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(机械设计及理论专业论文)威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
j一 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h el i g h t - - w e i g h tm e t h o d sf o r t h em e t a ls t r u c t u r eo fv e n i c es e r i e sb u s b o d i e s m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y b y g a n gl i n g a d v i s e db y p r o f y i nm i n g d e s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ,2 0 1 0 ,fffi 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位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。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,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名: 日期: 一 i - 南京航窄航天大学硕:l 学位论文 摘要 本文以“威尼斯之旅”客车车身骨架为研究对象,运用a n s y s 软件对车身骨架进行分析与研 究,并对车身骨架进行优化设计,以期使车身各参数尽可能合理,最大限度地使车身重量轻、 体积小、形状合理。本文的主要内容及成果如下: ( 1 ) 在前人研究成果基础上,建立车身骨架的三维数学实体模型,为后续工作做准备; ( 2 ) 建立了客车车身结构有限元计算模型,并总结归纳了车身结构模型化的方法; ( 3 ) 分析了各种工况下车身骨架的应力及变形状况,为该车型的轻量化改进提供了参考依 据; ( 4 ) 根据该客车的动态性能要求,对该车身骨架进行模态分析; ( 5 ) 根据静力分析和动态分析结果,对车身骨架进行优化设计,提出了改进该车车身结构的 方案,使车身在满足刚度、强度、等性能要求下尽可能最轻。 关键词:车身骨架、有限元分析、a n s y s 、结构优化、轻量化 威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究 a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi sb a s e do nt h e ”v e n i c et o u r ”b u sb o d yf r a m e ,u s i n ga n s y ss o f t w a r et oa n a l y z e a n ds t u d yt h eb o d yf l a r n e ,a n do p t i m i z et h eb u sf r a m e ,s ot h a tt h ep a r a m e t e r so ft h eb o d yi s 鸹 r e a s o n a b l e 笛p o s s i b l e ,m a x i m i z et h er e d u c t i o ni nw e i g h ta n ds i z ew h i l ek e e p i n gt h eb o d ys h a p e r e a s o n a b l e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra n dr e s u l t sa r e 豁f o l l o w s : ( 1 ) b a s eo nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ,e s t a b l i s ht h et h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a le n t i t y m o d e lo f t h eb u sb o d yf r a m ef o rf o l l o w u pw o r k s ; ( 2 ) e s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h eb u sb o d yf r a m e ,a n ds u m m a r i z et h em o d e l i n ga p p r o a c h ; ( 3 ) a n a l y z es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h eb o d yf l a m ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h er e s u l t sp r o v i d e r e f e r e n c ef o rd e c r e a s i n gt h ew e i g h to ft h eb u s ; ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ep a s s e n g e rc a r , p e r f o r mt h em o d a l a n a l y s i so nt h eb o d y ; ( 5 ) b a s eo nt h er e s u l to fs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s ,o p t i m i z et h ec a rf r a m e sd e s i g n ,s u g g e s ta p r o p o s a lt os t r u c t u r a l l yi m p r o v et h ec a r sb o d y , s u c ht h a tt h eb o d ym e e t ss t i f f n e s s ,s t r e n g t h ,a n do t h e r p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sw h i l eb e i n gt h el i g h t e s tp o s s i b l e k e y w o r d s :p a s s e n g e r c a rf r a m e ,f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ,a n s y s ,s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ,l i g h t w e i g h t 一 i j 1 _ 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 目录i i i 图清l 皇v 表清单、,i 第一章绪论l 1 1 弓f 言i 1 2 车身结构设计国内外研究现状1 1 2 1 国外研究现状l 1 2 2 国内研究现状3 1 3 车身结构轻量化研究现状3 1 4 课题背景及研究内容。4 1 4 1 课题的背景4 1 4 2 课题的研究内容4 1 5 本章小结5 第二章车身结构分析的有限元理论。6 2 1 有限元法的基本思想。6 2 2 有限元分析的一般步骤7 2 3h y l p e r m e s h 软件介绍8 2 3 1h y p e r m e s h 的主要特点8 2 3 2h y p e r m e s h 的数据存储9 2 4 通用有限元软件a n s y s 。9 2 4 1a n s y s 简介9 2 4 2 a n s y s 的分析过程1 0 2 5 几种单元类型的简介。l l 2 6 本章小结。1 2 第三章客车车身骨架几何模型的建立1 3 3 1p r 0 e n g i n e e r 软件概况1 3 3 2p r 0 厄n g i n e e r 的参数化优势1 3 3 3 p r o p r o g r a m 概述。1 5 3 4 客车车身骨架几何模型的建立1 6 3 5 本章小结1 6 第四章客车车身骨架有限元模型的建立1 7 4 1 引言1 7 4 2 材料规格与特性。1 7 4 3 车身骨架几何模型的简化1 8 4 4 底盘的有限元建模1 9 威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究 4 4 1 悬架系统的有限元建模1 9 4 4 2 车架的几何模型的建立2 0 4 5 载荷处理2 l 4 6 焊点的处理一2 2 4 7h y p e r m e s h 有限元建模。2 3 4 8 本章小结2 5 第五章车身结构有限元静态分析2 6 5 1 引言2 6 5 2 静态分析的基本概念及流程。2 6 5 3 弯曲工况一2 7 5 4 弯扭工况2 8 5 5 紧急制动一2 9 5 6 紧急转弯3 2 5 7 静态分析结果与评价3 3 5 8 本章小结3 4 第六章车身结构模态分析3 5 6 1 引言。3 5 6 2 模态分析理论。3 5 6 3 客车车身模态分析一3 6 6 3 1 车身动态性能评价指标3 6 6 3 2a n s y s 模态提取方法3 6 6 3 3 模态计算结果3 7 6 4 本章小结一4 0 第七章车身骨架优化设计4 l 7 1 引言4 l 7 2 a n s y s 优化设计过程4 l 7 - 3 车身优化设计4 2 7 3 1 优化变量的确定4 2 7 3 2 建立车身参数化有限元模型4 2 7 3 3 优化分析4 3 7 3 4 车身优化的扩展说明4 7 7 4 本章小结4 8 第八章总结与展望4 9 8 1 研究内容总结4 9 8 2 研究展望4 9 参考文献。5 l 致谢! i 4 在学期间发表的论文5 5 1 p i 、j 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 车身结构设计系统集成框图2 图1 2 客车造型图4 图2 1 有限元分析流程图1 1 图3 1 车身骨架p r o e 几何模型1 6 图4 1 钢板弹簧的等效模型( 刚性梁柔性梁组合模拟) 1 9 图4 2 钢板弹簧的等效模型( 刚性梁弹簧元组合模拟) 2 0 图4 3 悬架系统简图。2 0 图4 4 客车模块化结构树状图2 3 图4 5 客车骨架有限元模型。2 4 图5 1 静力分析的基本流程。2 7 图5 2 弯曲工况车身应力云图2 7 图5 3 弯曲工况车身变形云图2 8 图5 4 弯扭工况车身应力云图2 9 图5 5 弯扭工况车身变形云图2 9 图5 6 整车制动工况受力简图3 0 图5 7 制动工况车身应力云图3 l 图5 8 制动工况车身变形云图3 2 图5 9 制动工况车身变形云图3 2 图5 1 0 转弯工况车身变形云图3 3 图5 1 l 牛架与侧围相连处3 3 图6 1 车身模态振型。3 9 图7 1 车身骨架参数化模型4 3 图7 2 侧围骨架图( 刚g h t s i d e ) 。4 4 图7 3 总体积优化曲线图。4 6 v 威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究 表清单 2 1h y p e r m e s h 的七个不同的菜单。9 2 2h y p e r m e s h 数据结构c o l l e c t o r 的类型9 4 1 材料尺寸规格( - o 位m m ) 。1 8 4 2 型钢材料的机械特性。1 8 4 3 焊点处理模型2 3 4 4 各部分总成构件尺寸规格( 单位:m m ) 2 4 5 1 各种工况下车身强度评价参数3 4 6 1 模态提取方法。3 7 6 2 车身结构低阶固有频率( i - i z ) - 3 9 7 1 客车车身侧围骨架截面的优化结果4 4 7 2 客车车身骨架白重的优化结果4 6 7 3 优化前后车身骨架各总成弯曲变形值4 6 7 4 优化前后车身骨架各总成弯曲工况下最大拉压应力表4 7 7 5 客车车身骨架截面的优化结果4 7 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 汽车是现代化工业发展的重要标志,随着当今汽车工业及汽车生产技术的发展,汽车保有 量也在急剧增长。但是,近二十年来,世界汽车工业面临着越来越严峻的三大问题:能源、公害 和安全。而在这些问题中以能源问题最为突出。几十年来,降低汽车燃油消耗已成为各国汽车 设计师着重研究的一个共同课题。在各种降低油耗的措施中,把实现汽车轻量化,即降低汽车 的自重作为首要措施。从近二十年来世界汽车发展趋势看,这是一条节约能源的切实有效的途 径。有关轻量化设计的研究认为:减轻汽车自重、降低使用能耗是汽车节能的关键。在其它条件 都相同时,汽车质量下降1 0 ,可以节省燃油6 叼【,排放也同比例降低。可见,轻量化是 汽车发展的一个重要趋势列。 车身约占汽车总质量的3 0 ,对汽车本身来说,约7 0 的油耗是用在车身重量上的【4 】? 经 验表明,汽车轻量化是节能减排、提高整车性能的前提。车身轻量化技术主要包括汽车框架结 构的轻量化和轻质材料的选用。汽车轻量化技术可以有目的地减轻汽车自身的重量,又能保证 汽车行驶的安全性、耐撞性,抗震性及舒适性,同时满足汽车本身的经济性要求。 轻量化是客车发展的重要趋势,我国客车车身骨架大多由型钢焊接而成,存在自重偏重现 象。对客车车身结构进行轻量化设计,是我国客车轻量化的主要途径。 1 2 车身结构设计国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 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。如图1 1 为国外普遍采用的车身结构设计系统和 流程i s : 威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究 图1 1 车身结构设计系统集成框图 目前,国外新车型开发周期己经缩短至f j 2 4 至3 6 个月,这与采用现代车身结构设计方法是分 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旧。现代车身结构设计方法有以下几个明显的特点 7 1 : ( 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。 ( 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。 2 p i , k j 气 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 国内对客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,还有待于作进一步的研究和探索。前段时期虽有一些在大客车、轿车和骨架 蒙皮式半承载式轻型客车车身结构分析方面的应用,但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,设计与分析未能真正做到并行。 ( 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。 ( 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。 1 3 车身结构轻量化研究现状 国际上实现客车结构轻量化的主要途径有i l l : ( 1 ) 材料改进。如大量采用铝合金、塑料、陶瓷材料及高强度钢等; ( 2 ) 承载型式改进。采用承载式车身结构来取代非承载式、半承载式车身结构。由于取消了 车架车身质量大大降低: ( 3 ) 结构轻量化设计。 传统的设计方法即所谓的经验设计,它是以生产技术经验数据为依据,运用一些附有经验 数据的计算公式为主要设计方法。这样的设计方法不是建立在更为严密的基础上,往往为了强 调零件的可靠性,在设计中采用了较大的安全系数,结果却增加了零件的质量。电子计算机辅 助设计的出现,使客车设计方法有了新飞跃,设计过程得到了彻底改变,并使设计逐步走向自 动化、最优化。而且基于有限元法的结构分析和结构优化设计也在迅速发展,这些都为客车结 构轻量化设计开辟了广阔的前景【引。客车车身结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各 种加强件等组成。现在,车身结构的轻量化主要是运用有限元法和实验应力分析,找出高应力 和低应力的部位,然后综合分析,在保证材料强度和可靠性的基础上,使客车结构实现最优化 设计,使零部件合理化、薄壁化、中空化、小型化等,进而达到轻量化的目的【9 】 客车结构轻量化采用轻量化材料( 如铝合金、复合材料等) ,产生了一些非常引人注目的效 果可使车身质量明显下降【1 0 1 。然而它不是所有客车目前都能采用的方法。采用铝合金或复合 3 f i , i k l 南京航空航天大学硕士学位论文 _ - - _ 一 ( 1 ) 在前人研究成果基础上,建立车身骨架的三维数学实体模型,为后续工作做准备; ( 2 ) 通过分析车身结构的力学特性,建立了客车车身结构有限元计算模型,并总结归纳了 车身结构模型化的方法; ( 3 ) 分析了各种工况下车身骨架的应力及变形状况,为该车型的轻量化改进提供了参考依 据o ( 4 ) 根据该客车的动态性能要求,对该车身骨架进行模态分析,计算结果合理,并为后续 的随机振动分析奠定了基础; ( 5 ) 对车身骨架进行优化设计,提出改进该车车身结构方案。 1 5 本章小结 本章主要提出了本课题的研究背景和重要意义,介绍了国内外车身结构设计现状,阐述了 车身轻量化的主要措施,并说明了本课题车身骨架研究的主要内容和实际意义 5 p 一 “ 南京航空航天大学硕士学位论文 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 5 l : ( 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。 c 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。 2 2 有限元分析的一般步骤 1 模型建立 在进行在进行有限元分析时,首先遇到的问题就是对实际结构进行假设和简化,即考虑主 要因素、忽略次要因素。从而建立起适合于有限元分析的力学模型。 一个好的力学模型应满足以下两条: ( 1 ) 模型能基本反映实物的真实受力状态,分析计算结果能满足于工程需要; ( 2 ) 模型考虑因素尽量少。研究对象简单,可以降低有限元分析时的工作量。 2 结构离散化 结构离散化。结构离散化就是将结构分成有限个小的单元体,单元与单元、单元与边界之 间通过节点连接。结构的离散化是有限元法分析的第一步,关系到计算精度与计算效率,是有 限元法的基础,包含以下三个方面的内容: ( 1 ) 单元类型选择。离散化首先要选定单元类型,这包括单元形状、节点单元数与节点自 由度数等三个方面的内容。 ( 2 ) 单元划分。划分单元时应注意以下几点:网格划分越细,节点越多,计算结果越精 确。网格加密到一定程度后计算精度的提高就不明显,对应力应变变化平缓的区域不必要细分 网格。单元形态应尽可能接近相应的正多边形或正多面体,如三角形单元三边应尽量接近, 且不出现钝角;矩阵单元长宽不宜相差过大等。单元节点应与相邻单元节点相连接,不能置 于相邻单元边界上。同一单元由同一种材料构成。网格划分应尽可能有规律,以利于计 算机自动生成网格。 ( 3 ) 节点编码。 3 单元分析 通过对单元的力学分析建立单元刚度矩阵k 。 4 整体分析 7 威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究 整体分析包括以下几方面的内容: ( 1 ) 集成整体节点载荷向量p 。结构离散化后,单元之间通过节点传递力,所以有限单元 法在结构分析中只采用节点载荷,所有作用在单元上的集中力、体积力与表面力都必须静力等 效地移置到节点上去,形成等效节点载荷。最后,将所有节点载荷按照整体节点编码顺序组集 成整体节点载荷向量。 ( 2 ) 集成整体刚度矩阵k ,得到总体平衡方程 k 8 = p ( 3 ) 引进边界约束条件,解总体平衡方程求出节点位移。 2 3m e r m e s h 软件介绍 作为高性能的有限元前后处理器,h y p e r w o r k s 在有限元分析前后处理方面具有无比的优越 性,尤其其中h y p e r m e s h 模块具有强大的网格划分功能;而作为大型通用的有限元软件,a n s y s 的有限元求解和计算功能十分强大。为了联合应用h y p e r m e s h 与a n s y s 优点进行研究,下面 对h y p e r m e s h 做简单介绍。 2 3 1h y p e r m e s h 的主要特点 h y p e r m e s h 是由美国a l t a i r 公司开发的高性能有限元前后处理器,可以在一个高度交互和 可视化的环境下验证及分析多种设计情况,在有限元分析前后处理方面具有无比的优越性。 通过a l t a i r 公司的不断研发,h y p e r m e s h 已经成为有限元分析前后处理的重要软件之一,具有 以下主要特点【6 】: ( 1 ) 通过高性能的有限元前后处理大大缩短工程分析的周期。在进行有限元分析过程中,有 限元前后处理一般占用整个分析过程的8 0 左右的时间。使用h y p e r m e s h ,可以大大缩短有限 元前后处理的时间,从而有效地缩短工程分析的周期和成本。 ( 2 ) 直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率。h y p e r m e s h 具有直观的 图形用户界面,简单易学,便于快速掌握,快捷键的使用也可以大幅度提高工作效率。 ( 3 ) 直接输入c a d 几何模型及有限元模型,减少用于建模的重复工作和费用。 h y p e r m e s h 具有工业界主要的c a d 数据格式接口,包含一系列用于整理和改进输入几何 模型的工具。输入的几何模型可能有妨碍高质量网格的自动划分的间隙、重叠和缺损,通过消 除缺损和孔,以及压缩相邻曲面的边界等操作,h y p e r m e s h 可以在模型内更大、更合理的区域 划分网格,从而提高网格划分的总体速度和质量。h y p e r m e s h 还具有云图显示网格质量、单元 质量跟踪检查等方便的工具,能够及时检查并改进网格质量。 ( 4 ) 在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器,确保在任何特定的情形下都能使用适用的 求解器。 8 南京航空航天大学硕:t 学位论文 h y p e r m e s h 支持很多不同的求解器的输入输出格式,也具有完善的输出模板语言和c 函数 库,用于开发输入转换器,从而提供对其他求解器的支持。 ( 5 ) 高度可定制性可进一步提高效率。 在h y p e r m e s h 中,可以通过简便的步骤重新布置h y p e r m e s h 菜单系统,使其更适合用户的 习惯。 h y p e r m e s h 可以方便地编辑几何模型与有限元模型,下面为h y p e r m e s h 的主要子菜单。 表2 1h y p e r m e s h 的七个不同的菜单 菜单分类用途 g e o m 几何编辑及线生成的功能菜单 1 d 一维单元的生成及编辑功能菜单 2 d 二维单元和曲面的生成及编辑功能菜单 3 d三维曲面和单元的生成及编辑功能菜单 b c s 施加边界条件,载荷等功能的菜单 tool 模型编辑及检查功能菜单 p o s t 后处理及编辑p l o t 功能菜单 2 3 2h y p e r m e s h 的数据存储 在建立有限元模型时,必须输入不同类型的数据,这些数据种类繁多,包括几何数据、单 元数据、材料数据、载荷数据等。在h y p e r m e s h 中,这些数据存储在被称为c o l l e c t o r 的结构内。 根据存储数据类型的不同,h y p e r m e s h 将c o l l e c t o r 分为表2 - 2 所示的四种类型。 表2 2h y p e r m e s h 数据结构c o l l e c t o r 的类型 数据类型 用途 c o m p o n e n t s 用于存储几何图形及单元网格数据 m a t e r i a l s用于存储材料特性 p r o p e r t i e s 用于存储单元特性数据 l o a d c o l l e c t o r s 用于存储载荷数据 2 4 通用有限元软件a n s y s 2 4 1a n s y s 简介 在目前大型通用的有限元分析软件中,在美国a n s y s 公司开发的a n s y s 软件是最为通用 9 威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究 有效的商业有限元让软件之一。a n s y s 软件是集结构、热、流体、声学、电磁多场耦合等分析 为一体的通用有限元软件,已应用到全世界的诸多领域。它是最早通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的设 计分析软件,在美国是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 近二十种专业技 术协会认证的标准分析软件,在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证,并在 国务院十七个部委推广使用。目前,a n s y s 软件己成为中国机械设计工程师资格认证的指定软 件。 a n s y s 和其他分析软件相比具有以下优点【1 7 l : ( 1 ) a n s y s 功能很强大,计算的结果和预期的很接近:a n s y s 是分析功能丰富,其全面 的分析功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、钣金成形等,还可以进行电磁、结构 耦合计算。 ( 2 ) a n s y s 有大量的模型库,a n s y s 有矢量单元、标量单元、棱边单元等用于不同的场 合。就电磁场而言,包括二维、三维或者铁磁区域、非铁磁区域等等,每种单元的优点及其局 限性也明白无误。 ( 3 ) a n s y s 分析结果可靠性好,产品应用的深度、广度、解算结果精度高。 ( 4 ) a n s y s 的图形用户界面( g u i ) 易学易用。 ( 5 ) a n s y s 接口性好,非常适于二次开发。 所以,a n s y s 软件已经发展成为航空、航天以及汽车等领域产品开发不可缺少的伙伴。 2 4 2 a n s y s 的分析过程 a n s y s 典型的分析过程大致分为三步:前处理、分析计算和后处理。不同的分析过程分别 对应于不同的分析模块。a n s y s 总的分析过程可简单表示为图2 1 【1 8 】: 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 1 有限元分析流程图 分析过程中,前处理要用前处理模块,主要包括:建立有限元模型、定义材料属性和实常 数、单元划分:分析计算则有分析计算模块,它包括:定义施加载荷及边界条件、设置就解控 制参数、求解;后处理要通过后处理模块进行,读取结果数据、图形显示结果数据、列表显示 结果数据、进行其它响应后续分析等。 其中建立有限元模型是a n s y s 的第一步,也是至关重要的一步。模型建立的好坏不仅关系 到后面的分析工作的简单与繁琐,更是直接影响到分析结果的正确性和准确性。 a n s y s 使用的模型主要分为两大类:实体模型和有限元模型。以数学的方式表达结构的几 何形状极为实体模型,实体模型可以在其中填充节点和单元,也可以在模型边界上施加载荷和 约束,但是它不参与有限元分析,所有施加在实体模型边界上的载荷或约束必须传递到节点和 单元上进行求解。有限元模型则由节点和单元组成,专门供有限元分析计算所用。 2 5 几种单元类型的简介 对于客车骨架这样的庞大结构,一般有三种单元可供考虑模拟:梁单元,壳单元,实体单 元。下面对这三种单元做些简介。 梁单元模型是将结构简化为由一组两节点的梁单元组成的框架结构,以梁单元的截面特性 来反映车架的实际结构特性。其优点是划分的单元数目和节点数目少,计算速度快,而且模型 前处理工作量不大,适合初选方案。其缺点是无法仔细分析车架应力集中间题,因而不能为车 架纵、横梁连接方案提供实用的帮助。 l l ,且沿厚度方 多采用壳单元 宜离散为许多 的不断发展, 工作量绝大部 车架的分析计 大的车身骨架 车身骨架的有 两种常用的有 合两种软件各 南京航窄航灭火学硕一l :学位论文 第三章客车车身骨架几何模型的建立 3 1p r o e n g i n e e r 软件概况 p r o e n g i n e e r 是由美国参数化技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 开发的火型 c a d c a m c a e 软件,是目前国际上专业设计人员使用最为广泛、先进、具有多种功能的动态 设计仿真软件系统之一【1 9 1 。p r o e n g i n e e r 集零件设计、产品装配、管路设计、钣金设计、模 具设计、电路设计、制造加工、机械仿真与有限元分析、应力分析、产品数据库管理等功能与 一体。自从1 9 8 8 年推出以来,十余年间已成为全世界最普及的3 dc a d c a m 应用软件,广泛 应用于工业设计、机械、航空航天、汽车、数控加工、模具、外观设计、家电和通信等领域。 p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征和完全相关的概念从根本上改变了机械 c a d c a m c a e 领域的新标准。 p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 版本在可用性、易用性和连通性上比以前的版本有了很人的改善, 具有更加完善的、友好和直观的图形用户界面,在设计功能方面也作了较大的改进,可以更好 的满足用户的设计要求,全面提高设计效率。具体主要表现在:全新友好的用户界面、高效的 零件建模功能、完善了曲面设计功能、改进了布线系统设计功能、新的实时渲染功能。 3 2p r o e n g i n e e r 的参数化优势 p t c 公司率先使用参数化设计思想开发出c a d 软件,其主流产品就是p r o e n g i n e e r 。 p r o e n g i n e e r 软件的核心思想和技术优势在于1 2 0 i : ( 1 ) 实体建模 三维实体模型是当前c a d 技术中最典型的模型形式,能够全面描述物体的形状、大小及质 量分布等综合信息。使用p r o e 可以轻松创建三维实体模型,可以一目了然的看到零件或装配 部1 ,l :的实际形状和外观。实体模型和真实世界中的物体一样,具有密度、质量、体积、曲面区 域以及重心等属性,这也是实体模型具有极大应用价值的重要原因。对实体模弛进行质量分析 将获得详细的质量属性参数,变更一个实体模型的设计结果时,其质量属性将会自动更新,通 过实体模型还可以检查装配部件中零件与零件之间的公差、间隙以及干涉等情况。 ( 2 ) 特征造型 特征是p r o e 中最重要的概念。特征是模型上的重要结构,是模型的基本组成单位和模型操 作的基本操作单位,是建模中主要的设计对象。简单的说,特征就是一组举要特定功能的i ! f i 元。 是设计者在一个设计阶段完成的全部l ! c i 元的总和。在p r o e 中,特征的种类很丰富,在根据创 建方法和具体零件结构等的不同,特征可分为实体特征、曲面特征和基准特征,不同的特征具 1 3 威尼斯之旅客车车身金属结构的轻量化研究 用不同的特点和用途。其中,实体特征是构建实际模型的基本组成单元,具有特定的形状,具 有质量、体积以及厚度等物理属性。 ( 3 ) 参数化设计 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题,利用参数化设计手段不但可以开发专用 产品没计系统,还可以进行产品的参数化设计,从而使设计人员从大量繁重而琐碎的设计工作 中解脱出来,轻松实现零件设计、模具设计、装配设计。p r o e 引入了参数化设计思想,大大提 高了设计的灵活性。在整个图形的创建过程中,根据参数化设计原理,设计者可以暂时舍弃大 多数繁琐的设计限制,只需抓住图形的某些典型特征绘出图形,然后通过向图形添加适当的约 束条件规范其形状,最后修改图形的尺寸数值,经过系统再生后即可获得理想的图形。p r o e 的参数化设计不但能生成真实的几何形体,还可进行精确的模型分析,运动分析,干涉检查等。 p r o e 的参数化特征造型技术火人减轻了设计人员的绘图工作量,提高了产品设计的效率和质 量,可实现零件设计、装配设计、加工设计等同时进行,从而大大缩短模具的生产制造周期, 提高了产品的质量。 ( 4 ) 父子关系 在渐进创建实体零件的过程中建立块时,可使用各种类型的p r o e 特征。某些特征,处于必 要性,优先于设计过程中的其它多种从属特征。这些从属特征从属于以前为尺寸和几何参照所 定义的特征,这就是通常所说的父子关系。设计过程中将在各特征之间引入父子关系是参数化 设计的一个重要特征,是p r o e 和参数化建模的最强人的功能之一。父子关系是在建模过程中 在各特征之间自然产生的,建立新特征时,所参照的现有特征就会成为新特征的父特征,相应 的新特征会成为其子特征。如果更新了父特征,子特征与就会随之自动更新。在穿过模型传播 改变来维护设计意图的过程中,此关系起着重要作用。父子关系提供了一种强
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