【《新能源大客车车骨架有限元模型建立分析案例》3800字】

新能源大客车车骨架有限元模型建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22322新能源大客车车骨架有限元模型建立分析案例 1297521.1有限元法理论 1165981.1.1有限元法基本思想 1109091.1.2有限元分析计算实质 236621.2新能源大客车车架有限元模型的建立 441841.2.1新能源大客车三维模型的简化 446911.2.2新能源大客车三维模型的建立 414811.2.3建立新能源大客车有限元模型 7不同于小轿车车骨架，大客车车骨架大多由杆类零件所构成，所以为了简化模型，减少计算机运算负担，降低运算时长，本优化车架建模时均将采用杆状支架进行建模。观察车架图纸，此款车架基本呈对称排列，并且杆件的位置也有规律可循，所以将采用APDL语言直接在ANSYS软件内部进行建模，大大缩短了建模周期，使得后期有限元分析工作更加便捷。对建好的三维模型再通过有限元软件进行网格划分，即完成新能源大客车车骨架有限元模型的建立。1.1有限元法理论1.1.1有限元法基本思想有限元法最初是随着电子计算机的发展而发展起来的一种计算方法，50年代首先应用在航空航天领域来分析飞机结构静力学特性与动态特性，历经半个世纪的发展，有限元分析技术随后又很快的应用到各个领域之中，并且衍生出许多其他门类的分析模块用于解决各类连续性问题例如：求解热传导、电磁场、流体力学等，所以说有限元法是将计算机科学作为工具，以数学和力学作为理论基础，把连续得物体进行离散化，从而对其进行近似数值计算的一种分析方法[20]。随着有限元分析技术的发展，如今利用有限元分析来模拟实际试验情况的误差已十分小。目前在汽车领域有限元分析法已得以广泛应。在汽车领域，利用有限元分析法贯穿于从客车车身结构概念设计到最终的产品成型，应用有限元分析法进行模拟分析不仅可以缩短车辆的研发周期，而且还可以降低车辆的研发成本。有限元基本思想就是把一个连续物体分割成有限数目的小单元，这些小单元之间通过节点建立相互之间的关系，通过研究这些一个个小单元组成的集合来代替原本的连续体，再通过各种施加在结点上的等效力来代替实际作用在单元体上的力，选择一个简单的函数来近似表示各节点位移分量的分布规律，从而建立各节点与位移之间的关系，用近似值来代替传统计算方法得精确值。有限元法相较于传统计算方法不同之处如图1.1。图1.1有限元法与经典解析法对比图有限元思想的实质，就是把自由度为无限的连续体，理想化为有限自由度的单元集合体，使问题简化成适合数值解法的类型。1.1.2有限元分析计算实质有限元分析的基本思想包括物体离散化，单元特性分析，构成单元组集以及求解未知节点位移，具体步骤如下：(1)物体离散化：概括来说就是将一个连续体通过网格的划分，划分成一个个通过各自节点相互联系的微小单元体。网格划分的越密，网格质量越好，划分出的结点越多，计算规模越大，分析得出的结论也就越精确，但是限于目前计算机算力水平，选择合适的网格密度也十分重要，一般情况下单元尺寸不得小于物体最小尺寸的五分之一。(2)单元特性分析：物体离散化后，通过单元内节点的位移通过插值来获得单元内各点的位移，通常建立如下函数关系：fe=式中：feδeN将(1.1)式代入几何方程可推导出用单元节点位移表示的单元应变表达式：ε=B式中：ε——单元内任一点应变列阵；B——单元应变矩阵；由弹性理论假设可知，单元的应力与应变成正比，得到物理方程：σ=D式中：σ——单元内任一点应力列阵；D——单元的弹性矩阵；再将(1.2)式代入物理方程(1.3)中，可导出用单元结点位移列阵表示的单元应力表达式：σ=D最后利用弹性体的虚功方程建立单元节点力阵与节点位移列阵之间的关系，即形成单元的刚度方程式：Re=式中：ke=(3)整体分析：通过单元特性分析来集合成总体，通过单元刚度矩阵得到整体刚度矩阵，用直接刚度法将单刚组集成总纲。Kδ=式中：K——总体刚度矩阵；δ——总体结点位移；R——总体载荷列阵；(4)求解数值：考虑整体结构的约束情况，将已知条件代入上述方程，解此方程组即可求出单元节点应力以及单元节点位移。1.2新能源大客车车架有限元模型的建立根据现有图纸，首先建立大客车车架的三维模型，由于大客车车架模型较为复杂，若完整建模并直接导入有限元分析软件当中进行分析，会严重增加计算机运行负担，增加有限元分析周期。为提高计算机运行效率，需要首先对大客车三维模型进行简化，再进行网格的划分以及有限元分析。1.2.1新能源大客车三维模型的简化（1）车骨架整体结构的简化在大客车车骨架的建模当中会出现一些和之后的车骨架强度分析影响不大的零部件，例如车内扶手，乘客以及驾驶员座椅，前后车门，前后以及侧边挡风玻璃和一些装饰性零部件等，考虑到计算机的运算工作量，这些与实际车骨架强度分析影响不大的零部件在建模当中可以省略，并且需要使用相应位置的载荷进行零件的替换，实现对车骨架三维模型的初步简化。（2）车骨架内部细节的简化车骨架建模中的一些细节也会影响计算机运算工作量，例如在实际模型当中，一些杆件会进行打孔达到减少车身重量的作用，但是这些小孔在有限元模型的建立当中会增加一定的工作量，并且会影响网格划分的质量，进而影响最终有限元分析的精度。鉴于这些小孔一般会打在受力较小的杆件当中，只起到减轻车身重量的作用，对实际的车骨架强度几乎没有影响，所以在车骨架建模当中需要忽略此类小孔的建模。（3）有限元单元类型的简化在有限元分析前，首先需要定义单元类型，常见的有梁单元，壳单元和三维实体单元，而若是不同单元类型之间相互组合和连接可能会出现不同自由度的单元类型相连接，比如梁单元有六个自由度而三维实体单元则只有三个自由度，这两个单元在相互连接时需要进行特殊的MPC处理，这样则大大增加了计算机计算工作量，降低了运行效率。此类情况会发生在客车悬架与车身骨架连接的部分，和客车蒙皮与车身骨架的连接部分，所以在进行客车骨架的建模中，将采取统一的梁单元进行建模，省略对整体分析影响不大的蒙皮结构，并用相应的约束以及载荷来代替客车悬架的效果。1.2.2新能源大客车三维模型的建立本大客车模型的建立将基于ANSYS软件的建模模块，在ANSYS软件当中模型的建立大体上说有两种模式，第一种是GUI操作通过软件的模型绘制模块直接进行模型的建立，另一种则是通过软件内部的APDL编程语言对模型进行建立，两种建模方式各有特点，各有适合的场合，通过观察图纸，本客车骨架的三维模型的建立将通过后者来实现。APDL编程语言简介APDL全称ANSYSParametricDesignLanguage，是一种在ANSYSMechanicalAPDL环境下的参数化设计语言，实质为一种脚本语言。通过APDL编程编程语言编写的命令流可以对模型进行建模以及分析。（2）APDL编程语言的优势相比于传统的直接通过软件自带的建模模块进行建模的方式，本此大客车有限元分析通过APDL编程语言进行建模有以下优势：①可以对模型进行参数化设计，为之后改变模型约束条件，施加载荷，重新定义截面形状，改变材料参数等设计内容提供便利。②对于较为规则的结构而言，使用APDL编程更为方便快捷，缩短建模周期。③在修改模型方面，相较于GUI操作会出现的牵一发而动全身情况，使用APDL编程不但更快的找出问题之处，还可以更加方便的修改模型，为的模型优化提供了便利。（3）利用APDL编程语言建立三维模型①在编程之前首先需要定义大客车总长、总宽和总高等基础参数，可以方便只有的找点工作。参数设置大致如图1.2。图1.2参数设置图②由于该模型大致为左右对称结构，所以在建模过程中先对模型的一边进行建立，再通过映射完成另一半的模型，最后进行细节部分的补充与删减。所以先通过建立模型一边的关键点，在进行连线，命令流设置示意如图1.3图1.3框架建立示意图③根据现有图纸，使用APDL语言，最终通过三百余行命令流，逐步完成了客车车骨架一侧的建模工作，因为限于篇幅限制，在这只截取部分命令流内容，对于一些有规律的网状结构可采用循环语句对其进行建模如图1.4；对于一些细节处理，如圆角操作可使用相应的命令流进行编辑如图1.5；一侧车架建立结果如图1.6。图1.4网状结构命令流图1.5倒圆角命令流图1.6一侧车架结果图④通过对称命令流和合并重叠节点命令流如图1.7建立客车模型的另一侧。最后再进行两边的修改与补充，最终客车车骨架模型如图1.8。图1.7映射与合并节点命令流图1.8客车车骨架三维模型图1.2.3建立新能源大客车有限元模型（1）选择单元类型通过之前模型的简化，简化后的模型均为矩形管件，所以在单元类型的选择上面，以尽可能简化计算量为目的，本模型在单元类型的选择方面，选择Beam188单元。（2）选择材料经了解本车架全部采用的材料为Q345结构钢，其结构钢的材料参数如表1.1。表1.1结构钢材料参数结构钢牌号弹性模量（Gpa）泊松比密度（Kg/m3）屈服极限（Mpa）Q3452100.37850345对模型的材料通过APDL编程语言进行定义如图1.9。图1.9定义材料参数（3）选择截面形状通过之前模型的简化，简化后的模型均为矩形管件，其主要截面尺寸为：50×50×2mm、60×50×2mm、40×40×2mm。首先对不同截面进行定义如图1.10，再选取不同区域的直线进行截面的定义