硕士论文-重型载货汽车车架结构分析支持系统.pdf

重庆大学 硕士学位论文 重型载货汽车车架结构分析支持系统 姓名：缪莹赟 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：胡玉梅 20060508 中文摘要 摘要 近年来，随着我国汽车工业的进步，要求自主开发汽车技术的呼声日益高涨。 我国汽车产量在世界排名中虽然已在“坐四望三”的位置，但由于中国没有能掌握 先进的汽车技术，在汽车领域里的话语权却不如产量低很多的韩国、意大利等国， 这主要是由于产品性能却没有达到相应的水平，各个厂家的技术开发能力还需要 极大的提高。 C A E 分析能够显著提高产品设计的科学性，减少盲目性，使产品指标得到保 证，有效的提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。但是，C A E 分析对技术人员 要求高，特别是做动态分析时，一般设计人员很难达到这种要求，往往总是凭经 验设计，仅在原来的基础上做小的改动，不利于产品的开发设计。 本课题正是在这种背景下，以红岩汽车的车架为工程应用实例： 利用U G 中的G R I P 语言，开发车架专用的参数化程序，以实现车架有限元 C A D 模型的参数化建模。 利用大型有限元分析软件A N S Y S 的A P D L 语言，为企业开发汽车车架有限 元分析系统，实现车架参数化模型调用已经编译好的A P D L 源程序进行模态、静 态和瞬态分析。 利用编程语言V c + + 6 0 进行封装，建立了友好的车架有限元分析系统界面， 使得企业的一般技术人员在不必理解A N S Y S 复杂命令的同时就能很方便的操作 A N S Y S 软件，对车架进行各种工况下的载荷施加并进行模态、静态和瞬态分析 等各种强度和振动分析。 通过对红岩重型车架专用有限元分析程序的开发，对车架有限元分析C A D 模型的建立、车架有限元模型的建立和车架有限元分析过程的程序化进行了较深 入的研究，讨论了基于车架有限元分析C A D 模型参数化、有限元模型参数化和 有限元分析参数化的实现方法和需要注意的问题，阐述了在建立专用有限元分析 程序时所需要改进的方法和以后工作的重点。 关键词：V C - 晰0 ，U G O P E NG R I P ，A P D L ，车架，有限元，瞬态 英文摘要 A B S T R A C T I nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi nC h i n a , m o r ea n d m o r ep e o p l ec a l lf o ri n d e p e n d e n ts t u d ya n dd e v e l o p m e n t T h o u g ha u t o m o b i l eo u t p u t r a n k sb e t w e e nN O 3a n dN O 4i nt h ew o r l d ，t h ep o w e ri na u t o m o b i l ef i e l di sn o ta s g o o da sK o r e aa n dJ a p a n B e c a u s et h ep e r f o r m a n c eo fp r o d u c t i o ni nC h i n ad o e s n t a c h i e v et h ec o r r e s p o n d i n gl e v e l ，t h ea b i l i t yo fe v e r yf a c t o r y Si n d e p e n d e n ts t u d ya n d d e v e l o p m e n ts h o u l di m p r o v eg r e a t l y C A Ea n a l y s i sC a ni m p r o v es c i e n t i f i c c a p a b i l i t yo fp r o d u c td e s i g n ,r e d u c e b l i n d f o l da b i l i t ya n de n s u r ep r o d u c tq u a l i t y , e f f e c t i v e l yi m p r o v ep r o d u c tc r e d i b i l i t y , s h o r t c nd e s i g np e r i o d B u LC A Ea n a l y s i sr e q u i r e st e c h n i c i a n Ss t r o n ga b i l i t y , e s p e c i a l l yf o rt r a n s i e n ta n a l y s i s M o s tt e c h n i c i a n sC a l l ta c h i e v eh i g hl e v e l ，a l w a y s d e s i g nb yt h e i re x p e r i e n c ea n do n l yd os o m es m a l lc h a n g e s ，i tg o e sa g a i n s td e s i g no f p r o d u c t T h i sp a p e ri si nt h i sb a c k g r o u n d ，a c c o r d i n gt oH o n g y a nh e a v yv e h i c l ef r a m e U s eG R I Pt oe s t a b l i s ht h ep r o c e d u r e so fp a r a m e t r i cd e s i g ni no r d e rt or e a l i z e p a r a m e t r i cm o d e ld e s i g nt of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s U s eA P L Dl a n g u a g eo ft h es o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oe s t a b l i s ht h e s y s t e mo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s A c c o r d i n gt ot h es y s t e m ，w em a yp r o c e s sm o d a l a n a l y s i s ，s t a t i ca n a l y s i s ，s p e c i a lc o n d i t i o na n a l y s i sa n dt r a n s i e n ta n a l y s i sd u r i n gi t s w o r k i n gp r o c e s s U s eV C + + 6 0t oe n c a p s u l a t ea n df o u n df r i e n d l yi n t e r f a c e I tm e a l 怂t h a tm o s t t e c h n i c i a n sm a yc o n v e n i e n t l yU S et h es o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb e f o r et h e y k n o wt h ec o m p l i c a t e dc o m m a n d sa b o u tt h es o f t w a r ea n dp r o c e s sm o d a la n a l y s i s ，s t a t i c a n a l y s i s ，s p e c i a lc o n d i t i o na n a l y s i sa n d t r a n s i e n ta n a l y s i s T h r o u g ht h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ep r o c e d u r e so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o nH o n g y a nh e a v yv e h i c l ef r a m e , w em a k eas u m m a r i z a t i o nt ot h ep r o c e d u r et o e s t a b l i s hC A Dm o d e l ，p a r a m e t r i cd e s i g na n dp a r a m e t r i ca n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t m o d e la n dd i s c u s ss o m ep r o b l e m ss h o u l db ep a i da t t e n t i o nt o F i n a l l y , W et a l ka b o u t t h em e a n sd u r i n gf o u n d i n gt h es y s t e mo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de m p h a s ed u r i n g t h ef u t u r ew o r k K e y w o r d s ：V C H 6 0 ，U G O P E NG R I P , A P D L ，V e h i c l ef r a m e ，F i n i t ed e m e n t , T r a n s i e n t I I I 独创性声明 本人声明所呈交的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。据我所知，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，也不包含为获得重废盔堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：嗲重链签字日期：方”年石月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭盔堂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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( 。) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：黟笙逆导师签名：卅缸场 签字日期：。口6 年月7 日签字日期：妇绰i 月尹E t 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及意义 近年来，随着我国汽车工业的进步，要求自主开发汽车技术的呼声日益高涨， 传达出期望中国汽车工业不仅要做大更要做强的民声民意，反映出越来越多的人 正在意识到，能不能掌握先进的汽车技术关系到国家和民族的长远利益。我国汽 车产量在世界排名中虽然已在“坐四望三”的位置，但由于中国没有能掌握先进的 汽车技术，在汽车领域里的话语权却不如产量低很多的韩国、意大利等国，这一 令中国汽车工业尴尬的局面进一步说明，作为技术密集型产业，企业生产能力的 核心在于技术和管理。为使我国汽车工业赶超世界先进水平，设计理论和设计方 法的科学化及其现代化应首当其冲。 汽车的车架是其上所有零部件的支撑骨架，包括驾驶室、发动机、货箱、前 桥、后桥，制动系统、操纵系统等，承受着汽车上几乎所有的自身重量和货物， 而在实际的行驶过程中，还始终受到来自路面不平度和发动机的激励作用，引起 车架和各零部件的振动，产生复杂的动态交变应力。当振动和交变应力较大时， 将会引起车架的剧烈振动，甚至造成车架和其它零部件的结构破坏。因此，对汽 车车架的结构强度和动态特性等有较高的要求。如何设计车架结构，才能达到这种 要求呢? C A E 分析能够显著提高产品设计的科学性，减少盲目性，提高设计效率，其 最大优点是可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本计算机分析模 型，对所设计的产品进行强度、寿命及性能预测，使产品指标得到保证，有效的 提高设计产品的可靠性，缩短设计周期【l 】。但是，C A E 分析对技术人员要求高， 特别是做动态分析时，一般设计人员很难达到这种要求，往往总是凭经验设计， 仅在原来的基础上做小的改动，不利于产品的开发设计。 本文正是在以上背景下，以红岩汽车车架为研究对象，利用现代先进设计技 术为手段，探讨车架结构分析方法，并形成车架的结构分析支持系统，使企业的 一般技术人员，能够利用该系统，很方便、快捷地完成车架的结构强度和动态特 性等分析。 1 2 国内外研究现状 早在上世纪七十年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元方法， 并能较好的模拟、分析车架动态特性。随着有限元模拟方法的不断完善和发展， 欧、美、日、韩等国家的汽车生产周期不断缩短，一种新车型从概念到批量生产 重庆大学硕士学位论文 由6 年，5 年，4 年发展到目前的2 年甚至更短的时间，而且产品性能越来越高。 随着计算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限元系统，如A N S Y S 、 N A s T R A N 、I - D E A S 等，使得车架静态分析、动态分析等成为可能。国外已能够 用有限元对结构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了重大成果。 经过三十多年的积累和发展，国外许多大公司建立了高性能的车架计算机辅 助工程系统，形成了完整的设计、分析方法和实验程序。 目前，国外车型开发周期已经缩短到2 4 至3 6 个月，这与采用现代车架结构 设计方法是分不开的。现代车架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。现代车架设计方法有以下几个 明显的特点1 2 1 ： 设计与分析平行。从早期满足一定性能为要求的机构选型、结构设计，到 具体设计方案的比较确定、设计方案的模拟实验，车架设计的各个阶段都有结构 分析的参与。车架结构分析贯穿整个设计过程，这样确定的车架设计结构方案， 基本上就是定型方案，由此设计出的样车只需要一定的验证使用即可定型，大大 缩短车架开发及研制的周期。 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安全性的 要求不断提高，使车架设计难度越来越大。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。 大量虚拟实验代替实物实验。虚拟实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。利用虚拟实验，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 减少成本，缩短设计周期。 国内起步较晚，在8 0 年代才开始有限元方面的研究，但经过众多学者的研究 和探索，已经积累了大量的经验。长春汽车研究所的谷安淘和常国振首先采用杆 系有限元法求解了车架结构分析问题。他们将汽车车架结构简化为一组离散单元 的集合体。这些单元通过各自的端点连接起来，用以代替真实的车架。随后，吉 林工业大学的黄金陵进一步研究和完善了汽车车架杆系有限元法在车架静力学方 面的计算理论。后来，应用有限元法对车架进行结构分析的研究越来越多，运用 有限元法对车架结构分析的计算不再局限于静力分析，还开始考虑动态特性分析。 同时，随着大量有限元软件的引进，车架的有限元法不仅由杆系理论上升到连续 体的理论，而且计算模型的建立也越来越复杂，相应的计算精度也越来越高【3 】。 目前，采用有限元法对汽车的车架结构进行分析正在成为车架设计的主流手段。 今后，可以预计运用有限元法对汽车结构进行仿真计算将成为汽车设计的主流。 目前国内对重型车架的分析一般仅限于强度和刚度的静态分析，在动态分析 2 I 绪论 上起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算软、硬件条件的制约，另一方面 车架建模过程涉及因素多而且结构复杂，还有待于进一步的研究和探索。目前， 国内利用各种有限元分析软件在对车架结构设计方面已经取得了不少成果，但与 国外车架结构分析相比存在着许多不足： 车架结构开发工作主要还是以来经验和剖析进口结构进行参照性设计，多 用来解决样车实验后出现的设计问题，设计与分析未能做到并行； 由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度还不够，因而结构的 刚度、强度分析的结果还比较粗略。计算结果还多用于进行结构的方案比较，离 虚拟实验的要求还有相当大的差距。 通过对相关文献的学习，可以发现目前国内对车架结构方面的研究已经有了 相当的深度和广度。但是，C A E 分析对于分析者要求高，对于如何能让一般设计 人员能够完成的C A E 支持系统，至少在重型车架方面还没有见到过先例。 1 3 本文研究的目的和研究内容 本课题以红岩汽车的车架为工程应用实例，利用大型有限元分析软件A N S Y S 的A P D L 语言，为企业开发汽车车架有限元分析专家系统，再利用编程语言 v c 抖6 0 进行封装，使得企业的一般技术人员在不必理解A N S Y S 复杂命令的同 时就能很方便的操作A N S Y S 软件，对车架进行各种工况下的载荷施加并进行模 态、静态和瞬态分析等各种强度和振动分析。除此之外，本文中还利用U G 中的 G R I P 语言，开发车架专用的参数化设计程序，使得企业的一般技术人员可以很 方便的修改车架几何参数，这样可以极大地提高工作效率，减少开发成本，提高 市场竞争力。根据课题的要求，主要在以下几个方面展开了工作： 运用U G 中的G R I P 语言，开发车架专用的参数化设计程序。 运用A N S Y S 有限元程序中的A P D L 语言，开发汽车车架有限元分析专家系 统。 利用V c + + 6 0 编程语言对汽车车架有限元分析专家系统和专用参数化设计 程序进行封装，并建立友好的用户界面。 利用已经编写好的参数化设计程序针对红岩汽车车架进行参数化建模。 利用所开发汽车车架有限元分析专家系统对红岩汽车车架进行网格划分，并 进行模态、静态和瞬态分析。 根据分析结果，对车架的动态特性、结构强度进行评价，并给出一些修改建议。 对车架进行优化设计，并对优化后的车架结构进行再次分析和评价。 2 重型载货汽车车架结构分析支持系统总体框架结构 2 重型载货汽车车架结构分析支持系统总体框架结构 引言 本章主要建立了重型载货汽车车架结构分析支持系统的总体框架结构， 并用v c + + 6 0 语言建立了友好的交互界面，同时对其中主要模块的功能进行 了介绍。 2 1 系统总体设计构思 模块化设计：本系统采用了模块化设计，包括车架的C A D 模型的建立、车架 的C A E 模型的建立、模态分析、静态分析和瞬态分析。各模块间相互独立。用户 可以根据提示逐步完成重型载货汽车车架强度分析的全部分析流程，也可以完成 其中需要的某一个或几个模块。系统的结构如图2 1 所示。 图2 1 重型载货汽车车架进行结构分析支持系统结构框架图 f i 9 2 1 t h ef r a m ed i a g r a mo f t h eh e a v yf t R m ei n t e n s i t ya n a l y s i ss y s t e m 利用V c + + 6 0 设计一个友好的交互界面，使得用户只需要通过程序建立参数 重庆大学硕士学位论文 化有限元模型、再输入一些必要的参数并选择载荷定义文件，系统就会自动生成 有限元软件A N S Y S 所默认的* I o g 文件。最后由用户手动导入A N S Y S 中，从而 完成分析的前处理和求解过程。 2 2 V C + + 6 0 简介 随着计算机技术的飞速发展，软件编程概念已经发生了根本性的转变，应运 而生的可视化编程技术获得了广泛应用。V C + + 6 0 即是可视化编程的有力工具之 一。该软件是M i c r o s o f t 公司推出的V i s u a lS t u d i o 的重要组成元素，是集创建编辑、 编译、链接、运行调试为一体的软件集成开发环境。在V C + + 6 0 中，可以使用向 导、M F C 类库和活动模板库( A T L ) 来开发W i n d o w s 应用程序 4 1 。 M F C ( 微软基础类库) 是微软为g r m d o w s 程序员提供的一个面向对象的 W i n d o w s 编程接口，它大大简化了W m d o w s 编程工作。使用M F C 类库的好处是： 首先，M F C 提供了一个标准化的结构，这样开发人员不必从头设计创建和管理一 个标准W i n d o w s 应用程序所需的程序，而是“站在巨人的肩膀上”，从一个比较高 的起点编程，故节省了大量的时间；其次，它提供了大量的代码，指导用户编程 时实现某些技术和功能。本次分析中正是使用了v c H 缶0 中的M F C 类库进行编 程，来实现有限元建模和分析程序之间的相互转化和参数的调用【5 J 。 2 3 程序主模块 由于程序中采用了模块化设计的思想，重型载货汽车车架进行结构分析支持 系统主要有五大模块；车架C A D 模型、车架C A E 模型、模态分析、静态分析和 瞬态分析，程序主框架如图2 2 所示。 车架c A D 模块： 车架C A D 模型模块主要是针对重型载货汽车车架进行参数化建模。本模块利 用u G o P E NG R I P 语言进行参数化建模，运用此模块用户可以选择横梁的类型，如 圆形横梁、向上拱形截面横梁、向下拱形截面横梁、直槽双面形截面横梁和直槽 单面形截面横梁；外纵梁、内纵梁、外钣、副车架可以根据需要输入参数。另外， 如果需要对车架进行改进，例如增加板等，都可以在现有模块的基础上进行添加， 然后，通过u G 输出I G E S 格式，再通过程序输入到A N S Y S 有限元分析软件中。 6 2 重型载货汽车车架结构分析支持系统总体框架结构 图2 2 重型载货汽车车架进行结构分析支持系统主界面 F i 9 2 2t h em a i ni n t e r f a c eo f t h eh e a v yf l a m ei n t e n s i t ya n a l y s i ss y s t e m 车架C A E 模块： 车架C A E 模型主要分五个步骤进行：建立组、建立点、建立连接、建立梁单 元和建立壳单元。第一，建立组：通过程序将已经生成好的车架I G E S 文件输入 A N S Y S 软件中，这里需要注意的是，车架结构属性和材料属性不同的结构将被 放在不同的组中，主要目的是为了在A N S Y S 软件中将不同结构属性和材料属性 的结构划分在不同的组中，因此，通过选择不同的组就可以对属性不同车架结构 进行网格划分及属性的分配；第二，建立点：在A N S Y S 中，点有两种形式，关 键点和硬点，关键点是在空间直接生成的点，而硬点则是在面上的点，面上的点 在划分网格时网格必须通过这个点，在建立车架有限元模型时，由于本文中采用 了梁单元来模拟螺栓和铆钉，所以就必须在车架模型上建立硬点，通过连接硬点 来连接车架，而在建立前钢板弹簧、后钢板弹簧、轮胎、减振器等模型时，由于 前、后钢板弹簧、轮胎、减振器都是采用弹簧单元来进行模拟的，所以需要建立 关键点，本文通过输入坐标的形式来生成A N S Y S 可以识别的1 0 9 文件，用户通 过手动输入1 0 9 文件，即可实现车架上硬点和关键点的创建；第三，建立连接： 车架中除了车架间模拟螺栓和铆钉之间的连接外，还有车架与前、后钢板弹簧、 减振器等结构之间的连接，本文中分别对这些连接进行了程序化，通过指导用户 输入各连接点的位置和连接部件的名称，实现车架有限元模型之间的连接，建立 连接线；第四，建立梁单元：在有限元分析中，梁单元可以通过节点直接建立梁 7 重庆大学硕士学位论文 单元，也可以通过建立线，然后对线进行网格划分来完成，本程序中是通过先建 立连接线，再通过对线进行网格划分来生成梁单元、弹簧单元；第五，建立壳单 元：由于车架结构比较复杂，再加上硬点对网格质量的影响，所以对车架进行网 格划分时，程序中采用了自动划分网格技术，用户只需要通过程序指定网格划分 的大小，程序将生成1 0 9 文件，用户通过手动输入1 0 9 文件，就可以实现车架 的自动划分网格功能。通过上面的五个步骤，就可以实现有限元模型的参数化。 模态分析模块： 在本模块中，只对车架的自由模态分析的交互式操作过程实现了程序化。通 过程序生成模态分析的术1 0 9 文件，然后用户通过手动输入+ 1 0 9 文件，即可以实 现车架的自由模态分析。 静态分析模块： 重型载货汽车车架在行驶时承受着复杂多变的载荷，进行强度分析时，必须 考虑到实际行驶中的最大载荷。对车架进行静强度的目的就是计算在最大载荷作 用下的变形与应力分布，以便进行静强度和刚度分析。因此，如何模拟重型车架 的载荷是车架有限元分析的一个重要内容，这里我们分析了三种载荷工况：货物 质量最大时在水平路面上的行驶工况、货物质量最大时轮胎过凹坑时的行驶工况 和货物质量最大时轮胎过凸包时的行驶工况。 瞬态分析模块： 重型车架在工作时各受力部位的载荷变化较大，变化方式也很复杂，在路面 和发动机的激励作用下产生复杂的振动，这使得准确的进行车架在动载下的性能 分析比较困难。传统方法通过对静力分析的结果乘以动载安全系数来设计和评价 车架的强度，或者再结合模态参数和激励的频谱进行动力分析，不能真实的反映 工作过程中的应力变化，也不利于车架的优化设计【6 】【”。本节对红岩重型车架工 作过程中车架在动载状态下的瞬态响应进行了仿真分析，为了减少分析人员的工 作量，这里我们对载荷质量、计算时间、质量缩放大小，凹坑、凸包长度和宽度 进行了控制。由于瞬态分析计算时间很长，而且在A N S Y S 中直接进行瞬态计算 车架单元容易发生发散，如果仅仅通过减小质量缩放来解决，则势必会大大增加 计算时间，所以瞬态分析还有待于进一步研究。 2 4 系统设计中的关键问题 本系统根据用户输入几何模型参数和相关参数自动生成有限元模型。在建立 有限元模型的过程中，如何建立车架各零部件之间的连接、建立前后钢板弹簧及 轮胎、建立前后钢板弹簧与车架的连接、不同厚度的壳单元的定义、如何确定载 荷施加的位置是本系统功能能否成功的关键问题。 8 2 重型载货汽车车架结构分析支持系统总体框架结构 2 4 1 各零部件之间的连接 由于重型载货汽车车架各部件之间的连接是通过螺栓或铆钉来连接的，在进 行有限元分析时，大多数采用的方式是用梁单元来模拟螺栓和铆钉，本文中采用 的也是梁单元。 在有限元分析中，梁单元可以通过节点直接建立梁单元，也可以通过建立线， 然后对线进行网格划分来完成。本系统中是通过先通过用户输入螺栓孔的中心位 置，通过程序调用A N S Y S 命令在车架模型上生成硬点，硬点的主要作用是在车 架进行网格划分时网格必须通过这一点，这样，通过连接车架上建立的硬点就可 以建立连接车架各零部件之间的连接线，最后通过对连接线进行网格划分就可以 生成连接车架不同部件的梁单元。 2 4 2 建立前后钢板弹簧与车架的连接 建立钢板弹簧与车架之间的连接也是采用梁单元来进行连接的。和各零部件 之间的连接不同的是，建立钢板弹簧是通过用户输入先建立关键点，再通过连接 关键点生成线，这里需要注意的是，车架不同部位之间的连接线将A N S Y S 中生 成不同的线组而自动区分，从而实现梁单元的系统自动区分和定义，最后通过对 线进行网格划分来生成梁单元。 2 4 2 壳单元的定义 由于组成重型载货汽车车架的零部件不尽相同，在有限元分析中通过定义不 同的实常数来实现不同厚度零件的区分。在有限元分析中的一般步骤为：选取同 一厚度的面，通过“a a t t ”命令对这些选取的面指定一种实常数来定义厚度；再选 取另外一种同一厚度的面，通过“a a t t ”命令对这些选取的面指定一种实常数来定 义厚度，依此类推。 在本系统中，通过把不同厚度的零件依次导入A N S Y S 中，在把每次导入的 零件建立不同的组，从而实现了不同厚度的零件的定义。 2 4 3 载荷位置的识别 在有限元分析中，载荷可以施加在体、面、线和单元上，但是，A N S Y S 在 进行运算是，最终都会将载荷施加在节点上。所以，分析中一般都直接将载荷施 加在节点上。如果采用手动分析，载荷位置将由用户手动选择节点，这势必降低 了程序的通用性和方便性。 本系统通过用户输入所需选择节点的位置，程序生成相应的1 0 9 文件，用户 只需手动输入* 1 0 9 文件，程序将自动调用“n u m m r g , n o d e ”命令，使得系统建立 的节点和A N S Y S 已经划分形成的节点合并在一起形成新的节点。通过这种方法， 9 重庆大学硕士学位论文 本系统就可以在不知道节点号的基础上，就能够对车架模型任何部位的进行捕捉， 从而实现载荷位置的自动识别。 2 5 小结 本章阐述了本系统的总体设计思路以及系统设计中的几个关键问题的解决方 法，具体内容如下： 本系统通过用户输入关键点和硬点的坐标建立点，再通过连接点生成线， 最后通过对线进行网格划分来生成梁单元的； 本系统通过把不同厚度的薄壁零件分别导入A N S Y S 中，然后定义同一属 性的部件为同一组，从而实现不同厚度面单元的自动区分和定义； 本系统通过不同部件之间的连接线分别导入A N S Y S 中，然后定义同一部 件间的连接线为同一组，从而实现梁单元的系统自动区分和定义； 本系统根据用户输入节点位置参数，程序再调用“n u m m r g , n o d e ”命令， 使得系统建立的节点和A N S Y S 已经划分形成的节点合并在一起形成新的节点， 从而实现了载荷位置的自动捕捉。 1 0 3 车架有限元模型的建立及其程序实现 3 车架有限元模型的建立及其程序实现 引言 本论文针对红岩汽车货车车架，阐述了车架从实物模型如何转化为有限元模 型的过程，并通过V c + + 6 0 、U G O P E NG R I P 和A N S Y S A P D L 语言实现车架从 有限元分析C A D 参数化模型的建立到有限元C A E 模型的程序化。 3 1 红岩车架几何形状及有限元分析处理方法简介 对于红岩车架结构，大部分都是板件，如图3 1 所示。红岩重型车架有九根横 梁、下横梁、两根纵梁和左右 两块外支撑板，厚度大都在 1 0 m m 以下，如果把红岩车架 的板件都用体单元( S O L I D 9 5 ) 来模拟，那么单元划分长度则 应该在1 0 m m 以下，这样整个 车架模型的单元数将超过5 0 万个单元，所以采用体单元 ( S O L I D 9 5 ) 来模拟车架结构 是不合理的。综合考虑，采用 壳( s H E L L 6 3 ) 来模拟车架是 比较合理的。因此，在有限元分 析时，建立有限元分析车架C A D 图3 1 红岩重型货车车架实物图 F i g 3 1M o d e lo f V e h i c l eF r a m e 模型的时应把车架模型做成面，而不应做成实体。即使采用三维实体模型，在进 行有限元分析时也会先把实体的中面抽出来，在A N S Y S 中把面生成壳单元后 ( s H E L L 6 3 ) 再给面赋上一定的厚度。传统的C A E 分析中都是通过实体模型抽 取中面来生成有限元分析C A D 模型，需要比较丰富的有限元分析经验才能合理 的从车架C A D 模型转化为C A E 模型，对于没有经过专业C A E 培训的企业一般 技术人员，根本不可能知道如何转化。所以，本次分析中利用U G O P E NG R I P 来 建立红岩重型车架有限元分析C A D 模型，实现红岩重型车架有限元分析C A D 模 型的参数化。 3 2 红岩重型货车车架有限元分析C A D 模型界面 红岩车架是一个非常复杂的空间薄壁杆系结构，其三维C A D 模型与有限元 重庆大学硕士学位论文 C A D 模型具有较大区别，本次分析中建立有限元C A D 模型的目的就是为了简化 分析人员的工作量，使得一般的技术人员可以通过对有限元C A D 模型的认识理 解有限元分析的前处理工作是如何进行的，也可以使一般的技术人员也能利用三 维建模软件和有限元分析软件对车架进行有限元分析。 如图2 2 所示，通过在主界面中选择“车架C A D 模型”选项进入“车架C A D 模型”界面，车架C A D 模型界面如图3 2 所示。 图3 , 2 车架C A D 模型界面 F i 9 3 2 C A D m o d e l i n t e r f a c e o f t h e h e a v y f r a m e 由图3 2 可见，车架模型主要分析四类：纵梁、横梁、外支撑板和副车架。 其中，纵梁分为外纵梁和内纵梁；横梁分为圆形截面、向上拱形截面、向下拱形 截面、直槽形双截面和直槽形单截面。图中左半部分为车架各零部件的分类，而 图3 3 直槽取截面界面 3 车架有限元模型的建立及其程序实现 右半部分为各零部件的参数化模型的参数示意图，因此，用户可以根据示意图输 入各零部件的参数得到车架各零部件模型。除此以外，用户还可以通过选择左半 部分的零件名称，得到该零件的参数示意图，并且参数示意图下的零件名称也随 着所选择的零件的变化而发生变化，例如选择直槽形双截面来观察模型的参数示 意图，如图3 3 所示，图中右半部分为直槽形双截面类的横梁的参数示意图，示 意图下面的按钮上的名称也由“外纵梁”改为“直槽形双截面”。最后，用户通过 “确定”按钮就可以进入U G 界面进行参数化建模。 图3 4 圆形横粱界面 F i 驴4t h ei n t e r f a c co f c i r c u l a rb e a m 以圆形截面横梁为例，通过图中“确定”选 项，进入U G 界面，在U G 界面中选择 F I L E - E X E C U T B - I7 G O P E N G R I P 来运行d i y i h e n g l i a n g g r x ，由于程序中已经设置 了参数的初始值，通过图3 3 中选择圆形横梁 菜单，而得到图3 4 ，图3 4 中右半部分的圆形 横梁尺寸标注图可以提示用户如何定义圆形截 面横梁参数，用户只须通过修改图3 5 示的对 应参数就可以生成圆形截面横梁有限元分析 C A D 模型按初始值生成的圆形截面横梁有限 元分析C A D 模型如图3 6 所示，红岩重型货车 车架圆形截面横梁实物图如图3 7 所示。 图3 5 第一横梁输入参数 F i 9 3 5I n p u tP a r a m e t e ro f N O 1 n a n s v e r s eB e a m 重庆大学硕士学位论文 图3 6 第一横梁有限元分析C A D 模型 F i 9 3 6 C A DM o d e lo f N O 1t r a n s v e r s eB e a mF E A 图3 7 第一横梁实物图 F i 9 3 7 M o d e lo f N O 1t r a n s v e r s eB e a m 3 3 红岩重型货车车架有限元C A D 模型建立的程序实现 3 3 1G R I P 语言简介 U G O p e nG R I P 是U G 软件包中的一个模块，是U G S 公司提供的一个用于 U G 二次开发的软件工具。U G O p e nG R I P 用来创建类似F O R T R A N 一样的程序， 与U n i g r a p h i c s 系统集成。由于G R I P 与U n i g r a p h i c s 系统紧密集成，所以，利用 G R I P 程序，可以完成与U n i g r a p h i c s 的各种交互操作。例如，调用一些实体生成 语句，创建几何体和制图实体，可以控制U G 系统参数，实现文件管理功能，可 以存取U G 数据库，提取几何体数据和属性，可以编辑修改已存在的几何体参数 等。G R I P 还有一些交互命令用于控制实体状态、对话菜单的选择、以及调用U G 的通用的构造子功能等。此外，G R I P 语言与一般的语言一样，有完整的语法规 则，程序结构，内部函数，以及其他通用语言的相互调用等。G R I P 程序同样要 经过编译、链接后，生成可执行程序，才能运彳亍l ”。 3 3 2 红岩重型车架有限元分析C A D 模型的程序实现 由于红岩重型车架的零部件较多，而且模型很庞大。为实现有限元分析C A D 模型建立过程的程序化，在建模时采用统一坐标系，该车架模型共有四类横梁、 两类纵梁、外支撑板和副车架，如图3 1 所示。正如图3 2 所示的那样，必须对车 架的每一类零件编制相应的子程序来实现有限元C A D 建模过程的程序化，因此， 共有9 类子模型。本文就其中的一些典型零件如纵梁和横梁的U G O P E NG R I P 程 序作重点介绍。 其中，外纵梁与直槽形双截面型横梁的U G O P E NG R I P 源程序如下。 外纵梁G R I P 源程序： 1 4 3 车架有限元模型的建立及其程序实现 $ $ 程序名：红岩重型车架纵梁参数化程序 $ $ 功能：参数化 $ $ 目的：有限元分析 E N T I T Y p ( 1 0 0 0 0 ) ，l n ( 1 0 0 0 ) ，c “1 0 0 0 ) ，$ s d ( 1 0 0 0 ) , b t ( 1 0 0 0 0 ) N U M B E R A ( 1 0 0 0 ) D A T A A ，6 2 ，1 4 ，2 4 4 ，1 1 1 8 0 ，1 0 0 0 ，3 7 ，2 0 0 ，1 2 ，$ 7 2 5 ，2 5 0 ，9 9 5 5 L 1 ： P A R A M 输入参数：。$ 纵梁宽一，A ( 1 ) ，$ 纵梁弧半径_ ，A ( 2 ) ，$ 纵梁高_ I ，A ( 3 ) ，$ 纵梁长- t ，A ( 4 ) ，$ 变截面距前端距离一，A ( 5 ) ，$ 变截面高度- ，A ( 6 ) ，$ 变截面长度= ，A ( 7 ) ，$ 内纵梁宽一，A ( 9 ) ，$ 呐纵梁高一，A ( 1 0 ) ，$ 内纵梁长= ，A ( 1 1 ) ，r e s p J Ir M P I 一1 ：，L 9 9 ：，r e s p p ( 1 ) - - - - p o i n t 8 0 ，2 7 6 ，0 l n ( 1 ) = l i n e p ( 1 ) ，p ( 2 ) l n ( 2 ) = f i n e p ( 3 ) ，p ( 4 ) l n ( 3 ) = l i n e p ( 5 ) , p ( 6 ) c 1 ) = f i l l e t I n ( I ) ，l n ( 2 ) ，e e n t e r , p ( 7 ) , r a d i u s , A ( 2 ) c “2 ) 2 f i l l e t I n ( 2 ) ，l n ( 3 ) ，c e n t e r , p ( 8 ) ，r a d i u s ，A ( 2 ) ! 定义实体 ! 定义数组 ! 赋初值 ! 定义参数化变量 ! 创建点 ! 创建直线 ! 创建圆弧倒角 s d ( 1 ) = s o l e x t l n ( 1 ) ，c r ( 1 ) ，l n ( 2 ) ，o r ( 2 ) ，l n ( 3 ) , h e i g h t ，A ( 4 ) ，a x i s ，0 ，0 ，l ! 创建面 ooo o o s d ( 5 9 ) = s u b t r a s d ( 5 6 ) ，w i t h , s d ( 5 8 )! 对面进行布耳运算 s d ( 6 0 ) = s e w s d ( 5 9 ) ，s d ( 5 4 ) ，s d ( 5 7 )! 连接相邻的两个面 o oo O o d e l e t e p ( 1 1 0 0 ) ，l n ( 1 1 0 0 )l 删除点和线 1 5 重庆大学硕士学位论文 L 9 9 ： H A 【T 首先，打开开始程序N x 3 肚N x T o o l 卜撇P E NG R I P ，通过u G O P E NG R I P 对源程序进行编译，在G R I P 编译器中输入源程序 名( w a i z o n g l i a n g g r s ) ，利用C O M P I L E 功能进行编 译，生成一个新文件w a i z o n g l i a n g g r i ，把编译成功 的w a i z o n g l i a n g g r i 进行链接，生成可执行的程序 w a i z o n g l i a n g g r x 。最后，通过建立红岩重型货车车 架有限元C A D 模型界面进入U G 环境中，选择 F I IB E X E C U T B U G ，O P E N 3 R 球来运 行w a i z o n g l i a n g g r x ，程序将出现图3 8 所示对话框， 根据图3 8 所示对话框输入参数，就可以得到车架 外纵梁有限元分析C A D 模型，所生成的外支撑板 及其实物对比如图3 9 所示。 ! 程序结束 图3 8 外纵粱参数 F i 9 3 8J a c ks t r i n g e r P a r a m e t e r 图3 9 外纵梁实物与有限元分析C A D 模型对照图 F i 9 3 9J a c ks t a i n g e rO b j e c ta n dF E AC A DM o d e l 直槽形双截面型横梁G R I P 源程序： $ $ 程序名：直槽形双截面型横梁 $ $ 功能：C A D 模型参数化 $