（机械制造及其自动化专业论文）汽车转向节有限元分析与优化设计.pdf

c a n d i d a t e ：y u a nd a n a d v i s o r ：l if a n g c o h e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e i i a n 2u n i v e r s i 钾o ft e c h n o l o 科 厶n e l l a n 2un l v e r s l t v0 ile c n n o l o g v m a y 2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：芬生 日期：加f 啤6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保刺 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：加f 年月f 日 日期：加，拜月日 旦芳 土矽芽吖 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 转向节是汽车底盘中的重要零件之一，它与汽车的悬架、前车轴、转向系传动机构和 制动器相连接，具有承受汽车前部载荷、带动前轮实现汽车转向等功能。本文在回顾了汽 车转向节研究现状和趋势的基础上，应用有限元分析技术和结构优化设计方法，以浙江省 重大专项多车型共享底盘平台数字化开发技术及应用为背景，分析了某汽车转向节的 结构、约束与载荷情况，开展了转向节的强度分析、模态分析和优化设计等研究。论文的 主要工作和成果如下： 1 在a n s y s 中利用a p d l 语言建立了转向节的分析计算模型。在a n s y s 软件中利 用a p d l 参数化建模方法，建立了转向节分析的几何模型，采用1 0 节点四面体单元 s o l i d 9 2 进行网格划分，并以多点约束单元m p c i 8 4 处理了各类边界条件和载荷施加。所 建立的转向节分析模型抓住了转向节结构的特征，反映了结构的特点和约束载荷状况；所 编写的a p d l 程序具有易读性、可修改性和配套性等优点，为实际应用提供了基础。 2 利用a n s y s 结构静力学分析模块进行了转向节强度分析。在对转向节约束、载荷 进行分析的基础上，按照汽车行驶中三种典型工况的名义载荷计算方法，利用a n s y s 结 构静力学分析模块得到了各种工况条件下的应力云图与变形图，并分析了各种工况下转向 节的受载情况和应力分布，结果表明该转向节满足强度要求。 3 利用a n s y s 结构动力学分析模块进行了转向节模态分析。在详细研究模态分析理 论的基础上，利用a n s y s 结构动力学分析模块对转向节进行了模态分析，计算并提取了转 向节的振动特性，求出了转向节的前十阶固有振型和频率，并对转向节产生的模态特性进 行了分析。 4 利用a n s y s 优化设计模块进行了转向节结构优化设计研究。以减轻重量为目标函 数，以满足强度、刚度、频率等性态条件和几何边界条件为约束条件，选取几何尺寸、坐 标作为设计变量，建立了转向节结构优化设计的数学模型，并利用a n s y s 优化设计模块 对转向节的转向拉臂、下支撑台、下凸耳以及上端块体等部位进行了结构形状优化，并对 改善转向节应力集中提出可行建议。 最后，对全文进行总结，并对进一步的研究提出一些展望。 关键词：转向节，有限元，优化设计，模态，a n s y s ，参数化 i 浙江工业大学硕士学位论文 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n do p t i m 娩a t i o no f s t e e r i n gk n u c l 【l em e e n n gk n u c 埘e a b s t r a c t s t e e r i n gk n u c h ei so n eo fn l em a i nc o m p o n e n t so fa u t o m o b i l ec h a s s i s i tl i n k st l l ev e m c l e s u s p e n s i o n ，f r o ma x l e ，s t e e r i n gs y s t e m 仃 m s m i s s i o nm e c h a l l i s ma n db r a k e se f i 、e c t i v e l y ，w h j c hi s a b l et ob e a r 廿1 e 疗o n t1 0 a do ft h ev e l l i c l e ，a c l l i e v et 1 1 ev e k c l es t e e r i n gb y 的n tw h e e ld r i v ea 芏1 d o t l l e rf u n c t i o n s t 1 1 i sp a p e rr e v i e w st h e 咖d yo fv e h i c l es t e e 血gk n u c k l eo nm eb a s i so ft h e 咖帆s 粕d 仃e n d s ，a n a l y s i s e st 1 1 es t e e r i n gl ( 1 1 u c k l es 觚c n 玳，c o n t r a i n s 锄dl o a dc o n d i t i o n sa i l d c 蕊e so u tt h eg 眩e n g 血a n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o na n do 也e rs t u d i e sb y 印p l i c a t i n g m ef i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i sa i l ds 仇l c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d t h et o p i cc a m ef - r o m z h e j i a n g s c i e n c e强dt e c h n o l o g ) ，d 印眦m e mm 萄o rf u i l d e dp r o j e c t - d e v e l o p m e m 锄d a p p l i c a t i o no fd i g i t a ld e s i g i l & a n a l y s i sp l a 仃o n i lo fs h a r e dc h a s s i s ，a n dt h em a l i nw o r ka n d r e s e 御_ c hr e s u h sa _ r ea sf 0 l l o w s ： 1 u s i n ga p d ll a l l g u a g et oe s t a b l i s ht h es t e e r i n gk 肌c k l ea m l 如c a lm o d e l i n 也ea n s y s s o f 【、v a r e u s i i l ga p d lp 锄e 研cm o d e l i n gm e t h o di nm ea n s y ss o f 时a r et 0e s t a b l i s ha s t e e r i n gk n u c k l ea n a l 如c a lm o d e l ，t 1 1 em o d e la p p l i e s1o - n o d et e t r a h e d r o ne l e m e n ts o l i d 9 2f o r m e s h i i l g 锄dd e a l s 谢也v 撕o u sb o 姗d a r yc o n d i t i o n sa n dl o a d sb ym u l t i p o i n tc o n s t r a i n te l e m e m 18 4 t h ee s t a b l i s h e ds t e e 血gk n u c k l ea n a l y t i c a lm o d e lc 研炯】r e sm ec h a r a c t e r i s t i c so fm e s 仃u c t u 】r e ，r e n e c 血gm e c h 觚a c t e r i s t i c so ft h es t r l i c t u l ea i l dm ec o n s t i a i n t so fi o a dc o n d i t i o l l st m l y i i lo r d e rt op f o v i d e 也eb a s i sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o l l ，m ep r e p a u r e da p d l p r o g 姗h a sr e a d a b i l i 坝 m o d i f i a b l i t ) ，a n dm a t c l l i n g ，e t c 2 s t n l c t u r a ls t a l i c sa n a l y s i sm o d u l eu s i n ga n s y sc o n d u c t st h es 仃e n g t ha n a l y s i so fm e s t e e r i n gk n u c k l em o d e l o nt l l eb a s i so ft h ea n a l y s i so fn l ec o n s t r a 血a n dl o a di nt h es t e e r i n g k n u c k l e ，a c c o r d i n gt 0t l l e 也r e ek i n d so fn l et ) ，p i c a lo p e r a t i i l gc o n d i t i o n so f 吐l en o m i n 出l o a d 浙江工业大学硕士学位论文 c a l c u l a t i o nm e t h o dw h e nn l ec a ri s 嘶v i i l go nt 1 1 e1 0 a d ，t l l eu s eo fa n s y sg t m c n l m ls t a t i c a 1 1 a l y s i i l g m o d u l ec a nr e c e i v et 1 1 ec l o u do fs t r e s sa i l dd e f o 册a t i o nm 印u i l d e rav 撕e t ) ，o f w o r k i n gc o n d i t i o n s ，a 1 1 da i l a l y s i st h es t e e 曲gk i l u c k l el o a d e ds i 似i o na i l ds 仃e s sd i s t r i b u t i o n ，m e r e s u l t si n d i c a t et h a tt l l i ss t e e r i n gk n u c k l ec a ns a t i s 母m es t r e n g 也r e q u i r e m e n t s 3 s t m c t u r a ld y n 锄i c sa i l a l y s i sm o d u l eu s i n ga n s y sc o n d u c t st l l em o 蚴a n a l y s i so f s t e e r i n gk n u c k l e b a s e do ns t u d y i n gm et l l e o 巧o fm o d a la i l a l y s i si nd e t a i l ，s t l l j c m r a ld ) ，i l 锄i c s a i l a l y s i sm o d u l eu s i n ga n s y sc o n d u c t st h em o d a la n a l y s i so fs t e e 血gk n u c l d e ，c a l c u l a t e sa 1 1 d e x t r a c t st h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t e e r i i l gk n u c u e ，a n df i n d sm es t e e r i n gk n u c k l e n 抛lv i b r a t i o nm o d ea l l d 仔e q u e n c yb e f o r et 1 1 e1o o r d e r ，a t 血es 锄et i i l l e ，a 1 1 a l y s i s e sm em o d a l c h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 es t e e r i n gk n u c k l ep r o d u c e d 4 u s i n gt 1 1 ea n s y sd e s i 盟o p t 妇i z a t i o nm o d u l et oo p t i 芏1 1 i z et l l es t e e m gl m u c k l e s s t m c t u r e r e d u c ew e i g h ta l sn l eo b j e c t i v ef 妇c t i o n ，m e e ts t r e n g t l l ，s t i f h l e s s ，丹e q u e n c yc o n d i t i o i l s a n dt 1 1 e g e o m e t r i cb o u n d a 巧c o n d i t i o l l sf o r t 1 1 ec o n s 仃a i n t s ，a n ds e l e c tt l l e g e o m e 臼啊t 1 1 e c o o r d i n a t e sa sd e s i g nv 撕a b l e s ，e s 诎l i s has t e e 血gk n u c k l es 廿u c t u r eo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a j m o d e la 1 1 du s ea n s y sd e s i g no p t i i n i z a t i o nm o d u l et 0m a k et h es h a p eo p t i m i z a t i o nf o rt h e s t e e r i n gk n u c k l e ss t e e r i n gp u l la m ，廿l eu n d e rs u p p o nd e s k ，m ec o n v e xe a ra i l dt l l eo t l l e rp a n so f t l l eu p p e rb l o c k ，a tl a s t ，p u tf o m w ds o m ef e a s i b l es u g g e s t i o n sa b o u ti m p r o v i n gm es i t u a t i o no f s t r e s sc o n c e n t r a t i o no ft 1 1 es t e e r i n gk m l c k l e f i n a l l y ，m a k eas l l m m 跚yo fm ew h o l ep a p e r ，a n dg i v es o m ep r o s p e c t sf o ra 如r t l l e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：s t e e r i n gk n u c k l e ，f i i l i t ee l e m e n tm e t h o d ，d e s i g no p t i m i z a t i o 玛m o d a la n a l y s i s ， 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t 第1 章绪论。 1 1 1 2 1 3 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 选题的意义及研究背景3 转向节国内外研究现状与趋势4 本文的主要工作6 转向节有限元建模8 有限元法和a n s y s 分析软件8 2 1 1 有限元法概述8 2 1 2a n s y s 软件介绍9 2 1 3 参数化建模技术a p d l 简介1 0 建立实体模型12 材料属性及单位制15 单元选择与网格划分16 边界处理17 本章小结2 0 转向节强度分析 ：；i 言21 7e j zj 越过不平路面工况2 2 紧急制动工况2 4 转向侧滑工况2 7 第一种组合工况2 9 第二种组合工况31 本章小结3 4 转向节模态分析一3 5 引言一3 5 j1 日。，) 模态分析的理论基础3 5 转向节模态分析3 8 本章小结4 0 浙江工业大学硕士学位论文 第5 章转向节优化设计。 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 第6 章 6 1 6 2 弓i 言41 a n s y s 优化的理论基础4 2 5 2 1 优化的数学模型4 2 5 2 2 优化过程描述4 3 5 2 3a n s y s 中的优化步骤和优化方法介绍4 4 转向节优化设计的方案制定4 6 对转向拉臂、下支撑台、下凸耳的优化4 8 5 4 1 建立优化数学模型4 8 5 4 2 优化实施5 0 5 4 3 优化结果分析5 1 对上端块体的优化。：5 2 5 5 1 建立优化数学模型5 3 5 5 2 优化实施5 4 5 5 3 优化结果分析5 5 其他建议5 6 本章小结5 7 结论与展望 结论5 8 展望5 9 参考文献 附录：编写的转向节分析a p d l 程序 致谢 攻读学位期间参加的科研项目和成果 。6 3 6 8 一6 9 1 1 类社 造型 超过 验设 周期 对于 车发 短周 根据汽车工业投入高、批量大、价格低和技术要求高等要求，其零部件一般都具有结 构复杂、加工制造精度高、利润低薄等特点，这就要求汽车零件设计在满足强度、寿命、 生产技术等基本要求【l 】的基础上，尽量缩短开发周期、降低生产成本，这对于传统的汽车 设计是无法实现的。随着现代c a e 技术的飞速发展，利用现代c a e 分析技术进行虚拟分析 来考核汽车零部件的强度、寿命以及采用优化设计技术来改进设计方案、寻求最优设计， 将大大缩短汽车零部件开发设计的周期和降低开发生产的成本，已逐步成为汽车零部件设 计的主流。 在汽车零部件设计中，转向节设计具有十分重要的地位和代表性。转向节作为汽车底 盘上非常关键的安全零部件，起到承受载荷和转向等重要功能，并将汽车的悬架、前车轴、 转向系统和制动器有效地连接起来，其结构形状、功能作用、制造过程、受载形式等在汽 车零部件生产工业中均具有典型的代表性。 ( 1 ) 转向节与汽车悬架、前车轴、转向系统和制动器等总成部件连接，具有承载和 转向的重要功能，它支撑车体重量，传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩，其在汽车底 盘中所处的特殊位置和特定的功能使转向节的结构形状极其复杂。 ( 2 ) 转向节的制造加工方法很多，涉及铸造、锻造、机械加工以及部分先进制造技 术( 如半固态成型技术等) ，加工工艺复杂，方法多样。 一3 一 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 转向节作为极不规则的枝权类零件，所受到的载荷情况复杂多变，包括负载、 各零件间的约束及路面传递的冲击等，这就对转向节的静强度、抗冲击性、疲劳强度、可 靠性等性能提出了严格的要求。 由此可见，汽车转向节的研究对于提高车辆的使用可靠性和安全性具有重大意义。本 文是以浙江省重大专项项目多车型共享底盘平台数字化开发技术及应用为研究背景， 以某型汽车转向节为例对转向节进行强度分析、模态分析和优化设计等方面的研究。 1 2 转向节国内外研究现状与趋势 转向节是汽车上的重要零件，它的主要功能是承载和转向，即支撑车体重量，传递转 向力矩和承受前轮刹车制动力矩等。因此，对转向节的外形结构和机械性能有严格的要求。 根据车型，转向节可分为重型汽车转向节、中型汽车转向节、轻型汽车转向节、微型汽车 转向节、客车转向节和轿车转向节六大类；按所用的材料和制造方法分为锻钢转向节、铸 铝转向节和铸铁转向节三种；按其形状特征分为长杆类转向节、中心孔类转向节和套管类 转向节三种，如图1 1 所示。长杆类转向节主要由杆部、法兰和枝权构成，一般多用于大 中型汽车和大客车中；中心孔类转向节主要由基座、法兰和枝权构成，基座中心带孔，一 般多用于前桥驱动的轿车当中；套管类转向节主要由长杆、套管和法兰构成。 移褥。 1 篱 妙伊 广 静黪 镌。 ，* # ?：z ；，| ，。擎 钨，罐黔 图1 1从左至右依此为长杆类、中心孔类和套管类转向节 国内外诸多学者对汽车转向节的研究主要有两类。第一类研究主要是对转向节的制造 工艺和加工方法等方面进行研究。早期生产转向节采用热模锻工艺，如李尊荣、傅翔【2 弓】 研究了重型汽车转向节热模锻工艺；罗晴岚等【4 1 研究了热模锻生产线上转向节的工艺特点 和模锻变形力等。之后，张运军、高占民等人【5 叫讨论了汽车转向节及转向节臂的锻造工 艺，认为采用锤上锻操作方便，节省材料；董之社【7 】采用半封闭挤压生产工艺，与锤锻相 比单只锻件可节约原材料1 k g 。近年来，有限元数值模拟方法逐步应用于转向节的制造加 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 工当中，如郑运廷等人【8 】采用刚塑性有限元法对矿用汽车转向节预锻成形进行二维模拟； 赵德颖、孙惠学等人【9 - 1 1 】详细分析了轿车转向节的特点和目前轿车转向节成形工艺的问 题，提出在1 6 闭塞液压机上采用闭塞挤压工艺成形轿车转向节，并利用分析软件对 成形过程进行有限元模拟；徐宁宁、陈文琳等人【l 卜j 通过实验研究，进一步说明了有限元 数值模拟技术的实用性和可靠性。国外研究者提出了转向节的半固态成形工艺【1 4 1 6 1 ，并对 半固态成形汽车转向节进行了深入研究，取得一定进展。 第二类研究主要是对转向节的强度、刚度、疲劳失效等方面进行研究。冯美斌等人【1 7 - 1 8 】 按照汽车行驶过程中的三种典型工况对转向节进行了受力分析，在此基础上得出了转向节 名义工作载荷的计算方法，介绍了电动谐振式转向节疲劳试验装置，并进行试验测定了 e q l 4 0 1 汽车转向节以1 07 次为循环基准的疲劳极限，估算了其安全系数。刘惟信【1 9 】在汽 车从动桥设计中对转向节在制动和侧滑工况下的应力进行了计算，计算中采用材料力学横 力弯曲计算正应力的强度校核公式，计算结果满足许用应力值。冯大碧等人【2 0 】对某型客 车的左前轮转向节断裂截面进行金相检验、扫描电镜，认为断裂性质为早期疲劳断裂；吴 海平等人【2 ”通过对q t 4 5 0 1 0 型左转向节进行化学分析、金相检查和扫描电镜下观察，认 为组织中夹杂物的存在和外壁附近大量渗碳体的出现是造成转向节断裂的主要原因；董启 生等人【2 2 】对转向节的断裂原因进行了综合全面的探讨，在对其设计、加工、热处理、检 验、装配及使用等一般过程存在的失效因素进行分析的基础上，提出了改进和预防的措施。 此外，文献【2 3 之5 1 对汽车转向节臂断裂的原因进行了研究，通过金相检查和扫描电镜对转向 节臂的断裂截面进行宏、微观组织分析，认为断裂性质为疲劳断裂。 近些年来，有限元分析软件的大量应用为分析转向节提供了有力的工具。文献【2 让8 】 利用有限元分析软件对转向节进行了强度分析，计算了三种典型工况下转向节的应力值和 应力分布，得到了转向节结构设计的薄弱环节，为改进设计提供了依据。郭彬彩、韩国立 等人f 2 9 - 3 1 1 对某重型汽车( 斯太尔) 转向节进行了研究，其中，郭彬彩【2 9 】利用s o l i d w o 如 建立了转向节实体模型，通过接口导入a n s y s 中计算了典型工况的静强度；韩国立等【3 0 3 1 】 将三维软件建立的实体模型导入a n s y s 后，应用蒙特卡洛法分析了转向节的可靠性；此 外，毛向阳【3 2 】也研究了该类斯太尔转向节，将p r 0 e 建立的转向节导入a n s y s 进行强度 计算，并对转向节进行了模态分析。江迎春【3 3 。3 5 】利用多体动力学软件a d a m s 计算了转 向节结构中的各种载荷值，并在n a s t r a n 和a n s y s 中利用这些载荷值对转向节进行强 度计算及疲劳寿命分析，提出了解决转向节疲劳寿命的计算方法，为转向节疲劳寿命设计 提供了思路。蒋玮1 3 6 j 采用h y p e 皿e s h 软件对某转向节进行网格划分，并进行了应力分析 浙江工业大学硕士学位论文 和疲劳分析，并用试验装置验证了有限元结果的可靠性，从而建立了一条合理可行的汽车 零部件开发流程。王延强、王若平等人【3 7 3 9 】利用a n s y s 软件对转向节和转向节臂进行了 有限元应力分析，在此基础上考虑零件材料疲劳特性、平均应力等影响因素，使用 m s c f a t i g u e 软件对转向节和转向节臂进行疲劳仿真，估算了疲劳寿命，并提出了改进疲 劳强度措施，如改进零件结构以减少应力集中、降低表面粗糙度、进行表面强化处理等， 最后通过疲劳仿真对改进措施的效果进行了比较分析。p e t e rj h e y e s m 】同样在 m s c f a t i g u e 软件平台上对转向节进行了疲劳仿真。m e l l r d a dz o r o u f i l 4 l 】以不同加工方法对 转向节性能影响为主要研究内容，研究了锻钢、铸铁、铸铝三种材质的转向节在加工方法、 制造工艺、静强度和疲劳寿命等方面的差异，以试验台架为基础对各类转向节进行疲劳试 验，认为锻钢转向节性能较好，并对锻钢转向节以减轻重量、减少加工成本为目标进行了 改进优化。r o b e n od ti p p o l i t o 等人【4 2 4 3 1 基于可靠性优化设计方法，建立了长杆类转向节的 有限元分析模型，在有限元分析的基础上对转向节的疲劳寿命进行了研究。此外，文献畔彤1 也研究了转向节的疲劳特性，分析了失效原因。 从以上的国内外研究现状来看，汽车转向节研究有以下几个发展趋势： ( 1 ) 制造加工方法方面。转向节的制造加工由普通的模锻、锤锻等锻造工艺向挤压 工艺发展，并采用数值方法模拟工艺过程来预测制造过程的缺陷等；除此之外，一些先进 制造技术和其他新方法也开始应用于转向节的制造加工。 ( 2 ) 强度、使用寿命等方面。大量文献研究了转向节强度失效的原因分析，通过对 失效件化学分析、金相检查等，认为转向节强度失效原因为疲劳断裂所致，因此，对转向 节强度的研究从静态应力、满足静强度要求向动态特性、满足疲劳强度等方向发展。 ( 3 ) 研究分析的方法方面。转向节的分析计算从传统材料力学梁弯曲理论的近似计 算向有限元法等数值计算方法发展，疲劳强度的研究也向有限元疲劳仿真等方向发展，这 些数值方法的应用大大提高了分析计算的精度。 ( 4 ) 优化设计方面。从现有的文献资料看，转向节优化设计方面的研究主要在制造 方法的改进方面，对其进行结构优化的研究非常少，主要原因是转向节类型多样、结构复 杂，结构优化设计的难度较大。近几年来，国外已呈现出对转向节进行结构优化的研究兴 趣，因此，该领域的研究将成为转向节研究的又一重要领域和趋势。 1 3 本文的主要工作 论文在综述了转向节研究现状和趋势的基础上，以转向节第二类研究为范围，开展了 浙江工业大学硕士学位论文 转向节强度分析、模态分析和优化设计方面的研究，具体工作及章节安排如下： 第一章，绪论。绪论作为全文的开始，主要阐述了论文研究的意义和背景，对转向节 的国内外研究现状进行综述，分析了转向节研究的发展趋势，并在此基础上提出了本文的 主要研究内容。 第二章，转向节有限元建模。在介绍了a n s y s 软件的基础上，利用a n s y s 的参数 化语言( 即a p d l ) 建立了转向节的分析计算模型，建模过程首先是建立转向节的简化几 何模型，再采用1 0 节点四面体单元s o l i d 9 2 对几何模型进行网格划分，并以多点约束单 元c 1 8 4 处理各类边界条件和载荷施加，所建立的转向节分析模型抓住了转向节结构的 特征，真实反映了结构的特点和约束载荷情况，同时，编写的a p d l 程序具有易读性、可 修改性和配套性等优点，为实际应用提供了基础。 第三章，转向节强度分析。按照汽车行驶中三种典型工况的名义载荷计算方法，得到 了各种工况条件下的计算载荷；利用a n s y s 结构静力学分析模块获得了三种典型工况和 两种组合工况条件下的应力云图与变形图，并分析了各种工况下转向节的受载情况和应力 分布；通过与传统设计计算值的比较，验证了本文所建立的分析计算模型是正确可行的； 最后得出本章计算结论，认为该转向节满足强度的要求。 第四章，转向节模态分析。在详细研究模态分析理论的基础上，利用a n s y s 结构动力 学分析模块对转向节进行了模态分析，计算并提取了转向节的振动特性，求出了转向节的 前十阶固有振型和频率，并对转向节产生的模态特性进行了分析。 第五章，转向节优化设计。在介绍了a n s y s 的优化模块以及优化理论基础的前提下， 制定了转向节优化设计的主要思路和步骤；优化的数学模型选取几何尺寸、坐标作为设计 变量，以减轻重量为目标函数，以满足强度、刚度等性态条件和几何边界条件为约束条件； 利用a n s y s 优化设计模块对转向节的转向拉臂、下支撑台、下凸耳以及上端块体等部位 进行了形状优化，并对改善转向节应力集中提出可行建议。 第六章，总结与展望。对论文的研究工作进行系统总结，指出了当前研究的局限性， 并对今后研究工作进行展望，提出了进一步研究的几个可行方向。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章转向节有限元建模 2 1 有限元法和a n s y s 分析软件 2 1 1 有限元法概述 汽车设计技术的发展已从早期的经验设计和科学实验结合的传统设计阶段进入到今 天的计算机辅助设计( c a d ) 阶段，而且已将计算机辅助工程分析( c a e ) 引入到汽车 设计的全过程，从初期的概念设计到中期的测试、新车的开发到车型改进、整车装备设计 到零部件设计等，都可采用c a e 技术缩短研发的流程、降低发开的费用、提高设计的质 量【4 酬。在汽车c a d c a e 技术中，有限元法被证明是一种最为成功、应用最广泛的近似分 析方法。在工程和机械结构分析中，对于复杂结构，很难通过材料力学、弹性力学等经典 解析方法求得精确的解析解，其原因是这类方法基于较多的基本假设和简化条件，只限于 求解一些简单问题。另一种方法是采用数值计算方法，尽可能保留问题的各种实际情况， 寻求能满足工程精度要求的近似数值解。数值方法和数值解不仅能满足工程需求，还方便 实现计算机计算，实际上已成为现代工程分析和设计的主要方法。在诸多数值方法中，有 限元法就是一种重要的方法。 有限元法诞生于2 0 世纪中叶，它运用离散概念，把弹性连续体划分为一个由若干个 有限单元组成的集合体，通过寻找一种与原连续体场问题的等价的泛函变分形式，得到一 组代数方程组，最后求解得数值解。随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法己成为 计算力学和计算工程科学领域里最为有效的计算方法，几乎适用于求解所有连续介质和场 的问题。经过近5 0 年的发展，有限元法的理论不仅日趋完善，而且已开发出了一批通用 和专用的有限元分析软件，这就使它成为了结构分析中最为成功和最为广泛的分析方法。 有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连 接，即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限单元的分割 和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件，使许多 复杂的工程分析问题迎刃而解。有限元法中的单元有各种类型，包括线、面和实体( 也称 为一维、二维和三维) 等单元，节点一般都在这些单元边界上，单元之间通过节点连接， 并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。在此基础上，对于每一单元假设一个简 单的位移函数来近似模拟其位移分布规律，通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程，即 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特性关系集合起来，就可 建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后解此方程组，求得节点位移，并计算出各单 元的应力。图2 1 总结了有限元法的分析流程。 划分网格使用离散单元组合 来近似表示一个连续体结构 基本未知量是节点位移 u 通过几何方程和物理方程由 节点位移计算单元应变和单元 应力 图2 1有限元法的分析流程 由此可知，有限元法同解析法不同之处在于它是从力学模型上采用分块近似，避免了 求解微分方程这一繁杂的环节，且解决问题的类型可大大拓展，并在实际计算中采用电子 计算机，因此，具有下列显著优点： ( 1 ) 物理概念清晰，容易理解和掌握； ( 2 ) 适应性强，应用范围广泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活的加以考虑； ( 3 ) 由于采用矩阵表达和运算，因而便于编制计算机程序和相关的应用软件。 2 1 2a n s y s 软件介绍 作为使用有限元法解决各类工程问题的人员来说，大型集成化通用软件的普及与推 广，使他们不必自行编写软件而可以直接选择所需的有限元分析软件。在近三四十年来， 有限元软件市场列强争雄，不断分化与兼并，已形成a n s y s 、m c s 、a b a q u s 三大有限 元软件公司，他们的产品a n s y s 、n a s t r a n 、a b a q u s 已经占有世界有限元软件市场 6 0 7 0 的份额，并不断扩大【彻，形成了各有的特点和优势。以a n s y s 为代表的工程数 值模拟软件，是美国a n s y s 公司推出的大型通用有限元分析软件，它集成了力学、热学、 电学、声学、流体力学等多个模块，其先进的多物理场耦合分析技术一直保持在业界首届 一指。自七十年代开发推出以来，经历了4 x 、5 x 、6 x 、7 x 等版本，直到今天的最新 版本1 1 o 的问世，a n s y s 公司一直致力于完善和改进该分析软件。最新版本的a n s y s 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 软件延续了强大的耦合场技术，加入了旋转机械和叶片设计工具，增加了旋转机械的陀螺 效应。在流体动力学领域，增加了只有预测层流向湍流转换的功能，广泛应用于航空航天、 汽车、电子电气、国防军工、铁路、造船、石油化工、能源电力、建筑工程、生物医学等 各个领域。a n s y s 以其先进性、可靠性、开放性等特点，被全球工业界认可，并拥有全 球最大的用户群，于1 9 9 5 年在分析设计类软件中第一个通过i s 0 9 0 0 1 国际认证。在 a n s y s 公司相继收购了i c e m 、c f x 、c e n n 瓜y d y n a m i c s 等世界著名有限元分析程 序制造公司并将它们的产品与a n s y s 整合后，a n s y s 实际上己成为世界上最通用、最 有效的商用有限元软件【4 8 1 。 从总体上讲，a n s y s 有限元分析包含前处理、求解和后处理三个基本过程，他们分 别对应a n s y s 主菜单中的前处理器( p r e p r o c e s s o r ) 、求解器( s 0 1 u t i o n ) 和后处理器( 后 处理器有两个，稳态分析时使用通用后处理器( g e n e r a lp o s 印r o c ) ，瞬态分析时使用时间 历程后处理器( t i m e h i s tp r s t p r o ) ) 。 ( 1 ) 前处理器：主要进行单元选用、材料定义、创建几何模型和划分网格，a n s y s 提供了近2 0 0 种( 指a n s y s l l o 版本) 单元类型供选择使用，并拥有严谨的实体建模工 具和强大的网格划分工具。 ( 2 ) 求解器：主要用于选择分析类型、设置求解选项、施加载荷约束及设置载荷步 选项，最后执行求解，得到求解结果文件。 ( 3 ) 后处理器：包括通用后处理器( g e n e r a lp o s t p r o c ) 和时间历程后处理器( 1 f i m e h i s t p r s t p r o ) ，主要用于分析处理求解所得结果文件中的结果数据，其中，通用后处理器用于 处理对应时间点的总体模型结果，时间历程后处理器则是用于处理某时间或频率范围内某 位置点上结果项的变化过程。 2 1 3 参数化建模技术a p d l 简介 a p d l 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g i ll a n g u