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大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析摘要随着经济的飞速发展，我国基础建设也得以迅猛发展，对水泥这一基础建设的重要物资的需求也就越来越大，而散装水泥半挂车作为运载散装水泥的重要交通工具，也发挥着重要的作用，因而对其的性能要求也越来越高。本文利用有限元的分析方法，结合有限元分析软件a n s y s ，阐述了利用a n s y s 软件建立散装水泥半挂车的半挂车几何模型的方法，以及如何将几何模型转化成可供分析计算的有限元模型。接着对改进前后的散装水泥半挂车进行了静态分析及动态分析，包括对半挂车进行了较全面的自由振动模态分析及在路面不平度的影响下对半挂车结构进行了动态特性研究，以此来分析改进前后模型的动态响应，并且对改进后模型结构的继续优化改进提出建议，为其结构设计的改进提供了较准确可靠的理论依据。本文的主要研究工作如下：首先用有限元分析软件a n s y s 对散装水泥半挂车改进前后的模型进行了实体建模；接着对散装水泥半挂车的改进前后有限元模型进行了静态分析，得到了整体的应力状态和各支撑处的支反力；然后进行了模态分析，求得模型的前1 0 阶固有频率及振型，并对各阶振型进行了分析研究；最后在模态分析的基础上，对改进前后模型进行了动态的谐响应分析，研究了在路面不平度的激励下，两个模型的动态响应。通过以上的分析，将所得到的改进前后模型的静力学、动力学计算结果进行比较，为改进后模型的二次改进提供了相关的数据和理论依据。关键词：散装水泥半挂车静态分析模态分析谐响应分析i id y n a 圣加 ca n a i ，y s i s0 nt h eb u l kc e n i e n ts e m i t r a i l e r so r i g i n a la n di 口r o v e dm o d e la bs t r a c tw i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，c h i n a si n f r a s t r u c t u r e sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y t h ed e m a n do ft h ec e m e n tw h i c hi sa sa ni m p o r t a n tg o o d st ot h ei n f r a s t r u c t u r e sb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r a sa ni m p o r t a n tm e a n so ft r a n s p o r t , t h eb u l kc e m e n ts e m i - t r a i l e rp l a y sa ni m p o r t a n tr u l e t h e r e f o r e ，h i g h e r - p e r f o r m a n c eb u l kc e m e n ts e m i - t r a i l e r sa r er e q u i r e d t h i sp a p e rm a k e su s eo fa n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n tt h e o r yi n t e g r a t i n gw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st oe x p l a i nt h em e t h o do fe s t a b l i s h i n gg e o m e t r i cm o d e lo ft h ec e m e n ts e m i t r a i l e ra sw e l la sh o wt ot r a n s f o r mag e o m e t r i cm o d e li n t oaf m i t ee l e m e n tm o d e l ，t h e nm a k e ss t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i st ot h ec e m e n ts e m i t r a i l e r , w h i c hi n c l u d e st h em o r ec o m p r e h e n s i v ef r e ev i b r a t i o nm o d ea n a l y s i so nt h ev e h i c l eb o d ya n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o d ys t r u c t u r eu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h er o u g h n e s so ft h er o a ds ot h a tt oa n a l y z et h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h eo r i g i n a la n di m p r o v e dm o d e l sa n da tl a s tp u t sf o r w a r ds o m ep r o p o s a l sa b o u th o wt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ei m p r o v e dm o d a l ，a n dp r o v i d e sam o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w i n g ：a b o v ea l lm a d eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st oe s t a b l i s hi i it h em o d e l so ft h eo r i g i n a la n dt h ei m p r o v e dc e m e n ts e m i t r a i l e r ；f o l l o w i n gd i da ns t a t i ca n a l y s i so nt h eo r i g i n a la n dt h ei m p r o v e dm o d e l so ft h ec e m e n ts e m i t r a i l e ra n do b m i n e dt h eo v e r a l ls t r e s ss t a t u sa n dt h ea n t i f o r c eo ne v e r ys u p p o r t ；a n dt h e nd i dt h em o d a la n a l y s i so nt h eo r i g i n a lm o d e la n dt h ei m p r o v e dm o d e l ，o b t a i n e dt h ef i r s t10o r d e r so fn a t u r a lf r e q u e n c ya n dn a t u r a lv i b r a t i o n ，a n dd i da n a l y s i so nt h e m ；a n dt h e no nt h eb a s i so ft h em o d a la n a l y s i s ，d i dd y n a m i c sh a r m o n i ca n a l y s i so no r i g i n a lm o d e la n di m p r o v e dm o d e l ，d i dr e s e a r c hi nt h ed y n a m i c sr e s p o n s eo ft h et w om o d e l sw h i c hw e r eu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h er o u g h n e s so ft h er o a d t h r o u g ht h ea n a l y s i sa b o v e ，c o m p a r e dt h er e s u l t so ft h es t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so nt h eo r i g i n a lm o d e la n dt h ei m p r o v e dm o d e l s ，p r o v i d e dr e l e v a n td a t aa n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es e c o n d a r yi m p r o v e m e n to ft h ei m p r o v e dm o d e l k e yw o r ds ：b u l kc e m e n ts e m i t r a i l e r ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ；h a r m o n i ca n a l y s i si v广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明学位论文原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名：1学位论文使用授权说明2 0 0 8 年石月2 了日本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间：口而时发布口解密后发布( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定)：地b 翩躲钟杉年扣广西大掌硕士掌位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析第一章绪论弟一早三百t 匕随着国民经济的迅速发展，特别是改革开放以来，我国基础建设发展迅猛，水泥作为基础建设的重要物资，需求量越来越大。因此对载装水泥的散装水泥半挂运输车要求也越来越高。1 1 课题来源本课题来源于对某汽车改制厂的l g 9 4 8 0 g f l 型散装水泥半挂运输车的设计改进。该型号散装水泥车为三轴半挂车，前后共分为四仓，其罐体和车架焊接在一起，采用气压吹卸方式卸料。其工作原理为：向容罐中通入空压机所压缩的空气，通过罐内流化床特殊结构及一定的气流方向，使水泥松散并与气体混合处于“流态化”。打开出料口阀门时，水泥混合气体由于压力差便从罐体输送到水泥库中。罐体每仓都有一个出料口，因此每个出料口都需要一套卸料装置，包括滑料板、流化床、通气管路等。该型号罐车的滑料板过多，影响了罐体容积的利用率；同时卸料装置过多，影响了其使用经济性。这使得它在销售过程中并不为客户所青睐，并未达到预期的经济效益，于是厂方提出了对其进行设计改进的要求。1 2 改进前后散装水泥半挂车的结构简介1 2 1 散装水泥车的种类散装水泥运输车是在普通汽车底盘上，通过改装一些专用设备，用来运输、短时贮存、装卸散装水泥等作业的专用车辆。目前国内生产的散装水泥运输车主要有重力卸料式、机械卸料式和气压吹卸式等类型。重力卸料式散装水泥运输车是在自卸车的基础上改装而成。将自卸车车厢加顶盖密封，使车厢与顶盖形成一个密封的水泥罐。水泥由车厢顶部的装料口注入罐内，卸料时自卸结构升起，车厢内水泥在自重作用下，从车厢后栏板下部卸出。机械卸料式散装水泥运输车是在水泥罐体内底部装上螺旋输送机改装而成。这种水泥罐车可配以自卸结构，卸料时将罐筒前部升起，借助水泥的自重作用提高卸料速度。气压吹卸式散装水泥运输车是在罐体结构中加入流化床、气路管线等结构改装而成。卸料时，将压缩空气通入罐体内，通过流化床使水泥“流态化 ，在气体压力大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析差的作用下，将水泥混合气输送到水泥库中。气压吹卸式散装水泥运输车拥有前两种车型不具备的优点，可直接将水泥输送到1 5 2 5m 高的水泥库中，并具有较高的卸料速度。因此，气压吹卸式散装水泥运输车是目前应用最广的散装水泥运输车。1 2 2 散装水泥半挂车的原始结构l g 9 4 8 0 g f l 型散装水泥运输车，为三轴半挂式专用汽车，由牵引车、罐体、半挂车车架、行驶系统、气力输送系统以及其它附属装置组成，如图1 1 所示。罐体前后共分为四仓，它和半挂车车架焊接在一起。半挂车放置在牵引车的马蹄鞍上，并通过牵引销和牵引车连接在一起。当半挂车和牵引车分离时，半挂车以支腿作为支撑。气力输送系统由车载空压机供气，空压机放置在半挂车车架的最前端。行驶系统采用三轴结构形式，气力制动。其它附属装置包括支腿、人梯、电路等装置。图1 - 1l g 9 4 8 0 g f l 型散装水泥半挂车外形图f i g 1 - 1t h es k e l e t o nl a y o u to ft h et l g 9 4 8 0 g f lb u l k - c e m e n ts e m i t r a i l e r卜牵引车：2 一气力输送系统；3 一罐体；4 一行驶系统；5 一半挂车车架1 2 3 散装水泥半挂车的改进后结构改进后罐体由原来的四仓改成了三仓，其外部结构和基本尺寸与四仓的大体相同，且仍采用滑料板结构。但前端的滑料板部位，采用双层结构，两层间有加强筋板，并用斜板来支撑前封头和滑料板。另外，在每个隔仓板上也设有加强筋板。车架也做了相应改动，车架总体布局是前宽后窄。由于受半挂车轮距不能变动，因此车架后段与原来相同。车架前半段则不受此限制，为适应滑料板外扩予以加宽。在车架前后段过度处，改变了以往的斜线过度，采用圆弧过度，可以有效地降低了此处应力集中的程度。改进后模型如图1 2 所示。2广西大掌硕士掌位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析12345图卜2 改进后的散装水泥半挂车外形图f i g 1 - 2t h es k e l e t o nl a y o u to ft h ei m p r o v e db u l k - c e m e n ts e m i t r a i l e r卜牵引车；2 一气力输送系统；3 一罐体；4 一行驶系统；5 一半挂车车架1 3 模型的主要技术参数l g 9 4 8 0 g f l 型散装水泥半挂车由国内某汽车改制厂设计，牵引车及富华三轴悬挂f w 8 8 0 3 0 1 b 为外构件。半挂车部分的技术参数如表1 - 1 ：表卜1 半挂车部分技术参数车辆长( 咖)1 3 1 0 0牵引销平面高度( 咖)1 3 2 0( 适用于单双桥拖头)车辆高( 嗍)3 8 5 0前悬后悬( m m )( 1 6 5 0 ) 1 0 5 0车辆宽( 嗍)2 5 1 2轮距( 嗍)1 8 4 0罐体长度( 唧)1 1 9 5 0轴距( 嗍)7 8 0 0 + 13 0 0 + 13 0 0罐体有效容积( m 3 )4 8前回转半径( m )1 7 2 0剩余料( )0 2整备质量( k g )1 2 0 0 0平均卸料速度( t r e )1 2送料口直径( 咖)5 0 0牵引销中心距车尾长度1 1 4 5 0出料口直径( 唧)1 0 0( m m )牵引销直径( m )9 01 4 本文的研究意义散装物料运输，是指对粉末状、颗粒状、流体状等物质，无需采用任何包装措施，而采用专用散装运输车进行运输。采用散装运输有诸多优点，各国都比较重视发展散装运输事业，重视开发应用散装运输车技术。因此国家也下达文件“大力发展散装水泥”事业，对采用散装水泥、购置散装水泥车的企业给予优惠政策，这极大地促进了我国散装水泥事业的发展，也给生产制造散装水泥车的企业带来了市场机遇。目前，西方发达国家的散装运输水平较高，而我国的散装运输起步较晚，散装物料运输率还比较低。自6 0 年代末期以来，虽然国内一些科研单位和企业在散装运输车研制方面取得了可喜的成绩，但与国外发达国家相比，仍有很大差距。因此，开发研究和3广西大掌硕士学位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析发展应用散装运输车辆，无论从经济效益上讲，还是从社会效益上说，均具有重要的实际意义【1 2 1 。汽车工业的发展己有百年历史，而有限元法诞生于2 0 世纪中叶，将有限元法应用于汽车结构分析是在2 0 世纪7 0 年代之后 3 1 。随着计算机辅助工程( c a e ) 溶入汽车设计过程的进程加快，有限元法在产品的设计阶段可对模型进行静态分析、动态分析、优化设计等，已成为设计和分析过程中必不可少的工具【4 】。a n s y s 软件由美国一家公司开发，它是一个大型通用有限元分析软件，具有静态分析、动态分析和多物理场耦合分析的功能【5 】。a n s y s 软件的研究与开发不断汲取当今计算方法和计算机技术的最新发展，领导着有限元发展的趋势，并为全球工业界广泛接受，拥有全球最大的用户群。本文以散装物料运输车中使用最为广泛的散装水泥半挂车为研究对象，用a n s y s 软件对改进前后的散装水泥半挂车( 罐体和车架) 的静态特性及动态特性进行分析，并在此基础上对两者进行了对比，同时对改进后模型做进一步改进提供了理论基础。通过模型的静态分析及动态分析，我们可以更客观地了解散装水泥车的结构特性，这在散装水泥半挂车早期结构设计中有着重要的指导意义，具有一定的参考价值。1 5 研究内容与研究方法本文利用有限元的分析方法，结合有限元分析软件a n s y s ，阐述了利用a n s y s 软件建立散装水泥半挂车的半挂车部分几何模型的方法，以及如何将几何模型转化成可供分析计算的有限元模型。接着对改进前后的散装水泥半挂车进行了静态分析以及动态分析( 包括对整个半挂车进行了较全面的自由振动模态分析及在路面不平度的影响下对车身结构进行了动态特性研究) ，并且对改进后模型结构的继续优化改进提出建议，为其结构的继续改进设计提供了较准确可靠的理论依据。具体的研究方法如下：( 1 ) 研究分析散装水泥车的结构特点，利用a n s y s 的建模功能，依据二维工程图纸给出的结构尺寸，建立改进前后散装水泥半挂车的三维几何模型；( 2 ) 依托大型有限元分析软件a n s y s ，根据散装水泥车的特点，确定单元类型，同时确定支承及边界条件，注意模型中各种支承、连接关系与实际结构要相符，然后通过网格划分形成计算所需的有限元模型；( 3 ) 确定需要计算载荷如何选取和加载，选择有限元软件a n s y s 作为分析计算的工具，上机进行试算并判断模型的准确性；4广西大掌硕士掌位沦文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析( 4 ) 进行静态及动态分析计算，然后对计算结果进行分析，为模型的继续改进优化提供理论基础。5广西大掌硕士掌位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析第二章有限元法有限元法【6 q 】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 ) 第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解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 等人在对分级机翼机构进行分析时应用了有限元法，给出了用三角单元求得平面问题的正确答案。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计算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 ) 和他的同事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 l o u g h ) 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 tm e t h o d ) ”这一概念。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0 c 辛凯维奇( ( o c z i e n k i e w i c 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的解释，有限元法的应用也推广到更广阔的领域。有限元法从出现到发展，经历了从线弹性到弹塑性到弹粘塑性，从解决小变形问题到大变形问题，从静力问题到复杂的动力接触问题直至瞬态的碰撞响应问题的历程，应用范围也不断拓展，不断地走向更为成熟的新阶段。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，有限元法经过几十年的发展，在理论上已比较成熟，作为工程结构静态及动态分析的有效工具，其在工程技术领域中的应用越来越广泛，己成为各类工业产品设计和性能6广西大掌硕士掌位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析分析的可靠依据，成为最强有力的数值分析方法之一。2 1 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。分析完每个单元后，再进行单元组合体组装，形成结构。简言之为“化整为零，积零为整 。根据有限元的基本思想将弹性连续体离散成有限元集合体，建立近似的力学模型，对该模型进行数值计算，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：ku=q(2-1)式中：k - - 结构的整体刚度矩阵；u 节点位移列阵；q 一节点载荷列阵元。离散后单元节点的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己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连结成的离散物体。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合。有限元法与传统的力学方法有很大差别，正是这种差别，使得它更能容易的求解许多传统力学难以求解的问题：( 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小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 ) 易于解决有预应力、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广西大掌硕士掌位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析( 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，可缩短设计试验周期和降低成本。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，并进行各种计算。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。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【7 1 。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愈来愈强。有限元分析的过程如下：( 1 ) 预处理阶段：建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元。假设代表单元物理行为的型函数，即假设代表单元解的近似连续函数。对单元建立方程。将单元组合成结构的问题，构造总体刚度矩阵。应用边界条件、初值条件和负荷。( 2 ) 解决阶段：求解线性或非线性的微分方程组，以得到节点的值，例如得到不同节点的位移量或热传递问题中不同节点的温度值。( 3 ) 后处理阶段：根据所得结果进行结构分析。2 2 有限元法在散装水泥半挂车结构分析中的应用随着汽车行业的发展，计算机辅助工程分析( c a e ) 也渗透到了汽车的研发领域中，为汽车从设计概念到产品验证提供了强有力工具引。而现代计算机技术和有限元理论的不断发展，也为汽车的结构分析提供了便捷有效的设计分析方法。1 9 7 0 年美国宇航局的n a s t r a n 结构分析程序的引入，标志着汽车现代有限元分析的开始。计算机计算速度的提高，大大缩短了计算分析周期，而有限元软件功能的完善又促进了有限元分析在现代8大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析汽车领域的应用。汽车现代有限元分析【9 】包含的内容比较多，包括汽车基本结构的静动态特性分析、噪声以及振动分析等。散装水泥半挂车罐体与车架是复杂的承载结构系统，如果用经典力学方法计算其强度和刚度，或进行动态分析，需要作很多简化和假设，计算过程繁杂且精度不高，而且在计算复杂构件时，需要初步给出结构的几何尺寸，并按照已知的结构载荷工况来进行分析计算。根据计算出的应力、应变修改几何尺寸后再进行分析，如此反复，才有可能选取最佳方案。方案的有效性也必须通过实车试验来检验，周期长，需要的费用多，而使用有限元法对其进行分析就可以避免这些缺点。有限元计算的第一步是结构的模型化，即将实际工程模型离散化为有限元计算模型。模型化的关键是选择合适的单元来模拟结构。单元类型的选择主要考虑结构的受力特性，选择的原则是所选的单元可以使计算的精度高、收敛速度快、计算量小。单元的类型应对结构的几何形状有良好的逼近，要真实反映结构受力状况，单元划分的大小应根据结构问题分析的具体情况，以及计算精度和费用、计算机的内存等因素综合考虑后方可确定。根据工程实践，应按照分析目标( 如强度分析、刚度分析、动力学分析等) 的不同，选取合适的计算模型，先整体后局部、先粗糙后细致的分析方法进行分析。在散装水泥半挂车结构特性分析中，如果只着重于求解结构某方面的特性，可以采用较简单的模型；在求整个半挂车的固有频率时，可以忽略较多的细节问题。可供半挂车结构模型化使用的单元主要有空间梁单元、薄壁梁单元、膜单元以及薄板弯曲单元和壳单元【1 0 】等。有时还用到一些模拟支座或其它复杂结构用的某些特殊单元，如边界元，主从关系元等。在具体选用时，以力求反映车身结构的力学特性为前提，同时尽可能选用简单的单元，使模型既合理，又节约计算时间。因此在分析散装水泥半挂车罐体和车架，可以采用空间板壳单元s h e l l 6 3 来模拟。对汽车结构分析而言，由于有限元分析所建立的模型可以具有与实际结构相一致的几何、材料和力学特性等特点，对实际结构具有“真实 的模拟特性，与单纯的几何仿真有质的区别，有人也称之为“真实的仿真”( r e a l i t ys i m u l a t i o n ) 。现代结构设计方法已从规范设计向分析设计转变，设计者在设计阶段就能从仿真分析中形象地了解各结构在受载后的应力、变形以及动力特性，评估设计质量，寻找最佳的设计方案，使结构设计质量更加合理。最初的有限元软件仅具有少数单元，界面简单、功能有限、分析结果粗略而不直观、0广西大掌硕士掌位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析后处理困难复杂，无法满足汽车设计的实际需要。经过多年的发展，现代有限元软件已今非昔比。它们拥有大量满足建立不同力学模型需要的线性与非线性单元，增加了静态分析、动态分析( 包括模态分析、瞬态动力分析、随机振动等) 、屈曲分析、非大变形分析等功能，大大改善了人机界面，而且计算结果能以直观彩色渲染图形表示。前处理、分析计算和后处理三者达到了一体化。这一切都使得有限元法在设计领域迈入了实用阶段，成为设计人员全面评价结构性能和改进设计不可或缺的有力工具【1 1 1 。i o大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析第三章有限元模型的建立在对物理现象进行有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 之前，首先应该建立其有限元模型。有限元分析( f e a ) 是对物理现象( 几何模型及载荷工况) 的模拟，是对工程实际的数值近似，它的理论基础是有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 。3 1a n s y s 软件的简介a n s y s 软件【1 2 】是由美国的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 公司开发的一款融结构、热、流体、电磁、声场和藕合场分析于一体的c a e 通用有限元分析软件，它主要以有限元理论为基础，可以与许多c a d 软件进行数据的共享和交换，应用领域十分广泛。a n s y s 软件开发初期是为了应用于电力工业，现已广泛应用于机械、航空航天、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等众多领域，能够满足各行业有限元分析的需要，成为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【1 3 1 4 1 。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机技术，领导着有限元界的发展趋势。3 1 1a n 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【1 5 】。( 1 ) 前处理模块：用于创建实体模型及网格划分的模块，用户可以方便地在此模块中构造有限元模型。在前处理模块中提供了1 0 0 种以上的单元类型，可供使用者选择模拟工程中的各种结构和材料。( 2 ) 分析计算模块：用于进行包括结构分析( 线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、热分析、磁分析及流体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：用于对求解所得到的结果进行查看、分析和操作的模块，其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、应力和应变等。但是这个结果只是整个模型在某一时刻的结果。1 1大型散装水泥半挂车改进前后的动态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间( 荷载步) 的变化情况，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、间隙力解等求解数据定义成变量，还可以得到时间历程曲线或数据列表。a n s y s 的基本功能( 与汽车结构分析相关的) 包括结构静力学分析、结构动力学分析和结构非线性分析等。( 1 ) 结构静力学分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静态分析适合求解惯性和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力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：模态分析、瞬间动力学分析、谐响应分析及谱分析。( 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、单元非线性3 种。，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研究。3 1 2a n s y s 进行有限元分析的过程结构分析是有限元分析最常见的一个应用领域，在a n s y s 中的绝大多数单元类型都可用于结构分析。a n s y s 的分析过程非常程式化，整个分析过程均可由计算机实现，它的一般过程是：( 1 ) 明确分析对象和分析目的：有限元分析必须明确分析的对象和分析目的，必须抓住主要矛盾，以达到计算分析目的。一个分析对象有多个分析目的时，可以分成几个计算进行；1 2大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析( 2 ) 确定模型化方案及建模：在建立模型之前，需要依照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，建立几何和有限元模型。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，然后按步骤建模；( 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 ) 在a n s y s 中计算求解：选择合理的求解方法进行求解；( 5 ) 结果处理和分析。3 2 在a n s y s 中建立几何模型3 2 1 几何模型的创建方法建立几何模型1 5 1 7 1 是运用a n s y s 分析问题的第一步，也是非常重要的一步。建立几何模型是指用点、线、面和三维实体等几何元素构筑要分析的物体。模型包括所有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件，以及其他用来表现这个物理系统的特征。在a n s y s 程序中，模型生成一般狭义地指用节点和单元表示空间体域及实际系统连接的生成。创建实体模型的方法有两种：1 用a n s y s 软件建模功能创建实体模型；2 导入在其他c a d 软件系统中已创建的实体模型【1 8 】用a n s y s 前处理器建模功能创建实体模型，包括自下而上的建模方法和自上而下的建模方法。其优点有：对于庞大或复杂的模型，特别是三维几何模型更为适合；便于使用a n s y s 程序的优化设计功能；是适应网格划分所需的；是施加载荷之后进行局部网格细化所要求的；便于几何上的改进和单元类型的改变，不受分析模型的限制；用户可以混合采用自下而上和自上而下两种建模方法。a n s y s 提供了与其他c a d 软件和有限元分析软件的接口程序，用户可以在自己熟悉1 3大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析的c a d 软件中建立几何模型，然后导入a n s y s 中，做适当的修改后转化为有限元模型。利用c a d 软件包建模具有以下两个优点：避免了重复对现有c a d 模型的建立而生成待分析的实体模型；工程师可利用熟悉的工具来建模。但是，将模型从其他c a d 软件系统导入a n s y s 的方法也有缺点：在导入的过程中，模型会发生一些畸变，需要进行修补工作。本文在对散装水泥半挂车进行结构建模时，是直接在a n s y s 中创建的，因为其结构比较复杂，如采用其他c a d 软件建立其几何模型，然后再导入到a n s y s 中，需要做大量的修补工作，加之模型局部网格需要细化，宜采用a n s y s 前处理器几何建模功能来创建模型。3 2 2a n s y s 中建立几何模型时应注意的问题在工程实际中，物体往往拥有着很复杂的机构，此时如果完全按照实体结构来建模，生成的数学模型将变得十分复杂，不仅使生成计算模型的工作量相当巨大，而且也会大大增加计算时间，甚至会导致计算在实际中无法进行。因此在建立几何模型时，为避免使问题变得过于复杂，在满足一定的精度要求条件下，可以对物体结构作适当的简化处理。下面结合l g 9 4 8 0 g f l 型散装水泥车改进前的模型，阐述在建模时如何作简化处理。散装水泥半挂车( 半挂车部分) 是由罐体和车架等组成。罐体是由碳素钢焊接而成，共分为三段，前后罐体截面为圆面，中间过度罐体为变截面。罐体内部由防波隔仓板、滑料板、流化床、滑板支撑板等组成。罐体在外部与垫板、罐体加强环、车架等焊接在一起。车架由横梁、纵梁、斜梁、加强板等组成。为了使计算简单合理，在不影响总体强度和刚度的条件下，对散装水泥车模型作以下简化处理：( 1 ) 在实际应用中，焊接处可按需进行连续或重复焊接，强度总是可以保证，因此在建模时，不考虑焊缝对结构的影响，将焊缝和各部件看作一个连续体：( 2 ) 罐体上端的加料孔、工作平台、焊接小件等并不影响总体强度和刚度，因此在建模时，对它们予以忽略：( 3 ) 散装水泥车由许多厚度不同的钢板焊接而成，且这些钢板很薄，用板壳单元就能很好地进行模拟，因此在建模时，采用曲面模型模拟各钢板；( 4 ) 车架前后端分别支撑在牵引座和吊耳上，牵引座和吊耳均通过钢板弹簧与轮胎连接。由于各支撑并非刚性支撑，所以车架在各支撑处存在位移，势必影响车架其它部大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析分的应力分布。若不考虑支撑处的位移，计算精度无疑会受到影响。在结构分析中，不可避免的要对钢板弹簧及轮胎的刚度进行分析，因为钢板弹簧钢板之间存在间隙，有相对摩擦，且存在大变形问题，分析非常困难；而轮胎作为一个弹性元件，有多种刚度，分析也非常困难。为使分析结果更近于实际，并且简化计算，在建模时用具有相同普通弹簧c o m b i n l 4 单元模拟钢板弹簧和轮胎，从而简化结构分析。下面介绍钢板弹簧及轮胎刚度的等效过程。1 钢板弹簧的刚度的计算车用板簧是由多片等断面钢板组合而成，两端以卷耳作支承，其简化模型如图3 - 1所示。图3 1 车用钢板弹簧的简化模型f i g 3 1t h es i m p l i f i e dm o d e lo f t h es p r i n gf o rv e h i c l e s弹簧刚度的计算公式为：肛等州咖，式中，磊变形增大系数【1 9 1 ：4 2 唔1 51 0 4 ( 1 + 二二- )n - 弹簧总片数；刀，一与主片等长片数：e - 弹性模量，取e = 2 0 6 1 0 5n 肌朋2 ；厶梯形单片弹簧在根部的惯性矩【1 9 1 ，m m 2 。厶= 等，z ( 耐)b 梯形单片弹簧各片宽度，m m ：h - 梯形单片弹簧各片厚度，m m ：1 5( 3 - 1 )( 3 - 2 )( 3 - 3 )厂西大掌硕士掌位论文大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析l 一梯形单片弹簧伸直长度，m m 。散装水泥半挂车中钢板弹簧的各项技术参数如下：( a ) 半挂车钢板弹簧采用正吊装，其结构参数：总片数：7 ；与主片等长片数：3 ；单片厚度( m m ) - 1 4 ；单片宽度( 舳) ：9 0 。( b ) 牵引座处钢板弹簧采用反吊装，其结构参数：总片数：1 2 ；与主片等长片数：2 ；单片厚度( 姗) ：2 0 ；单片宽度( 咖) ：9 0 。当钢板弹簧装上汽车后，由于骑马螺栓的紧固，使得钢板弹簧的有效长度减小，这时钢板弹簧的刚度就会发生变化。因此，在计算钢板弹簧刚度时，应分两部分进行：按全长计算出供生产检验用的刚度；按有效长度( 即减去骑马螺栓间距后的板簧长度) 计算钢板弹簧的实际刚度 2 0 l 。该牵引车的板簧为对称式板簧，半挂车板簧为非对称式板簧。计算对称式板簧的刚度，直接用公式( 3 - 1 ) 至( 3 - 3 ) 计算即可；计算非对称式板簧的刚度，则需用公式分别计算板簧的左、右边刚度。将有关数据代入式( 3 - 1 ) 至( 3 - 3 ) ，求得各板簧的实际刚度列于表3 - 1 ：表3 1 ：板簧的实际刚度位置有效半长，( m m )板簧刚度c ( n m m )牵引车5 8 51 2 3 2 7 8 0，轴应( f = i ，i i ，i i i )，右( 汪i ，i i ，i i i )c 轴往o = i ，i i ，i i i )c 轴堵( f = i ，i i ，i i i )轴i4 0 55 6 52 0 1 3 2 77 4 1 5 2轴i i5 5 55 6 57 8 2 3 37 4 1 5 2轴5 5 54 0 57 8 2 3 32 0 1 3 2 7注：1 车轴系指半挂车车轴，轴序由前至后依次排定；2 半挂车板簧为非对称式，故表中有左右等效半长和板簧刚度之分。2 轮胎刚度计算轮胎的径向刚度计算公式【2 1 1 为：c ，= 等式中，一轮胎上的载荷；万一轮胎变形量。根据匈牙利学者g k o m a n d i 提出了轮胎变形经验公式【2 2 】为：汹，南k批q 可虿呵万k1 6( 3 - 4 )( 3 - 5 )大型散装水泥半挂车改进前后的动态分析式中，q 一与轮胎设计有关的参数，斜交轮胎的c l = 1 1 5 ，子午轮胎的c l = 1 5 ；k ：1 5 x1 0 一b o + o 4 2 ：鼠一轮胎宽度，c m ；d 一轮胎直径，a m ；b 一轮胎的充气压力。散装水泥半挂车中轮胎的技术参数如下：轮胎型号一1 2 o o r 2 0 ，1 8 层级加