（光学工程专业论文）电动游览车车身骨架的有限元分析及拓扑优化.pdf

武汉理t 大学硕仁学位论文 摘要 汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路的各种复杂载荷作用，并 且汽车上许多重要总成件都是以车架为安装载体，因而车架的强度和刚度在汽车 总体设计中起了非常重要的作用。 随着汽车工业的高速发展，对汽车的性能以及产品设计的要求越来越高，这 使得传统的设计计算方法已经无法满足现代汽车设计中大规模运算和短周期产 品开发的要求。电子计算机的出现以及有限元法的飞速发展为车架的结构性能的 计算分析带来了新的革命。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。 本文以某电动旅游车车为例，首先阐述了有限元的基本理论和概念，并叙述 了有限元法的基本步骤。然后利用a n s y s 软件建立了车身骨架全板壳单元的有限 元计算模型，并对该车身骨架在弯曲工况和弯扭工况下进行了有限元分析，求得 了不同工况下车身骨架的整体应力分布及变形情况，为委托企业的产品设计提供 了可靠的参考数据。分析结果表明，该车身骨架整体强度具有较大的余量，只有 少部分的应力值大于材料的屈服极限，基本符合强度要求，但还有改进的余量， 所以需要对该车身骨架进行改进。本文基于有限元法的拓扑优化技术对该车身骨 架的拓扑结构进行改进设计，车身骨架经拓扑优化后，整车骨架在满足强度和刚 度的要求的前提下，提高了材料的利用率，与原车身骨架结构相比，质量有所减 少，取得了优化效果。 关键词：电动汽车，车身骨架，有限元法，全板壳，拓扑优化 i 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sap a r to ft h ec a r , t h ef r a m es u p p o r t sa l lk i n d so fc o m p l i c a t e dl o a d sc o m i n g f r o mt h er o a da n dt h ef r e i g h tb e i n gl o a d e d a n dm a n ya s s e m b l yo ft h ec a ra r eb u i l ti n t h ef r a m e s ot h ei n t e n s i t ya n dt h er i g i d i t yo ft h ef r a m ep l a yar o d ew a yi nt h ec a r s d e s i g n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ep e r f o r m a n c er e q u e s ta n d p r o d u c t sd e s i g nb e c o m e ss t r i c t e ra n ds t r i c t e r , w h i c hm a k e sc o n v e n t i o n a lc a l c u l a t i o n m e t h o d so fd e s i g nc a n tm e e tt h en e e d so fl a r g e s c a l eo p e r a t i o na n ds h o r t e nc i r c l eo f m o d e ma u t o m o b i l ed e s i g n ：t h ea p p e a r a n c eo fc o m p u t e r sa n dt h ed e v e l o p m e n to f f i n i t ee l e m e n tm e t h o db r i n go nan e wr e v o l u t i o na b o u tt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f a u t o m o b i l ef r a m es t r u c t u r e u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z ea u t o m o b i l ef r a m e s t r u c t u r ea n dt a k i n gf r a m es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni n t oa c c o u n tm a k es e n s ei n i m p r o v i n ga u t o m o b i l ep e r f o r m a n c e ，r e d u c i n gt h ec o s to fd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f c a r sa n di n c r e a s i n gc a p a b i l i t yo fm a r k e tc o m p e t i t i o n i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rt o o ka ne l e c t r i ct o u r i s mv e h i c l ea sa ne x a m p l e ，f i r s t l y , t h ec o n c e p t i o no ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n dt h eb a s i cs t e p so ff i n i t ee l e m e n t m e t h o dh a v e b e e nd i s c u s s e d t h e n ，u s i n ga n s y ss o f t w a r et ob u i l ta l l - s h e l l - e l e m e n t m o d e lo fv e h i c l ef r a m e ，s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h ew h o l ev e h i c l ef r a m eu n d e r c u r v ea n dt o r s i o nl o a dc a s e sh a v e b e e nc o m p u t e d ，a n d f i n a l l ys t r e n g t ha n ds t i f f n e s so f t h ev e h i c l ef r a m eh a sb e e no b t a i n e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es t r e s so ff r a m eb a s i c m e e tt h er e q u i r e m e n t s ，b u tt h es t r e s so fp a r to ff r a m ei s b i g g e rt h a nu t m o s ti n t e n s i o n o fr e s i s tt ob ep u l l e do ft h em a t e r i a lb e i n gu s e d s ot h ef r a m eo fv e h i c l en e e d st ob e i m p r o v e d t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h eb o d yf r a m ei sb a s e do nt h et o p o l o g i c a l o p t i m i z a t i o nm e t h o d ，a n du s i n gt h i sm e t h o dt oi m p r o v et h ef r a m eo fv e h i c l e a f t e r t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n ，t h es t a t i ci n t e n s i t ya n dr i g i d i t yo fw h o l eb o d yf r a m em e e t t h er e q u i r e m e n t s ，a n dt h es t r u c t u r ew e i g h th a sb e e nr e d u c e d ，a n dg o to p t i m i z a t i o n r e s u l t k e y w o r d s ：e l e c t r i c v e h i c l e ，f r a m e ，f e m ，a l l s h e l l - e l e m e n t ，t o p o l o g i c a l o p t i m i z a t i o nm e t h o d 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：照日期：2 竺! 生! 三厦f 7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期j 燮竺瞰曰 武汉理_ t 大学硕t 学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着计算机技术和数值分析方法的快速发展，一些工程问题不管是简单还是 复杂的都可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到解决。有限元法作为 结构分析的一个重要的数值计算方法，这一理论的基本思想诞生于2 0 世纪中叶， 经过6 0 多年的不断发展和完善，理论已经日趋完善，而且已经开发出一批通用 和专用有限元软件。有限元法已经为各领域中产品设计、科学研究做出了很大贡 献，并且取得了巨大的经济和社会效益。 在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、 离合器、轮胎、壳体等零部件以及驾驶室噪声的分析，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。 目前，在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法对车架 进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式导 致的问题包括两个方面：一是车架简化计算精度不够，为保证强度及刚度要求而 使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；二是造 成车架的设计与计算分离i 不利于提高车架设计人员的设计水平。 1 2 研究的目的和意义 当今世界汽车工业飞速发展，汽车保有量已经超过6 亿辆，年产量超过5 0 0 0 万辆，在消耗巨量石油资源的同时，也产生极大的气体污染( 每年汽车尾气约排 放2 亿吨有害气体占大气污染总量1 6 0 以上) 。随着全球能源消耗的增加，地球 的矿物能源讵面临枯竭，环境问题也日益突出，节能与环保已经成为了现代汽车 工业发展的主题。 轻量化设计是在确保车体强度、刚度的前提下，减轻车体的重量。一方面可 以减少原材料的消耗，另一方面，对于传统燃油汽车而言可以节省燃油消耗、降 低排放，对于电动汽车而言，减轻车身重量可以在一定程度上缓解一次充电续驶 里程短的问题。目前车身轻量化主要有两种途径，是应用轻金属和现代复合材 料等轻质材料，达到减轻重量的目标；二是不考虑材料的因素，利用有限元法和 优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身钢 武汉理。r 入学硕l - 学位论文 板等的重量。比较而言，后种途径能够在应用现有材料，工艺条件基本不变的 情况下减轻车辆重量，更具有现实意义。车架是整个汽车的基础，也是汽车上最 大的零件，承受着来自路面及装载的各种载荷作用。据统计，客车、轿车和多数 专用汽车的车身车架质量约占整车自身质量的2 0 9 卜4 0 ，因此减小车身、车架 质量可为车辆轻量化提供最大的潜力。 课题研究的目的：利用现有的有限元技术对电动车车架结构进行强度刚度研 究与探讨，并且使用先进的优化软件对其进行有限元分析，使其有更加合理的结 构布局。通过对车架的优化达到车架的设计布局合理、结构轻量化和简化加工制 造工艺的效果。 课题研究的意义：在国内，采用内燃机的汽车已经发展了几十年，汽车设计 工程师对汽车设计分析作了许多工作。而电动汽车发展比较晚，国内汽车设计研 究院对电动汽车的设计研发还很陌生，相关技术还存在很多亟需解决的问题，所 以导致国内电动汽车发展缓慢：电动汽车在动力系统上与内燃机汽车大不一样， 导致了其在结构设计上与燃油机汽车存在很大的差别。所以戎们需要作相当多的 研究工作，保证设计出来的电动汽车结构有足够的强度和刚度，使汽车在各种路 面上行驶安全，并且保证汽车设计制造费用比较经济，车架结构轻量化的特点。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外从6 0 年代起就开始用有限元法进行车身强度和刚度的计算。一九七零 年，美国宇航局结构分析程序n a s t r a n 引入汽车领域，标志了以分析验证为基础 的车身结构设计革命的开始，经过三十多年的积累和发展，国外许多大汽车公司 建立了高性能的车身计算机辅助工程系统，形成了完整的设计、分析方法与试验 程序。目前，国外新车型开发周期已经缩短到1 2 个月，这与采用现代车身结构 设计方法分不开的。现代车身结构设计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、 静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。现代车身结构设计方法有以下明显 的特点； ( 1 ) 设计与分析平行。从一开始以满足一定性能要求为目的的机构选型、 结构设计，到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验，车身结构设计 的各个阶段均有结构分析的参与，车身结构分析贯穿了整个设计过程。这样确定 的车身结构设计方案，基本上就是定型方案，由此方案设计出的样车只需一定的 验证使用即可定型，大大缩短了车身开发及研制的周期。 武汉理工人学硕l 学位论文 ( 2 ) 结构优化的思想被应用在设计的各个阶段。轻量化要求和舒适性及安 全性要求的不断提高，使车身设计的难度越来越大。为了满足这些要求，必须在 设计的开始阶段就引入优化设计的思想，并将其贯穿整个设计阶段。 ( 3 ) 大量的虚拟试验代替实物试验，虚拟试验不仅可以在没有实物的条件 下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案 中选择最优，减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现设计中的问题，从而进 一步减少设计成本，缩短设计周期 1 3 2 国内设计现状 国内对电动车车车身进行的分析一般仅限于强度和刚度的静态分析，在动态 分析上起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算机软、硬件条件的制约，另 一方面车身建模过程涉及因素多而且结构很复杂，还有待于作近一步的研究和探 索。目前，国内利用各种有限元分析软件在对车身骨架进行结构分析方面己经取 得了不少成果，但是由于受到所具备的计算机软、硬件条件的制约，与国外的车 身结构分析相比明显存在着许多不足，主要差距有： ( 1 ) 车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计 的，多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能工f 做到并行。 ( 2 ) 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、强度分析的结果还比较相略。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。 ( 3 ) 有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、 噪声、外流方面的模拟计算才刚刚起步，对车身结构或部件的各项性能指标进行 系统分析及优化的实例还未见到。 l ：4 本文研究目标及研究内容 1 4 1 研究目标 根据企业的具体需求和国内外研究现状，本课题研究目标为：针对委托企业 和国内同类电动车生产厂家的技术水平现状和发展趋势，提出电动车车身骨架的 轻量化研究方案和具体实现方法，要能够适应现有企业的技术水平，同时具有良 好的先进性：对现有电动车结构进行有限元分析，并对分析结果进行评价，所得 到的数据要求为企业了解自己产品的设计水平提供有效的数据：对电动车车身骨 武汉理t 大学硕_ j ：学位论文 架进行拓扑优化，使其结构更加合理，并且使其重量明显减轻。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 对有限元法和拓扑优化技术的基本理论、基本方法以及有限元软件的 特点进行介绍。 ( 2 ) 合理简化该电动车车身骨架结构，利用a n s y s 软件建立其有限元模型， 包括选择有限单元的类型，确定载荷、选择计算工况、确定边界约束条件等。 ( 3 ) 对该电动车的车身骨架结构进行静态分析和动态分析。静态包括两方 面：结构的刚度分析和强度分析。动态分析则通过对其车身结构的模态分析，从 宏观的角度来分析该车的刚度和强度。 ( 4 ) 根据该电动车整车轮廓构筑设计空间，利用拓扑优化技术获得车身材 料的最佳分布形式，在此基础上结合实际经验和原有虚拟车身建立优化车身的概 念性c a d 模型。 ( 5 ) 对优化后的车身骨架模型进行有限元分析，获取其强度和刚度特性的信 息。 ( 6 ) 将优化后的车身骨架模型与原有车身骨架模型的强度和刚度相比较， 并对结果进行分析和讨论，得到一些有价值的结论。 4 武汉理t 大学硕 ：学位论文 第二章车身骨架有限元计算模型的建立 2 1 有限元法的基本原理和基本步骤 有限元法起源于上世纪四十年代初期。在1 9 4 3 年，当时的数学家r 库朗 ( r c o u r a n t ) 已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最小位能原理求解s t v e n a n t 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 中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。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阊题的新局面。 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计算的学科 才真正进入了飞速发展的阶段。先是英国的航空学教授j h 阿吉里斯( j h a r g y r i s ) 和他韵同事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 l o 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 l e m e n tm e t h o d ) 这一概念。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0 c 辛凯维奇( 0 c z i e n k i e w i c z ) 和同事y k c e u n g 宣布，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。一个更为广泛的解释，有限 元法的应用也推广到更广阔的领域。有限元法从出现到发展，经历了从线弹性到 弹塑性到弹粘塑性，从解决小变形问题到大变形问题从静力问题到复杂的动力 接触问题直至瞬态的碰撞响应问题的历程，应用范围也不断拓展，不断地走向更 为成熟的新阶段。 j 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，有限元法经过几十年的发展，在理论上己比较成熟，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 5 武汉理工大学硕上学位论文 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。 有限元法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体划分为有限个微小的 单元体，这些微小的单元体称为“单元 ，两相邻单元间只通过节点相连接。将 作用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量，以这些单元 体的集合替代原来的连续结构实体，这一过程称为连续体的离散化。 离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程，因此也 称为模型化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的连续弹性体分 析的问题转化为在离散化的模型上解一个多元代数方程。有限元方法的求解过程 简单，方法成熟，但计算工作量大，这特别适合于计算机计算，避免了人工在连 续体上求分析解的数学困难，这就是有限元方法广泛应用于复杂结构力学分析的 原因。 有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法、应力法和混合法。应用最多 的是位移法。在位移法中，通常选取多项式函数近似地表达单元体内位移分量的 分布，这一通过节点位移表达单元内部位移规律的函数称为插值函数，不同单元 形式可以有不同类型插值函数。有了插值函数，即可利用变分原理建立单元节点 力向量和节点位移向量之间的关系，即单元刚度矩阵。应用节点力平衡条件和协 调条件，将所有单元刚度矩阵方程扩展后叠加，建立结构整体节点力和节点位移 的关系方程、结构总刚度方程，结构总刚度方程是一个以节点向量为基本未知数 的代数方程组。引入约束条件后即可用计算机求解结构节点位移，代入单元刚度 方程后即可求得节点力和各单元内部应力和应变分量。 任何结构的静态强度有限元分析过程，均可以概括为以下五个步骤。 ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，将分析对象用选定的单元类型划分成 若干个单元体，单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来组成单元的集合 体，单元节点的设置性质、数目等根据具体情况及精度要求确定。有限元分析中 的结构己不是原有的结构，而是由众多的单元以一定方式连接成的离散物体代替 原来的结构。因此，有限元分析计算结果只是近似值。 ( 2 ) 确定位移模式 所谓的位移模式，即假设单元内任意一点的位移可以用单元节点待定位移的 合理、简单的坐标函数来表示，这一坐标函数称为位移模式，或位移函数。 位移模式的确定是有限元分析的关键。从泰勒级数展开的意义上来说，任意 光滑函数的局部均可以用多项式来逼近，考虑到多项式的微积分运算比较简单， 6 武汉理t 大学硕二卜学位论文 因此常用多项式作为位移函数。单元e 内任意一点的位移可以表示为 d = n 8 e ( 2 - 1 ) 式中d 单元e 中任一点的位移列向量 形函数矩阵 皖单元的节点位移矩阵 ( 3 ) 单元特性分析 根据弹性力学的几何方程，得到单元内任意一点的应变与节点位移的关系为 占= b 坑( 2 - 2 ) 式中s 单元e 中任一点的应变 b 形变矩阵 根据物理方程，单元应力矩阵与单元节点位移的关系为 仃= d b s , = s 8 , ( 2 - 3 ) 式中盯单元e 中任一点的应力 卜与单元材料有关的弹性矩阵 s 应力矩阵，其元素是坐标函数 根据虚位移原理，建立单元节点力与节点位移的关系 见= 镌皖 ( 2 4 ) 其中，单元刚度矩阵 屯= f b r 伽咖 ( 2 5 ) 屹 ( 4 ) 建立整个结构的节点平衡方程 利用直接刚度法集成结构的整体刚度矩阵及等效节点载荷向量，建立整体刚 度方程 k x = p ( 2 - 6 ) 式中k 结构整体刚度矩阵 x 结构整体节点位移向量 卜结构等效节点载荷 ( 5 1 ) 解方程组输出结果 对线性问题，式( 2 6 ) 是以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程组，求解 后得到结构节点位移向量，从而得到各单元的节点位移向量坑，根据式( 2 - 2 ) ， 7 武汉理工人学硕 ：学位论文 ( 2 3 ) ，( 2 4 ) 可以分析单元的应力和应变。 2 2 有限元法在车身骨架结构分析中的应用 在汽车研发的全过程中，计算机辅助工程分析( c a e ) 是最重要的手段，它是 实现汽车从设计概念到产品验证的强有力工具。现代计算机技术和有限元理论的 不断发展，给汽车的结构分析提供了有力的工具。1 9 7 0 年美国宇航局的n a s t r a n 结构分析程序的引入，标志着汽车现代有限元分析的开始。计算机计算速度的提 高，大大缩短了计算分析周期，而有限元软件功能的完善又促进了有限元分析在 现代汽车领域的应用。 汽车现代有限元分析包含的内容比较多，包括汽车基本结构的静动态特性分 析、声以及振动分析等。车身骨架是复杂的承载结构系统，如果用经典力学方法 计算其强度和刚度，或进行动态分析，需要作很多简化和假设，计算过程繁杂且 精度不高。而且在计算复杂构件时，需要初步给出结构的几何尺寸，并按照已知 的结构载荷工况来进行分析计算；根据计算出的应力、应变修改几何尺寸后再进 行分析：如此反复，才有可能选取最佳方案。而且方案的有效性还必须通过实车 试验来检验，周期长，需要的费用多，这就使有限元法成为计算车身骨架的一种 有效而实用的工具。 应用有限元法进行车身结构分析的基本思路是化整为零和积零为整，把复杂 的结构看成是由有限单元所组成的连续弹性体。有限元计算的第一步是结构的模 型化，即将实际工程问题离散化为有限元计算模型。而模型化的关键就是选择合 适的单元来模拟结构。 单元的选择包括单元类型选择和单元精度选择两个方面的内容。单元类型的 选择要考虑结构的受力特性，选择的原则是所选的单元可以使计算的精度高、收 敛速度快、计算量小。单元的类型应对结构的几何形状有良好的逼近，要真实反 映结构受力状况，单元划分的大小应根据结构问题分析的具体情况，以及计算精 度和费用、计算机的内存等因素综合考虑后加以应用。 根据工程实践，应按照分析目标( 如强度分析、刚度分析、动力学分析等) 的不同，选取合适的计算模型；先整体后局部、先粗后细的分析方法：在车身骨 架结构特性分析中，如果只着重于求解结构某方面的特性，可以采用较简单的模 型。在求整个车体的固有频率时，可以忽略较多的细节问题。 可供车身结构模型化使用的单元主要有空间梁单元、薄壁梁单元、膜单元以 及薄板弯曲单元和壳单元等。有时还用到一些模拟支座或其它复杂结构用的某些 特殊单元，如边界元，主从关系元等。在具体选用时，以力求反映车身结构的力 8 武；上腿1 = 大学硕士学位论文 学特性为前提，同时尽可能选用简单的单元，使模型既合理，又节约计算时间。 例如，分析车身骨架和车架，就可以采用空间梁单元和薄壁粱单元。 对汽车结构分析而言，由于有限元分析所建立的模型可以具有与实际结构相 一致的几何、材料和力学特性，对实际结构具有“真实”的模拟特性，与单纯的 几何仿真有本质的区别，有人也称之为“真实的仿真 ( r e a l i t ys i m u l a t i o n ) ， 从而使现代结构设计方法从规范设计向分析设计转变，设计者在设计阶段就能从 仿真分析中形象地了解整个结构在受载后的应力、交形以及动力特性，评估设计 质量，寻找最佳的设计方案，将使结构设计质量发生质的飞跃。 用有限元法分析静动态强度和结构刚度是现代整车骨架设计的必要手段。采 用现代有限元结构分析技术，使得车身骨架结构分析不再仅凭经验进行，并且可 以获得设计的参变量( 如车身骨架的结构形式、构件的几何尺寸及其布置方式等) 与结构响应( 如输出的应力和位移) 之间的某种关系，还可以利用软件提供的可视 化技术，实时地观察计算分析的结果，而利用这些信息就可以对结构进行优化。 最初的有限元软件仅具有少数单元，界面简单、功能有限、分析结果粗略而 不直观，前后处理困难复杂，无法满足汽车强度设计的实际需要。经过多年的发 展，现代有限元软件已今非昔比。它们拥有大量满足建立不同力学模型需要的线 性与非线性单元，提供了静力和动力分析( 模态分析、瞬态动力分析、随机振动 等) 、屈曲分析、大变形非线性分析等功能，大大改进了人机界面，而且计算结 果能以直观彩色渲染图形表示，使人一目了然。前处理、分析计算和后处理三者 达到了一体化。这一切都使得有限元法在客车设计领域迈入了实用阶段，成为设 计人员全面评价骨架结构强度和改进设计不可缺少的有力工具。 2 3a n s y s 软件简介 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 家宇航局( 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， 主要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 、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 n e 等公司的产品。美国的j o h ns w a n s o n 博士于t 9 7 0 年创建的a n s y s 公司开发的a n s y s 软件足融结构、热、流体、电磁、 9 武汉理工大学硕l 学位论文 声场和耦合场分析于一体的c a e 通用有限元分析软件，应用领域十分广泛。该软 件开发初期是为了应用于电力工业，现在已广泛应用于机械、航空航天、土木工 程、电子、交通运输、教学科研等众多领域，能够满足各行业有限元分析的需要， a n s y s 是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。该软件可在 大多数计算机及操作系统( 如w i n d o w s ，u n i x ) 中运行。a n s y s 文件在其所有的产 品系列和工作平台上均兼容。3 0 多年来，a n s y s 公司一直致力于分析设计软件的 开发，不断吸取世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界的发展趋势。 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，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。 ( 1 ) 前处理模块：提供了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。软件还提供了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 ) 分析计算模块：可进行包括结构分析( 线性分析、非线性分析和高度非线 性分析) 在内的多种分析，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： ( 3 ) 后处理模块：包括通用后处理模块和时间历程后处理模块。通用后处理 模块可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示，这些结果包括位移、 应力和应变等。将计算结果从结果文件中读入到数据库后，就可以通过图形显示 或数据列表来观察和查询模型在某一特定时刻( 或某一载荷步、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韵表示方法，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上的分布变化。 如梯度线图和结构变形图就可以分别显示计算结果的变化情况和结构在荷载作 用下的变形情况。 列表显示可以详细给出所要分析数据项的具体数值，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、单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一个时闯段或子步历程中的结果，可以了解 模型中特定点计算结果随时间( 荷载步) 变化情况，如节点位移、应力或支反力。 将节点自由度解、单元解、反作用力解、间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。 a n s y s 的基本功能( 与汽车结构分析相关的) 包括结构静力学分析、结构动力 学分析和结构非线性分析等： l o 武汉理t 大学硕。j ：学位论文 ( 1 ) 结构静力学分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静态分析适 合求解惯性和阻尼对结构影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可 以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、大应变、大变形及 接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析：结构动力学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。a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬间动力学分析、模态 分析、谐波响应分析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 程序可求解静态和瞬间非线性问题，包括材料非线性、几何非线性 和单元非线性材料3 种。 ( 4 ) 动力学分析：a n s y s 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，可使用动力学分析来分析复杂的物体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 面友好，前后处理和图形功能完备，并且使用高效的有限元系统。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： ( 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：a n s y s 具备三维建模能力，依靠a n s y s 的图形用户界 面( g u i ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 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 s 中，包括位移、力、温度在内的任何载 荷都可以直接加载在任意几何实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任意函数。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 ) 良好的优化功能：利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计 方案：利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外形优化，寻求对材料 的最佳利用。 ( 6 ) 强大的后处理能力：利用a n s y s 可以获得任何节点、单元的数据。这些 数据具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式。此外，时间历程 武汉理t 大学硕 ：学位论文 分析功能还可以对载荷叠加进行分析计算。 ( 7 ) 提供与其他程序的接口：a n s y s 提供了与多数c a d 软件( 如p r o e n g i n e e r ， u n i g r a p h i c s ，i d e a s ，a u t o c a d ，s o l i d w o r k s 等) 和有限元分析软件的数据接口， 可实现数据共享和交换。 ( 8 ) 良好的用户开发环境：a n s y s 开放式的结构使用户可以利用a p d l ，u id l 和u p f s 对其进行二次开发。特别是a n s y s 系统含有的参数化设计语言( a p d l ) ， 具有参数、数学函数、宏( 子过程) 、判断分支及循环等高级语言要素，是一个理 想的程序流程控制语言，很适合进行有限元计算和高级的优化分析。 我国的汽车行业无明确的载荷规范，汽车零部件的工况、工作载荷大小、类 型不是很明确，给汽车零部件的有限元分析增加了困难，但是a n s y s 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。在a n s y s 中，一个分析模型可以进行多项分析， 如疲劳寿命计算、振动噪声分析、车辆碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多 种结构非线性分析。同时可以进行整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性研究。 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域，绝大多数a n s y s 单元类 型都可用于结构分析。有限元法的分析过程非常程式化，整个分析过程均可由计 算机实现，它的一般过程是： ( 1 ) 明确分析对象和分析目的：有限元分析必须明确分析的对象和分析目的， 必须抓住主要矛盾，以达到计算分析目的。一个分析对象有多个分析目的时，可 以分成几个计算进行； ( 2 ) 确定模型化方案：在建立模型之前，需要依照分析对象和分析目的，确 定建模方案，并对实际问题做出合理的简化，选择合适的单元类型，确定单元大 小和数量，建立几何和计算模型。还要对计算费用( c p u 时间) 和计算结果的精度 进行平衡考虑； ( 3 ) 确定载荷及边界条件：载荷及边界条件的确定是计算模型的一个重要部 分，而且是技术上比较难的工作，可能影响计算结果的成败。必须把握的原则是 计算模型的力和边界条件要符合分析对象的工作条件，当不可能明确时建议使用 实验、计算相互结合的方法加以确定； ( 4 ) 在a n s y s 中建模、加载、计算求解：选择合理的求解方法进行求解； ( 5 ) 结果处理和分析并撰写分析报告。 a n s y s 的典型分析过程由前处理、求解计算和后处理三个部分组成。 ( 1 ) 前处理： 首先需要定义工作文件名并设置分析模块，然后进行必要的定义，包括定义 1 2 武汉理t 大学硕r ：学位论文 单元类型和选项、定义实常数和材料属性( 弹性模量、泊松比) 等：接着就可以建 立分析几何模型，定义横截面类型和单元坐标系，对模型进行网格划分，形成有 限元单元、节点，得到有限元分析模型，然后施加荷载及约束。 ( 2 ) 求解计算： a n s y s 的求解就是解方程。通过各类求解器，求解由有限元方法建立的联立 方程组，其结果是得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。用户可以选择求 解类型并进行求解选项设定。 ( 3 ) 后处理： 后处理指的是检查a n s y s 的计算分析结果，从某种意义上讲，可能是整个分 析过程中最重要的一个环节。通过后处理，可以读入原有的数据文件和恢复其他 数据项，也可以通过后处理器，以多种方式显示分析结果，这有助于用户查看所 加载荷在所建模型上产生的影响。 a n s y s 向用户提供了两种后处理工具查看计算结果，通用后处理器p o s t l 和 时间历程后处理器p o s t 2 6 。 前者用来查看模型在某一特定时刻( 或某一载荷步、频率) 的结果，如轮廓线 显示、变形形状，以及分析结果的列表。p o s t l 还提供了其它的功能，如误差估 计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作。后者则是用来查看模型的指定 点的特定结果相对于时间、频率或其它结果项的变化。其功能包括简单的图形显 示和列表，微分和响应频谱生成的复杂操作。但其最典型的用途是在瞬态分析中 以图形表示产生的结果项与时间的关系或在非线性分析中以图表表示作用力与 变形的关系。 2 4 建模准备 有限元模型是进行有限元分析的基础，也是前处理部分的主要任务。建立工 程问题的有限元模型就是将工程问题离散化为有限元计算模型。有限元模型的精 度对问题的求解规模和准确性有很大的影响。车身结构有限元模型化涉及的主要 工作有：模型的简化、几何模型的建立、建模单元的选择、网格划分等。模型化 的关键是选择合适的单元来模拟车身结构，在车身结构上具有力学特性的点或局 部部位都可根据需要采用相应的单元来模拟。构成计算模型的各个单元的力学特 性应近似于真实结构在这个区域的力学特性。当然，计算模型决不可能等同于实 物，但它必须和实物保持严格的相似关系，只有这样才能利用从模型所取得的数 据和结论来揭示整车在受力情况下的内在规律。 该款电动游览车是自主开发的一款新车，该车采用承载式车身结构，车身骨 武汉理工人学硕- 上学位论义 架是主要的承载体，各种载荷通过骨架将力传递到车身的各部分，使得整个车身 都参与承载，其本身就可以根据自然法则，自动调节、以强济弱，使整个车体达 到稳定平衡状态。该车身结构由大量薄壁件通过点焊连接而成，组成车身结构的 薄壁件决定了整体静、动态特性。车身骨架结构对车身的强度、刚度和振动特性 具有重要影响。 多数有限元计算程序都不规定所使用的物理量的单位，不同问题可以使用不 同的单位，但在一个问题中各物理量的单位应该是统一的。由于在实际工程问题 中可能用到多种不同单位的物理量，如果只是按照习惯采用常用的单位，表面上 看单位是统一的，实际上单位却不统一，从而导致错误的计算结果。对于实际工 程问题，不能按照手工计算的习惯来选择各物理量的单位，而必须遵循定的原 则。 物理量的单位与所采用的单位制有关。物理量可分为基本物理量和导出物理 量，在结构和热计算中的基本物理量有：质量、长度、时间和温度。导出物理量 的种类很多，如面积、体积、速度、加速度、弹性模量、压力、应力、导热率、 比热、热交换系数、能量、热量、功等等，都与基本物理量之间有确定的关系。 基本物理量的单位确定了所用的单位制，然后可根据相应的公式得到各导出物理 量的单位。具体做法是：首先确定各物理量的量纲，再根据基本物理量单位制的 不同得到各物理量的具体单位。 虽然车身骨架的各种构件是由杆、管、梁组成，可以简化成杆系结构采用空 间梁单元进行计算，但实际上无论是客车骨架本身还是车架的纵横梁或是蒙皮都 是薄壁板件，也可以建立基于板壳单元的有限