（车辆工程专业论文）基于ansys的重型货车车架结构分析和优化研究.pdf

摘要 车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的各种载荷最终都传递给车架， 因此，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计的成败。通过有限元法对车架结 构进行性能分析，在设计时考虑车架结构的优化，对提高整车的各种性能，降低 设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。大型通用有限元软 件a n s y s 凭借其强大的分析功能和高度可靠性，在结构静力分析和动力分析以及 优化设计等方面具有无可比拟的优越性。 本文以某重型货车车架结构为研究对象，通过对p r o e 和a n s y s 软件的学习、 消化与吸收，采用实体单元，对车架结构的有限元建模、车架结构的静、动态特 性分析问题进行了研究。以实体单元为基础创建了车架结构的拓扑优化模型和简 单的尺寸优化模型，以车架的纵梁截面尺寸为设计变量，以车架结构的总体积最 小为优化目标，对车架纵梁的截面尺寸进行优化并分析了优化结果。阐述了应用 a n s y s 进行结构优化设计的基本指导思想及方法，推广到解决以板壳单元为基础的 车架优化问题，根据实际需要调整优化的设计变量、状态变量以及目标函数。 通过对某重型货车车架结构的有限元仿真及优化，得到了一些有益的结论， 为车架的设计提供了指导作用。 关键词：重型货车车架；a n s y s ；模态分析；拓扑优化 a b s t r a ct f r a m ei sa sa ni m p o r t a n ta s s e m b l yb e a r i n gl o a d so fa na u t o m o b i l e ，w h i c ha l lk i n d s o f1 0 a d sw i l lp a s st o ，a n da sar e s u l tt h ep e r f o r m a n c eo ff r a m es t r u c t u r ea f f e c t sw h e t h e r t h ea u t o m o b i l ed e s i g ni ss u c c e s s f u lo rn o t u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a n a l y z e a u t o m o b i l ef r a m es t r u c t u r ea n dt ot a k ef r a m es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni n t oa c c o u n tm a k e s s e n s ei ni m p r o v i n ga u t o m o b i l ep e r f o r m a n c e ，r e d u c i n gt h ec o s to fd e s i g na n da u t o m o t i v e m a n u f a c t u r ea n di n c r e a s i n gc a p a b i l i t yo fm a r k e tc o m p e t i t i o n a n s y ss o f h v a r et a k e so n u n e x a m p l e da d v a n t a g e si ns t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g ne t c b yr i g h to f i t sp o w e r f u la n a l y s i sf u n c t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y t h r o u g hs t u d y i n gp r o ea n da n s y ss o f t w a r et h ef e am o d e lo fah e a v yt r u c k w i t hs o l i de l e m e n t sw a sb u i l t b a s e do nt h em o d e lt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h et r u c k sf r a m es t r u c t u r ew a ss t u d i e d at o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e la n da s i m p l eo p t i m i z a t i o nm o d e lw a sb u i l tb a s e do ns o l i de l e m e n t s w i t ht h eo b j e c t i o nt h a tt h e v o l u m eo ft h ef r a m ei sm i n i m a l ，t h ec a r l i n gs e c t i o nd i m e n s i o n sw a so p t i m i z e da n dt h e r e s u l t so fo p t i m i z a t i o nw a sa n a l y z e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，w h i c hc a nb eg e n e r a l i z e dt os h e l le l e m e n tm o d e l t h ed e s i g n v a r i a b l e s ，s t a t ev a d a b l e sa n do b j e c t i v ef u n c t i o n sc a nb ea d j u s t e dt om e e tt h ea c t u a l n e e d s t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fah e a v yt r u c kf r a m e s t r u c t u r es o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sh a sb e e ng o tf o rt h ed e s i g no ft h ef r a m e k e y w o r d s ：h e a v yt r u c k sf r a m e ，a n s y s ，m o d a la n a l y s i s ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 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： 苍正网日期：叩年r 月 乞日 重庆交通大学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、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 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。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：蛮正网 指导挪签名：纠多 嗍：叶朋1 2 日 醐：1 年朋侈日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：杏正冈 日期：1 年厂月7 z 日 指导撕签名：脚厉 嗍：1 年n 玛同 第一章绪论 第一章绪论 计算机的出现给社会带来了深刻的变革，同时也为工程结构的设计、制造提 供了强有力工具。汽车产业属于高科技产业，要设计生产出性能优越、安全可靠 的汽车，不应用计算机进行辅助设计分析是根本不可能实现的。因此，汽车的各 个生产设计部门都非常重视在设计制造过程中采用计算机技术。其中，用于结构 设计中的有限元法是近几十年发展起来的新的计算方法和技术，可以解决以往许 多手工计算无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益【l 】。 1 1 课题的背景 在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、 离合器、轮胎、壳体等零部件以及驾驶室噪声的分析，大大提高了汽车的设计水 平，正在成为设计计算的强有力工具之一。 目前，在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法对车架 进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式导 致的问题包括两个方面：一是车架简化计算精度不够，为保证强度及刚度要求而 使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；二是造 成车架的设计与计算分离，不利于提高车架设计人员的设计水平。 为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架 有限元分析技术提高到战略的高度上来。因此，本文以2 0 t 重型货车车架为研究 对象，主要对车架结构有限元模型的建立，静、动态特性分析以及设计参数的优 化等内容进行研究与探讨，最终掌握车架结构的特性，对车架结构进行评价，得 出车架结构纵梁优化模型，为车架结构的强度及动力特性的仿真以及优化提供基 础。 1 2 论文选题的意义与目的 1 2 1 论文选题的意义 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【2 - 5 】： 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丌发、设计、 分析和制造的效能和车架的性能。 2 第一章绪论 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，有限元法正好能够解 决这一问题。 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。 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 2 2 论文选题的目的 通过本文的研究，预计达到以下目的： 建立车架结构有限元分析的规范化步骤，为将有限元技术应用于车架设计 做好基础性工作。 通过运用有限元软件对车架结构进行分析，可供车架设计有关人员提供参 考。 。 对所研究的车架进行结构的静、动态特性分析，为车架的设计提供理论支 持。 对车架结构的优化进行初步探讨，为优化设计运用于车架设计进行初步的 尝试，以便于以后更好地为车架设计服务。 1 3 有限元法在车架结构设计中的应用现状及问题 1 3 1 车架结构设计与分析的概述 从车架的设计方法来讲，早期车架设计采用设计和试验交叉进行【6 。7 1 。在车架 结构定型之前往往经过多轮设计，设计面对的对象是实物，需要经过样品制造一 试验一修改一再设计的往复，这种方式不可避免地导致整个设计过程周期长，以 及人力、物力和财力资源的严重浪费。随着设计经验的积累，人们将计算技术应 用于汽车车架结构性能的分析及设计中。初期的车架结构性能计算是通过将车架 简化成单根纵梁，进行弯曲强度校核。这种计算方法至今还在沿用，但它显然满 足不了汽车车架结构性能的设计要求。后来提出的车架结构扭转强度计算方法， 只能计算纯扭转工况，不能考虑车架的实际工况，并且，计算比较复杂，工作量 第一章绪论 大，在实际运用中存在着很大的困难。再后来，人们将比较设计的思想应用于车 架设计中【引。这种设计方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计， 目前依然是车架结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能造成车架各处强 度不均匀，某些局部强度富裕较大，产生材料浪费等现象【9 】。 2 0 世纪6 0 年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得 了广泛应用 1 0 - 1 5 】。有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既可以考虑 各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度高。有限元法将具有 无限个自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于 数值解法的问题。只要确定了单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求解， 使分析过程大为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问 题。目前，有限元法已经成为求解数学、物理、力学以及工程问题的一种有效的 数值方法l i 训。 1 3 2 车架结构有限元模型的形式 有限元分析是用一组离散化的单元集合来代替连续体结构进行分析的，这种 单元集合体称为有限元模型。如果己知各个单元的刚度特性，就可以根据节点的 变形连续条件和平衡条件推出结构的特性并研究其性能。由于有限元法是一种近 似的数值方法，其计算结果是近似解，精度主要取决于离散化误差。因此，有限 元模型的建立是进行有限元分析的关键性一步。根据采用的单元形式，车架有限 元模型可以分为梁单元模型、板壳单元模型和实体单元模型。 梁单元模型将车架简化为一组两个节点的梁单元组成的框架结构，用梁单元 的截面特性反映车架的实际结构特性。这种结构单元和节点数目少，计算速度快； 但是计算精度低，而且不能处理应力集中问题【l 。7 1 。梁单元模型适用于车架结构的 初步方案设计。板壳单元模型用板壳单元将车架的纵、横梁及连接板进行离散化， 用板壳单元的厚度描述零件的厚度。这种结构单元准确的描述了形状复杂的车架 结构，大大提高了有限元分析的精度，能够处理连接部位的应力问题；但是这种 模型单元与节点数目众多，前处理工作量大，需要计算机内存大，计算速度慢。 板壳单元模型适用于对车架分析精度要求较高的场合【1 8 。2 2 】。实体单元模型能够很 好地分析车架纵梁和横梁连接处的应力变化情况，但是用作模态分析时，往往存 在刚性过大现象。 1 3 3 车架结构有限元分析类型 静力分析 随着有限元法在汽车结构性能分析中的应用与发展，汽车车架结构静力有限 元分析已经成为汽车车架结构性能分析必不可少的内容。汽车车架结构的载荷直 4 第一章绪论 接影响着车架结构性能，在进行静力有限元分析时，一般将车架结构上的各个总 成处理成各总成在车架上相应位置的集中载荷，如果是货车，货物则处理成分布 载荷，车架重力一般忽略不训2 3 1 。 根据汽车实际行驶工况，一般分四种工况对汽车车架结构进行静力有限元分 析，即车架结构的弯曲分析工况、扭转分析工况、紧急制动分析工况和紧急转弯 分析工况，根据实际需要可以选择不同的工况进行相应的约束。在进行汽车车架 结构静力有限元分析后，一般根据汽车车架结构强度和刚度分析的需要，采用后 处理软件对计算结果进行可视化处理，计算出应力最大的危险点以及变形最大的 点，以此评价汽车车架结构的静力性能。 模态分析 现代汽车具有向轻量化与高速化发展的趋势，使得汽车结构的振动与噪声问 题变得同益突出。汽车车架结构作为汽车的承载体，在外部激励作用下产生的弯 曲、扭转振动不但造成车架结构的疲劳损伤，而且还影响车辆的舒适性和行驶平 顺性。 通过模态分析，可以得出车架结构的固有频率以及固有振型，不仅对于防止 汽车发生共振等情况具有指导作用，而且模态性能也是车架结构动力响应分析的 基础。 动力响应分析 动力响应分析是研究车架结构在己知的外界激励作用下的动力响应对车架性 能的影响。目前由于车架结构的阻尼矩阵很难确定以及路面激励在有限元软件的 形成没有成熟的方法等问题，国内外对车架结构的响应分析的相关研究也比较少。 当然，随着汽车技术的不断发展，动力响应分析将成为车架有限元分析未来 的研究趋势。 优化分析 在车架的设计中，人们总是希望在满足强度、刚度要求的条件下，尽量使车 架的质量最小。因此，设计出质量小而各方面性能又能达到要求的车架是一项重 要的工作，这就对车架的结构优化提出了新的要求。传统的车架设计是在确定车 架型式后通过类比进行经验设计后验算其强度和刚度，这种方法精度低，而且这 种设计出来的车架除个别构件应力水平较高外，大多数构件应力水平比较低，强 度有富余，且各个构件应力水平相差大很不均匀。因此，应该将车架设计从类比 转移到结构优化上来。 目前对于汽车车架结构优化设计主要包括： 结构元件参数的优化，通过建立车架结构元件参数的优化设计数学模型， 利用有限元法进行车架结构元件参数的优化设计。 第一章绪论 5 考虑车架整体布局进行优化设计，主要是在车架结构布局已经确定的情况 下进行的车架结构优化设计，优化能产生的效果也限制在布局之内。 1 3 4 有限元法在车架结构分析中存在的问题 采用适当的有限元模型，对汽车车架结构进行静力分析和模态分析正在成 为一种常用的分析手段，但对汽车车架结构进行有限元动力响应分析的研究目前 还很不成熟。 轻量化要求已经成为现代汽车设计追求的目标之一。设计既满足性能要求 质量又小的车架为车架的优化设计提供了舞台，如何搞好车架结构的优化设计成 为车架设计急需解决的问题。 采用实体单元建立的车架有限元模型板壳之间的铆钉及螺栓连接的模拟形 式对于汽车车架结构的分析结果有较大的影响，如何建立这种连接方式是一个值 得探讨的问题。 近些年来，大多数国内汽车厂家己花巨资购买了各种与有限元分析相关的 商业化软件。这些软件功能完备，精度高，以及通用性和可靠性好，如何学习、 消化与吸收花巨资引进的软件，为我所用，是实际工作必须面对的问题，对于汽 车车架结构有限元分析更是如此。 1 4 本文的主要研究内容 a n s y s 是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结 构分析能力和优化设计模块，因而被国外大多数汽车公司所采用。 本文将基于a n s y s 建立车架结构的实体单元模型，对汽车车架结构进行静 力和动力分析的研究以及对车架进行拓扑优化和尺寸优化设计的研究。首先，对 a n s y s 进行了简要的介绍，为车架结构进行有限元分析做好准备工作；其次， 以某重型货车车架结构为研究对象，利用a n s y s 建立了车架结构实体单元模型， 对车架结构的静、动态特性进行深入研究，对车架进行性能分析评价，对车架结 构尝试进行拓扑优化设计；最后以车架纵梁截面尺寸作为设计变量，以车架总体 积为设计目标，运用a n s y s 优化模块对车架结构的尺寸优化设计进行有益的尝 试。 6 第二章a n s y s 软件的介绍 第二章a n s y s 软件的介绍 对于一个复杂的工程结构，进行前处理、求解以及后处理都依赖于有限元软 件才能够得以实现。作为大型通用的有限元软件，a n s y s 在有限元分析前后处 理方面和有限元求解和计算功能都十分强大。为了应用a n s y s 开展研究工作， 本章对这个软件进行简要的介绍。 2 1a n s y s 软件的介绍 2 1 1a n s y s 的发展概述 a n s y s 软件是由美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元软件。1 9 7 0 年，j o h n s w a n s o n 博士洞悉到计算机模拟工程应该商品化的发展趋势，在宾州匹兹堡创立 了a n s y s 公司。a n s y s 公司开发的a n s y s 第一个版本只提供线性结构分析及 热分析功能，是一个批处理程序，而且只能在大型机上运行。 其后，a n s y s 公司在a n s y s 中不断地加入越来越多的单元类型，考虑了非 线性、子结构等新技术。 2 0 世纪7 0 年代末，a n s y s 引入了交互式概念，大大提高了用户对程序的使 用效能；其前处理器和后处理器的概念，使得用户在建模与结构处理上非常方便。 在跟踪有限元学科及其应用发展的同时，a n s y s 也适应计算机技术的发展， 能够在多种工作平台和多个操作系统上完全兼容，其并行处理技术大大提高了分 析效率。 a n s y s1 0 0 版本在性能、易用性、协同工作及耦合技术，如流固耦合， 等方面有很大提高。1 0 o 版本是在9 o 软件的基础上研发的，与其有很好的 兼容性。a n s y s1 0 o 延续了a n s y s 一贯强大的耦合场技术，为复杂的流固 耦合( f s i ) 问题提供了更完善的解决方案。该版本整合了世界一流的应力 分析和流体分析技术，形成了一套完整的f s i 解决方案。通过适合于特定场 要求的网格划分，一个单一的几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效 地解决f s i 动力学分析的信息交换功能。另外，该版本可以在多个机群进行 并行处理解决超大模型。 在机械应用领域，a n s y s1 0 0 包括了a n s y sw o r k b e n c h 下全部的热瞬 态分析功能。这不仅帮助用户进行非常复杂的时域仿真，同时a n s y s w o r k b e n c h 也可自动完成很多建模和求解工作。这样可以轻松快速地求解设 备在一定运行时间内的热性能。 第二章a n s y s 软件的介绍 7 为了满足日益增加的对大型复杂问题及时有效的分析需求，a n s y s1 0 0 的并行求解器如今可增加了对c p u 和通信技术的选择余地。除了支持 e t h e r n e t 和g i g a b i te t h e r n e t ，a n s y sl0 0 还支持m y r i n e t 和i n f i n i b a n d 。相 对于以前的架构，a n s y s1 0 o 能以最少的成本满足高性能的机群计算。 对于用户，这将帮助他们更加经济有效地解决大型模型问题，如那些低 频稳态和全瞬态电磁分析问题。a n s y s1 0 0 并行求解器可以解决高于一亿 自由度的大型电磁问题，在c a e 行业独树一帜。 a n s y s 继续w o r k b e n c h 主旋律，提供我们的用户可供选择的全自动或 个人控制的强大分析软件。我们在核心的网格处理技术上有十足的增强，在 a n s y sw o r k b e n c h 各个应用程序间共享网格。另外，双向参数互动的c a d 接口的稳健性也得到了提高。a n s y s & r e g ；i c e mc f d t m1 0 0 通过混合网格 剖分新功能和c a d 模型细节处理功能，提供了完整的一系列网格划分工具 以模拟真实世界，如汽车引擎罩下的散热分析和汽车碰撞分析。 2 1 2a n s y s 的主要特点 a n s y s 在有限元分析软件中具有领先地位，主要是因为它具有下列特点： 唯一能够实现多场及多场耦合分析功能的软件，可以进行结构、热、流体 流动、电磁等的单独研究或者它们之间相互影响的研究。 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元分析 软件。 唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。 有强大的非线性分析功能。 多种求解器分别适用于不同问题及不同的硬件配置。 支持从微机、工作站到巨型机，以及所有平台之间的并行计算。 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数 据文件全部兼容。 多种自动网格划分技术。 可与大多数c a d 软件集成并有接口。 良好的用户开发环境，综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入，图 形化输出等多种方式，使应用更加方便。 2 1 3a n s y s 的主要功能 a n s y s 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以 用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工 第二章a n s y s 软件的介绍 业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型 机械、微机电系统、运动器械等。 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。 前处理模块 前处理模块提供了一个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。 a n s y s 的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 1 ) 实体建模 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向 下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基 元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构 造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶 向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕 塑出”一个实体模型。a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、 相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的 布尔操作能减少相当可观的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、 旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、 切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角 生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体 建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然 后依次是相关的线、面、体。 2 ) 网格划分 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功 能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。 延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用 户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制， 生成映像网格。a n s y s 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复 杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网 格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型 以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差， 然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低 于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 分析计算模块 第二章a n s y s 软件的介绍 9 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线 性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理 场的耦合分析，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。 后处理模块 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒 子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了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。 该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备 上，如p c 、s g i 、h p 、s u n 、d e c 、i b m 、c r a y 等。 2 1 4a n s y s 的结构分析文件 在建立一个分析任务时，a n s y s 自动创建大量文件，这些文件以任务名为 文件名的基础，通过对该任务名后添加字符或者使用不同的扩展名来识别不同类 型的文件，典型的a n s y s 结构分析文件类型和格式见表2 1 。 表2 1a n s y s 结构分析文件及格式 t a b l e2 。1d o c u m e i l t sa n df o 翻【l a t so fa n s y ss t r u c t u r a la n a l y s i s 文件类型文件扩展名文件格式 记录文件l o ga s c i i 错误及警告文件 e r ra s c i i 输出文件 o u ta s c i l 数据库文件 d b 二进制 结果文件r s t二进制 2 1 5a n s y s 提供的分析类型 a n s y s 软件提供的分析类型如下： 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻 尼对结构的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，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大 应变及接触分析。 结构动力学分析 l o 第二章a n s y s 软件的介绍 结构动力学分析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：瞬态动力学分析、模态分 析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 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 序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线 性三种。 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作 用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由 此产生的应力、应变和变形。 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种 类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料 固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦 合分析能力。 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场 分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、 调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计 和分析领域。 流体动力学分析 a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。 分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处 理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面 效应单元和热一流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在 流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应， 研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 压电分析 用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、d c ( 直流) 或任意随时问变 化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、 第二章a n s y s 软件的介绍 麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分 析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。 2 1 6a n s y s 单元库构成体系 a n s y s 具有覆盖各种物理特性的丰富单元。在进行有限元分析时首要的一 步就是进行单元的划分，因此在数量众多的单元中，选择什么单元来模拟实际结 构显得尤为重要。 a n s y s 有将近2 0 0 多种单元，可以从几个不同的角度进行分类。 按照构成的学科领域分类，可以分为： 结构单元； 流体单元； 热单元； 电路、电场和磁场单元； 耦合场单元。 按单元维数与拓扑形式分类，可以分为： 二维或三维； 点单元( 如质量单元) ； 线单元( 如弹簧、杆、梁等单元) ； 面单元( 如壳单元) ； 体单元。 其中，大多数体单元能退化成四面体，大多数二维四边形单元能退化成三角 形。按阶数与节点数目分类，可以分为：线性( 不带边中节点) 和二次( 带边中 节点) 单元。线性单元可以通过附加形函数改善其精度，二次单元对给定单元网 格提供了更高的精度，但如果需要可以删掉单元边界上的中间节点。对于结构分 析而言，a n s y s 单元库中的结构单元类别及对应的单元名称见表2 2 。 1 2 第二章a n s y s 软件的介绍 表2 2a n s y s 结构单元分类列表 t a b l e2 2l i s to fa n s y ss t r u c t u r a le l e m e n tc l a s s i f i c a t i o n 单元类别维数单元名称 结构点单元 l 2 3 dm a s s 2 1 2 一dl d i k l 结构线单元 3 d l i n k 8 ，l i n k l0 ，l i n k l1 , l i n k l8 0 2 d b e a m 3 ，b e a m 2 3 ，b e a m 5 4 结构梁单元( b e a m )b e a m 4 ，b e a m 2 4 ，b e a m 4 4 ，b e a m18 8 ， 3 d b e a m l 8 9 p l a n e 2 ，p l a n e 2 5 ，p l a n e 4 2 ，p l a n e 8 2 ，p l a n e 8 3 ， 2 d p l a n e l 4 5 ，p l a n e l 4 6 ，p l a n e l 8 2 ，p l a n e l 8 3 结构实体单元( s o l i d ) s o l i d 4 5 ，s o l i d 6 4 ，s o l i d 6 5 ，s o l i d 9 2 ， 3 d s o l i d 9 5 ，s o l i d1 4 7 ，s o l i d 1 4 8 ，s o l i d18 5 ， s o l i d18 6 ，s o l i d18 7 2 ds h e l l 5 1 ，s h e l l 6 1 结构壳单元( s h e l l )s h e l l 2 8 ，s h e l l 41 ，s h e l l 4 3 ，s h e l l 6 3 3 d s h e l l 9 3 ，s h e l l l 4 3 ，s h e l l l 5 0 ，s h e l l l 8 1 结构管道单元( p i p e ) 3 dp i p e16 ，p i p ei7 , p i p e18 , p i p e 2 0 ，p i p e 5 9 ，p i p e 6 0 结构密封垫单元 ( g a s k e t ) 3 d i n t e r l 9 2 ，i n t e r l 9 3 ，i n t e r l 9 4 ，i n t e r l 9 5 结构多点约束单元 3 dm p c i 8 4 ( r i g i dl i n k b e a m ) 结构层复合材料单元 3 d s o l i d 4 6 ，s h e l l 9 1 ，s h e l l 9 9 ，s o l i d l 9 1 ( l a y e r e dc o m p o s i t e ) c o m b i n 7 ，c o m b i n14 ，c o m b i n 3 7 ，c o m b i n 3 9 连接单元( c o m b i n a t i o n ) c o m b i n 4 0 ，p r e t s 17 9 2 1 7 a n s y s 中连接关系的处理 在所有多零部件或构件组成的系统中都存在连接的处理问题，随着实际情况 的变化，连接的形式也丰富多变。在建模过程中，单个构件或零件模型往往比较 容易处理，而连接部位的处理比较棘手。a n s y s 提供了丰富的手段处理这些连 接问题，它可以处理的连接关系有： 固接关系； 预紧连接； 轴销和球铰关系； 弹簧连接； 第二章a n s y s 软件的介绍 1 3 耦合约束方程； 点点刚性连接； 接触关系。 2 1 8a n s y s 网格检查 是否设置了合理的单元尺寸取决于用户的经验和水平。但是不仅仅是单元尺 寸决定网格质量，单元形状也同样对分析产生影响。在严重情况下，坏的单元形 状甚至能够导致计算非正常结束。因此，a n s y s 提供了单元质量检查的手段， 主要用于单元形状质量和网格连通性的检查。 单元性状质量检查的内容包括： 纵横比( a s p e c tr a t i o ) ； 角度偏离( s h e a r t w i s t a n g ld e v i a t i o n ) ，仅对s h e l l 2 8 单元有效； 平行偏离( p a r a l l e ls i d e ) ； 最大角度( m a x i m u m a n g l e ) ； 雅可比比( j a c o b i a nr a t i o ) ； 弯曲因子( w a r p ) 。 单元形状的典型示意图如图2 1 所示，单元形状参数的默认限制值见表2 3 。 纵横比= i 5 $ 1 i e l l 2 8 角度伯蒸= 3 0 0平行伯筮= 1 0 0 最大角度- - - 1 5 0 赡兜比比= 3 0弯曲囱予= 1 0 图2 1 单元形状参数示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e m e n ts h a p ep a r a m e t e r 1 4 第二章a n s y s 软件的介绍 表2 3 单元形状参数限制值 t a b l e2 3l i m i to fe l e m e n ts h a p ep a r a m e t e r 默认默认 项目说明 警告值错误值 纵横比 2 0 1 0 0 0 0 0 0 角度偏离 5 01 0 0 7 0 01 5 0 0 无中间节点时 平行偏离 1 0 0 01 7 0 0 有中间节点时 1 6 5 0 1 7 9 9 0三角形单元或面 最大角度 1 5 5 01 7 9 9 0 无中间节点的四边形单元或面 1 6 5 01 7 9 9 0 有中间节点的四边形单元或面 3 01 0 0 0 使用一阶方法h m e t h o d 的单元 雅可比比 3 0 4 0使用高阶p m e t h o d 方法的单元 l5 s h e l i a 3 ，s h e l l l 4 3 ，s h e l l l 6 3 ，s h e l l l 8 1 o 1l i n f i n 4 7 ，i n t e r l15 ，s h e l l 5 7 ，s h e l l 6 3 ，s h e l l 2 8 弯曲因子 4 o o e 0 50 0 4 s h e l i a 3 ，s h e l l 6 3 ( k y o p t - - 1 时) 0 20 4 三维实体单元 连通性检查的内容主要包括： 标准检查：两个面单元是否有共同的边，主要发现重叠单元； 体检查：两个体单元是否有公共面，主要发现重叠单元； 闭合表面检查：确认单元外表面是否形成了单连的闭合表面，主要发现网 格中的裂缝； 网格中的孔检查：这里的孔并不是故意设置的，而是在分网中可能由于意 外原因导致单元包围了未分网或者被忽略的小区域。 2 1 9 a n s y s 求解器简介 a n s y s 的求解过程由于求解类型不同而有所差异，但是其基本求解过程是 相同的，主要有如下几步： 运用单元工具获得积分点，建立求解所需的矩阵，如质量矩阵、刚度矩阵 和阻尼矩阵； 用不同的求解方法( 即求解器) 对已建立好的方程求解，获得基本解； 通过单元的形函数以及其它一些工具获得单元的导出解。 a n s y s 提供了五种求解器以适应不同的求解需要，各种求解器的比较见表 2 4 。 第二章a n s y s 软件的介绍 表2 4a n s y s 五种求解器的比较 t a b l e2 4c o m p a r i s o no ff i v es o l v e ro fa n s y s 自由度 内存硬盘使片j 其它 求解器类型主要优点 典型使用 大小( 万)使用使用限制特征 非线性、内 波前求解器稳定性好低高 存受限时 可以得 到1 常 稀疏矩阵直 稳定性非线性、壳 精确的 好、速度 i m p o r l i g e s 命令，打开对话框； 单击o k ，弹出对话框，选择b r o w s e 按钮，输入前面保存的f r a m e i g s 文件 的路径； 第三章基于实体单元的车架结构有限元建模 单击o k ，导入在p r o e 中建好的模型； 选择m a i n m e n u p r e p r o c e s s o r e l e m e n t t y p e a d d e d i t d e l e t e 。打开单元类 型对话框； 在单元类型库对话框中单击a d d ； 在左边列中单击s o l i d ，选择实体单元类型 在右边列中单击1 0 n o d e 9 2 ，选择l o 节点 四面体结构单元s o l i d9 2 ； 选择m a i nm e n u p r o p r o c o r m a t e r i a l p r o p s c o r t s t a n t i s o t r o p i c ，打开各项同性材料特 性对话框。在对话框中输入弹性模量和泊松比。 单击o k 并关闭对话框； 选择m a i n m e a u p r o p r o e e g r m e s h i n g m e s h t o o l 打开网格 划分工具，设置网格基本尺寸，划分网格，如图 3 3 所示。 3 3 4 对实体单元s o l i d9 2 的简要介绍 s o l i d 9 2 是三维十节点四面体结构实体单元， 有二次方位移和能很好划分不规则的网格( 譬如 由各种各样的c a d c a m 系统生产) 。此单元由 十个点定义，每个节点有三个自由度：节点x 、 y 和z 方向位移：并且单元有可塑性、蠕动、膨 胀、应力铜