（车辆工程专业论文）重型卡车车架连接方式的静态特性分析.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 汽车车架是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位 置的，并且它还承载着车内外的各种载荷。深入了解车架的承载特性是车架结构设计， 改进的基础，也是保证整车性能的关键。将有限元技术应用于车架的结构分析，提出改 进意见，使结构能够满足强度和刚度要求，已经成为车架设计的重要组成部分。随着计 算机及其技术的发展，各种大型有限元软件，如a n s y s 、n a s t r a n 、p a r t r a n 等纷纷推 出，有限元技术广泛被应用于车架结构的静、动特性分析领域。实践证明，利用有限 元法对车架结构进行分析是有效的，可进行静动态分析，并对结构的承载特性进行评价， 充分认识其强度，了解车架可能会有的应力和变形情况。有限元法在汽车领域的应用已 经显示出其优点，与传统的设计方法不同，它不需要先制造样车，是一种高效低耗的分 析方法，可用于汽车的设计，制造和改进过程中的结构强度的分析。 本文通过卡车车架的有限元分析，较为详细地介绍了国内外有限元分析的发展历史 和现况。有限元分析的基本原理和步骤，对车架在各种工况下的强度，刚度做了细致的 分析，并提出较为合理的改进方案。计算结果表明，文中建立的有限元模型是合理的， 分析是正确的，所得结果可直接用于卡车设计的改进和性能评价。 关键词：车架：有限元；分析；a n s y s 姚杰：卡车车架结构静态特性分析 1 1 1 es t a t i ca n a l y s i so fm ec a rf r a i l l e a b s t r a c t a s l eb a s eo fac a r ，af h m e ，o nw h i c hm o s to ft l l ec o m p o n e n t sa n d 硒s e m b l ya r e p o s i t i o n e d ，s u p p o r t sa u 廿1 el o a d so ft 1 1 ea u t o m o b i l e r e s e a r c ho n l el o a d i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ec a r 舶m en o to n l yi st l l e 掣o u n d 、v o r ko f t h ed e s i g na i l do 埘m 训o no f af 锄e ，b u ta l s oi s o f g r e a ti m p o n a n c ef o rt h ew h o l ep e d b 瑚a n c eo fac a r a p p l y i n gm ef i n i t ee l e m e mt e c h n i q u e t oa i l a l y z et l l es t r l l c t u r e ，p u tf o r v 枷b e n e ro p i n i o n st os a t i s 匆t h e er e q u e s t si ns t i 肺e s s a n ds 仃c n g m ，b e c o m em em a i np a ni n 劬啊ed e s i g n m g a 1 0 n g “mn l et e c l l l l i 硎d e v e l o p m e n t i nc o m p u t e r ，l a r g es o f h a r es u c ha sa n s y s ，n a s t r a n ，p a r t r a l 町a i l ds 0o na r e d e v e l o p e dn o w ，t ：i ef e m c a i lb e 印p l i e di nt l l es t a t i c & d ”锄i ca n a l y s i s ，a l s ot h em o d e a 1 1 a l y s i so fs 仕u c t i l r e i th a sb e e np r o v e dt h a tu s i n gf e mi n 锄a l y s i si se 街c i e n t ，t 1 1 es 诅t i c & d y n a f i l i ca i l a l y s i sc a i lb ep r o c e e d e d ，t h eb e a f i n gc a p a b i l i t ya i l dv i b 州o nc i m c t e r i s t i cc a i lb e e v a l u a t c d ，t l l es t i f f h e s s ，s n n g mc a nb er e c o g n j z e d w ec a na l s o 】( 1 1 0 wt h ep o s s i b l es 仃e s sa n d d i s t o r t i o no ft h ef 锄e t h ef e mh a ss h o w ni t sa d v a n t a 2 e si nt h ea p p l i c a t i o ni na u t o i n d u s t r i e s u m i l ( et h e 缸a d i t i o n a jd e s i g nm e 廿l o di nw 1 1 i c hd e p e n d so nm a r m f a c t u f i n 2r e a l v e l l i c l e ，t h cf e mi sak i n do fv e r yh i 曲e 硒c i e ma i l dc o s t e 仃e c t i v em e a l l s i th a sb e e nc a r r i e d o ns m l c t i l r es t r e n g ma 1 1 a l y s i si n 廿l ec o u r s eo f d e s i g n i n g ，m a i l u f a c t u r i n ga l l di m p m v i n g t l r o u g t it h cf i n i t ee l e m e n ta i l a l y s i so nt h e 劬m eo f b j l 2 4 l ，t 1 1 ed e v e l o p i n gh i s t o r ya n d p r e s e mc o n d i t i o no ff e m ，i t sb a s i ct 1 1 e o r y 柚dc a l c u l a t i o ns t e p sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i n m i s 曲l c s i s a i s o ，血n c t i o n so fs o r w a r eu s e di nt h i sr e s e a r c hw e r ed e m o n s 仃a t e d a r e r d e l i c a _ t e l yc a l c u l a t i o na n dc o n s i d e 阳t i o no nt 1 1 es t r e n g t ha n ds t i f 如e s so ft l l i s 矗锄e ，p m p e r i m p r o v e m e n td e s i g no ni t ss t n j c m r ew a sp u tf o n v a r d t h ec a i c u l a t i n gr e s u l t sp r o v et h 砒t l l e f i n i t ee l e m e n tm o d e le s 诅b l i s h e di n 廿地t e x ti sm t i o n a l ，t h ea i l a l v s i si sc o r r e c t a n dt h er e s u l t s c o l l l dd i r e c n yh e l pt oe v a l u a t ea 1 1 di m p r o v et h ed e s i 舯o ft l l ec a r k e yw o r d s ：f m m e ；m i t ee l e m e n t ；s t m c t u r ea n a l y s i s ；a n s y s 独创性说明 v 8 6 9 3 8 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 撩瀛魏得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 霭蠢鬻中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 默学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 躯态日期：芝丝丛蔓多 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版。允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 枣赣入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：滥盘 导师签名：孑膨 碰年月兰日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 从1 8 8 6 年德国人卡尔奔驰和戈特利布戴姆勒用四冲程汽油机制成汽车以来，汽 车已有一百多年的历史。一百多年来，汽车的发展给人类生活带来了巨大而深刻的变化。 汽车生产量高，性能卓越，用途广泛。它已渗透到人类生活的各个领域，成为世界各国 人民和经济生活中不可缺少的运输工具，成为二十一世纪改造世界的机器和现在文明的 标志【“。 现全球拥有汽车约5 亿辆，其中l 亿辆为商用汽车，4 亿辆为私人轿车。目前，世 界汽车的年生产能力近6 0 0 0 万辆，实际年生产量约5 0 0 0 万辆。汽车工业己成为美国， 日本等发达国家国民经济的支柱产业，成为机器工业的核心产业，汽车工业的技术状况， 在某种程度上代表了一个国家的工业发展水平。一辆汽车约有l _ 7 万个零部件，这些零 部件涉及机械、冶金、化工、轻纺、橡胶、石油、电子、土木工程等行业。汽车工业的 发展促进了这些产业的发展。此外，汽车工业还促进了销售、金融、保险、维修、运输、 加油等第三产业的发展【2 1 。 世界汽车工业是在竞争中得到发展的，这种竞争归根到底就是技术的竞争。目前， 计算机技术在汽车设计，试验和生产制造中被广泛的应用。现在普遍应用计算机进行汽 车的总布置方案设计，确定整车性能并进行动态模拟试验。 我国的汽车工业基础薄弱，由于设计、制造工业等诸多方面原因产品质量仍然落后 于世界发达国家。作为一个复杂而庞大的工业体系，我国汽车工业的发展是一个系统工 程。必须从基础入手，在引进国外先进技术同时，发展自己的汽车理论，设计方法与制 造技术，提高技术水平，缩短与国外汽车工业的差距。 1 。2 车架有限元建模与分析的发展 早期，车架的结构分析采用试验方法，设计和试验交叉进行是串行组织的。在车架 设计过程中，在定型之前往往经过多轮设计，通过样品制造一试验修改一再设计的往 复，周期长，人力，物力消耗大；设计面对的对象是实物。后来，随着经验的积累，人 们开始逐渐将计算技术应用于汽车车架的结构分析及设计。 初期的车架分析计算是通过将车架简化成两根纵梁，进行弯曲强度校核的。这种计 算方法至今还在沿用，但它显然满足不了汽车车架的设计要求。后来提出的车架扭转强 度计算方法认为车架抗弯曲刚度比抗扭转刚度大很多，进而假设车架在扭转时整个结 构都不发生弯曲。这种方法避免了求解车架高次超静定方程的困难。但只能计算纯扭转 姚杰：卡车车架结构静态特性分析 工况，不能考虑车架的实际工况，计算和试验结果的对比分析表明，这种认为车架工作 时只扭转不弯曲的理论是有失偏颇的。并且，这种计算方法比较复杂，计算量大，在当 时的实际运用中也存在着很大的困难。 随着计算机技术的高速发展，汽车车架的结构设计逐渐由传统的经验设计方法， 转向了现代设计方法。例如模态试验方法，有限元方法等。其中有限元方法已经成为建 立有限元模型并模拟车架的主要分析途径，且慢慢走向成熟。 1 2 1 国外现状 7 0 年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元方法，并能够较好的模拟， 分析车架动态特性。有限元方法以其离散、逼近的灵活算法，广泛地应用于结构强度分 析，也给车架的结构分析计算带来了广阔的前景。 通过有限元法计算车架静力学和动力学问题，不需要对车架进行严格的简化，即可 以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且原理简单，设计人员和工程人 员很容易掌握，计算精度相对以前的研究来说大大提高。 随着有限元模拟方法的不断发展和完善，欧、美、日、韩等国家的汽车生产周期不 断缩短，一种新型车从概念到批量生产由6 年、5 年、4 年发展到2 年甚至更短时间， 而且产品的性能越来越好。随着计算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限元软件 系统。主要产品有，计算机辅助造型( c a s ) 、计算机辅助设计( c a o ) 、计算机辅助工 程分析( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 以及计算机虚 拟现实系统( v r ) 等大批大型工程通用软件。如n a s t r a n 、a n s y s 、i d e a s 等。使得 车架结构静动态分析成为可能。国外己能够用有限元法对结构、材料和形状参数等进行 灵敏度分析，并取得了大量的成果。 1 2 2 国内现状 国内起步较晚，在8 0 年代才开始这方面的研究，但经过众多学者的研究和探索， 已积累了大量的经验。长春汽车研究所的谷安涛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 各自的端点联接起来，用以代替真实的车架结构。然后用位移法，根据节点的平衡和连 续条件，用虚位移原理建立位移法基本方程，求解得到位移解，最后根据位移求出各个 单元内力和应力。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逐 渐多起来，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，随着大量引进的有限元软件的使用，车架的有限元法不仅由杆系理论 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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。 目前，采用有限元法对车架的结构分析正在逐渐成为车架设计的主要手段。今后，可以 预计运用有限元法对汽车结构进行仿真计算将会成为汽车设计的主流。 大量的经验证明，在车架建模时可以忽略各种细节结构。虽然理论上要求物理模型 和有限元模型在最大限度上通过以保证精度，但不可避免的增加了模型的规模。降低了 效率，给分析工作带来困难。因此，必须进行结构上的简化。例如工艺孔、园角等的忽 略可以在保证精度的前提下更方便的解决问题。 1 3 课题的目的和意义 汽车工业属于高技术产业，要设计出性能优越，安全可靠的汽车，不利用计算机辅助 设计分析是根本无法实现的。我国汽车工业采用c a d 技术，从无到有，已经有近3 0 年 的历史了。尽管大多数的厂家采用定的c a d 技术应用于车架设计，如常见的a u t o c a d 等辅助设计软件，但是这些软件一般并不具有结构分析的功能。 另外，我国的汽车工业还有自己的特殊性：一是引进国外设计，国产化生产；二是 仿制或改装设计，自己独立开发设计的新产品很少。而国内许多厂家在卡车的设计，制 造和改装过程中仍主要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而造成产品存在 缺陷或结构设计的不合理，主要表现在两个方面：一是局部材料强度余量较大，无法及 早判断，造成材料的浪费；二是在车辆实际使用过程中往往出现强度、寿命、振动、 噪声等方面的问题。这些都给我国卡车产品质量的提高带来困难，也造成使用中的安全 隐患。由于一系列客观条件的限制，我国卡车制造厂家对有问题又往往采用局部加强的 方法，这不但需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性，而且会导致车重的不断 增加；另外，对一些结构上的改进和优化，由于缺少一定的理论依据，往往得不到很好 的实施。 在汽车结构设计中采用有限元法进行分析，是近几十年发展起来的新的计算方法和 技术。有限元的独特优点是能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题。早期 由于有限元法所要求解的问题计算规模都比较大，而计算机的速度和容量有限，所以造 成有限元法在使用上的局限性。现在这些都不再是主要矛盾，只要注意所建有限元模型 中各种支承，连接关系尽量与实际结构相符。汽车结构的静、动态分析的主要目的是查 明车架的应力分布和变形状况。 随着有限元技术的成熟和高速计算机的出现，各种通用程序、专用程序的求解功能 都很齐全，前后处理也很方便，汽车结构中绝大部分部件甚至整车的有限元静、动态分 析和固有特性分析等都可应用这些通用程序或专用程序来分析计算。 姚杰：卡车车架结构静态特性分析 现在，利用有限元法进行汽车结构的静、动态特性分析已经成为一种趋势。在西方 发达国家的汽车企业中，有限元分析已经成为其产品设计链中必需的常规。基于我国卡 车工业的总体水平仍然落后的现实，在卡车的设计、制造和改进过程中，引入有限元分 析是必要而有意义的，有大量的工作需要去做。 车架作为汽车的承载基体，支承着发动机、离合器、交速器、转向器、货厢等所有 簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。为此，车架应有足够的弯曲强度， 以使装在其上有关机构之间的相对位置在汽车行使过程中保持不变并使车身的变形最 小：车架也应有足够的刚度，以保证其有足够的可靠性和寿命，纵梁等主要零件在使用 期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘座舒适性， 操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和 悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。 车架作为汽车的基础部件，受力状况、结构较复杂，无法用简单的数学方法对其各 部分的应力状况进行分析计算，而采用有限元分析即可对车架的静强度、振动模态进行 较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计到科学设计阶段。 随着汽车工业的飞速发展，对于汽车性能的要求也越来越高，而车架设计的优劣将 直接影响汽车的行驶和安全性能。因此，通过有限元分析的方法研究车架的结构性能， 从而在设计时考虑车架的优化，在提高行驶平顺性和振动舒适性，保障车辆安全性等方 面具有十分重要的意义。 本课题以某厂生产的1 2 4 1 型卡车为研究对象，建立有限元模型，进行静态分析。 在课题实施过程中，正确建立有限元模型是基础和关键。本课题的主要任务是建立有限 元模型，探讨车架横梁和纵梁联结方式及主、副车架连接方式 本课题就是有限元分析方法在汽车车架改进设计方面的具体应用。本课题的实施发 展了笔者的设计技术以及独立解决问题的能力，积累了车架设计的经验 本文研究的卡车车架的有限元分析方法，对卡车行业车架结构的设计与优化具有一 定的参考和借鉴价值，对相关人员的研究提供了解决问题的思路。可以预见，在卡车的 结构设计与分析评估中，全面深入的利用有限元法已成为今后研究的重要环节和发展趋 势。 1 4a n s y s 软件简介 有限元程序作为有限元研究的一个重要组成部分，是随着电子计算机的飞速发展而 迅速发展起来的。国际上早在2 0 世纪5 0 年代末，6 0 年代初就投入大量的人力和物力开 发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局在1 9 6 5 年委 大连理工大学专业学位硕士学位论文 托美国计算机科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。该系统发 展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时 起到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活，价格较低的 专用或通用有限元分析软件，主要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国 的a b q u s 、a d i n a 、a n s y s 、b o s o r 、c o s m 0 s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等公司的产品。 美国的j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建的a n s y s 公司开发的a n s y s 软件是融结构、 热、流体、电磁、声场和耦合场分析于一体的c a e 通用有限元分析软件。应用领域十分 广泛。该软件开发初期是为了应用电力工业，现在已广泛应用于机械、航空航天、土木 工程、电子、交通运输、教学科研等众多领域，能够满足各行业有限元分析的需要，a n s y s 是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台【9 l 。该软件可在大多数计算 机及操作系统中运行。a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。3 0 多年 来，a n s y s 公司一直致力于分析设计软件的开发，不断吸取世界最新的计算方法和计算 技术，领导着有限元界的发展趋势。目前的最新版本为a n s y s9 o ，新版本的功能更加 强大，使用更加便利。 1 4 1 州s y s 的组成及主要技术特点 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，主要包括三个部分：前处 理模块、分析计算模块和后处理模块【9 j 。 ( 1 ) 前处理模块：提供了强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 限元模型。软件还提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 ( 2 ) 分析计算模块：可进行包括结构分析( 线性分析，非线性分析，高度非线性分 析) 在内的多种分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能 力。 ( 3 ) 后处理模块：包括通用后处理模块和时间历程后处理模块。通用后处理模块可 以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示，这些结果包括位移、应力和应变。 将计算结果从结果文件中读入到数据库后，就可以通过图形显示或数据表来观察和查询 模型在某一特定时刻( 或某一载荷步，频率) 计算结果，从丽对模型结果进行分析。 计算结果以图形方式显示是一种十分有效的表示方法，更为直观形象。从图形上， 用户可以非常迅速地了解到所观察的结果数据在整个模型上的分布变化，如梯度线图和 结构变形图就可以显示计算结果的变化情况和结构在载荷作用下的变形情况。 列表显示可以详细给出所要分析数据项的具体数值，是计算结果的准确表达方式。 所有节点解数据、单元解数据、反作用力数据、单元表数据及其它数据均可列表显示。 姚杰：卡车车架结构静态特性分析 时间历程后处理模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，可以了解模型中 特定点计算结果随时问( 载荷步) 变化情况，如节点位移、应力或支反力。将节点自 由度解、单元解、反作用力解、间隙力数据和求解数据定义成变量，还可以得到时问历 程曲线或数据列表1 3 】。 a n s y s 的基本功能( 与汽车结构分析相关的) 包括结构静力学、结构动力学分析和 结构非线性分析： ( 1 ) 结构静力学分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静态分析适合求解 阻尼对结构影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而 且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、大应变、大变形及接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析：结构动力学用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影 响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。 a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬间动力学分析、模态分析、谐波响应分析 及随机振动响应分析。 ( 3 )结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变 化。a n s y s 程序可求解静态和瞬间非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非 线性材料三种。 a n s y s 的主要特点是紧跟计算机软、硬件发展的最新水平，功能丰富，用户界面友 好，前后处理和图形功能完备，并且使用高效的有限元系统。它拥有丰富的、完善的单 元库、材料模型库和求解器，能够解决很多实际问题。归纳其技术特点，主要表现在以 下几个方面p j ： ( 1 ) 数据统一：a n s y s 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前、 后处理，分析求解及多场分析的数据统一。 ( 2 ) 强大的建模能力：a n s y s 具备三维建模能力，依靠a n s y s 的图形用户界面就 可以建立各种复杂的几何模型。 ( 3 ) 强大的加载求解能力：在a n s y s 中，包括位移、力、温度在内的任何载荷都 可以直接加载在任意几何实体或者有限元实体上，载荷可以是具体数值，也可以是与时 间或者坐标有关的任意函数。同时提供了数种求解器，用户可以根据要求选择合适的求 解器。 ( 4 ) 智能网格划分：a n s y s 具有智能网格划分功能，可根据模型的特点自动生成 有限元网格。 ( 5 ) 良好的优化功能：利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案； 利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外形优化，寻求对材料的最佳利用。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 6 ) 强大的后处理能力：利用a n s y s 可以获得任意节点，单元的数据。这些数据 具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式。此外，时问历程分析功能还 可以对载荷叠加进行分析计算。 ( 7 ) 提供与其他程序的接口：a n s y s 提供了与多种c a d 软件( 如p r o e n g i n e e r 、 u n i g r a p h i c s 、i d e a s 、a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 等) 和有限元分析软件的数据接口，可以 实现数据共享和交换。 ( 8 ) 良好的用户开发环境：a n s y s 开放式的结构使用户可以利用a p d l 、u i d l 和u p f s 对其进行二次开发，特别是a n s y s 系统含有的参数化设计语言( a p d l ) ，具有参数、数 学函数、宏( 子过程) 、判断分支及循环等高级语言要素，是一个理想的程序流程控制 语言，很适合进行有限元计算和高级的优化分析。 我国的汽车行业无明确的载荷规范，汽车零部件的工况、工作载荷大小、类型不是 很明确，给汽车零部件的有限元分析增加了困难，但是a n s y s 为汽车业提供的解决方案 允许将分析对象扩大至总成、系统，直至整车，从而绕过了零部件内部复杂的受力关系 这一难题。在a n s y s 中，一个分析模型可以进行多项分析，如疲劳寿命计算、振动噪声 分析、车辆碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多种结构非线性分析。同时可以进行 整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性分析1 4 】。 1 4 2 用a n s y s 进行有限元分析的过程 结构分析是有限元方法最常用的一个应用领域，绝大多数a n s y s 单元类型都可用于 结构分析。有限元的分析过程非常程序化，整个分析过程均可由计算机实现，它的一般 过程是【5j ： ( 1 ) 明确分析对象和分析目的：有限元分析必须明确分析过程的对象和分析目 的，必须抓住主要矛盾，已达到计算分析目的。一个分析对象有多个分析目的时，可以 分成几个计算进行； ( 2 ) 确定模型化方案：在建立模型之前，需要依靠分析对象和分析目的，确定建 模方案，并对实际问题做出合理的简化，选择合适的单元类型，确定单元大小和数量， 建立几何和计算模型。还要对计算费用( c p u 时间) 和计算结果的精度进行平衡考虑： ( 3 ) 确定载荷及边界条件：载荷及边界条件的确定是计算模型的一个重要部分， 而且是技术上比较难的工作，可能影响计算结果的成败。必须把握的原则是计算模型的 力和边界条件要符合分析对象的工作条件，当不可能明确时建议使用实验、计算相互结 合的方法加以确定； ( 4 ) a n s y s 中建模、加载、计算求解；选择合理的求解方法进行求解； ( 5 ) 结果处理和分析并撰写分析报告。 姚杰：卡车车架结构静态特性分析 进行结构有限元分析时应注意的问题f 6 】： ( 1 ) 材料特性的处理：典型的材料特性包括弹性模量、密度和泊松比等。在分析 过程中应注意材料特性即单元特性及其本构关系； ( 2 ) 载荷特性的处理：针对不同的结构特性，对其载荷和结构特点进行分析，找 到主要的影响因素，才能得到正确地分析结果； ( 3 ) 边界条件的处理：根据不同的结构，引入特定的约束和载荷条件，分析求解。 a n s y s 的典型分析过程由前处理、求解计算和后处理三个组成。 ( 1 ) 前处理： 首先需要定义工作文件名并设置分析模块，然后进行必要的定义，包括定义单元类 型和选项，定义实常数和材料属性( 弹性模量、泊松比) 等；接着就可以建立分析几何 模型，定义横截面类型和单元坐标系，对模型进行网格划分，形成有限元单元、节点， 得到有限元分析模型，然后施加载荷及约束。 ( 2 ) 求解计算： a n s y s 的求解就是解方程。通过各类求解器，求解由有限元方法建立的联立方程组， 其结果是得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。用户可以选择求解类型进行求解 选项设定。 ( 4 ) 后处理： 后处理指的是检查a n s y s 的计算分析结果，从某种意义上讲，可能是整个分析过程 中的最重要的一个环节。通过后处理，可以读入原有的数据文件和恢复其它数据项。可 以通过后处理，以多种方式显示分析结果，这有助于用户查看所加载荷在所建模上产生 的影响。 a n s y s 向用户提供了两种后处理工具查看计算结果，通过后处理器p o s t l 和时间历 程后处理器p o s t 2 6 。 前者用来查看模型在某个特定时刻( 或某一载荷步，频率) 的结果，如轮廓线显示、 变形形状，以及分析结果的列表。p o s t l 还提供了其它的功能，如误差估计、载荷工况 组合、结果数据的计算和路径操作。 后者则是用来查看模型的指定点的特定结果相对于时间、频率或其它结果项的变 化。其功能包括简单的图形显示和列表，微分和响应频谱生成的复杂操作。但其最典型 的用途是在瞬态分析中以图形表示产生的结果项和时间的关系或在非线性分析中以图 形表示作用力与变形的关系【7 】。 大连理工人学专业学位硕士学位论文 2 有限元分析的基本理论与方法 2 1 有限元技术的发展 有限元法起源于上世纪四十年代初期。在1 9 4 3 年，当时的数学家r 库朗 ( r c o u r a n t ) 已从数学上明确提出过有限元的思想，他第一次尝试应用定义在三角形 区域上的分片连续函数的最小位能原理求解s t v e n a n t 扭转问题。然而，此方法发展很 慢，直到1 9 5 6 年t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t o p p 等人在他们的经典论文中第一次给 出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。他们利用弹性理论的方程求出了三 角形单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的 研究工作探讨了早期有限元法的理论，促成了有限元法的诞生，随当时出现的数字计算 机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。 由于当时的条件有限，计算机刚出现，有限元法的基本思想一离散化的概念没有引 起重视。后来，许多数学家、物理学家由于各种原因都涉及过有限元的概念。但由于即 使一个小规模的工程问题，用有限元分析都会产生较大的工作量，所以直到1 9 6 0 年后， 随着计算机技术的发展，有限元这门特别依赖数值技术的学科才真正进入了飞速发展的 阶段。先是英国的航空学教授j h 阿吉里斯( j h a r g y r i s ) 和他的同志运用网格思想 成功地进行了结构分析，他们的研究工作从复杂结构的分析中发展出了有限元的雏形。 美国的r w 克拉夫( r w c 1 0 u 曲) 教授在1 9 6 0 年首次使用“有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) ”这个概念l “。 6 0 年代中、后期，国外的数学家开始介入对有限元法的研究，促使有限元法有了坚 实的数学基础，他们对有限元法的发展做出了重要贡献。1 9 6 5 年，英国的o c 辛凯维 奇( o c z i e n k i e w jc z ) 和同事y k c e u n g 宣布，有限元法适用于所有能按编分形式进 行计算的场问题，使有限元法获得了一个更为广泛地解释，有限元法的应用范围也不断 拓展，不断地走向更成熟的新阶段。 有限元技术所涉及的内容有：有限元法在数学和力学领域所依据的理论；单元的划 分原则，形状函数的选取及协调性：有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差，收 敛性和稳定性；计算机程序设计技术等。目前，作为利用计算机进行数值模拟分析的方 法，有限元法自上世纪5 0 年代出现，经过2 0 多年的发展到7 0 、8 0 年代在理论上已 比较成熟，作为工程结构静、动力强度分析的有效工具，有限元法在工程技术领域中的 应用越来越广泛，有限元的计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据， 成为最强有力的数值分析方法之一。 姚杰：卡车车架结构静态特性分析 2 2 有限元技术简介 2 2 1 有限元法概述 有限元法是2 0 世纪6 0 年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题一种新的数值 求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的理论基础和解 题方法。有限元法就是把一个连续体人为的分割成有限个单元，即把一个结构看成由若 干通过结点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表 原来的结构。这种先化整为零，再积零为整的方法就叫有限元法( “。其一般做法是，对 所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体的无限自由度离散为有限自 由度，然后基于变分原理或用其它方法将其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有 理论完整性，形式单纯、规范，精度和收敛性能得到保证等优点，而且可根据问题的性 质构造适用的单元，从而具有比其它数值解法更广的适用范围。随着计算机技术的发展， 它已成为涉及力学的科学研究和工程技术不可或缺的工具。 对于工程技术人员来说，在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界 条件相对容易，但是由于其几何形状、材料特性和外部载荷的不规则性，要求得解析解 是很困难的。有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域( 单元) 构 成，其模型给出基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元( 子域) 可以被分割成各种 形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件。 由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，再加上它有成熟的大 型软件系统支持，所以发展非常迅速。最初有限元法被用来研究飞机结构中的应力问题， 目前，其解题范围已经包括了各个领域( 固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度 场、声场) 的数理方程；已经成为解数理方程的一种非常受欢迎的，应用极广的数值技 算方法【9 l 。 2 2 2 有限元法的基本思想 有限元法的基本思想是将一个实际的结构( 弹性连续体) 划分为有限大小的，有限 个数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传 递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。有限个 的单元称为有限单元，简称单元。 利用离散而成的有限元集合代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，对模型 进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分 原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方 程 j 。】： o 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ku = q( 2 1 ) 式中： k结构的整体刚度矩阵 l i节点位移列阵 q节点载荷列阵元 离散后单元节点的位置、性质和数目应根据问题的性质，描述变形形态的需要和计 算精度而定( 一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形 但计算量也越大) 。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样 材料的由众多单元以一定方式结成的离散物体。这样做的结果造成用有限元分析计算所 获得的结果只能是近似的。如果划分单元数目足够多而合理，则所获得的结果就与实际 情况相符创“】。 分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变、应力模式，并确定单 元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的联结方式，将 各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。通过 求解刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力 及其应变。可见，有限元分析的主要内容是：单元离散化、单元分析、整体分析。 有限元法与传统的力学方法有很大差别，正是这种差别，使得它能够把许多难以求 解的问题变得容易处理【1 2 l ： ( 1 ) 由于可任选单元体的形状和尺寸，故可以“组拼”出形状复杂的机械零件。 在作应力分析时，无需对零件的几何形状作过多的简化，从而提高了解题精度，扩大了 可解的范围： ( 2 ) 对于应力集中区可以减少单元体尺寸来细加考察； ( 3 ) 对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点来计算； ( 4 ) 易于解决有初应力，热应力的问题； ( 5 ) 易于处理材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解； ( 6 ) 可以解决材料的非线性和结构的非线性问题； ( 7 ) 采用大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动 和稳定性。 由于计算机的求解方程组的能力非常强大，构造模型又非常准确，因而有限元方法 在计算机上使用极为普遍。有限元方法计算精度高、速度快，可缩短设计试制周期和降 低成本。目前，优秀的绘图系统软件都配有有限元分析程序窗口。当图形绘制完毕，可 立即进行网格划分，并进行强度计算。通过不断修改图形和反复计算，能够使设计质量 大幅度提高。 姚杰；卡车车架结构静态特性分析 有限元法可用于各种模拟和分析方法中，在固体力学、流体力学、机械工程、土木 工程、电气工程等领域得到了广泛应用。由于其所涉及问题和算法基本上都是来源于工 程实际，应用于工程中，其解决工程实际问题的能力越来越强。在汽车领域，有限元法 可用于建立汽车结构系统的振动模型，还可以用于设计的刚度与变形分析、设计的应力 与疲劳分析、碰撞模拟和塑性变形分析等【l3 。 2 3 有限元法的发展趋势 1 9 6 3 1 9 6 4 年，b e s s e l i n g 、m e l o s h 和j o n e s 等人证明了有限元法是基于变分原理 的r i t z 法的另一形式，是处理连续介质问题的一种普遍方法。有限元分析理论的逐步 成熟主要经历了三个阶段：上世纪6 0 年代的探讨发展期，7 0 8 0 年代的独立发展、专家 应用期和9 0 年代与c a d 相辅相承的共同发展、推广使用期。随着有限元分析技术和计 算机软件技术的发展，有限元的应用领域得到极大的扩展。当今国际上f e a 方法和软件 发展呈现出以下一些趋势特型”】： ( 1 )由单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连 续固体力学分析。实践证明这是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也己经证 明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近精确值。所以近年来 有限元法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算， 进而发展到求解几个交叉学科的问题。 ( 2 )由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，有的问题就只有采 用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很 多专门的数学问题和运算技巧，一般工程技术人员很难掌握。为此，近年来国外一些公 司花费了大量的人力和投资，开发诸如m a r c 、a b q u s 和a d i n a 等求解非线性问题求解器 以及丰富和实用的非线性材料库。 ( 3 )增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 早期有限元分析软件的研究重点在于推广新的高效率求解方法和高精度的单元。随 着数值分析方法的逐步完善，特别是计算机运算速度的飞速发展，用于求解运算的时间 越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。可以说，工程师在分析计算 一个工程问题时有8 0 以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此，目前几乎所有 的商业化有限元软件都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调“可视化” 的今天，很多软件都建立了对用户非常友好的g u i ，用户能以可视图形方式直观快速地 1 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形 图，等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。 ( 4 )与c a d 软件的无逢集成 当今有限元分析系统的另一个特点是与通用c a d 软件的集成使用，即在用c a d 软件 完成零部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算。如果分析的结果不符合设 计要求，可以重新进行造型和计算，直到满意要求为止，这极大地提高了设计的水平和 效率。所以，当今所有的商业化有限元软件商都开发了和著名的c a d 软件( 例如 p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 和a u t o c a d 等) 的接口0 1 叫。 ( 5 )w i n t e l 平台上的发展 现在，有限元分析所必需的软件和硬件在p c 机上基本是由微软的w i n d o w s 操作系