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发动机悬置有限元分析目录一、 有限元分析简介21. 有限元分析的概念22. 有限元分析的意义23. 有限元分析的基本步骤34. 有限元分析软件3二、 橡胶减震弹簧结构分析4三、 橡胶减震弹簧有限元分析实践51. 三维模型的建立52. 模型的导入63. 模型的离散84. 模型特征参数和扰动参数的定义115. 执行有限元分析计算196. 结果分析与处理20一、 有限元分析简介1. 有限元分析的概念有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的或非线性的问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元方法进行分析解决。工程问题一般是物理情况的数学模型，包括边界条件、特征参数和扰动参数。可能的情况下，由给定的条件可以得到系统的精确行为。在许多实际工程问题中，由于控制微风方程组的复杂性或边界条件和初值条件的难以确定性，我们一般不能得到系统的精确解。为解决这个问题，我们需要借助于数值方法来近似。解析解表明了系统在任何点上的精确行为，而数值解只在称为节点的离散点上近似于解析解。任何数值解法的第一步都是离散化。这一过程将系统分为一些子区域和节点。数值解法可以分为两大类：有限差分法和有限元方法。有限差分法难以解决带有复杂几何条件和复杂边界条件的问题。有限元方法使用公式方法而不是微分方法来建立系统的代数方程组，并假设代表每个元素的近似函数是连续的，通过结合各单独的解产生系统的完全解。2. 有限元分析的意义验证一个系统的优劣，可以通过试验检验。对于设计人员来说，设计对象的结果往往是非常复杂和多样的，难以建立实际模型逐一验证其性能。这时，可以运用有限元分析软件，用有限元方法对其进行理论的计算，检验其是否满足设计要求。有限元分析的优点在于：解决试验难以模拟的情况下的问题；节省试验成本；缩短验证时间，提高开发效率。3. 有限元分析的基本步骤预处理阶段：（1）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。（2）假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数。（3）对单元建立方程。（4）将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵。（5）应用边界条件、初值条件和负荷。解决阶段：（6）求解线性或非线性的微分方程组，以得到节点的值。后处理阶段：（7）得到其他重要的信息。4. 有限元分析软件 目前，功能最强大、应用范围最广泛的有限元分析软件应当是ANSYS。除此之外，还有MSC.Marc等有限元分析软件。MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件，体现了近40年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性和非线性构分析，包括线性非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静动力接触、屈曲失稳、失效和破坏分析等。二、橡胶减震弹簧结构分析 橡胶减震弹簧在悬架系统中是一个非常重要的结构件，该部件受力较大，并且受力情况比较复杂。所以对动静刚度有较严格的要求，如果性能参数设置不合理将严重降低整车的平顺性能和安全性，故必须对其进行刚度和强度分析。它下部通过一组螺栓与车桥连接，上部通过螺栓与车架连接，从四个点支撑车架。正常行驶时能够有效衰减因路面颠簸产生的振动。单个件要满足按实际安装位置承载30-80KN时的垂向静刚度为9.36（115%)KN/mm。其结构形式如图1所示：图1：橡胶减震弹簧结构形式 三、发动机悬置有限元分析实践1 二维图纸的前期处理公司统一采用浩辰CAD作为二维绘图软件。绘图过程中应采用公制单位，按1:1的比例，精确绘制。有限元分析中，有以下几种特征会对离散过程或者分析结果产生不良影响，因此在绘图过程中要对其进行必要的处理。第一种：小的圆角、倒角（一般小于5mm）。这种特征在实际工况下的确有可能产生一定程度的应力集中，但在有限元分析中更多的是产生虚假最大应力点，影响人们的判断，因此一定要删除。这样做不但可以提高分析结果的可信度，而且可以节省计算时间（在其它条件相同的情况下，特征越多，模型越复杂，则计算所需时间越多）。第二种：大的圆角、倒角（一般大于10mm，大和小的划分没有严格的界限，应视零件大小和结构而定）。对于这种特征，建议保留，以减小应力集中。也可以先删除，如果计算结果不满足强度要求，则再加上，看是否对应力有所改善。第三种：小的凸台。对于这种特征，有两种处理方法：删除或者加高。小的凸台往往是在主体结构已经满足强度要求的情况下，出于工艺需要（如减小加工面、便于装配等）而设立的。设计上应该保证在其不存在的情况下也满足强度要求。因此删除后进行有限元分析是合理的。如果加高，则有可能提高零件的强度，即便这时的分析结果满足设计要求，那么在实际工况下则有可能失效。第四种：重复、多余的几何元素，为了顺利的进行网格划分应该将这些无效的元素删除。另外，同一特征部分的几何元素应该构成一个独立的封闭区域。图形的中心移动到原点位置可以为后边的计算省掉很多不必要的麻烦。为了便于计算，我们将该结构橡胶减震弹簧简化如图2所示：图（2）2 DXF格式文件的导入公司统一采用MARC作为有限元分析软件。本文用MARC2003对发动机悬置进行有限元分析。浩辰CAD模型文件格式“*.dxf”可以被MARC2003 直接识别，也就是说它们之间是无缝接口，非常方便。应该注意的是：MARC是英文版的，它不能识别中文目录。打开MARC软件，选择FILES-CURRENT DIRECTORY对话框设置工作目录，如图3所示：图3：MARC的FILES对话框点击IMPORT选择要导入的文件类型，将图2中处理过的二维图导入MARC中。导入后的二维图如图4所示：图4：导入后的二维图3 平面单元的网格化 首先我们用MESH GENERATION -AUTOMESH-CURVE DIVISIONS对二维图中的线段进行分割即安置“种子点”。然后用MESH GENERATION -AUTOMESH-2D PLANAR MESHING 对分割好的线段进行网格化。网格到底应该划分为多大才算合适，这也没有具体的规定，应视模型的大小和结构而定。常用的原则是：最小的特征上至少要有一排网格。通常用40的比例就可以了。一般来说，网格划分得越细小，计算精度越高，但计算时间也越长。我们首先对橡胶部分进行网格化处理，处理后的模型如下图所示：图5：橡胶部分的网格化处理4、 定义材质选用MATERIAL PROPERTIES命令进行材质定义。我们将橡胶部分命名为RUBBER，该减震橡胶弹簧的橡胶硬度为655度。通过查表可知该硬度橡胶的参数为C10:0.443 C01:0.111 材质定义界面如下图所示：图6：橡胶部分的材质定义。依照上述步骤对该橡胶减震弹簧的金属部分进行处理。金属部分材质假定为普通铸钢。普通铸钢的弹性模量为1.722.02e5，我们选用1.85e5，泊松比为0.3.定义完材质后的模型如下图所示：图7：完全定义材质的模型。4 对模型进行旋转，成型出三维模型。旋转操作后的三维模型如下图所示：图8：旋转完成的三维模型。5、定义接触。使用CONTACT-CONTACT BODIES命令定义接触体，对金属和橡胶部分都选择DEFORMABLE接触体类型。定义的各个接触体如下图所示：图9：定义的各个接触体。使用CONTACT-CONTACT TABLES对所定义的接触体定义接触TABLES.如下图所示： 图10：CONTACT TABLES。6、 定义接触。使用BOUNDARY CONDITIONS 定义边界条件，选择边界条件类型为MECHANICAL,定义约束FIXED DISPLACEMENT和点载荷POINT LOAD.边界条件如下图所示： 图11：约束条件。图12：约束和载荷。7、 定义载荷工况。使用LOADCASES命令进行载荷工况定义，选择载荷工况类型为MECHANICAL-STATIC.设置总工况时间和计算步数。如下图13：图13：总工况时间和计算步数设置。点击CONTACT选择已经设定好的CONTACT TABLE:ctable1.如下图14：图14：选择接触TABLES。8、定义作业参数并提交运行。选用JOBS命令，选择作业类型为MECHANICAL,选择要进行运算的载荷工况lcase1.如下图所示：图15：定义作业参数定义初始载荷,我们定义初始载荷只有FIXED,如下图所示：图16：初始载荷定义选择需要的分析结果,只选择我们需要的分析结果，这样可以加快计算的速度。如下图所示：图17：分析结果选择9、 定义单元类型。使用ELEMENT TYES命令，选择单元类型MECHANICAL-3-D SOLID-HEX 84,将该单元类型赋予橡胶部分。金属部分不需要手工赋单元类型。定义好的单元类型如下图所示：图17：赋予的单元类型选择RUN命令提交运行,命令流如下：RUN-SUBMIT(1)-MONITOR.10、分析结果的后处理。选择RESULTS-OPEN DEFAULT命令，打开分析结果。选中DEF&ORIG 和CONTOR BANDS,在SCALAR子菜单中选中DISPLACEMENT Y 选项。点击MONITOR按钮监视模型变化。如下图所示：图18：模型的变形情况。选用HISTORY PLOT命令计算出模型上某一点的力与位移的关系曲线。命令流如下：SET NODES-(SELECT A NODE ON THE TOP IRON PLATE)-COLLECT GLOBAL DATE-NODES/VARIABLES-ADD 1-NODE CURVE-(SELECT THE NODE