基于MxSim的车辆结构有限元分析 课件 第四章 车辆结构静力学分析

第四章：车辆结构静力学分析《基于MxSim的车辆结构有限元分析

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结构静力分析是结构设计和强度校核的基础，主要目标是在固定载荷的作用下计算结构的响应，包括位移、应力、应变、力，同时考虑定常加速度引起的平衡惯性载荷。该分析方法不考虑惯性和阻尼的影响，假设载荷和结构的响应变化非常缓慢。在结构静力分析中，假设结构中的工作应力小于结构材料的屈服应力，应力-应变关系服从胡克定律，呈线性关系；同时，假设结构的变形（位移）相对于结构的整体尺寸来说很小，因此可以采用线性方程进行计算。从应用的角度来看，结构的静力分析通常是评估许多结构设计问题的有效方法。

在车辆结构设计中，静力分析被广泛应用，如对车架和车桥的强度与刚度进行分析，对轴类零件和传动零件进行强度校核等。效果预览图1效果预览图24.1 静力分析概述定义：静力学（Statics）是研究物体平衡或力系平衡规律的力学分支。平衡指的是物体相对于惯性参考系（通常为地球）处于静止或匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态。静力学一词由法国数学家、力学家皮埃尔·伐里农于1725年引入。（1）研究如何将复杂的力系简化为简单的力系，以便于分析。（2）等效力系与合力的概念，即如果两个力系分别作用于刚体时产生的外效应相同，则称这两个力系是等效力系。力系的简化与等效（1）平衡：物体相对于惯性参考系保持静止或匀速直线运动的状态。（2）

刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。（3）

力的外效应与内效应：外效应指力使物体整体运动状态发生变化；内效应指力使物体内部形状发生变化。静力学主要研究外效应。（4）静力学公理：包括二力平衡公理、加减平衡力系公理、力的平行四边形法则、作用与反作用定律、刚化公理等。

内容（1/2）基本概念和公理4.1 静力分析概述（1）分析物体在力系作用下的受力情况，包括主动力和约束力。（2）绘制受力图，明确标示出所有作用在物体上的力。物体受力分析3（1）建立平衡条件，如二力平衡条件、三力平衡汇交定理等。

（2）用数学方程表示平衡条件，构成平衡方程，用于求解未知力。平衡条件与平衡方程44.1 静力分析概述应用：静力学在工程技术中有着广泛的应用，包括但不限于：汽车工程用于汽车的设计、性能研究、悬挂系统和制动系统的设计，提高汽车的稳定性和安全性。航空航天工程在飞行器的设计和性能分析中，应用静力学原理确定合适的构造和材料，确保飞行器的稳定性和安全性。土木工程在土木结构的设计和施工中，通过受力分析，确保结构的稳定和安全。机械工程设计机械组件和机械系统时，分析力的平衡条件，确定各部件之间的受力关系，设计出稳定和可靠的机械系统。建筑结构设计通过静力学分析，计算建筑物的受力分布和结构的承载能力，确保结构的安全性和稳定性。静力学主要用于分析固定载荷作用下的结构响应，不考虑系统的惯性及阻尼，其中线性静力学是静力学中最基础的一类问题。在线性静力分析中必须满足以下三个假设条件。4.1 静力分析概述1、小变形在线性静力分析中，系统发生的变形相对于系统整体尺寸非常小，变形并不

显著影响整个系统的刚度。3、固定裁荷线性静力学问题中假设载荷和约束并不随时间发生变化，载荷的加载过程是一个非常均匀缓慢的过程。2、线性材料线性静力学问题考虑的是材料在弹性变形阶段的行为，即满足应力与应变成正比关系。只有满足上述三个基本假设才属于常见的线性静力学问题，线性静力学比较关注系统的支反力、变形和应力大小。4.2 实例分析－工字梁结构静力学分析4.2.1 实例描述

工字型钢梁作为土木建筑中最为常见的一种钢梁结构，被广泛应用在房屋建筑、钢铁管道铺设等民用设施行业中。对于工字梁钢架结构，通常都需要对钢梁的应力及挠度进行分析。

本案例通过MxSim有限元软件对此材料力学的问题进行了分析，相比利用材料力学知识的理论计算，不仅结果计算准确简洁还能将结果可视化呈现，这也是本文采用MxSim仿真分析的一大优势。本实训的目的是使学生学会掌握MxSim在三维实体建模方面的一些技术，并深刻体会MxSim软件在网格划分方面的强大功能。4.2 实例分析－工字梁结构静力学分析4.2.2 分析步骤创建完成的工字梁轮廓几何线创建完成的工字梁横截面创建完成的工字梁几何实体1.创建几何模型

2.网格网格剖分

3.材料定义

4.截面属性的创建与赋予

5.单元类型的定义与关联

6.创建分析工况

7.施加载荷

8.施加边界条件

9.创建输出

10.提交计算任务

11.后处理4.3 实例分析－某汽车前桥转向节的结构静力学分析4.3.1 实例描述转向节是汽车底盘部分重要的受力零部件，承担着转向和承载的双重任务，是汽车中结构较为复杂的零件，它的机械性能和可靠性直接关系到汽车的安全性能。在汽车行驶过程中，它不仅承受前轴负载，在车辆转向、制动时还要承受条件恶劣的载荷作用，因此其在强度、抗冲击性方面都有很高要求。为保证行车安全，对转向节进行强度分析十分重要，一般要进行侧滑工况、不平路面工况、紧急制动工况等计算。

本实例对汽车的典型转向节零件建立仿真模型，模拟紧急制动的特定工况，对结构进行静力分析转向节与节臂的连接转向节安装位置4.3 实例分析－某汽车前桥转向节的结构静力学分析4.3.2 操作步骤1.导入几何模型2.网格剖分1）几何清理详细设置2）网格剖分详细设置3.材料定义4.截面属性的创建与赋予5.单元类型的定义与关联6.创建分析工况7.施加载荷1）创建加载的柔性连接点2）施加集中力8.施加边界条件1）创建边界条件施加的刚性连接2）创建边界条件9.创建计算任务10.后处理汽车前桥转向节模型创建制动工况位移与应力云图4.4 实例分析－某汽车白车身的弯曲和扭转刚度分析（1）弯曲刚度是指在车身受到外部力作用时，车身产生弯曲变形的能力。弯曲刚度的高低直接影响到车身的刚性和稳定性，高弯曲刚度可以提高车身的稳定性和操控性能，减少车身的变形和振动，提高乘坐舒适性和行驶稳定性。（2）

扭转刚度是指在车身受到扭转力作用时，车身产生扭转变形的能力。扭转刚度的高低直接影响到车身的扭转刚性和操控性能，高扭转刚度可以提高车身的操控性和稳定性，减少车身的扭转变形和振动，提高行驶的稳定性和安全性。在汽车设计制造过程中，车身刚度是其中最重要的一个设计指标之一，车身刚度直接影响到车辆的安全性、舒适性和性能。车身刚度主要分为整体刚度和局部刚度，而车身弯曲及扭转刚度设计是车身