（车辆工程专业论文）轻型载货汽车车架有限元分析与优化.pdf

摘要 车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、 货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。车架工作状态比较复 杂，无法用简单的数学方法对其进行准确的分析计算，而采用有限元方法可以对 车架的静动态特性进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学 设计阶段。 本文运用有限元方法对某货车车架进行强度、刚度分析，并根据分析结果， 进行优化设计，提出了改进意见。 首先，本文采用四节点壳单元和少部分的三角形单元对车架进行离散建立有 限元模型。在忠实于结构主要力学特性的前提下，对车架结构进行必要的简化。 建立有限元模型时考虑了若干问题，比如：结构简化的处理，单元的选取，单元 数量的控制，单元质量的检查，网格的布局，还有连接方式的模拟。同时，文中 也研究了影响有限元分析结果的各种因数，如单元大小、单元厚度、部件连接的 模拟方法等。对车架有限元模型进行了刚度强度分析、模态分析，找出了车架结 构中需要改进的部位，并对车架进行了静、动态性能评价。 文中阐述了优化设计的基本概念、基本方法以及建立优化模型的基本原则。 建立了车架结构在扭转工况下的壳单元优化模型，以最大位移和最大应力为约束 条件，以车架的总质量最小为优化目标对车架进行优化设计，分析了优化结果， 并提出了改进方案。 关键词：车架有限元分析h y p e r m e s h 优化设计 a b s t r a c t t h ef l a m e ，a sam o s ti m p o r t a n tp a r to fc a r r i e rc a r , s u p p o r t ss o m ea c c e s s o r i e s s u c ha se n g i n e ，d r i v el i n e ，r u n n i n gg e a r , b o d 弘a n dw i t h s t a n d sa l lk i n d so ff o r c e i n a d d i t i o n ，t h ew o r kc o n d i t i o no fc a r r i e rc a l i se x t r e m e l yb a d ，a n ds t r e s sc o n d i t i o ni s a l s oc o m p l e x ，i ti su n a b l et ou s es i m p l em a t h e m a t i c a lm e t h o df o ra c c u r a t ea n a l y s i so f t h ec a l c u l a t i o n , a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a l lb eu s e dt oa n a l y s et h es t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ef l a m em o r ea c c u r a t e l y , s ot h a tt h ed e s i g no ff r a m ew i l l g of r o mt h ee x p e r i e n c ed e s i g ni n t ot h es c i e n t i f i cd e s i g ns t a g e i nt h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oa n a l y s et h es t r e s sl e v e la n d d i s t r i b u t i o no nt h ef r a m ei nt y p i c a lc o n d i t i o n s 。u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h ea n a l y z e d r e s u l t s ，t h ed e s i g no ft h ef r a m ei so p t i m i z e da n dt h es u g g e s t i o n sf o rd e s i g n i m p r o v e m e n ta r ep r e s e n t e d i no r d e rt oa n a l y s et h ef r a m es t r u c t u r ea c c u r a t e l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li ss e t u pw i t l ls h e l le l e m e n t ，m a i n l yu s i n gq u a d 4e l e m e n t sa n das m a l lp o r t i o no ft h e c t r i a 3e l e m e n t s i nf a i t h f u lo ft h es t r u c t u r e sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i ti s n e c e s s a r yt os i m p l i f yt h eg e o m e t r y t h ec o n s i d e r a b l ei s s u e so ft h ee s t a b l i s h m e n to f f i n i t ee l e m e n tm o d e li sa n a l y s e d ，s u c ha st h ep r o c e s s i n go fs i m p l i f y i n gt h es t r u c t u r e ， t h es e l e c t i o no ft h ee l e m e n t ，c o n t r o l i n gt h eq u a l i t yo ft h ee l e m e n ta n dl i n k i n gp a r t s s i m u l a t i o n , a l s ot h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h er e s u l ti sa n a l y s e d ，s u c ha se l e m e n t s i z e ，c o m p o n e n t sc o n n e c t e ds i m u l a t i o nm e t h o d s t h ef r a m es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hi s a n a l y s e d ，t h ew e a ks t r u c t u r eo ft h ef r a m ei si d e n t i f i d t h eo p t i m i z a t i o na n dt h e s u g g e s t i o n sf o rd e s i g ni m p r o v e m e n ta r ep r e s e n t e d a tl a s tt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ee l e m e n t a r yc o n c e p t , m e t h o da n dp r i n c i p l eo f o p t i m i z a t i o n t h eo p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do ns h e l le l e m e n t si nt h e t o r s i o nc o n d i t i o n w i t ht h eo b j e c t i o nt h a tm i n i m i z i n gt h em a s so ft h ef r a m ea n d a n a l y z e dt h er e s u l t so f o p t i m i z a t i o n w ec a na d j u s tt h ed e s i g nv a r i a b l e s ，s t a t ev a r i a b l e s a n do b j e c t i v ef u n c t i o n st om e e tt h e a c t u a ln e e d s t h eo p t i m i z a t i o ns u g g e s t i o n sa r e p r e s e n t e d k e yw o r d s ：v e h i c l ef r a m ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh y p e r m e s ho p t i m i z a t i o n i j 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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了谢意。 签名：擗日期：姒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理丁大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、 货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩1 1 。工作状态比较复杂， 无法用简单的数学方法对其各部分的应力状态进行准确的分析计算，而采用有限 元方法可以对车架的静动态特性进行较为准确的分析，使车架设计从经验设计进 入到科学设计阶段。 1 2 课题研究的意义和目的 对于载货汽车来说，增大车辆承载能力，实现结构轻量化，提高车辆的使用 寿命，是载货车辆设计的首要任务。车架作为整个车辆的核心总成，其结构性能 对车辆的整体性能有着很大的影响。车架是一种复杂的超静定结构。车架不仅要 承担安装在其上面的部件和运载货物的载荷，而且还要承受行驶时路面不平带来 的随机激励，以及动力传动系扭转振动的影响，这给车架的结构分析带来很大的 困难。 早在五六十年代，车架刚强度设计是经验设计方法，即利用材料力学、结构 力学和弹性力学的经验公式对简化的车架结构进行分析设计【2 】。这种根据组合梁 的刚强度理论来实现的方法简单易行但是对结构做了大量的简化。因此不可避免 的会造成车架各部分强度不合理的现象，达不到优化设计的目的。 随着现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必 然的趋势，主要体现在： ( 1 ) 运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设 计、分析和制造的效能和车架的性能。 ( 2 ) 车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传 统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况，有限元法能够很好 的解决这一问题。 ( 3 ) 利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设 计上避免车架出现共振的现象。 武汉理工大学硕+ 学位论文 ( 4 ) 通过对车架结构的优化设计，可以进一步降低车架的重量，在保证车架 性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。 综上所述，有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更 新速度快，设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越高的今天，对于提高汽车产 品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争能力具 有重要意义。 1 3 国内外有限元分析的历史与现状 在国外，从6 0 年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的 计算。1 9 7 0 年美国宇航局将n a s t r a n 有限元分析程序引入汽车结构分析中， 对车架结构进行了静强度有限元分析，减轻了车架的自重，是最早进行车架轻量 化的分析。当前，国外各大汽车公司利用有限元软件进行车架结构静态分析、模 态分析的技术已非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分 析等领域【3 】。特别是随机激励响应分析备受青睐，主要是因为它可用来进行车辆 的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析： 国外将有限元法引入到车架强度计算比较早，而我国大约是在七十年代末才 把有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。在有限元法对汽车车架结构的分 析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由 于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好的描述结构较为复杂的车架结构，不 能很好的反映车架横梁与纵梁接头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面 的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的。而板壳单元克服了梁单元在 车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段。近十 年来，由于计算机软件与硬件的飞速发展，板壳单元逐渐被应用到汽车车架结构 分析中，使分析精度大为提高，由过去的定性或半定量的分析过度到定量阶段【4 1 。 随着计算机软、硬件技术的发展，特别是微机性能的大幅提高及普及，在微机上 进行有限元分析已不再是很困难的事，同时有限元分析的应用得以向广度和深度 发展。 综合分析这些文献可知，当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究 只是限于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，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 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题研究的内容 结合某汽车公司生产实际的要求，再参考以往的研究成果以及国内外发展的 现状，确定主要研究内容如下： ( 1 ) 研究应用弹性力学、有限元、静态分析、模态分析理论以及所用软件基础。 ( 2 ) 以某货车车架为研究对象进行c a d 建模，利用h y p e r m e s h 软件建立车架 有限元模型。 ( 3 ) 分析研究建立有限元模型要考虑的问题，比如结构的简化，单元的选取， 单元数量的控制，单元质量的检查，网格的布局以及连接方式的模拟。 ( 4 ) 研究影响有限元分析结果的因数，如单元厚度、单元大小、加强筋以及部 件连接的模拟方法。 ( 5 ) 对车架有限元模型进行刚度强度分析、模态分析；找出车架结构中需要改 进的部位，并依据分析结果提出改进方案。 ( 6 ) 对研究的车架进行静动态性能评价。建立优化分析模型进行优化设计提出 科学的改进方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有限元分析理论及软件基础 一般来说，结构分析方法可分为两大类：经典分析方法和数值分析方法。 经典分析方法有精确解法和近似解法。通过给定边界条件下直接采用控制微 分方程来求解工程问题，其方程是基于物理原理而建立的。近似解法是对控制微 分方程求得近似解，采用适当截断误差的级数展开式表达。经典分析方法虽然可 以解决某些问题，但在求解工程技术领域的实际问题时，由于其几何形状，材料 特性和外部载荷域的不规则性，求得解析解却是很困难的。 数值分析方法有能量法、边界元法、有限元法。目前在工程实际应用中，有 限元法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种非常重要的数值计算方法。是解决工程 实际问题的一种有力的数值计算工具”。 本章介绍了弹性力学的基本方程和有限元法的基本思想及分析过程。同时介 绍了数值方法实际应用所需要的建模和分析软件。 2 1 有限元理论基础 2 1 1 弹性力学基本方程 弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6 个应力分量 痧 图2 1 应力分量及其正方 吒，q ，吒，来表示，其中吒，哆，吒为正应力，r e ，乞为剪应力。应 4 武汉理丁人学硕七学位论文 力分量及其正方向如图2 1 。 应力分量的矩阵表示形式是： 盯 = 吒，q ，吒，乞 7 2 一l 称为应力列阵或应力向量。 弹性体在载荷作用下，还将产生位移和变形，即弹性体位置的移动和形状的 改变。弹性体内任一点的位移可由沿直角坐标轴3 个分量“，v ，w 来表示。其矩阵 形式是 h 弘卜胪 pw r 2 2 称作位移阵列或位移向量。 弹性体内任意一点的应变，可由6 个应变分量t ，6 ，乞，岛，坛来表示。 其中q ，句，乞正应变；岛，坛为剪应变。 应变的矩阵形式是 h = 疋 s y 乞 y 口 如 0 x ，6 y ，s z ，y p ，7 ，y a r1 r 对于三维空间问题，弹性力学基本方程可写成如下形式： ( 1 ) 平衡方程 弹性体矿域内任一点沿坐标轴方向x ，y ，z 的平衡方程为 2 3 2 4 吒q 巳 = = = 一六 一 一正 + + + 眈如瑟缸一瑟 蔓砂堡砂笠砂 虹i、卜毽眈i 武汉理工大学硕+ 学位论文 其中正，工，六为单元体积的体积力在方向的分量。 平衡方程的矩阵形式是 【爿m + _ = o 2 5 其中a 为微分算子 a = aoo 旦。旦 砂 出 。旦。旦旦。 砂 墩出 oo 旦。旦旦 厂是体积力向量。 ( 2 ) 几何方程应变一位移关系 在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高次幂，则应变向量和位 移向量间的几何关系有 a “加b w1 2 瓦，勺5 瓦，乞2 瓦l积卯彩l o u 却加赢o uo w 2 “ 岛2 瓦+ 瓦2 ，2 瓦+ 石2 岛，肠2 西+ 石2 l 几何方程的矩阵形式是 = m 2 - 7 其中l 为微分算子 弘1 = o o a _ 岔 o a _ 一 砂 a 缸 ( 3 ) 物理方程应力一应变关系 弹性力学中应力一应变之间的转换关系也称弹性关系。对于各向同性的线弹 性材料，应力通过应变的表达式可用矩阵形式表示： 盯 = d 】h 2 8 6 o a一钞o a一缸a一昆 o a一反o o a一钞o a 一瑟 武汉理工大学硕士学位论文 其中 【d 】= 揣 1 l 1 一 f _ 1 1 一 l o 1 一卢 生0 1 一 lj l 1 0 1 一1 一硅 ooo o o o ooo ! 二丝0 2 ( 1 - p ) 。币1 - 丽2 1 t 称为弹性矩阵。它完全取决于弹性体材料的弹性模量e 和泊松比表征弹性 体的弹性，也可用拉梅常数g 和a ： 拈南 2 曲 ， e u 2 ( 1 + p ) ( 1 - 2 z ) 2 1 0 g 也称为剪切弹性模量。它们有如下关系式。 2 1 2 平面应力问题 a + 2 g = i ! f f e 五( t 1 丽- p ) 2 一1 1 在工程实际中，任何一种结构都是空间物体，一般的外力都是空间力系。所 以，严格地说，任何一种工程结构都不可能是平面物体。但是，如果所研究的结 构具有某种特殊的形状，并且承受的是某些特殊的外力，就可以把空间问题简化 为近似的平面问题。这样处理，分析和计算的工作量将大为减少，而所得的结果 去仍然可以满足工程上对精度的要求。 平面应力问题所考虑的物体是一很薄的等厚度的薄板，即该物体在一个方向 上的几何尺寸远远小于其余两个方向上的几何尺寸；并且只在板边上承受平行于 扳面而不沿板厚度变化的面力，两板面上无外力作用。同时，体力也平行于板面 并且不沿厚度变化1 1 “。本文对车架进行研究，其板厚远小于其平面方向的尺寸， 其受力方式可以认为是薄板弯曲问题。如图2 2 为平面应力受力情况： 生力 2一一 o o 旦扯o o 武汉理工大学硕士学位论文 y y t h 0xz 图2 2 为平面应力受力情况 弹性力学中，对薄板弯曲情况做出如下假设： ( 1 ) 薄板的法线没有伸缩。 ( 2 ) 薄板的法线，薄板弯扭以后，保持为薄板弹性曲面的法线。 ( 3 ) 薄板中面内的各点，没有平行于中面的位移。 ( 4 ) 挤压应力引起的形变可以不计。 薄板受到载荷时，可将每一个载荷分解为两分载荷，一个作用在薄板中面之 内，另一个垂直于中面。这样可得到两组载荷：一组载荷作用在中面之内，可以 认为是沿薄板厚度均匀分布的，即平面问题。另一组载荷垂直于中面，可按薄板 弯曲问题求出主要应力分量，将两组应力分量迭加，可得到组合应力分量。 以薄板的中面为x y 平面，垂直于中面的轴为z 轴。在平面应力问题中只有 平行于x y 平面的三个应力分量吒，盯，= f 。，这三个分量沿厚度h 不变，它 们只是x 和y 的函数，与坐标z 无关。其余分量为零。平面应力的虎克定律表 示为： t = 丢( 吒一巳) 6 = 吉( 哆一吒) l 岛2 石 2 一1 2 薄板弯曲变形后，中面由平面变成曲面，称为弹性曲面。中面内各点在垂直 于中面的方向的位移w 称为挠度。当w 远小于厚度h 时，可以认为中面无线应变 也无角应变，此时称为薄板弯曲的小挠度问题。薄板弯曲小挠度问题的应力与变 形问的关系可表示为： 武汉理工大学硕士学位论文 e z q 2 f 了 e z 吼2 1 - - 1 2 2 2 建模软件 e z a 2 w 勺2 而抑丽 2 1 3 随着计算机技术的不断发展，为有限元等数值计算方法在工程实际中的应用 提供了条件。涌现出一批优秀的c a d c a e 专业软件，本文中采用的软件分别是 p r o e n g i n e e r ，h y p e r m e s h ，o p t i s t r u c t ，h y p e r v i e w 。下面介绍一下这几种软件的 基本情况。 2 2 1p r o e n g i n e e r 软件简介 p r o e n g i n e e r 软件自1 9 8 8 年推出以来，广泛应用于工业设计、机械设计、 模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。该软件 由于强大的功能，很快被广大用户所接受，目前该软件已经成为应用最广泛的， c a d c a e c j m 软件之一。 。 p r o ，e n g 烈e e r 软件的功能非常强大，它可以完成从产品设计到制造的全过 程，为工业产品设计提供了完整的解决方案。该软件主要包括三维实体建模、装 配模拟、加工仿真、n c 自动编程、有限元分析等常用功能模块，还包括模具设 计、钣金设计、电路布线、装配管路设计等专用模块。 p r o e n g i n e e r 也是最先进的c a d ，c 胱p d 讧软件的代表。由它所提供的 基于特征、全参数化、全相关、单一数据库及数据再利用等概念改变了传统 m d a ( 机械设计自动化m e c h a n i c a ld e s i g n a u t o m a t i o n ) 观念。这种全新的观念己成 为当今世界机械设计自动化领域的新标准，并指明了机械c a d c a e c a m 软件 的发展趋势。利用此概念开发的p r o e n g i n e e r 软件实行了并行工程，能够让 多用户同时进行同一产品的设计、制造。这大大缩短了产品开发的周期，降低了 产品设计、生产、产品测试等环节的生产成本。 p r o e n g i n e e r 软件的主要技术特点如下： 1 基于特征的参数化造型 9 挑一矿挑一酽 挑一酽挑一矿 武汉理工大学硕。l ：学位论文 将一些具有代表性的几何形体定义为特征，并将其所有尺寸作为可变参数， 例如倒圆角特征、倒直角特征等，并以此为基础进行更为复杂的几何形体构造。 产品的生成过程其实就是多个特征的叠加过程。 2 全相关特性 p r o e n g n 惦e r 软件的所有模块都是全相关的，使用同一个数据库。因此在 产品开发过程中在任何一个模块中进行的修改，都会扩展到整个设计过程，系统 会自动更新所有的相关文档，这大大缩短了修改的时间。 3 全尺寸约束 将特征的形状与尺寸结合起来，通过尺寸约束实现对几何形状的控制，造型 必须以完整的尺寸参数为出发点，不能欠约束，也不能过约束。 4 尺寸驱动设计修改 通过修改尺寸参数可以很容易地进行多次设计迭代，实现产品开发。 2 2 2h y p e r w o r k s 系列软件介绍 h y p e r w o r k s 是世界领先、功能强大的c a e 应用软件包之一，是美国a l t a i r 公司的产品，可应用于造型、可视化、模拟、自动化和制造等领域。 图2 3h y p e r m e s h 的用户界面 a l t a i rh y p e r w o r k s 系列产品众多，有h y p e r m e s h 、h y p e r v i e w 、h y p e r g r a p h 、 1 0 武汉理工大学硕t 学位论文 h y p e r v i e wp l a y e r 、m o t i o n v i e w 、o p t i s t r u c t 、h y p e r s t u d y 、h y p e r f o r m 等。其中， h y p e r m e s h 是a l t a i r 公司现在的旗舰产品 e l 。 1 h y p e r m e s h 是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c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格 划分功能。h y p e r m e s h 是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软 件，工程设计人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分 析。h y p e r m e s h 的图形用户界面易于学习，可以直接使用c a d 几何数据和现存 的有限元模型，从而减少附加的冗余数据。其先进的后处理工具可以很方便地显 示复杂的模拟结果，并使之易于理解。h y p e r m e s h 的速度、灵活性和用户化功能 无与伦比。如图2 3 所示h y p e r m e s h 的用户界面。 n 1h y p e r m e s h 的几何接口 h y p e r m e s h 通过输入输出功能，可以阅读各种业内主要的c a d 软件的数据 格式，以生成有限元模型。在h y p e r m e s h 中有一系列的工具，可用来对输入的 几何实体进行清理或修补。所输入的几何模型中含有面的信息，以及含有缝隙、 重叠和不对齐现象，这就会妨碍网格自动划分器生成高品质的网格。通过消除不 对齐处及小孔，通过对相邻面间的边界进行抑制，可以在模型更大、更广的区域 划分网格，从而提高整体网格划分的速度和质量。 a l t a i r 公司在世界范围内与先导的c a d c a m 软件供应商建立了紧密而重要 的合作关系，保证用户在同步的工程环境下从一个或多个c a d 系统中获取c a d 信息。h y p e r m e s h 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 - n x ，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，如 图2 4 ，支持u g 动态装配，并可设定几何容差，修复几何模型，同时支持i g e s 格式输出。模型浏览功能有效管理复杂几何和有限元装配模型。方便灵活的几何 清理功能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、孔洞等功能，以及薄壳实体中面抽取功能。 c a t i a p d g s u gn x | l g e sv d a f sp r o e l d x fh m a s a is t e p l s 丁lu g1 8 图2 4h y p e r m e s h 支持的c a d 系统和文件 ( 2 ) h y p e r m e s h 的求解器接e l h y p e r m e s h 支持多种求解器输入输出格式，与主流求解器无缝集成。现在可 支持l s d y n a 、a b a q u s 、o p t i s t r u c t 、r a d i o sb l o c k 、a n s y s 、 p a m c r a s h 、n a s t r a n 、m a r c 、m a d y m o 、c m o l d 、m o l d f l o w 等主 武汉理工大学硕士学位论文 流求解器，如图2 5 。除此之外，还具有很强的灵活性，可通过一整套输出模 板语言和c 语言库来开发输入数据转换器，从而可以支持其他求解器。 图2 5h y p e r m e s h 支持的求解器 h y p e r m e s h 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 s y s 接触向导定义可针对汽车碰撞的安全带和气囊等专业模块。用户还可根据需要开 发求解器模板。 ( 3 ) h y p e r m e s h 的网格划分 h y p e r m e s h 为用户提供了一套完善而又易于使用的工具程序。用户可以使用 各种网格生成工具及h y p e r m e s h 网格自动划分模块来创建二维和三维有限元模 型。 h y p e r m e s h 中具有几何型面的网格自动划分模块，为用户提供了一套可靠的 网格划分工具，并使用户能够对每个面( 或每个面的边缘) 进行网格参数调节，而 且可以调节单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等。 h y p e r m e s h 能够用一阶和二阶四面体单元对一段封闭区域自动划分出高品 质的单元，还提供了多种三维单元生成方式来构建高质量的四面体、六面体网格 和c f d ( 计算流体动力学) 网格。用户可以根据结构情况和c f d 模型的实际需要 来控制单元的划分、选择边界浮动的或固定边界的三角形单元重新对局部区域划 分网格。h y p e r m e s h 提供多种形式的网格质量检查菜单，使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。 h y p e r m e s h 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的操作，同时各类焊接单元质 量检查工具可以让用户少犯错误。 h y p e r m e s h 支持由网格直接生成几何进行二次有限元建模。其中的m o r p h 功能支持高质量的快速修改有限元模型，并且可以施加多种约束( 如对称) ，设定 变形轨迹( 如沿设定平面、半径、壹线调整形状等) 。 ( 4 ) h y p e r m e s h 的后处理 h y p e r m e s h 提供了一整套后处理功能，能够使用户方便精确地理解和分析复 杂的模拟结果。 h y p e r m e s h 还提供了一整套可视化工具，使用等势面、变形结果、等高线、 瞬时结果、向量绘制以及用切割面轮廓线等方式对结果进行显示。 武汉理丁大学硕士学位论文 h y p e r m e s h 还能将变形通过线性和模态方式动态显示。通过这些功能及友好 的用户界面，可以使用户能够迅速找出问题区域，缩短结果评估所花费的时间。 ( 5 ) h y p e r m e s h 的用户化设置 h y p e r m e s h 提供了多种开发工具，使用户能够将之很好地运用到现有的工程 设计工艺中，便于进行二次开发。 ( a ) 基本的宏命令：用户可以创建宏命令，使若干建模过程自动完成。 ( b ) 用户化定制工具：用户可以利用t c l t k 在h y p e r m e s h 中建立用户化定 制方案。 ( c ) 配置h y p e r m e s h 的界面：对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。 ( d ) 输出模板：通过用户输出模板，可以将h y p e r m e s h 数据库以其他求解器 和程序可以阅读的格式输出。 ( e ) 输入数据转化器：可以在h y p e r m e s h 中加入用户自己的输入数据翻译器， 扩充h y p e r m e s h 的接口支持功能，以解读不同的分析数据卡。 ( f ) 结果数据转化器：用户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化成h y p e r m e s h 的结果格式。 2 o p t i s t r u c t 是专门为产品的概念设计和精细设计开发的结构分析和优化工 具，是当今最成熟的也是应用最广泛的优化类软件，国外的汽车部件或整车大都 使用该软件进行优化。o p t i s t r u c t 是一以有限元方法为基础的最优化工具，凭借 拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化，可产生精确的设计概念和布局。其 优秀的优化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。工程师可以使用其中的标准单元库和各种边界 条件进行线性静态、自然频率、惯性释放和频率响应分析。o p t i s t r u c t 与h y p e r m e s h 之间有无缝的接口，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。 o p t i s t r u c t 拥有强大、高效的概念优化和细化优化能力，优化方法多种多样， 可以应用在设计的各个阶段，其优化过程可以对静力、模态、屈率分析进行优化。 有效的优化计算法允许在大模型中存在上百个设计变量和响应，其特点如下： a 包含多种设计变量及合并设计变量。 b 强大的优化算法。 c 多工况下合并优化。 d 多目标优化分析。 e 可设置l 临界约束，加快优化计算效率。 重启动功能，优化分析可以从一个完整的周期开始而且继续下去。 武汉理t 大学硕士学位论文 g 采用可调整的收敛精度。 h 稀疏矩阵求解器，速度快、所需磁盘空间小。 i 优化后模型可输出给c a d 软件进行二次设计。 j 模念跟踪。 k 多种制造加工定义。 l 自动报告生成功能。 m a s s h a c m p h a n c e s i r 删nf u n 商o n v o l u m e d l s p l e c e m e n tw c o m p v o l u m e 打a c f r e q u e n c y c s t r 瓢i 1 w l r e q c o gb u c k j m g c ( o i i u r ec o m b 图2 6o p t i s t r u c t 拥有多种响应类型 o p t i s t r u c t 拥有多种响应类型，他们包括位移、速度、加速度、应力、应变、 特征值、屈率载荷因子、结构柔度等、也可以是个响应量的混合，如图2 6 。 设计变量可以去任何单元的密度、节点坐标、厚度、形状尺寸、面积、二次惯性 矩等。除此之外，用户还可以根据自己的设计要求和优化目标，在软件中方便地 编写公式进行优化设计。 3 h y p e r s t u d y 是h y p c r w o r k s 软件包中的一个新产品。它主要用于c a e 环 境下试验设计、优化和随机分析研究。h y p e r s t u d y 的前身是h y p e r w o r k s 系列产 品中的s t u d y w i z a r d 。h y p e r s t u d y 具有导向式结构，易于学习，适用于研究不同 变化条件下设计变量的特性，包括非线性特性，还能应用在合并不同类型分析的 跨学科领域中，且模型易于参数化除了传统意义上定义输入数据为设计变 量，有限元的形状也能够被参数化。h y p e r s t u d y 具有良好的集成性，可以从 h y p e r m e s h 、h y p e r f o r m 和m o t i o n v i e w 软件中直接启动，同时获取设计参量等。 4 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 3 本章小结 本章详细介绍了弹性力学的基础理论，为有限元分析阐明了理论基础。并具 体介绍了本文所运用的建模和分析软件的特性，为以后的章节进一步的阐述打下 了良好的基础。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 车架综述 第3 章车架有限元建模 车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机和车身等总成连成一个有机的整 体，即将各总成组成一辆完整的汽车。同时，还承受汽车各总成的质量和有效载 荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，以及各种静载荷和动载荷。 3 1 1 车架的要求 ( 1 ) 有足够的强度。保证在各种复杂受力的情况下车架不受破坏。 够的疲劳强度，保证汽车大修里程内，不至于有严重的疲劳损伤。 ( 2 ) 有足够的弯曲刚度。保证汽车在各种复杂受力的使用条件下， 架上的各总成不至因为变形而早期损坏或失去正常的工作能力。 要求有足 固定在车 ( 3 ) 有适当的扭转刚度。当汽车行驶于不平路面时，为了保证汽车对路面的 不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求具有合适的扭转刚度。通 常要求车架两端的扭转刚度大些，而中间部分的扭转刚度适当小些。 ( 4 ) 尽量减轻质量。由于车架较重，对于钢板的消耗量相当大。因此，车架 应该按照等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料消耗量。在保证 强度的条件下，尽量减轻车架的质量。 3 1 2 车架的类型 车架是按照结构的不同来分类的，主要结构型式有框式、脊梁式和综合式。 其中框式又可分为边梁式、周边式和x 型【1 0 1 。 ( 1 ) 边梁式车架 这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干横梁组成。这种结构便于安装驾 驶室、车厢和其他总成，广泛用在载货汽车、特种汽车和大客车上。 ( 2 ) 周边式车架 这种车架是从边梁式车架派生出来的，前后两端纵梁变窄，中部纵梁加宽， 前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮距，中部宽度取决于车身门 栏梁的内壁宽，前部和中部以及后部和中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具 武汉理t 大学硕士学位论文 有一定的弹性，能缓和不平路面的冲击。这种车架结构复杂。 ( 3 ) x 型车架 这种车架由两根纵梁及x 型横梁组成，实际上是边梁式车架的改进，有一 定的抗扭刚度，x 横梁能将转距转变为弯距，对短而宽的车架，这种效果最明显。 ( 4 ) 脊梁式车架 这种车架主要由一根位于中央且贯穿汽车全长的较粗纵梁和若干根悬伸托 架组成。中央纵梁可以是圆管状，也可以是箱形断面。这种车架的扭转刚度合适， 容许车轮跳动的空间大，适合采用独立悬架，但制造工艺复杂。 ( 5 ) 综合式车架 这种车架的前后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机和驱动桥，中 部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过。是边梁式和脊梁式的综合，中部的抗扭 刚度合适，但中部地板凸包较大，制造工艺复杂【1 3 】。 3 1 3 车架的制造工艺及材料 车架纵横梁的其他零件的制造，多采用钢板的冷冲压工艺在大型压力机上冲 孔及成型，。也有采用槽钢、工字钢、管料等型材制造的。轿车车架的组装多采用 二氧化碳保护焊、塞焊和点焊，设计时应注意对焊接规范、焊缝布置及焊接顺序 的选择；货车车架的组装多采用冷铆工艺，必要时也可采用特制的防松螺栓连接。 为保证车架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和夹紧，特别应保证有关总成 在车架上的定位尺寸及支承点的相对位置的精度。 车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好 的冷冲压性能和焊接性能。低碳和中碳低合金钢能满足这些要求。车架材料与所 选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需采用冲压性能好 的低碳钢或低碳合金钢0 8 ，0 9 m n l ，0 9 m n r e l 等钢板制造；拉伸尺寸不大、形状 又不复杂的冲压件常采用强度稍高的2 0 、2 5 、1 6 m n 、0 9 s i v l 、1 0 t i l 等钢板制 造。强度更高的钢板在冷冲压时易开裂且冲压回弹较大，故不宜采用。有的重型 货车、自卸车、越野车为了提高车架强度，减小质量而采用中碳合金钢热压成形， 再经热处理，例如采用3 0 t i 钢板的纵梁经正火后抗拉强度即由4 5 0 m p a ( h b l 5 6 ) 提高到4 8 0 6 2 0 m p a ( h b l 7 0 ) 。用3 0 t i 钢板制造纵横梁也可采用冷冲压工艺。 钢板经冷冲成形后，其疲劳强度要降低，静强度高、延伸率小的材料的降低 幅度更大。常用的车架材料在成形后的疲劳强度约为1 4 0 1 6 0 m p a 。 轿车车架纵横梁的钢板厚度约为3 o 4 0 m m ；货车根据其装载质量的不同， 轻、中型货车冲压纵梁的钢板厚度为5 0 7 0 n l n l ，重型货车冲压纵梁的钢板厚 度为7 0 9 0n l n l 。槽型断面纵梁上、下翼缘的宽度尺寸约为其腹板高度尺寸的 1 6 武汉理工大学硕j ：学位论文 3 5 4 0 。 3 1 4 某轻型货车车架的结构简况及设计参数 该载货汽车车架，是由两根冲压成型的槽形纵梁和横梁通过铆接而成的梯形 结构。前后等宽，宽度为7 5 0 m m 。设计原则是在满足足够强度和合理刚度的情 况下，尽量简化结构，降低成本。如图3 一l 为该车架布置图。 图3 一l 车架布置图 纵梁采用了抗弯强度较大，同时也有利于管线布置的槽形断面纵梁。从简化 工艺，满