（车辆工程专业论文）重型自卸汽车车架有限元分析及试验的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车车架为重要安全结构件，其强度直接影响汽车的使用性能。本文以z j z 3 2 5 0 重 型自卸汽车车架为研究对象。运用u g 软件建立了该车架的几何模型，以h y p e r m e s h 软 件和a n s y s 软件作为研究分析平台，并结合试验对该车架的强度进行了研究和分析，为 该车车架的设计提供参考依据。论文的主要研究内容如下： 对有限元分析技术在汽车结构分析的应用状况进行了归纳和总结，介绍了7 _ , 7 _ 3 2 5 0 重型自卸汽车车架的特点和要求。 简要介绍了有限元的概念及基本原理，并对重型自卸汽车车架的建模中有限元分析 方法的基本过程进行了详细的说明，对分析软件中使用的单元进行了分析和比较。 运用h y p e r m e s h 软件将重型自卸汽车车架的三维实体模型转换为有限元分析模型， 并对简化原则以及利用a n s y s 有限元软件进行了强度分析方法进行了描述。 对该重型自卸汽车车架进行了强度分析，得到了各工况下车架的应力分布。 对该重型自卸汽车车架进行了模态分析，得到了车架的前十阶频率和振型。 运用应力电测量技术对车架进行了静态试验研究，并将试验数据与有限元分析结果 进行了比较，验证了有限元分析模型的正确性。 本文的主要新意在于提出了多层板结构的有限元建模方法以及连接关系的处理。论 文研究结果对汽车制造企业进一步推广应用c a d c a e 技术、开展结构改进和优化设计 具有一定的理论意义和工程应用价值。 关键词：重型自卸汽车，车架，a n s y s ，有限元，应力，电测量 江苏大学硕士学位论文 t h ef t d m ei st h ek e yp a r to fv e h i c l e s i t ss t r e n g t hi n f l u e n c e sv e h i c l e s p e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e r , t h e3 - d i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o d e lo ft h ez j z 3 2 5 0h e a v yd u m pv e h i c l e sf l ”d m ew a s c o n s t r u c t e dw i t hu g8 姗a r e t h es t r e n g t h so ft h ef r a m ew e r ea n a l y z e db a s eo nh y p e r m e s h s o f t w a r ea n da n s y ss o f t w a r ea n dn o n - e l e c t r i cc h a r g es u r v e y i n ge x p e r i m e n t , s u g g e s t i o n sf o r i m p r o v i n gt l l ed e s i g no ft h ef l a m ew e r ep r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o dw h i c h b eu s e df o ra n a l y s i so f v e h i c l e s f t a m ew a sc o m p r c h c n s i v d ys u m m a r i z e d , t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ez i z 3 2 5 0h e a v y d u m pv e h i d e sf t d m ew a s i n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p ta n dt h eb a s i cp r i n c i p l e sw e g ei n t r o d u c e d , t h ep r o c e s so ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sw a sp a r t i c u l a r i z e dw h e nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a ss e tu p , a l lk i n d so f d e m e n t su s e di nt h ea n a l y s i ss o f t w a r ew e r ec o m p a r e d t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fc h a n g i n gt h e3 - d i m e n s i o n a lm o d e li n t of i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h eh e a v yd u m pv e r d ef r a m ew i t hh y p e r m e s hs o f t w a r e ，a p p l y i n gt h ea n s y ss o f t w a r et o a n a l y z es t r e n g t ha n dm o d a lw d e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h es t r e s so fz i z 3 2 5 0h e a v yd u m pv e h i c l e s 缸d l b eu n d e ra l lk i n d so ft y p i c a to p e r a t i n g c o n d i t i o n sw e f ea n a l y z e da n do b t a i n e d t h ep r i m a r yt e nn 缸u r a lf i e q u e n c i e sa n dc o r r e s p 0 i l o i n gm o d a ls h a p e so ft h e 丘锄ea e a l e n l a t o du s i n gm o d a la n a l y s i s v a l i d i t yo ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l ta n dm o d e l si sd e m o n s t r a t e db ym e a n so fn o n - e l e c t r i c c h a r g es u r v e y i n ge x p e r i m e n t t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st h a tt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f c h a n g i n gt h e3 - d i m e n s i o n a lm o d e li n t of i n i t ed e m e n tm o d e l a n dd e a l i n gw i t ht h ec o n n e c t i n go f t h em u l t i l a y e rh e a v yd u m pv e h i c l e sf l a l i l e t h er e s u l t so ft h i sp a p e rh a v es o m et h e o r y s i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a b l ev a l u et op u t f o r w a r dc a d c a et e c h n o l o g ya n d o p i n l i z a 虹o nd c 商舯 f o rv e h i c l ea n d s p o c i a lv e h i c l e ， k e y w o r d s ：h e a v yd u m pv e h i c l e ，f r a m e ，a n s y s ， n o n - e l e c t r i cc h a f g es u r v e y i n ge x p e r i m e n t 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、使用学位沦文的规定， 同意学位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。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容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。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 肿b 月曰 不保密团 之f 魂指导教师签名鳓各 夕州7 年；月7 n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 渤 1 日期：一) 1 噼彦月7 7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 重型自卸汽车用途广泛。在矿山、水利工程、城市建设、公路、环卫等行业都有专用 的自卸汽车。随着近几年来国家实施扩大内需的方针，积极投资基础设施建设和兴建大 型工程，以及2 0 0 8 年的北京奥运会和2 0 1 0 上海世博会的筹备需要，对相应的重型自卸 汽车的需求量增大。 重型自卸汽车使用条件恶劣，结构非常复杂，包括其复杂的形状，复杂的载荷作用。 而车架是整个重型自卸汽车的基础，在它上面安装着发动机、传动系、行驶系和汽车车 身等主要装置。由于在装载、运输和卸载中承受主要的载荷，因此，车架性能的优劣直 接影响整车的性能，同时也反映了整车的技术水平【1 司。在汽车结构设计中，在保证安全 的前提下，又要使车架的结构合理，便于加工、装配，同时也要减少材料的量，从而降 低制造成本，提高经济效益，提高汽车的燃油经济性和动力性。这需要对车架的强度进 行分析，通过强度分析，有针对性地对一些主要构件进行结构优化设计。 在实际的汽车结构强度计算中，由于结构的复杂性、载荷分布的复杂性以至于很少有 甚至没有解析解，但仍然需要去分析、研究、解决。解决这些困难有很多方法，一般归 结为两类：一种是对复杂的问题作种种简化，作很多假设，回避一些比较复杂的问题， 最终简化为一个能够处理的问题。这种用材料力学方法做简化计算的方法有时可行p 】，但 是由于太多的简化。通常导致极不准确甚至错误的答案。另一种方法是尽可能保留问题 的各种实际状况，尝试寻求问题近似的数值解，放弃封闭形式的解析解。在计算机和计 算技术飞速发展的今天，这已成为较为现实又非常有效的选择。有限元法便是这众多方 法中运用最为成功、最为广泛的方法，可以将轮胎以上的全部车架体系的信息输入计算 江苏大学硕士学位论文 机，做三维分析；计算静态、动态、举升等工况时的应力和变形；甚至可以将地面的激 励输入车架，计算仿真车架的疲劳寿命l 蜘。 当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架可能产生扭转变形以及在垂直平面内的弯曲 变形；当一边的车轮遇到障碍时，还可能使两根纵梁发生相对位移。因而，将会改变各 机构之间的相对位置，破坏其正常工作，并引起各部分的磨损加剧。车架的刚度、强度 及动态性能对整车的振动舒适性、行驶平顺性、安全性及寿命有着很大的影响。因此， 车架结构模态分析在现代汽车结构设计中具有十分重要的意义m 。 1 2 国内、外汽车车架有限元分析的发展 有限元法最早是为解决结构计算而提出的，并成功应用于工程实践中。随着研究的深 入，有限元法不仅作为一种解决力学问题的分析方法，而且也是一种数学上解微分方程 的数值计算方法。只要微分方程经分割近似( 分片插值) ，能得到满足要求的解，就可以用 有限元法进行计算。除连续体弹性力学外，塑性力学、流体力学、传热学、结构分析动 力学、变流力学等等都广泛使用有限单元法进行计算f 1 0 l 。 重型自卸汽车车架的主要结构形式为边梁式车架，纵梁截面多为槽形，横梁截面可为 槽形、闭口矩形或圆管。纵梁和横梁的连接方式有焊接、铆接和螺栓连接等。其连接接 头几何形状各异，应力分布复杂。根据是否考虑接头的真实形状，边梁式车架的结构计 算方法可分为两大类： 一是不考虑接头形状有最小变形能法、e 坛法、传递矩阵法和空间梁单元有限元法等 四种。最小变形能法适用于车架弯曲的计算，用于扭转时则显得太繁；e r z 法则可用于扭 转刚度小而弯曲刚度大的车架扭转计算；传递矩阵法可用于车架的弯、扭计算，但由于 多个矩阵相乘导致圆整误差，因此它只被推荐用于抗扭刚度大的车架；空间梁单元的有 限元法简单，但一般的空间梁单元用于开口薄壁构件，计算误差较大。不考虑接头形状 2 江苏大学硕士学位论文 计算方法的不足之处在于：首先忽略了接头的柔度，而它对车架变形和杆端力矩的计算 却很有影响；其次无法确切计算接头区域的应力分布，而这对于车架的设计和优化却很 重要；另外只用梁单元，不能反映设计的修改，如接头形状和连接形式的改变。 二是考虑接头形状有完全法和混合法。完全法用板壳单元来离散整个车架，可用于纵 梁并不均匀平直的刚架，缺点是用的单元和自由度数目庞大，且计算的前后处理工作量 大：混合法是交替使用了有限元和矩阵力法，计算精度较高。混合法的局限性在于它只 适用于能将纵、横梁简化为直杆的车架。 由于高应力出现于接头处，因此接头的离散化无论对于混合法还是完全法都是重要 的。研究表明，接头离散化应尽可能包含车架的基本特征，如型材圆角、断厦改变等。 槽钢的圆角一般较大，忽略圆角使接头的翘曲柔度产生约1 5 的误差1 1 1 1 ，焊接而成的车 架。其焊缝离散化是用加厚纵，横梁之间的过渡单元来近似双面焊缝的体积。铆接和螺 栓联接一般用实体单元简化，被连接的两块板料在其中面用板壳单元离散化，孔洞宜用 内八角形，其八角点与四个实体单元相连。螺栓连接也可用梁单元来模拟，即用梁单元 将各块板的八角点连接。s u n w 等考虑了板间的接触力，采用结构分析软件a n s y s 中的 g a p 单元进行模拟【堋。这种非线性的杆单元受拉和受压有不同刚度。使用g a p 单元后， 明显地提高了计算精度。车架扭转变形的计算误差从1 2 降到6 。 对车架强度的有限元分析开始于2 0 世纪6 0 年代中期。国外十分重视利用有限元方法 对车架进行辅助设计，取得了大量的研究成果。 k e n n a n n ，h j 提出了利用梁、板混合单 元对货车车架横梁与纵梁连接处进行合理简化的方法嗍，k i l n ，h s 等人对车架在极限静 态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论【1 4 1 ，a o ，k a z u o ，n i i y a m a 等人对利用有限元 静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍啕。车架的动力学分析是在1 9 7 1 年开始的【阚，国外一般采用n a s t r a n ，s a p 等大型计算程序并研制专用程序，自由度 3 江苏大学硕士学位论交 数少则几百多则上万。对于整车结构的动力学分析由于自由度过高、计算过程所需计算 机资源过高，因此近年来发展了子结构的方法，分析各子结构而后进行模态综合。 k r a w c z u k ，m a r e k 等人利用全板壳单元车架有限元模型对一货车车架进行了较全面的动 态研列1 7 1 。h a d a d ，h 、r a m e z a u i ，a 等人对如何利用有限元模态分析结果修正车架设计 方案进行了研列堋。 国内起步较晚，在2 0 世纪踟年代才开始该方面的研究，但经过众多学者的研究和探 索，已经积累了大量的经验，有些研究已经深入到了优化的层次。王璋等人利用有限元 法对重型牵引车车架进行了静态分析，提出了发动机和倒置平衡悬架的简化模型【1 9 1 。历 辉等人对作用在货车车架上的等效载荷的简化和施加方法作了较全面的研究，尤其对车 厢与车架之间相互作用力的简化方法做了详细讨论闭。周志革等人利用m s c p a t r a n 有限 元前后处理软件和m s c n a s w a n 有限元计算软件分析并解决了某轻型货车车架纵梁异常 开裂的问题( 2 l l 。郑兆昌等人应用大型结构软件s a p 5 p 对货车车架进行了动态分析，提出 了利用车架模态分析结果直接对结构动态特性进行评价的方法圈。冯国胜对模态分析技 术在汽车车架故障诊断中的应用进行了较深入的研究圈。 目前，我国对汽车结构的优化设计研究己发展到普遍应用有限元法进行静强度计算和 模态分析的阶段。由于汽车车架是汽车结构件中结构与载荷都很复杂的重要部件，也是 人们首先开展结构分析和结构优化设计研究的对象。今后，汽车车架结构参数优化设计 仍是汽车工业的重要研究领域。 随着计算机软、硬件水平和有限元分析方法的不断发展，出现了大量的有限元分析软 件，目前，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件有a n s y s 、n a s t r a n 、a s k a 、 a d i n a 、h y p e r m e s h 和s a p 等。h y p e r m e s h 是一个高性能的有限元前后处理器，可以用 它建立有限元模型、观察计算结果和进行数据分析。a n s y s 是一个多用途的有限元分析 4 江苏大学硕士学位论文 软件，它已从1 9 7 1 年的2 0 版发展到今天的1 1 o 版。 1 3 课题的目的及意义 虽然现在计算机软、硬件的发展非常迅速，但软硬件的限制仍制约着车架有限元模型 的规模，以前梁单元模型的局限性表现如下： 1 模型过于简化。由于软硬件的限制，模型所占的空间不能太大，为了提高分析工 作和优化工作的效率，模型在结构上进行了简化，忽略了全部附件结构、工艺孔和圆角 等。另外，车架的纵横梁虽有一定的规贝i 上但还是具有一定的变化，选择梁单元建模不 能很好的体现这种变化，模型的精度自然会下降渊。 2 车架纵横梁连接处处理不够理想。以往连接处的处理，是直接把整个车架看成一 个结构，没有考虑连接问题，因此，不能正确体现出联接处应力的变化。 3 缺乏动态分析。以往的分析多以静态为主，因车架的动力学状况过于复杂，所以 忽略动态分析只作静态分析，或单纯动态分析1 2 5 - 2 7 1 。 为此，本课题以z j z 3 2 5 0 重型自卸汽车车架为研究对象，根据c a d 图，利用参数化 建模软件u g 建立车架的三维实体模型，应用高性能的有限元前后处理软件h y p e r m e s h 建立有限元模型，然后将有限元模型导入到a n s y s 软件中进行结构静动态分析，并作了 相应的电测试验对有限元分析结果进行验证。 在课题的实施过程中，正确建立车架的有限元模型是关键。本课题的主要任务是探讨 车架建模方法，并针对典型工况进行静态分析。本课题的实施不仅能提高本人的设计技 能和独立解决问题的能力，也能为镇江精功汽车有限公司的结构设计人员积累现代设计 方法的经验，提高建立汽车动力学模型的水平，探讨现代结构动态分析方法，将其应用 于产品的性能分析阶段，在减少产品开发的时蝴和成本，提高设计水平方面会做出有意 义的尝试。 s 江苏大学硕士学位论文 1 a 本文的主要研究内容 本文以i j z 3 2 5 0 重型自卸汽车车架为研究对象，运用u g 软件建立了该车架的几何 模型，以h y p e r m e s h 软件和a n s y s 软件作为分析平台，并结合试验对该车架的强度进 行了研究和分析，为该车车架的设计提供参考依据。论文的主要研究内容如下； 1 归纳总结了国内外车架有限元分析的方法。 2 讨论了车架有限元模型的建立方法。 3 在分析z j z 3 2 5 0 重型自卸汽车车架结构特点的基础上，应用h y p e r m e s h 软件建立 车架有限元分析模型； 4 根据重型自卸汽车的承载特点和行驶工况，对该车架在满载弯曲工况和满载扭转 工况的静态应力分析： 5 对该重型自卸汽车车架进行了模态分析，得到了车架的前十阶频率和振型。 6 建立z i z 3 2 s o 重型自卸汽车电测试验试验系统，进行电测试验，获得车架各种工 况下的应力分布，通过对比有限元模型分析结果和试验结果，对有限元模型进行适当的 修改，同时验证有限元模型的正确性。 6 江苏大学硕士学位论文 第2 章重型自卸汽车车架有限元模型的建立 2 1 有限元法的步骤 有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用c a d 软件建立三维实体几何模型，将三 维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后求出各单元 体节点力和位移。 有限元分析的具体步骤是：1 离散化，即划分单元或网格；2 施加载荷，描述约束； 3 计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程；4 求解结构整体刚度矩阵，建立结构 整体平衡方程；5 求解线性代数方程组，得出各节点位移，由节点位移求各单元节点力； 6 显示处理计算结果。 在上述各步骤中，第一、二步可以划入前处理过程，第六步可以称为后处理，其余几 步则是主要的计算过程。因此上述步骤也可以归纳为如下流程 图2 _ l 有限元求解流程图 1 离散化 将原来连续的单元体假想她分割成为一个离散的结构，这一离散化的结构由有限多个 形状简单的构件组成，这些有限大小的构件称为有限单元，简称单元，相邻单元在节点 处连接在一起，因此有限元法的计算模型实际上是一个仅在节点处连接，仅靠节点传力 的有限个单元的集合体。单元的形状和数目可以根据计算精度的要求和使用的计算机的 性能等合理选择。 2 单元分析 7 江苏大学硕士学位论文 单元分析的主要目的是建立单元刚度矩阵陆，“，根据刚度矩阵便可进一步得出单元 节点力和节点位移的关系。单元刚度方程的矩阵形式可表示如下： f 似= 陆，力 田。 其中：俨 ( 一单元节点力矩阵； 陆】【一单元刚度矩阵； 田力一单元节点位移矩阵a 由此可见，单元刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之间的关系。 ( 2 1 ) 3 整体分析 相应的，整体分析的目的就是将单元刚度矩阵组合为整体刚度矩阵，组合整体刚度矩 阵一般使用刚度集成法。首先，把单元刚度矩阵扩大成单元的贡献矩阵，然后，把各单 元的贡献矩阵迭加，即可得到整体刚度矩阵。事实上，在用计算机实现七述过程时，为 节省存储容量，两个步骤是交叉进行的。 代入： 妒 = 刚 毋 式中 f 卜整体载荷列阵，其元素为各节点上的载荷； 【i q 一整体刚度矩阵： 毋一整体节点位移列阵。 4 计算求解 ( 2 2 ) 引入支承条件，便可对上式进行求解，得出各节点位移，再由节点位移求得各节点应 力，从而完成应力分析工作i 咎蛔。 8 江苏大学硕士学位论文 2 2 有限元软件简介 2 2 1h y p e r n e s h 软件介绍 h y p e r m e s h 软件是美国a if t a 球公司研制开一个高效的有限元前后处理器，能够建立 各种复杂模型的有限元和有限差分模型，与多种c a d 和。墟软件有良好的接口，并具有 高效的网格划分功能。其特点如下： 1 强大的几何输入、输出功能 h y p e r m e s h 软件具有强大的几何输入功能，支持多种格式的复杂装配几何模型的读 入，如c a t i a 、u g 、p r o e 、s t e p 、i g e s 、p d g s 、d x f 、s t l 、v d a f s 等格式的输入， 支持u g 动态装配，并可设定几何容差，修复几何模型，支持i g e s 格式输出。其中m o d e l b r o w s e r 功能有效管理复杂几何构件和有限元装配模型。 2 方便灵活的几何清理功能 h y p e r m e s h 软件支持多种自动化和人工化的几何清理功能，各种缝隙缝合，复杂曲面 修补，去除相贯倒角、孔洞等细小特征，薄壳实体中面抽取。 3 良好客户二次开发环境 h y p e r m e s h 提供了多种开发工具，便于用户进行二次开发。 基本的宏命令：用户可以创建宏命令，使若干步建模过程自动完成。 用户化定制工具：用户可以利用t c 加x 在h y p 酬眦s h 中建立用户化定制方案。 配置h y p e n 舾h 的界面；x f f h y p e r m e s h 的菜单系统进行重新布局定义，使界面更易于 使用。 输出模板：通过用户输出模板，可以将h ) ，p e r m e s h 数据库转换成其它求解器和程序可 以阅读的格式输出。 9 江苏大学硕士学位论文 输入数据转化器：可以在h y p c d s h 加入您自己的输入数据翻译器，扩充v _ j - i y p e r m e s h 的接口支持功能，解读不商的分析数据卡 结果数据转化器：可以创建自己特定的结果翻译器，利用所提供的工具，将特定的分 析结果转换成h y p c r l 舾h 的结果格式。 4 与主流求解器无缝集成 支持十余种求解器n a s t r a n , a b a q u s ，l s d y n a 3 d , p a m c r a s h , a n y s y s , r a d i o s s o p t i s t r u c t ，m a r c 等有限元文件的输入和输出。 为各个求解器定制专业界面，如a b a q u s ，l s - d y n a 3 d ，a n y s y s 接触导向定义， 针对汽车碰撞的安全带和气囊等专业模块。可编辑卡片式菜单输入，与求解器无缝集成。 用户还可根据需要开发求解器模板，如m a d y m o 。 5 高质量的网格划分 啪m e s h 软件具有完善的互动式二维和三维单元划分工具。用户在划分过程中能够 对每个面进行网格参数调节，如单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等。h y p e r m e s h 提供了多种三维单元生成方式用于构建高质量的四面体、六面体网格和c f d 网格。m a c r o 菜单和快捷键编辑网格更为迅速灵活，大大提高了工作效率。 h y p e n 江c s h 软件提供了多种形式的网格质量检查菜单，用户可以实时控制单元质量， 另外还提供了多种网格质量修改工具。 6 可视化复合材料单元建模 h y p c r i a 埘i n 如提供了可视化复合材料单元建模图形界面。对于材料的每一铺层的各 项参数进行可视化定义，方便浏览编辑各项参数。 h y p e r m e s h 窗口界面包含五个主要区域，图形区( g r a p h i c sa r e a ) 、宏菜单( m a c r o m e n u ) 、表头栏( h e a d e rb a r ) 、主菜单( m a i nm e n u ) 和永久菜单( p e m a n e n tm e n u ) ，此 江苏大学硕士学位论文 外还可以使用键盘上的功能t 舰1 一f 1 2 ，如图拢所示。 2 2 2a u l 5 y 8 软件介绍 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学多物理场于一体的大型通用有限元分 析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，它提供与多 数c a d 软件的接口，实现数据的共享和交换。同时，也提供给用户基于a n s y s 为平 台进行开发的各种工具。a n s y s 中包括的一个重要的模块就是l s - d y n a 模块，该模块 是一个显式非线性动力分析通用有限元程序，是1 9 7 6 9 美国劳伦斯利维莫尔国家实验室 在j o h a u q u i s t 主持下研制完成的。现在已被许多著名的航空、航天、汽车、造船和军工 等大型企业所应用。在汽车、飞机、火车、轮船等运输工具的碰撞分析、金属塑性成型、 汽车零部件的机械制造、塑料成型、生物力学和地震工程等领域广泛应用。 1 1 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 建模单元特性 在建立整个车架的有限元力学模型时根据车架的结构特点采用壳单元、实体单元、粱 单元和弹簧单元； 2 2 3 1 壳单元 壳是指其厚度t 远小于长、宽尺寸的平板。与梁相似，通过以板的中面代表板作受力 和变形分析。如图玉3 所示，坐标平面o ) ( y 面选在中面上，z 轴垂直予中面，且为右手 坐标系。 图2 - 3s h c u 6 3 单元结构 薄板弯曲变形基于以下一些假设： 1 直接法假设。弯曲前垂直于板中面的法线( 直线) ，弯曲后仍为直线，且仍垂直于 变弯曲的中面，故有，。1o ，1 0 。 2 平行于板中面的各层之间无挤压，即盯：l0 。 3 板的中面弯曲后没有伸长或缩短，即中面为中性面。板的挠度以中面的挠度来表 示，且只是x ，y 的函数，记w ( x ，y ) 。 4 板的材料是线弹性的、均匀的和各向同性的。 江苏大学硕士学位论文 5 讨论的范围局限在小挠度问题。 有限元理论中的板壳是指其中面上的任一点处的两个主曲率半径均大于其厚度值h ， 且中面上的两个尺寸王l 、乞也远大于其厚度h 的结构。与薄板的不同之处在于它的变形除 了弯曲变形之外，还有中面的变形。板壳的受力状态可以分解为平面应力和薄板弯曲两 种受力状态的叠加。因此板壳的有限元分析可以有两个思路，一个是直接按壳单元去求 单元刚度矩阵。另一个方法是利用薄板代替板壳，这时壳单元所受的内力可以分解为膜 力与横向力之和。因此，壳单元的局部刚度矩阵为平面应力单元的局部单元刚度矩阵与 梁单元刚度矩阵的组合，这样平板薄板壳单元的刚度由两部分组成：平面刚度和弯曲刚 度。计算单元刚度矩阵时，先分别考虑膜力和横向力的影响然后叠加，所以只适合于小 变形的线弹性薄壳。 在有限元软件中一般把板单元和板壳单元合称为板壳单元，具有弯曲和薄膜特征。在 每个节点有6 个自由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动和沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转动，故共有2 4 个自由度。s h e m 6 3 可以在4 个节点上定义不同厚度，此外可输入一 个弹性基本硬度，各项异性特征，且具有平板弯曲和薄膜的描述功能，能承受面内和法 向载荷，并且考虑了应力钢化和大偏转位移。在单元的面内，其节点厚度为输入的四个 厚度，单元厚度假定为均匀变化。如果单元厚度不变，只需要输入t k ( i ) 即可；如果 厚度是变化的，则四个节点的厚度均需要输入。 2 2 3 2 实体单元 实体单元是一种最能表达实际零件信息的单元。因为实体单元不但可以表达零件的质 量、惯性、材料等特性，而且实体单元可以从空间的角度来真实地逼近实体几何形状， 尤其是基于几何的有限元模型，几乎能反映全部的几何变化。其缺点是对计算机硬件要 求较高。 江苏大学硕士学位论文 实体单元种类很多，这里介绍s o h d 7 3 。s o l i d 7 3 可用于实体结构的3 d 建模。单元有 8 个结点，每个结点有6 个自由度，即治x 、y 、z 的平动自由度和沿x 、y 、z 轴的转动自 由度。s o l i d 7 3 的几何描述、节点位置、坐标系等参见图2 _ 4 。该单元由8 个结点组成， 有各向异性或者正交各向异性材料特性。通过节点m ，n o ，和p 或k ，l 可以生成四面 体单元，同理也可以生成楔形和锥形体。 图2 _ 4s o l i d 7 3 单元结构 a 曲潮 铆翱磅 觋一 椭l 嘲l 蛳。吩 2 2 3 3 空问梁单元 空间梁单元有两个节点，每个节点6 个自由度，节点位移和节点受力如图2 5 所示。 空间梁单元可以看成是珂平面梁单元、x z 平面纯弯曲梁单元和绕x 轴纯扭转的位移模式 组合而成。 斑 ，l 置 图2 _ 5 空间梁单元位移示意图 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 4 弹簧单元 弹簧单元有多种表现形式，有节点至地基的平移或旋转弹簧单元、节点到节点的平移 或旋转弹簧单元、非传导性弹簧单元等。本文只用节点到节点的平移弹簧单元。节点到 节点的平移弹簧单元有两个节点，每个节点6 个自由度。节点到节点的平移弹簧单元具 有刚度特性，能在一个平移自由度方向加载力和位移，没有其它物质属性。 2 3 建立车架有限元模型 2 3 1 模型的简化 在c a d ( u g ) 中建立车架的三维实体模型，由于该车架的结构复杂，主要零部件有左、 右纵梁，第一、二、三、四、五横梁，发动机后悬置横梁和附件，对一些附属结构和工 艺结构根据具体情况进行了以下简化： 1 略去功能件和非承载构件。有些构件仅为满足工艺或使用上的要求而设置，并非根 据强度的要求而设置。这些构件对车架结构的内力分布和变形影响都较小，因此在建模 时可以忽略，如工艺孔，缓冲座等。 2 对部分部件进行简化。该车架主要是用槽形钢和钢板铆接和螺栓连接而成，在建立 结合模型时只保证零件之间的相对准确位置和连接孔的对应；根据副车架和主车架的连 接方式，将其简化为主车架左右边梁上的均布载荷，不再单独建模。 3 由于车架多处是多层钢板叠加铆接或螺栓连接而成，在建立有限元模型时将铆钉或 螺栓简化成实体单元，通过增加接触层之间的连接点数量来模拟钢板之间的接触行为， 如图2 - 6 所示，从而保证载荷的传递，调整连接实体单元的数量使计算结果稳定在某个值 即可。 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 单元的选择 下层壳单元连接实体单元 图2 - 6 车架双层单元的连接处理模式 兀 车架结构有限元模型的建立，在早期多采用梁单元进行结构离散。车架的梁单元有限 元模型可以得到比较好的车架变形结果，但是梁单元应力分析的能力却是有限的，这主要 表现在：建模误差大，对形状复杂的横梁、纵梁模拟能力差，因此要精确计算局部区域 应力梁单元是作不到的；此外，梁单元对车架横、纵梁接头的处理也是不完善的。而壳 单元建立的车架有限元模型基本上克服了梁单元在建模和应力分析时的局限，它不需要 对纵横梁接头处的节点作特殊的处理，只需输入车架的几何形状和材料特征，再加上适 当的载荷约束，即可模拟一定的实际工况，并且使有限元分析精度大为提高。 车架纵梁和横梁采用壳单元s h e l l 6 3 ，吊耳，平衡悬架等实体零件选用实体单元，钢 板弹簧则使用梁单元和弹簧单元模拟。 2 3 3 网格的划分 2 3 3 1 网格划分的基本原则 网格划分的基本原则包括网格的数量、疏密、阶次、质量、布局等。 i 网格数量。网格数量影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量 增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以确定网格数量时应权衡这 江苏大学硕士擘位论文 两个因数综合考虑。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格，精度提高甚微， 而计算时闯却大幅度增加。所以增加网格时要注意经济性。实际应用时可比较两种网格 划分的计算结果，如果两次计算结果相差很大，就继续增加网格；反之则停止增加网格。 另外，在进行结构静力分析时，若仅计算结构的变形，网格的数量可少一些；若计算应 力，则在精度要求相同的情况下，网格数量应多一些。 2 网格疏密。网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算 数据的分布特点。计算数据变化梯度较大的部位，需要采用比较密集的网格。 3 单元阶次。选用高阶单元可提高计算精度，所以当结构形状不规则、应力分布或变 形很复杂时可以选用高阶单元。 4 网格质量。网格质量是指网格几何形状的合理性。划分网格时，在重点研究的结构 关键部位，应保证划分高质量的网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部 误差。而在结构次要部位，网格质量可以适当降低。 5 网格布局。当结构形状对称时，其网格也应划分成对称网格，以使模型表现出相应 的对称性。 2 ，3 3 2 月格划分方法 在u g 中将模型转化为i g e s 格式文件，导入前处理软件h y p e r m e s h 中进行结构离散化。 经过上述分析和简化最终模型包含2 0 6 5 1 6 个节点，2 2 0 3 8 7 个单元。从h y p e r m e s h 中 以c d b 或i n p 格式文件导入到有限元软件a n s y s 中，得到整个车架的有限元模型，如图 2 - 7 所示。 1 7 江苏大学硕士学位论文 图2 - 7 车架有限元模型 1 8 江苏大学硕士学位论文 第3 章重型自卸汽车车架有限元静态强度分析 3 1z j z 3 2 5 0 重型自卸汽车主要零部件的重量及y 坐标 表p 1z j z 3 2 5 0 重型自卸汽车主要零部件的重量及y 坐标 序号名称重量g y 坐标( 咖m 1 前保险杠总成 1 9 6 1 4 0 0 2 转向机带支架 3 9 2 1 咖 3 水箱总成及水 5 8 8 - 7 4 直拉杆 7 0 舢 5 驾驶室 6 6 6 4 姗 6 人 1 9 1 1 5 0 7 前悬架及车桥和轮胎 9 6 0 4 0 8发动机、离合器及变速箱 1 删 4 7 7 9 空滤器及支架总成 1 4 7 4 0 0 1 0 电瓶及支架总成 9 8 0 1 4 3 3 1 1制动系统 1 9 6 1 5 0 0 1 2油箱及油 2 4 0 1 1 4 9 0 1 3贮气筒及支架 3 9 2 2 0 7 5 1 4 消音器及管子 毯r 7 2 1 2 5 1 5传动轴 4 4 1 3 1 0 0 1 6其他 1 4 7 0 3 0 0 0 1 7车架 6 8 6 0 2 0 0 0 1 8 中、后桥及轮胎及后悬架 3 4 3 秘 1 9车厢 4 9 0 0 0 3 7 8 5 2 0 货物( 标定值l 1 2 2 5 0 0 3 7 8 5 2 1 备胎及支架 1 3 7 2 2 3 0 5 2 2后尾灯 6 3 7 9 0 0 2 3 后保险杠 1 4 7 7 9 2 5 江苏大学硕士学位论文 由上表可以得到该车底盘重量为7 6 7 1 4 n ，整车整备重量为1 2 5 7 1 0 n ，总重为2 5 0 1 2 1 n 。 3 2 计算工况确定 “载货汽车定型试验规程”规定：样车必须以一定车速在各种道路上行驶一定里程。 行驶时会出现匀速直线行驶( 车架弯曲) 、前后轮悬空( 车架扭转) 等典型工况。为能够 全面地反映车架在实际使用工况下应力分布情况，本文制定以下工况条件。 3 2 1 弯曲工况 弯曲工况计算主要是对货车满载状态下，四轮着地时的结构强度进行校核，主要模拟 货! e 在良好路面下匀速直线行驶时的应力分布情况。 载荷处理：在计算中，将发动机、变速箱、离合器、电池、油箱等以静力等效的原则 按其在底盘上的实际位置以集中载荷的形式施加于相应的车架的单元节点上。驾驶室( 包 括人的重量) 按安装形式分配到车架纵梁相应节点上，货物、车厢及副车架的重量以均 布载荷形式分布到车架左右纵梁上。 约束处理：根据悬架的结构和车体的连接方式，忽略悬架的约束作用，采用简单的两 点支承方式，显然是不符合实际情况。这样会使计算结果和实际结果有较大的出入，对 于约束点附近的构件的应力影响更大。所以在此采用弹簧单元加梁单元来模拟钢板弹簧。 由于车轮轮胎的刚度要比悬架的刚度大得多，故在约束处理中忽略轮胎的变形。 前后悬架的约束处理如下： 1 前悬架： 如图3 - 1 所示，在每个吊耳处引出一个支撑点，建立垂直方向的弹簧单元，弹簧下面 节点用刚性梁进行连接来模拟钢板弹簧的支撑作用；约束左右边c 节点的z 向自由度， 并耦合前端吊耳处的弹簧单元的上下a 、b 节点在y 方向的平移自由度，和车架实际变形 2 0 江苏大学硕士学位论文 情况相一致。( 注：x 轴为车架横向方向，y 轴为车架纵向方向，z 向为垂直方向。) c 图p l 前悬架简化模型 2 后悬架： 该车架后面采用平衡悬架，在建模时建立如图3 2 所示的简化模型。钢板弹簧通过平 衡悬架与车架相连，简化时用刚性梁上节点e 与平衡悬架连接，弹簧单元采用类似的方 法用刚性粱连接起来，在一端弹簧上节点处建立x 、y 向的弹簧单元，来模拟钢板弹簧的 侧向和纵向刚度，另一边采用相同的结构，对应点记为d 、e 、f 、g 。在位移约 束时，限制g 、g 、f 、f 节点的所有自由度，d 节点的x 、y 、z 向平移自由度，d 节点 的y 、z 向平移自由度。 3 2 2 扭转工况 图3 2 后悬架简化模型 扭转工况计算主要考虑将左前轮垫高2 0 0 n t n 和将左前轮及右中、后轮同时垫高2 0 0 m 时施加在车架上的扭矩的作用。此时车架处于满载状态，计算中加在前悬架c 点处和后 悬架d 点处实际位移要考虑到悬架和轮胎的实际变形，其它与弯曲工况相同。 江苏大学硕士学位论文 3 3 各工况的分析结果 3 3 1 弯曲工况分析 主要部件的应力分布图如下： a h x * 。静3 t 3 蓐2 i 4 聪t $ $ l 0 9 ( a ) ( b ) 图3 - 3 车架总威应力分布图 江苏大学硕士学位论文 a k x - 0 3 t 3 2 s - 0 9 t ；口 鱼找_ 7 2 t o 口 嬲= 2 6 3 6 5 4 s $ 程- 。，握e b b 图3 - 4 主桀应力分布图 图3 - 5 副梁应力分布图 江苏大学硕士学位论文 勰瞄- 尊3 1 3 毫2 s 嘲* 1 0 日t # 5 毫l 取i t 0 霉蓉0 9 s ，嘲；龆 3 ，巍4 s 掘+ o b 图3 - 6 第二、三横梁应力分布图 图3 - 7 第四横粱加强板应力分布图 江苏大学硕士学位论文 5 搬t 1 2 毒2 9 0 舞谯鼻2 8 u + 0 8 图3 - 8 第四横梁应力分布图 弯曲工况结果分析： 由计算结果可知，第二横梁受力最大，为1 8 8 m p a 左右。主粱最大应力位于与第二横 梁连接处，为7 2 4 m p a 。副梁最大应力也位于与第二横梁连接处，为7 7 9 m p a 。第四横 梁及其加强板应力最大值分别为4