（材料加工工程专业论文）车架结构有限元分析与优化设计.pdf

i 摘要 摘要 有限元方法是现代工程设计中一种有效、快捷的辅助工具。把有限元方法 应用于汽车结构设计中，可以提高汽车静、动态特性和对车身、车架进行优化 设计，缩短新车研发周期，节约研发费用，均有重要意义。车架作为汽车底盘 及整车的承载基体，承受着来自道路和装载的各种载荷作用。因此，车架结构 的性能决定着整车的质量。 本论文结合实际工程项目，采用c a d c a e 相关技术，对某越野车车架进行 结构有限元分析与优化设计。基于h y p e r w o r k s 软件，通过几何模型的转换与导 入、中面抽取、几何清理、网格划分、单元质量控制等技术，建立了高精度和 高质量的车架有限元网格模型。通过拉伸试验，得到了车架有限元分析的材料 模型。根据车辆实际受力情况，设置相应的载荷和边界条件，对车架进行了有 限元弯曲与扭转刚度分析，分析结果表明该车架刚度满足设计要求，且有轻量 化改进空间。其次，对车架进行了模态分析，得到了车架结构的各阶固有频率 和振型特性，通过固有频率与振型从整体上考虑车架的动态特性。然后，在车 架静、动态分析的基础上，以车架各零部件厚度作为设计变量，以车架轻量化 为设计目标，在满足刚度指标和频率要求的情况下，建立车架结构的尺寸优化 模型，得到了该车架结构轻量化的设计结果。最后，用o p t i s t r u e t 软件对该车架 进行了结构拓扑优化设计，以车架刚度和振动频率为目标函数，建立了多目标 拓扑优化的数学模型。通过优化得到了同时满足刚度和振动频率要求的车架拓 扑结构。理论分析和实际应用表明，该车架设计合理，说明该拓扑优化设计方 法进行车架结构设计的有效性和可行性，为车架结构优化设计提供了一种思路。 关键词：车架有限元静态分析模态分析尺寸优化拓扑优化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef m i t ee l e m e n tm e t h o di sa ne f f i c i e n ta n de f f e c t i v ek i n d o fm o d e m 7 e n g i n e e r i n gd e s i g na i d s t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o du s e di nt h ea u t o m o t i v es t r u c t u r a l d e s i g nw i l l 嘶n gu sd r a m a t i ce f f e c ti nm a n ya s p e c t s ，i n c l u d i n gi m p r o v i n gt h ev e h i c l e s t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，o p t i m i z i n g t h e b o d ya n df r a m eo ft h e v e h i c h e ，s h o r t i n g t h e d e v e l o p m e n tc y c l e o fn e wc a r s ，s a v i n gr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tc o s t s t h ef r a m ew h i c hi sav e h i c l ec h a s s i sa n dv e h i c l el o a d b e a r i n g m a t r i xs 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 gf r o mt h er o a da n df r e i g h t s o t h ep e r f o r m a n c eo ff r a m es t r u c t u r ed e t e r m i n e sv e h i c l eq u a l i t y i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gt h ea c t u a lp r o j e c ta n du s i n gc a d c a er e l a t e d t e c h n o l o g i e s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n do p t i m a ld e s i g na r eu s e di na no f f - r o a d v e h i c l ef r a m e t h r o u g hc o n v e r s i n ga n di m p o r t i n g g e o m e t r i cm o d e l ，e x t r a c t i n g m i d s u r f a c e ，c l e a n i n gu pg e o m e t r y ，d i v i d i n gi n t o 面d s ，c o n t r o l i n gq u a l i t y o ft h e e l e m e n t s ，s e t t i n gu pt h eh i g h - p r e c i s i o na n dh i g h - q u a l i t ya n a l y s i s m o d e lo ft h e v e h i c l e sf r a m e b yt a k i n g s h e l lu n i ta sb a s i cu n i t b yu s i n gh y p e r w o r k s s o f t w a r e t h r o u g ht e n s i l et e s t i n g ，t h es t r e s s - s t r a i nc g r v e so ff r a m e sp a r t sa r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lt r a f f i cl o a dc o n d i t i o n sa n ds e t t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gl o a d s a n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，b e n d i n gs t i f f n e s sa n dt o r s i o n a ls t i f f n e s sw h i c ha r eb a s e do n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t i f f n e s so ft h ef r a m e t om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h e r ei sr o o mf o ri m p r o v e m e n tl i g h t w e i g h t t h e m o d e la n a l y s i so ft h ef r a m ei ss t u d i e d t h em o d ev i b r a t i o nm o d e la n dp r o p e r f r e q u e n c yo ft h ef r a m ea r ec a l c u l a t e db ym o d ea n a l y s i s t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ci s c o n s i d e r e db yt h ef r e q u e n c ya n dt h em o d e l t h e n , b a s e do ns t a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i s o ft h ef r a m e ，u s i n gt h et h i c k n e s so ft h ep a r t so nf r a m ea st h ed e s i g n v a r i a b l e s ，r e d u c i n gt h ef r a m ew e i g h ta st h et a r g e t ，u n d e rt h e s t i f f n e s si n d e xa n d f r e q u e n c yt om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，e s t a b l i s h i n gt h es i z e o ft h ef r a m es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nm o d e la n dg e tt h el i g h tq u a n t i z a t i o nd e s i g nr e s u l t f i n a l l y , t h es t r u c t u r a l t o p o l o g yo ft h ef r a m ei sc a r r i e do u tb yu s i n go p t i s t r u c ts o f t w a r e t h i sp a p e ra p p l ya c o m p r o m i s ep r o g r a m m i n g m e t h o dt oe s t a b l i s h am a t h e m a t i c a lm o d e lo f i l 一 a b s t r a c t m u l t i - o b j e c t i v et o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ，w h i l em e a nf r e q u e n c ym e t h o di sa d o p t e dt o s e t t l ee i g e n f r e q u e n c i e so ff r e ev i b r a t i o no p t i m i z a t i o n t a k ea l lo f f - r o a dv e h i c l ef r a m e f o re x a m p l e ，ar e a s o n a b l et o p o l o g ys t r u c t u r eo ff r a m ew h i c h m e e tt h e c o m p l i a n c ea n d e i g e n f r e q u e n c i e sr e q u e s ta tt h es a m et i m ei so b t a i n e db a s e do nt h i sa p p r o a c h b o t h t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h ea p p l i c a t i o nr e s u l ti n d i c a t et h a tt h en e ws t r u c t u r a l d e s i g ni sr a t i o n a l ，t h u sp r o v i n gt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d ，w h i c h p r o v i d e san e w i d e af o rf r a m es t r u c t u r et o p o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g n 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 a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ；s i z eo p t i m i z a t i o n ；t o p o l o g y o p t i m i z a t i o n i i i 目录 目录 第l 章概论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 有限元分析运用在车架研究的状况一2 1 2 1 国内的研究现状2 1 2 2 国外的研究现状3 1 3 优化技术的研究方法4 1 4 课题来源及本文主要研究内容6 1 4 1 课题来源6 1 4 2 主要研究内容6 1 5 研究工具7 1 6 本章小结。9 第2 章有限元方法与优化理论10 2 1 有限元方法1o 2 1 1 有限元法概述1 0 2 1 2 有限元法的特点1 0 2 1 3 有限元法的分析步骤。1 0 2 1 4 常用的有限元分析软件1 l 2 2 优化理论1 1 2 2 1 优化流程1 1 2 2 2 优化设计要素12 2 2 3o p t i s t r u c t 拓扑优化相关参数1 4 2 2 4 拓扑优化在汽车结构设计中的应用1 4 2 3 本章小节1 5 第3 章车架有限元模型的建立16 3 1 车架概述1 6 3 2 有限元模型建立的一般过程1 7 i v 目录 3 3 有限元模型建立的的要求及注意的问题1 8 3 4 高质量网格划分方法2 0 3 5 各零件之间的连接定义2 3 3 6 车架的制造工艺及材料特性2 6 3 7 完整的车架有限元模型2 8 3 8 本章小节2 9 第4 章车架静态分析3 0 4 1 静力分析基础3 0 4 2 车架基本载荷的确定3 2 4 3 车架弯曲工况分析3 3 4 - 3 1 边界约束条件3 3 4 3 2 车架弯曲刚度有限元分析结果3 3 4 4 车架扭转工况分析3 4 4 4 1 边界约束条件3 4 4 4 2 车架扭转刚度有限元分析结果：3 5 4 5 本章小节3 6 第5 章车架有限元模态分析3 7 5 1 模态分析的理论基础3 7 5 2 车架的模态计算3 8 5 3 计算结果分析3 9 5 4 车架动态特性评估4 4 5 5 本章小节4 5 第6 章车架的尺寸优化设计4 6 6 1 优化设计模型建立的要求4 6 6 1 1 设计变量的选取4 6 6 1 2 状态变量的选取4 7 6 1 3 目标函数的选取4 7 6 2 尺寸优化模型的建立4 8 6 3 优化结果4 9 v 目录 6 4 优化结果分析与验证5 0 6 5 本章小节51 第7 章车架的拓扑优化设计。5 2 7 1 拓扑优化的基本原理与方法5 2 7 2 拓扑优化模型的建立5 4 7 2 1 刚度拓扑优化模型5 4 7 2 2 动态固有频率拓扑优化模型5 5 7 3 车架结构拓扑优化设计5 5 7 4 优化结果分析与改进意见5 6 7 5 本章小结5 7 第8 章结论与展望5 8 8 1 结论5 8 8 2 进一步工作方向：5 8 至l 【谢6 0 参考文献。：6 1 攻读学位期间的研究成果。6 4 v l 第1 章概论 第1 章概论 1 1 研究背景与意义 如今，随着世界范围内经济的快速迅猛发展，汽车已经成为人们日常生活 中必不可少的必需品，在人们的生活中发挥着日益重要的作用。在现城市化、 现代化、科技化日益发展的今天，汽车工业得到了飞速的发展，而作为汽车生 产厂家，更快的生产出用途多、结构好、质量高、性能全、安全性强和价格合 理的汽车来占有市场已经是它们生存的直接方式，自然也成为了他们以及购买 者共同关注的焦点。所以，几乎所有汽车制造商都积极投入到了新型现代的汽 车的研发当中，以满足市场的越来越高的需求。 如今，不仅仅是国外，国内的汽车行业竞争也十分激烈，促使生产厂家不 得不让汽车新产品的开发周期一减再减，由原来需要的几年缩短到现在仅仅需 要几个月，然而，这不断的高要求对于设计与优化汽车的配置，以及在汽车的 改进阶段，精确的对汽车进行各种性能的预测和评估，提出了很大挑战。所以 目前，研究人员在进行汽车设计与优化改进时，较常采用两种分析方法：第一 种是传统设计法( 经验设计法) ，第二种是现代设计法( 有限元分析计算法) 。 但是在不断的生产实践中，研究人员发现，传统设计法存在很多的弊端，一方 面它具有一定的盲目性，因为通过传统设计法即经验设计法设计改进的汽车， 都不会有明显的突破，汽车的整体性能也得不到合理的解决，同时让汽车的设 计周期变得更长，使汽车的更新换代的速度愈来愈慢，很显然地不能适应日益 竞争白热化的现代化商品经济时代。另一方面，传统的设计方法，只能从宏观 上考虑问题，而无法对汽车结构的刚度分布和应力分布进行定量分析，因此， 在汽车的设计过程中，不可避免的要造成汽车某些部分应力分配不合理的现象 出现。这自然而然会造成汽车设计的成本提高。并且汽车的一些部位强度不够， 也很容易导致交通事故的发生；而另外一些部分的强度又过于富裕，造成了不 必要的浪费，进而达不到优化设计的目的。 经过对传统设计法等等不合理的分析，研究人员把有限元技术应用到了汽 车领域新产品的开发，从此，有限元技术也成为了现代汽车产商应对汽车行业 竞争日益激烈的重要手段之一。因为，在新产品的开发设计之初，有限元方法 第1 章概论 可以预测、评估出汽车的各种性能，很好的避免了经验设计法所带来的盲目性， 为新产品的开发成功提供了一定的保障。另外在汽车的三维设计阶段，有限元 方法还可以对车架的强度、动态、刚度和疲劳寿命等特性进行准确的分析和预 测，指导汽车工程师对产品进行优化设计。 作为- i 1 新兴的高科技技术，有限元分析计算法优化设计在现代汽车设计中 得到了普遍应用，使现代工程产品设计的达到了最优化的布置。汽车车架作为 汽车总体的一个重要部分，承载着来自道路及装载的各种复杂载荷任务，而且 汽车上许多重要总成件都是以车架为载体，因此，在汽车总体设计中，车架的 设计就显得尤为重要，关系着成败。这时，采用现代的分析方法，把有限元方 法和优化设计进行完美结合，对汽车车架进行静态和动态分析，对于汽车的设 计具有重要的实际意义。 1 2 有限元分析运用在车架研究的状况 科技的进步推动着社会的发展，社会的发展促使着生活的改变，尤其促进 了汽车工业的发展，日常生活中，人们对汽车的越来越渴望，自然也对汽车的 结构性能要求也越来越高，因此，如何才能生产出一辆性价比都好的汽车，变 成了汽车领域的人们竞相讨论的话题。在汽车研究领域，研究汽车整车静、动 态性能的方法有很多种，然而目前最为成功和应用最广的还是有限元法。国外 在汽车领域利用有限元法分析比较早，对车架的建模及静、动态性能的研究也 可追溯到2 0 世纪6 0 年代，发展到现在己经具备了较全面的车架建模和动态性 能分析技术，同时也拥有了丰富的分析经验。较之国外的发展，国内在这一领 域起步比较晚，研究也比较落后，国内在2 0 世纪7 0 年代初期才开始有人用有 限元法进行车架的静态分析。近年来，随着科技的日新月异，众多汽车工程技 术人员业开始了解到有限元法在汽车领域的重要性，都开始对车架结构动态性 能分析及其有限元模型的建立进行了探讨。 1 2 1 国内的研究现状 当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究主要是针对车架或车架 结构在静态扭转、弯曲载荷以及几种极限工况载荷作用下的分析，得出车架结 构的静态应力分布，并对其进行了局部的修改，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、强度分析的结构还比较粗略， 2 第1 章概论 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。 2 0 0 2 年马迅、盛勇生等针对车架的一些结构进行了优化设计，其目的是为了减 轻质量，最后在弯曲与扭转和动态约束的情况下，取得了减重1 3 3 1 的效剽。 2 0 0 3 年1 0 月李娜等分析了建模的方法，选择板壳单元建立有限元模型，最后 对其进优化，最后减轻重量1 7 6 4 k g l 2 1 。2 0 0 5 年4 月吉林大学的余传文等利用 板壳单元建立有限元模型，在满足车架结构的静、动态特性分析下，得到优化 结果，该结果明显质量减轻了 3 1 。2 0 0 7 年，武汉理工大学的邓亚东教授对轻型 载货汽车车架进行有目标对车架进行优化设计，得出优化结果1 4 。2 0 0 9 年，清华 大学的扶原放老师对微型电动车车架进行结构可靠性优化设计，在考虑了多种 行驶工况的冲击载荷对车架的破坏作用下，对该微型电动车车架进行拓扑优化 分析得出优化结果，根据拓扑优化结果建立满足各总成的布置和实际行驶要求 的新设计结构，基于结构可靠性和有限元法对新设计车架的结构参数进行了可 靠性优化设计【5 】。限元分析与优化，对车架有限元模型进行了刚度强度分析、 模态分析，并以车架的总质量最小为优化。 1 2 2 国外的研究现状 当前，国外利用有限元法在汽车车架的结构分析方面的应用已经比较成熟 睁丌。国外十分重视应用有限元方法对汽车车架结构进行分析与设计，早在6 0 年 代中后期就开始了对车架的静态有限元分析，并取得了大量的研究成果i s l 。1 9 9 1 年a o k a z u o ，n i i y a m a 等人，对车架进行了优化设计，得出了满足车架静态要求 的更好的结果 9 1 。1 9 9 5 年k r a w c z u k ，m a r e k 等人，对一货车车架进行了动态分 析研究，通过结果来评价汽车的承载性能，最后对该车车架进行了改进1 1 0 。1 9 9 9 年k i m ，h s 等人，分析车架的静态研究，在极限静态载荷下，分析车架的刚度 与强度，最后得出一个系统的研究方法【1 1 1 。2 0 0 3 年e n o k i ，s h i n i c h i 等人，对某 轿车的车身通过用壳单元与梁单元分别进模，分别对两种不同的模型进行结构 刚度和动态分析，对这两个结果进行比较，来说明在车身的有限元分析中，使 有梁单元分析可以减少设计与改进周期2 。2 0 0 4 年h a d a d ，h ，r a m e z a n i ，a 等 人，对车架进行了全面的动态分析，从实验到模拟，充分得用机械振动学与汽 车振动学的相关知识，对利用振动学理论，主要对车架进行有限元模态分析， 根据分析结果和实验的导引，来修改车架，最后得到优化的结果【1 3 1 。2 0 0 5 年， f r e d r i c s o n ，h a r a l d 总结了拓扑技术运用在汽车行业的所有涉及的应用，分析在哪 3 第1 章概论 方面的作用效果更大，为以后汽车的优化提供参考，对拓扑优化在汽车工业的 应用做了调查，并对拓扑优化在新的应用方法和领域做了详细阐述【1 4 】。 1 3 优化技术的研究方法 汽车工程师在设计车架时，目标是在满足一些使用要求和一定环境条件下 车架结构达到方案最佳，这就是所谓的结构优化设计。从大体上看结构优化设 计可分为三步：第一步是建立数学模型，就是把一个工程结构的设计问题转化 为一个数学问题；第二步是选择一个有效并且合理的计算方法；三是基于这种 计算方法和相关计算机软件，完成设计计算。 按照结构优化技术发展的顺序，最早发展的是尺寸优化技术、然后才是形 状优化、最后才是拓扑优化。 1 尺寸优化 尺寸优化是结构优化设计发展的第一阶段，即在以有限元方法作为结构分 析手段时，以结构的各部分截面尺寸作为设计变量，采用常规单元( 例如杆件截 面积、膜或板壳单元的厚度、梁元截面尺寸等等) 的几何变量作为参数，在结构 强度、刚度等约束下，以减轻结构重量和充分发挥材料的机械特性为优化设计 目标。因此，在结构分析与优化算法的连接中，由于设计参数均是以有限元中 诸如杆单元或板壳单元厚度、梁单元的截面尺寸等为变量，最优解并不改变结 构的有限元模型，所以，它是一种比较有效的方法。但是在对这些截面参数进 行优化分析上却没有统一的理论方法。 目前构件尺寸优化的理论非常成熟，应用也相当的广泛。2 0 世纪8 0 年代 中期，e s p i n g ”】等开始试着用集成化软件系统进行优化设计。同期国内，隋允康， 钟万勰，钱令希等【1 6 】提出了基于序列二次规划的结构优化算法及d d d u 程序系 统。顾元宪，程耿东等【1 7 】吸收了结构优化理论研究的成果并采用面向工程结构 设计的实用化技术，编制了m c a d s 计算机辅助结构优化设计软件，其中的优 化算法在序列二次规划和序列线性规划基础上进行了改造。叶元烈等【l8 】对薄壁 覆盖件结构优化设计做了研究，选择了序列二次规划法进行优化，并编制 o p t s h e e t 程序，以汽车车身为例进行了计算。 2 形状优化 2 0 世纪8 0 年代后期，人们才开始关注结构边界形状优化设计，这种优化 4 第1 章概论 方法主要研究如何确定连续体结构的边界形状或内部结构，例如杆系结构的节 点位置优化。目前的形状优化一般是通过改变区域的几何形状来达到某种意义 下的最优，并且要求某些物理量在边界上满足某种要求，以便改善结构的性能。 日本a z e g a m i 等人提出了一种牵引方法( t r a c t i o nm e t h o d ) 1 1 9 2 0 l ，其核心是按照 结构特性求出形状梯度函数的值，然后将其作为外载荷施加在一个虚拟的弹性 问题上，通过求解得到一个位移场，其中形状梯度函数可使用拉格朗日算子和 实质导数法( m a t e r i a ld e r i v a t i v em e t h o d ) 得到。 3 拓扑优化 拓扑优化始于2 0 世纪8 0 年代，它是一种概念设计方法【2 l 】，从9 0 年代汽车 企业才开始运用拓扑优化技术【2 2 】。在车架结构设计初期引入拓扑优化方法的目 的在于满足给定载荷工况，以及在强度、刚度等约束的要求下确定出车架结构 各零部件的最佳布局。拓扑优化不仅是一种比尺寸优化和形状优化更高层次的 优化方法，还是结构优化中最具挑战性的问题。它主要应用于结构的概念设计 阶段，其优化结果是后续设计工作的基础。对最终产品的性能和成本有着决定 性的影响。 结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设 计区域内寻求最优材料分布的问题 2 3 】。通过拓扑优化分析，设计人员可以全面 掌握产品的结构和功能特征，以便有针对性地对具体结构和总体结构进行设计。 尤其在产品设计初期，仅凭想象和经验来进行零部件的设计是不够的。只有在一 实际的约束条件下，有效的利用拓扑优化技术来分析，并且结合丰富的设计经 验，才能设计出即满足最佳技术条件又满足工艺条件的产品。对连续体结构进 行拓扑优化分析，其最大优点是在不知道结构拓扑形状的前提下，可按照已知 边界条件、载荷条件来确定出较合理的结构形式，它不涉及到具体结构尺寸设 计，但可以提出最佳设计方案。拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计 和最优的材料分布方案。拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间 需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。最优的设计往往比概念设计的方案 结构更轻，而性能更佳。拓扑优化结果经过设计人员修改过后可以再经过形状 或者尺寸优化得到更好的方案【2 2 】 2 3 】。 尺寸优化或形状优化等优化设计方法在产品整体性能与质量的提升上显得 越来越力不从心。但拓扑优化技术改变了一般优化设计方法的不足，当设计人员 设计汽车能够从概念设计阶段开始就借助计算机进行模拟计算，缩短了设计的 5 第1 章概论 周期并且降低了设计成本，同时也能从整体上提高了汽车产品的性能2 3 1 。拓扑技 术使有在国外汽车工业始于2 0 世纪9 0 年代初，至今该技术已经得到了非常广泛 的应【2 4 】【2 5 】，而国内汽车企业只有极少数企业应用了该技术。鉴于此，本文尝试 利用尺寸优化技术，对该车架进行优化设计并提出改进意见。 1 4 课题来源及本文主要研究内容 1 4 1 课题来源 本文研究的课题是国家自然科学基金项目( 5 0 6 4 5 0 3 2 ) “汽车车架碰撞变 形安全性分析与结构可成形研究 、江西省科技攻关计划项目( 2 0 0 6 c 0 2 0 2 4 0 0 ) “汽车车架碰撞安全性变结构设计及其可成形性技术 。 1 4 2 主要研究内容 以国内某款越野车车架作为研究对象，根据原车架几何模型建立完整的车 架有限元模型，对原设计进行了有限元分析与优化设计，根据优化结果，提出 修改意见及方案； ( 1 ) 学习u g 、h y p e r m e s h 、o p t i s t r u c t 和h y p e r v i e w 软件并阅读大量文献的基础上， 了解车架有限元分析与优化设计方面的国内外研究现状，研究内容、方法与最 新发展动态。 ( 2 ) 基于h y p e r m e s h 有限元软件，建立计算精度较高的车架有限元模型。并对 复杂零件的网格建模流程、高质量网格的划分、连接单元的定义、材料模型的 建立等问题进行研究。 ( 3 ) 在车架有限元模型基础上，根据车辆实际受力情况，设置相应的载荷和边 界条件，进行车架刚度分析，并对分析结果进行评价。如刚度不满足要求，依 据分析结果提出改进方案。 ( 4 ) 利用有限元法进行结构模态分析，获得车架的固有频率和振型，从设计上 避免车架出现共振的现象。 ( 5 ) 在满足刚度指标和频率要求的情况下，以车架各零部件厚度作为设计变量， 以车架轻量化为设计目标，建立车架结构的尺寸优化模型，得到了该车架结构 轻量化的设计结果，通过弯曲刚度验证表明，此优化方法合理。 ( 6 ) 建立车架结构的体单元模型并参考车架模型有限元分析结果设定约束条件 6 第1 章概论 和目标函数进行刚度和模态多工况拓扑优化，根据优化结果对原车架提出改进 设计意见。 1 5 研究工具 本课题研究工具主要有：u g 、h y p e r m e s h 、o p t i s t r u c t 和h y p e r v i e w 。 u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司( 简称u o s ) 是全球著名的m c a d 供应商，主要为汽 车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟 产品开发( v p d ) 的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在 内的完整的m c a d 解决方案。其主要的c a d 产品是u g 。u n i g r a p h i c s ( 简称 u g ) 是集c a d c a e c a m 一体的三维参数化软件，是当今世界最先进的计算机 辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械 和电子等工业领域。u g 公司的产品主要有为机械制造企业提供包括从设计、分 析到制造应用的u n i g r a p h i c s 软件、基于w i n d o w s 的设计与制图产品s o l i de d g e 、 集团级产品数据管理系统i m a n 、产品可视化技术p r o d u c t v i s i o n 以及被业界广 泛使用的高精度边界表示的实体建模核心p a r a s o l i d 在内的全线产品【2 6 1 。 美国a l t a i r 公司的h y p e r m e s h 软件是汽车业内公认的优秀的有限元前后处理 软件。目前h y p e r m e s h 已经成为全球汽车行业的主要的标准配置之一，几乎所 有的汽车厂商和大多数汽车配件厂商都在使用h y p e r m e s h 。它的优点体现在：具 有许多不同的c a d 软件的接口，读取如c a d 机和模型的速度与效率较高，由 于各种有限元计算软件的借口，为各种有限元求解器写出数据文件及读取不同 求解器的结果文件，可以实现不同有限元软件之间的模型转换功能【2 7 1 。 ( 1 ) 强大的几何输入、输出功能： 强大的几何输入功能，支持不同格式的复杂装配几何模型读取，如u g 、 c a t 认、p r o e 、i g e s 、s t e p 、v d a f s 、p d g s 、s t l 、d x f 等格式的输入，支 持u g 的动态装配，并且可以设定几何容差，几何模型还可以修复，支持i g e s 格式输出。m o d e lb r o w s e r 功能有效管理复杂几何模型和有限元装配模型。 ( 2 ) 方便灵活的几何清理功能： 支持多种人工化和自动化的几何清理功能，复杂曲面修补，各种缝隙缝合， 去除孔洞、相贯倒角等细小特征，抽取薄壳实体中面。曲面修补相贯倒角去除 中面抽取 7 第1 章概论 ( 3 ) 与主流求解器无缝集成： 支持十余种求解器o p t i s t r u c t 、a n y s y s 、l s d y n a 3 d 、a b a q u s 、p a m c r a s h 、n a s t r a n 、 m a r c 、r a d i o s s 等有限元文件的输入和输出。 ( 4 ) 高质量的网格划分： 非常完善的互动式二维、三维单元划分工具。用户可以在划分网格过程中 能够对每个面进行网格参数调节，如网格划分算法、单元偏置梯度、单元密度 等。h y p e r m e s h 还提供了多种三维单元生成方式，可以用于构建高质量的四面体 网格、六面体网格和c f d 网格。宏菜单和快捷键的使用可以让用户编辑网格更 为迅速灵活，这样大大提高了工作效率。用户可以通过多种形式的网格质量检 查菜单来实时的控制单元质量，另外还提供了许多种网格质量修改工具。 ( 5 ) 焊接单元的自动创建 提供了多种焊接单元生成方法。其中利用c o n n e c t o r 进行大规模自动化焊接 单元转化，大大减少了手工单元生成，同时还提供了各类焊接单元质量检查工 具。 o p t i s t r u c t 是特别为产品的概念设计和精细设计而专门开发的结构分析和优 化软件，是目前最成熟的也是应用最广泛的优化类工具，国外的汽车整车或部 件绝大部分都使用该软件进行优化。o p t i s t r u e t 是以有限元理论为基础的最优化 工具，借助尺寸优化、形状优化、拓扑优化和形貌优化，可以产生精确的设计 概念和布局。其优秀的优化方法和技术可以为产品的优化目标提供完整可行的 解决方案。o p t i s t r u c t 拥有快速精确的线性有限元求解器。工程师可以利用其中 的标准单元库和各种边界条件进行静态线性、自然频率、频率响应和惯性释放 分析。h y p e r m e s h 与o p t i s t r u c t 之间有无缝的接1 2 1 ，从而使用户可以快捷地进行 问题设置、提交和后处理等一整套操作【2 7 】1 2 8 1 。o p t i s t r u e t 还包含了可以生成i g e s 文件的实用程序o s s m o o t h ，所有的优化结果都可以反馈到c a d 系统。o p t i s t r u e t 包含在h y p e r m e s h 的图形用户界面内，可以让用户轻松、快速地进行 复杂问题的模型建立、提交求解及后处理。 h y p e r v i e w 是一个完整的后处理及可视化环境，适用于有限元分析、多媒体 系统仿真、影像及工程数据方面。它具有惊人的快速3 d 图形及非平行功能为 c a e 后处理立下一个速度及整合的新标准。有先进的动画特征及窗口同步化， 还可以使用h y p e r v i e w p l a y e r 方便的观察分析结果【2 7 1 。 8 第1 章概论 1 6 本章小结 本章从本课题的研究的背景、意义、国内外研究现状、研究方法等方面全 面说明了研究该领域的工程实践意义和发展前景。介绍了本文的课题来源、主 要研究内容和研究工具。 9 第2 章有限元方法与优化理论 第2 章有限元方法与优化理论 2 1 有限元方法 2 1 1 有限元法概述 有限元是一种工程很有用的方法，它的主题是把连续的结构分成很多个单 元，即利用单元分析的结果来得出结构的整体性能，此方法的力学基础是弹性 力学。随着计算机的出现和快速发，有限元法的应用越来越广。现在通常所说 的有限元方法都是在计算机中来实现的，特别在最近2 0 年，计算机模拟技术的 日益成熟，使得有限元法也在不断变化，不断发展。 在2 1 世纪的今天，我国在利用有限元方法上也涉及到很多领域，比如汽车 工业、国防工业、机械工业和航空航天工业等1 2 9 1 。 2 1 2 有限元法的特点 与传统分析方法相比较，有限元法具有以下特点 3 2 1 ： ( 1 ) 不用管分析物体的c a d 形状，可以利用有限元多单元进行描述，因此 该方法能适合多种多样的工程结构。 ( 2 ) 利用有限元法时，在单元描述材料特性时，可以任意的按照物体的实 际情况而定。所以不用考虑各结构之间的影响。 ( 3 ) 在有限元分析时，工程人员可以根据物体的实际载荷与约束情况下， 对该物体进行多种工况下的分析，这样大大提高了工程项目的效率，还可以从 中发现载荷与约束之间的相互关系。 ( 4 ) 有限元的各种单元用来模拟计算时，这些单元各自的运算公式是一样 的，这样在计算时，使模拟计算更加快速，也方便在计算机上统一编程，易于 将程序编成模块式结构。 ( 5 ) 有限元分析方法最终的目的是，让工程项目快速的解决，因些有限元 分析不能在计算机中模拟计算的太慢。 2 1 3 有限元法的分析步骤 有限元方法与一般方法在运用上有以下不同有 3 0 【3 1 1 ： 1 0 第2 章有限元方法与优化理论 ( 1 ) 有限元方法最突出的特点就是把要分析的结构离散化，这也是该方法 的首先和最重要的一步。该方法是把工程项目中的实物结构或者连续体通过结 构离散化，把其分割成很多更小的单元。这样做就要求工程人员，必须找出与 实际的物体的各各部分一致单元来匹配，最后确定单元的大小、数量及布置。 ( 2 ) 为了确定结构的位移，取有限元模型中的任一单元进行分析。在载荷 给定的前提下，为了准确的描述位移，不妨用插值模式来代替多项式。这样结 点位移就比较容易求出，进而可以确定位移场。 ( 3 ) 在有限元模拟计算时，要对各单元载荷向量p 扣和刚度矩阵【k p 进行 推导。 ( 4 ) 有限元分析的