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中型载货汽车车架有限元静力学分析开题报告.doc

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关键词：: 中型载货汽车车架有限元静力学分析 cad图纸

资源描述：

中型载货汽车车架有限元静力学分析

48页 22000字数+说明书+任务书+开题报告+1张CAD图纸【详情如下】

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摘要

汽车车架作为汽车关键的承载部件，它将发动机和车身等总成连成一个有机的整体，承受着来自道路及各种复杂载荷的作用，而且汽车上许多重要总成都是以车架为载体，因此设计出重量轻且各方面性能达到要求的车架结构是一项重要工作。传统的车架结构设计是采用类比的思想进行经验设计，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。设计出的车架结构除了个别部位的应力水平比较高外，大部分部位的应力水平较低。因此，有必要采用有限元法对车架结构进行优化设计，以降低车架的重量，减少汽车的制造成本，提高市场竞争力。

本文以解放J4R中型载货汽车车架为研究对象，在现有CAD图纸的情况下进行简化，通过对ANSYS软件的学习，以Pro/E软件创建车架实体模型，对车架的静力以及模态进行了分析。得到一些有益的结论，并掌握了一般静力分析中的网格划分、约束加载、分析求解等过程进行了认真的学习，为车架的设计和改进提供了指导作用。

关键词：中型载货汽车；车架；ANSYS；静力分析；模态分析

ABSTRACT

As an important component, frame carrying the whole vehicle, such as assembly, take the engine and body together into an organic whole,endure the loads from the road and many kind of complex loads, and many important assemblys are based on frame,use the frame as a vector. So design a lightweight and all aspects of performance to meet the requirements of the frame structure is an important work. The frame structure of traditional design is the idea of ??experience with analog design, this methed caused two problems: First, simplify the calculation accuracy of the frame is not enough to ensure the strength and stiffness requirements of leaving the frame design is too safe, resulting the frame structure designed overweight. Second is caused by separation of design and calculation of the frame, the frame is not conducive to raising the level of the designer's design. In addition to the frame structure designed for individual parts of the stress level is relatively high, most parts of the stress level low. Therefore, it is necessary to use finite element method to optimize the design of the frame structure to reduce the chassis weight, reduce vehicle manufacturing costs, improve market competitiveness.

In this paper, use FAW J4R medium truck frame for the study, in study of ANSYS software ,and use Pro / E software to create solid models of the static frame and the mode were analyzed. Get some useful conclusions, and mastery of the general process of static analysis for improved frame design and provide guidance.

Key words: MediumTruck ;Frame;ANSYS; Static Analysis; Modal Analysis

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 选题的背景1

1.2 选题的目的1

1.3 选题的意义1

1.4 研究现状2

1.5 课题主要内容4

第2章有限元基础及ANSYS软件介绍5

2.1 有限元分析简介5

2.2 有限元方法的基本求解过程6

2.3 有限元分析的误差及建模准则7

2.4有限元分析软件ANSYS简介9

2.4.1 ANSYS的发展概述9

2.4.2 典型的ANSYS分析过程10

2.4.3 ANSYS的主要功能11

2.4.4 ANSYS的主要特点12

2.4.4 ANSYS软件提供的分析类型13

2.5 本章小结14

第3章车架有限元模型的建立15

3.1 车架的实体建模15

3.1.1 Pro/E软件简介15

3.1.2 Pro/E软件基本功能16

3.1.3 几何建模的简化16

3.2 应用Pro/E软件三维几何模型的建立18

3.3 应用ANSYS软件对车架模型进行网格划分19

3.4 实体单元Solid 45的简介21

3.5 本章小结24

第4章车架有限元的静力级模态分析25

4.1 车架静力分析25

4.1.1 车架受力情况25

4.1.2车架结构静力分析及约束处理26

4.2 车架模态分析33

4.2.1 结构动力性能分析方程34

4.2.2 车架结构模态分析34

4.2.3 分析结果41

4.3 本章小结41

结论42

参考文献43

致谢44

附录45

第1章绪论

1.1 选题的背景

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，承受着来自道路及各种复杂载荷的作用，而且汽车上许多重要总成都是以车架为载体，因此设计出重量轻且各方面性能达到要求的车架结构是一项重要工作。传统的车架结构设计是采用类比的思想进行经验设计，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。设计出的车架结构除了个别部位的应力水平比较高外，大部分部位的应力水平较低。因此，有必要采用有限元法对车架结构进行优化设计，以降低车架的重量，减少汽车的制造成本，提高市场竞争力。

1.2 选题的目的

通过本文的研究，预计达到以下目的：

（1）将有限元技术应用于中型载货汽车车架设计做好基础性工作。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

1.3 选题的意义

（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，有限元法正好能够解决这一问题。

（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。

（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。

结论

车架是汽车的基础，其不仅要固定汽车大部分部件的位置，而且还要承载车内外的各种载荷，不合理的车架结构不仅会带来安全隐患，而且还会对汽车的性能造成很大的影响。而设计和改进车架要以车架的承载特性作为基础，因此，深入研究和分析车架特性具有比较重要的意义。而采用CAD／CAE技术，不仅可以节约设计成本，而且还可以有效提高设计质量。本课题以农用货车的车架作为研究对象，在利用ProE软件进行实体建模后，利用CAE软件ANSYS，对车架进行了静态、模态以及动态响应分析。

通过对解放CA1093长头载货汽车车架进行静态分析、分别对车辆在满载情况下弯曲、扭转、紧急制动和急转弯四种工况进行分析，得出了车辆在四种工况下的的位移及应力分布图，对车辆的基本运动形态和可能遇到的情况进行了模拟分析，对车架的应力集中和各部位的受力进行了模拟，为车架的设计以及车架的改进提供了有力的理论基础。动态有限元分析，也是对车架安全性的进一步分析，得出的频率与发动机的怠速频率、爆发频率、路面的垂直振动均没有发生共振，说明车架是安全的。

运用ANSYS对车架结构的静、动态特性进行了分析研究，并对分析过程步骤进行了规范化。通过分析，掌握了车架结构的特性，对车架结构进行了评价。为以后的工作中对汽车零部件的分析打下了良好的理论及方法基础。

参考文献

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内容简介：: 毕业设计(论文)开题报告设计（论文）题目:中型载货汽车车架有限元静力学分析院系名称: 汽车与交通工程学院专业班级: 车辆工程07-1班学生姓名: 导师姓名: 开题时间: 2011年3月11日指导委员会审查意见：签字：年月日毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程07-1 班指导教师姓名职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称中型载货汽车车架有限元静力学分析一、课题研究现状、选题目的和意义1.研究现状有限元法是当今工程分析中获得广泛应用的数值计算法。有于他的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机的快速发展，现已成为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：（1）增加产品和工程的可靠性；（2）在产品的设计阶段发现潜在的问题；（3）经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；（4）缩短产品投向市场的时间；（5）模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。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。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。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。国外大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在车架设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构设计数据库、设计改正记录和设计规范。目前应用于车架开发上比较成熟的方面主要有：刚度、强度分析(应用于整车、大小总成与零部件分析以实现轻量化设计)，NVH分析(各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等)、机构运动分析等；建立在分析和实验基础上的种优化方法为车架设计提供了多种实用的选择方案，使车架设计从经验设计到优化设计跨出了一大步。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：（1）与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。（2）更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。（3）由求解线性问题发展到求解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，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。（4）由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，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于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。（5）程序面向用户的开放性随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。2.选题目的通过本文的研究，预计达到以下目的：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。3.选题意义（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丌发、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，有限元法正好能够解决这一问题。（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。（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。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。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题设计内容：1.选题的背景、目的及意义；2.Pro/E、ANSYS软件研究；3.车架设计的方法步骤研究；4.用Pro/E软件建立车架整体模型，然后导入ANSYS软件进行网络划分；5.假定汽车满载情况下，对车架进行弯曲、扭转、紧急刹车、急转弯四种工况下的受力和变形情况的静态有限元分析。拟解决的主要问题：1. ANSYS软件的学习；2.车架有限元模型的建立；3.对车架的静态特性（弯曲工况、扭转工况、制动工况、转弯工况）进行研究；三、技术路线（研究方法）车架结构分析确定有限元模型方案模型方案车架CAD模型建立有限元模型的建立静态分析结果比较修改方案完成设计四、进度安排（1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告第12周（2.283.11）（2）整理资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、熟悉Pro/E、ANSYS软件的使用第35周（3.144.1）（3）理论联系实际分析问题、解决问题，使用Pro/E、ANSYS软件完成中型载货汽车车架的三维设计、强度分析等部分设计内容，中期检查第68周（4.44.22）（4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改第912周(4.255.20)（5）评阅教师评阅、学生修改第13周（5.235.27）（6）毕业设计预答辩第14周（5.306.3）（7）毕业设计修改第1516周（6.66.17）（8）毕业设计答辩第17周（6.206.24）五、参考文献l羊拯民汽车车身设计M北京：机械工业出版社2008102谭继锦，张代胜汽车结构有限元分析M北京：清华大学出版社.20093 陈家瑞.汽车构造M.北京：机械工业出版社，2009.24 贾广田，越野车车架有限元分析及结构优化设计：D，哈尔滨：哈尔滨工业大学，20045 张洪信.有限元基础理论与ANSYS应用M.北京：机械工业出版社.20066 冯国胜，杨绍普车辆现代设计方法M北京：科学出版社20057 张朝晖ANSYS80结构分析及实例解析M北京：机械上业出版社2005 8 钟日铭.Pro/ENGINEER Wildfire4.0中文版工业设计手册M.北京：人民邮电出版社，2008.129 成大仙机械设计手册M北京：化学工业出版社，200410 廖日东，王健等有限元技术在载货车辆车架分析中的应用化J车辆与动力技术2006，1 02(2)：54-5911 李波某载货车车架结构分析与优化设计D安徽：合肥工业大学200912何丽君.基于有限元法的重型载货车车架轻量化研究D. 安徽：合肥工业大学201013 李正网. 基于ANSYS的重型货车车架结构分析和优

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