力与变形进行了分析与改进前进行了对比，并 做了疲劳分析。 1 4 本文研究的内容意义 1 ) 本文研究的半挂车车架结构的有限元分析方法，对半挂车车架的结构分析设计 具有一定的参考和借鉴价值。 2 ) 本文对半挂车主梁的刚度、强度进行了有限元分析，为以后半挂车有限元分析 积累了经验和数据，对以后相关的工作具有一定的参考价值。 3 ) 本文探讨了半挂车的优化方案并对优化结果进行了分析，对相关人员的研究工 作具有一定的指导作用。 4 ) 本文最后对优化后的车架的疲劳寿命进行了仿真分析，对进一步优化提供了理 论根据。 4 基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 2 有限元基本理论与a n s y s 软件简介 2 1 有限元的基本理论 2 1 1 有限元的提出与发展 从应用数学角度来看：有限元法基本思想的提出，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年 的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结 合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都 涉足过有限单元的概念。但只是到1 9 6 0 年以后，随着计算机的广泛应用和发展，有限 单元法的发展速度才显著加快。现代有限元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广 应用于弹性力学平面问题。这是t u r n e r 、c l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到 的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。三角形单元的 单元特性是由弹性理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作打开了利 用计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 进一步处理了平面弹性问 题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，使人们开始认识了有限单元法的功效。 二十多年来，有限单元法的理论和应用都得到迅速持续不断的发展。从确定单元特 性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面提到的，t u r n e r 、c l o u g h 等人开始 提出有限单元法是利用直接刚度法。它来源于结构分析的刚度法，这对我们明确有限单 元法的一些物理概念是很有帮助的，但是它只能处理一些比较简单的实际问题。1 9 6 3 1 9 6 4 年，b e s s e l i n g 、m e l o s h 和j o n e s 等人证明了有限单元法是基于变分原理的里兹 ( r i t z ) 法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都使用于有限单元法，确认 了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经 典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定 的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。 有限单元法中所利用的主要是伽辽金( g a l e r k i n ) 法。它可以用于己经知道问题的微分方 程和边界条件、但是变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况，因而进一步扩大了有 限单元法的应用领域。 最近十几年，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问 题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩 展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学领域。 在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。 可以预计，随着计算机技术的发展，有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用 效力的数值分析工具，必将在经济建设中发挥更大作用，其自身亦将得到进一步的发展 和完善。 5 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 2 有限元技术简介【l 刀 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对 象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的 数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只 要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元 方法的基本理论要用到数学、力学方面的各种知识。对于一个应用工程师来说，它的目 的是应用有限元方法去求解各种工程问题，目前市场上各种功能强大的有限元程序包很 多，这些程序包使用方便，也不需要对有限元法进行很深入的了解，即可应用这些程序 求解工程问题。因此，对于一般的工程技术人员来说，只需要花很少的时间了解一些有 限元的基本知识即可，不需要对它的理论背景作更深入的研究。用有限元法进行工程分 析的一般工作流程如图2 1 所示。在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对 象的不同，采用的单元类型也不同，常见的有以下几种单元： 1 ) 杆、梁单元，这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由沿轴线的 坐标确定。 2 ) 板单元，这类单元内任意点的变形和应力由x y 两个坐标确定，这是应用最广泛 的基本单元，有三角形单元和矩形板单元。 3 ) 多面体单元，它可分为四面体单元和六面体单元。 4 ) 薄壳单元，这是由曲面组成的壳单元。 图2 1 有限元工程分析一般流程 f i g2 1t h eg e n e r a lf l o w o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 6 基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 有限元法的一般解题步骤概括起来可以分为以下六个步骤【1 9 1 。 a 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限单元法的基础。所谓离散化过程简 单地说就是将分析的结构划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置结点，把相邻 的单元体在结点处连结起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。单元划分必须有效 地逼近实际的连续体。根据需要经常使用的典型单元有平面应力单元、三维杆单元、三 维梁单元、三维板壳单元、实体单元等，另外还有人们为了处理实际问题而建立的单 元，如边界单元、间隙元等。 b 选择位移模式 在有限单元法中，选择结点位移作为基本未知量时称为位移法。在结构的离散化完 成后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能用结点位移表示单元的位移、应 变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假设，也就是假 定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为模式或位移函数。位移函数的适当选择是 有限单元法分析中的关键。在有限单元法应用中，普遍地选择多项式作为位移模式，其 原因是因为多项式的数学计算比较方便，并且由于所有的光滑函数的局部都可以用多项 式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项式项数和阶次的选择则要考虑到单元的自 由度和有关解的收敛性要求。一般说来，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶 次应包含常数项和线性项。根据所选择的位移模式，就可以导出用结点位移表示单元内 任一点位移的关系式，其矩阵形式为： 厂) = 】 万 。 ( 2 - 1 ) 式中： 厂) 单元内任一点的位移矩阵； 研。单元的结点位移列阵； 【】形函数矩阵，它的元素是位置坐标函数。 c 分析单元的力学特性 根据单元的材料性质、形状、尺寸、结点数目、位置及其含义等，找出单元结点力 和结点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方 程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本 步骤之一。 d 计算等效结点力 弹性体经过离散化之后，假定力是通过结点从一个单元传递到另一个单元，但是作 为实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另个单元的，因而，这种作用在单元 边界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到结点上去，也 7 陕两科技大学硕士学位论文 就是用等效的结点力来代替所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的 力与等效结点力在任何虚位移上的虚功都相等的原则( 即虚功等效) 进行的。 e 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括有两方面的内容：一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物件的 整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效结点力列阵集合成总的载荷列阵。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联接起来，形成整体的有限元方 程： 办= 雎】 毋 ( 2 - 2 ) 式中： p 卜一载荷向量； 【k 】整体结构的刚度矩阵； 5 卜结点位移列阵。 这些方程还应在考虑了几何边界条件，做适当的修改之后，才能够求解出所有的未 知结点位移。 f 求解未知结点位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组，解出未知位移。 变和位移关系，可计算出应变为： 忙) = 【b 】 万 。 式中： 根据位移函数，由弹性力学中给出的应 ( 2 - 3 ) s 卜一应力向量； 【例 应变矩阵； 万 。单元结点位移向量。 应力为： p ) = d 】【别 万) 。 ( 2 4 ) 式中： 仃卜一应力向量； 【d 】弹性矩阵。 2 1 3 有限元技术的应用 从6 0 年代起，我国著名数学家冯康等人就开始了这方面韵理论研究，8 0 年代这一 领域的工程化应用才渐渐在国内开始，先后出现了s a p , a d i n a 等有限元软件。现今尚 属发展阶段，但应用前景十分广阔，它不仅在工业界各个领域的产品设计中占有举足轻 重的地位，近来在日用消费品设计方面的优势也己显现。现在，设计人员可以通过有限 元分析软件把一个大型工程设计分为无数小块，再通过计算机的高速计算，求得每个小 8 基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 方块中的最佳数值，综合分析后即可得到产品的最优化设计方案。这样不仅节省了产品 的开发时间，降低了产品的设计费用，更重要的是提高了产品的竞争力。在产品设计 中，设计师如果能将c a d 与c a e 技术良好融合，就可以达到设计的理想状态一一互 动设计，从而保证企业从生产设计环节就达到最优效益。目前，有限元分析软件己在国 外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物 医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。在汽车设计行业，国外著名轿车公司在 豪华轿车的产品设计中，以前通过经验设计时需要制造2 0 0 多辆样车，才能完成汽车的 安全碰撞设计，现在有8 0 多辆就足够了，大部分的设计内容都是通过有限元分析软件 在电脑中模拟实现的，这样可以节约开发的资金和大量研制时间。在飞机制造行业，以 前通过做风洞试验检测飞机的各项性能，如今许多试验都是通过电脑仿真实现的。 2 2 有限元分析模型的参数化技术1 1 8 i 结构设计与改装面对着工程需求的众多因素，往往需要对多种方案进行性能评定及 优化，将结构尺寸、使用工况及约束条件等进行综合研究成为现实要求。采用参数化技 术进行二次开发，实现自动化建模分析的技术及后处理是近年来有限元分析走向实际解 决大型复杂工程的基本途径，也是一个不断创新的重要研究课题。 2 2 1 参数化设计概念 参数化设计是一种利用结构的重要几何参数、工况参数及约束参数直接构造和修改 有限元分析模型的方法。这些重要的参数包括：几何参数，如控制形体大小的尺寸和定 位形体的方向矢量等；应用工况参数，如速度、加速度、爬坡角、侧倾角与转弯半径等； 约束参数，如结构各种支撑条件等等。其中几何的参数化技术也是c a d 工程的一个重 要研究课题，也是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心技术之一。 参数化设计技术的主要目标： 1 ) 根据工程设计与改装的需求，建立一个能正确反映结构几何需求的参数化分析 模型。 2 ) 为使用者提供个友好的交互环境，使用户能对各种参数值进行直接修改，并 根据修改后的参数，迅速建立新的分析模型，并且自动转入特定分析流程后置处理。 参数化设计思想的提出和实现，使得有限元分析过程变得更为方便和有效，实际工 程行业中更容易得到广泛的应用。 2 2 2 参数化设计的方法 根据实现参数化的不同机制，参数化方法可以分为代数法、人工智能法、直接操作 法和语言方法等。 a 代数方法 9 陕西科技大学硕士学位论文 代数方法是指把结构的尺寸及相关属性和约束转化为联立方程组，求解方程，而得 到满足尺寸、约束等条件的解。通常使用的是变量设计法。在变量设计中，用户先绘制 草图，并标注尺寸，系统自动抽取构成几何模型的特征点，把尺寸约束( 例如特征点之 间的相对距离，转角等) 转化为包含特征的约束方程组，再使n e w t o n r a p h s o n 方法求出 特征点的坐标值，通过判断约束方程的j a c o b i n a 矩阵的歧异性可以检查尺寸约束的有效 性。所定义的任何尺寸约束均可以作为操作何形体的参数。修改这些参数求出受影响的 约束方程，可以获得满足新定义约束的几何模型。 b 人工智能法 人工智能法是通过推理机制逐步构造物体的几何模型。它以现代模糊数据的理论成 果为基础，利用规则进行推理，这些规则由条件和结论构成，它们被存放在规则库中。 系统提取约束，把这些约束作为事实，与规则的条件进行匹配，从而推出一些中间结 论，再把这些中间结论作为事实继续推理，最终求出物体的所有特征点，构造出集合图 形。但是要建立一个能处理各种情况的规则库，其工作量是非常惊人的。国内也有对人 工智能法进行研究的例子，人工智能法是进行参数设计比较好的途径之一，随着人工智 能科学的不断发展，这种方法将占主导地位。我们使用的大型商用结构分析系统的图形 处理技术，目前己经非常智能化，便是例子之一。 c 直接操作法 直接操作法中用户可以直接修改图形的内部状态。所有的目标都用图形来表示，用 户可以通过直接控制点来修改目标的位置、方向和目标的大小等。也可将许多目标组合 起来形成复杂的目标。目标的成员自动继承父目标的属性和操作。直接操作法允许用户 在层次结构汇总指定目标的集合结构。这种关系由约束说明，目标之间的约束通过局部 坐标系与整体坐标系的关系来指定。这种方法简单、直观，但是要求对所构造的物体概 念非常清晰。 d 语言描述法 语言描述法则是使用语言描述结构模型的方法。用户使用造型语言来定义带有参数 的体素，再用这些体素来描述几何图形。也可以先绘制体素，系统自动生成几何体的描 述语言，再修改描述语言中的某些参数，以生成新的体素。这种方法对于描述标准件、 某一零件的多次出现或具有一定规律的出现非常有效。 上述各种方法都有一个共伺的特点：它们都使用参数控制结构图形的几何形状，修 改某一参数，相关部分自动调整。参数设计的方法使得结构图形韵修改非常容易，故用 户不必担心某一个几何元素是否精确，系统可以根据用户定义的约束来自动求出物体的 精确模型。这样的系统允许用户从整体的角度构造模型，即进行概念设计，故参数设计 系统又称为概念设计系统。 1 0 基于a n s y s 的某半挂车车身骨架的有限元分析 2 2 3 参数化的有限元分析概述 在实际设计任务中，经常会遇到系列产品的设计工作。这些产品在结构上基本相 同，但由于使用场合、工况的差别，在结构尺寸上形成了一个系列。对于这类设计任 务，在进行有限元结构分析中，如果逐一地进行建模与分析，重复工作量将相当庞大、 也延长了设计周期。另外，工程实际中很多产品的设计都需要反复进行修改或优化， 即：设计一建模一分析一修改设计一再建模一再分析。对于这种重复进行的再设计与分 析，在有限元建模与处理结果方面，存在着大量的重复工作，影响到设计分析的效率。 为克服上述重复建模与分析带来的问题，在有限元建模与分析过程中，本文引入参数化 的有限元建模思想，使有限元建模与分析实现参数化，从而提高有限元分析的效率。 目前参数化的有限元分析的研究主要是实现前处理与后处理的参数化，参数主要包 括：几何尺寸，材料参数，网格大小等。国内许多学者在这方面做了一些探性工作。例 如：北京航空制造工程研究所的岳中第等利用m s c p ! a t a r n 的p c l 语言进行二次开 发，将参数化思想溶入到有限元结构分析，实现了整车结构的剖分与结构件分析，实现 结构件的变换与组装，建立了适应汽车起重机与矿用重型汽车设计的整体结构工程分析 方法，最终完成了整体车架结构分析；南京航空航天大学的陈伟等利用有限元分析软件 a n s y s 提供的参数化语言，实现了有限元建模和分析参数化，以典型结构波纹管的应 力分析为例，给出了这一方法与基本步骤，结果表明，这种方法极大地减轻了有限元分 析的工作量，提高了工作效率；南昌大学的黎雪芬采用基于参数化的有限元法，对板材 成型工艺参数优化进行深入的研究，利用交互式参数化有限元分析方法对典型的方盒件 工艺参数进行了优化研究，其优化结果与实验结果相吻合，表明优化方案高效、可行。 通过参数化的前、后处理工作，使得反复设计过程的工作量大大减少，工作效明显提 高。前处理阶段，对几何模型，材料参数，网格大小，边界约束，载荷小等都采用参数 化赋值，我们可以通过修改参数库中的基本几何参数，或通过人机交互界面输入参数， 就可完成不同参数下的计算过程。后处理阶段，可以自动抽取重要部件关键部位的应 力、位移，给出数值分析报告，还可以根据工程规范要求，给出剩余强度因子，对设计 工作给出理论分析上的评判。我们发现，有限元分析的后处理工作一旦实现模块化、程 序化及自动化，使得后处理工作极大地简化了，设计工作效率极大地提高。 车架作为一种大型复杂结构对其进行有限元分析已为应用。该系统的主要承力部件 是整体车架，它是许多结构件的组合，其中包括若干子构件。对于这种大型复杂组合结 构进行结构分析往往非常复杂，需要进行理想化与简化。若直接使用传统的c a d 模型 转换为有限元分析，则f e a 模型规模巨大，元素质量甚差，因此，要实现有限元模型 的自动化设计是很困难的，甚至是不可能的。本文阐述的主要工作是实现对半挂车车架 整体结构进行参数化的有限元分析，它根据车架结构特点和力学特征，进行理想化与简 陕西科技大学硕士学位论文 化，提取参数，编制计算模块，从而实现车架在多种工况下的快速参数化有限元分析。 2 3a n s y s 软件的简介 2 3 1 概述 有限元程序作为有限元研究的一个重要组成部分，是随着电子计算机的飞速发展而 迅速发展起来的。国际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力 开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家航空和航天局 ( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限 元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有 限元分析系统。从那时起到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但 使用灵活价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有英国的p a f e c 、法国的 s y s t u s 、德国的a s k a 、美国的a b q u s 、a d i n a 、a n s y s 、b o s o r 、c o s m o s 、 e l a s 、m a r c 和s t a r d y