平衡车静力学仿真分析及其结构优化

平衡车静力学仿真分析及其结构优化平衡车静力学仿真分析及其结构优化Staticsimulationanalysisandstructureoptimizationofbalancevehicle绪论(1)课题的研究目的与意义平衡车是目前比较流行的代步工具、娱乐运动工具，当其结构受到较大重力载荷作用时，可能会遭到破坏，有必要对新车进行静力学分析，以验证其结构的合理性和可行性，或找出结构的薄弱部位，对其进行结构优化。(2)有限元分析方法发展及现状有限元法是一种数值分析方法，有限元法的核心思想是结构的离散化，即将实际结构理想的分解为有限个数目的规则单元组合体，实际结构的物理性质可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果，来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。早在1940-1950年期间，就已经有科学家提出了有限元法的基本思想，但在电子计算机出现后才真正将有限元法应用在工程中。二十世纪六十年代，美国科学家克拉夫在《平面应力分析的有限元法》中首次提出了有限元法这个名称。至此，有限元法的应用得到了显著提升。直到1980年，国际上存在多达几百种加大的结构分析有限元通用程序，这也使得工程应用有了明显进步。有限元法的基本完善是在上个世纪九十年代初期。在国外的发展表现为：第一，建立了严格的数学和工程学基础；第二，应用范围扩展到了结构力学以外的领域；第三，收敛性得到了进一步研究，形成了系统的误差估计理论；第四，发展起了相应的商业软件包。在国内，中国数学家冯康在特定的环境中独立于西方提出了有限元法。二十世纪六十年代中期，他发表了一篇名为《基于变分原理的差分格式》的论文，该论文详细介绍了有限元法，同时还对当时的有限元法进行优化，这标志着国内也开始出现有限元法。他不仅得到了有限元法在特定条件下的表达式，还独创了“冯氏大定理”并且初步证明了有限元解法的收敛性。冯康能在技术水平不高的年代独立提出有限元法属实不易，尽管他的有限元法理论不够成熟，但也为中国的有限元法从无到有创造了条件。对于冯康的理论研究成果，国内外的专业学者，甚至国家领导人都给予了高度评价。现如今，能够应用有限元分析的领域越来越多，有限元分析理论也逐渐走向成熟，有限元分析也从最初的分析比较逐步转向优化设计。印度Mahanty博士利用有限元分析软件ANSYS对拖拉机的前桥进行了优化设计，得出来的结果也非常可观，其优化设计即降低了大约百分之四十的前桥自重，还避免了在制造前桥时过多的焊接操作，此举既提高了前桥的性能，又降低了前桥的制作成本。

在国内的一些工程项目中也时常能看见有限元分析的影子。自从我国成功开发了国内第一个通用有限元程序系统JIFEX后，有限元法渗透到工程分析的各个领域中，从大型的三峡工程到微米级器件都采用有限元法进行分析，在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。

随着有限元技术应用的不断扩大，其发展呈现如下几点特点：（1）单一场计算向多物理耦合场问题的求解发展；（2）由求解线性问题发展到求解非线性问题；（3）与CAD/CAM等软件的集成；（4）提高自动化的网格处理能力；（5）软件面向专业用户的开放性；（6）软件开发强强联合。(3)ANSYS的发展1970年，约翰斯旺森博士觉得计算机模拟工程这一技术有利可图，于是他创立了家喻户晓的ANSYS公司。经过了研究人员近三十年的努力，将ANSYS的分析能力逐步完善。在这几十年里，ANSYS公司不断更新新的计算法则和技术，致力于将ANSYS软件打造成最强大的分析软件，引领着世界有限元分析的潮流。现如今，ANSYS软件的用户早已遍布世界各地，而且有越来越多的工程师学习该软件，有很多大学甚至将ANSYS软件当做理工科专业的主修课程。当初的ANSYS软件的初版也仅仅只有两种分析功能，与大多数的程序一样，它只是一个批处理程序，而且只能在大型计算机上运行。1973年，ANSYS公司对软件进行更新，在更新之前他们做了大量的用户调查，基于用户们的实际需求，对ANSYS软件的程序进行了大修改，在以前的子程序上加入了更多的单元类型。最为明显的修改是1978年的简化模型以及结果评价。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件；在分析完成以后，计算结果的图形显示，立即可用于分析检验。现在的ANSYS软件相比以往，使用起来更加便利，功能也更加齐全。如今的ANSYS软件配置有虚拟样机设计法，这个方法的好处就是可以减少用户做物理样机所需要花费的人力物力。ANSYS软件的使用范围之广，甚至可以渗透至整个产品的开发过程。

ANSYS对软件质量的把关非常严格，新版本在测试阶段往往需要通过上万道题目的考验。该公司于二十世纪末期，在设计分析软件中第一个通过质量体系认证，并于1996年开设了驻华办事机构。随后的几年时间，陆续向中国其他城市发展。

(4)课题研究的主要内容本文对我国市场现存的平衡车进行研究，以平衡车的车轮轴为研究对象，进行有限元建模，将模型导入至有限元分析的软件Hypermesh和ANSYS中对其进行有限元分析，具体内容如下：对平衡车实体进行三维实体建模。本文主要采用Pro/Engineer软件来建立平衡车的实体三维模型，在本次三维实体建模中不仅需要对平衡车的车轮轴进行建模，还需要对平衡车的车架、支撑杆、电机和上下板等部件进行建模。Pro/Engineer是美国PTC公司研制的机械自动化软件。利用Pro/Engineer做出来的实体模型将会更加直观，简洁。与其他系统所不同的是，Pro/Engineer系统的参数比功能采用的是指定固定值于模型，而一般的系统则是采用的指定符号式的赋予模型尺寸。Pro/Engineer系统的优势就是用户可以自己定义模型的尺寸与功能的关系，只要其中一个参数有改动，其他的参数也会跟着变化。这样就会使得修改参数以后，模型会变得更加合理。所以在三维实体建模方面我首选Pro/Engineer。对平衡车建立有限元建模。相比于ANSYS自带的有限元建模，我更喜欢HyperMesh的有限元建模，Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，它的应用软件包深受用户的喜爱，同时它也是一个具有创新性和开放性的企业级CAE平台。Hypermesh软件的有限元网格模型前处理和后处理功能在计算机辅助工程领域内数一数二。利用ANSYS对平衡车进行静力学仿真分析。ANSYS软件是大型通用有限元软件，可进行静力学分析、动力学分析、模态分析，热力学分析、及流体、电场、磁场等等，在世界范围内应用广泛。它线性分析相当的强大，在中国推广较早，使用比较普及，比较成熟的参考资料比较多，分类也较细。ANSYS软件其强大的分析能力是仿真分析的不二之选。根据最后所得的分析结果，收集并记录所得的问题反馈。再根据所得到的平衡车的薄弱环节进行进一步的改良，将改良后的结果反复测试，确认达到了优化目的即可。1有限元分析原理有限元法（FiniteElementMethod）是基于近代计算机的快速发展而发展起来的一种近似数值方法,用来解决力学，数学中的带有特定边界条件的偏微分方程问题（PDE）。而这些偏微分方程是工程实践中常见的固体力学和流体力学问题的基础。有限元和计算机发展共同构成了现代计算力学（ComputationalMechanics）的基础。有限元法的核心思想是“数值近似”和“离散化”，所以它在历史上的发展也是围绕着这两个点进行的。1.“数值近似”由于在有限元法被发明之前，所有的力学问题和工程问题中出现的偏微分方程只能依靠单纯的解析解（AnalyticalSolution）得到解答。这种方法对数学要求很高，而且非常依赖于一些理想化的假定（Assumption）。比如在土木工程中梁柱计算中出现的平截面假定，小应变假定，理想塑性假定。这些假定其实是和实际工程问题有很大偏差的，而且一旦工程问题稍微复杂一些我们就不能直接得到解析解，或者解析解的答案误差过大。但是有限元法却能很好的解决这个问题，它先将结构细化成有限个数目的小单元体，然后再通过分析小单元体的物理性质，将力学控制方程施加于小单元中，然后再将小单元体组合成整体，从而得到总刚度方程。向其组合体施加约束及载荷后得到结构的总反应。每一个小单元的反应的总和就能看做是总结构的反应，这样就能间接得到复杂结构的力学及数学模型了，其总过程可以描述为：总结构离散化—单元力学分析—单元组装—总结构分析—施加边界条件—得到结构总反应—结构内部某单元的反应分析在进行单元分析和单元内部反应分析的时候，形函数插值（shapefunctioninterpolation）和高斯数值积分（GaussianQuadrature）被用来近似表达单元内部任意一点的反应，这就是有限元数值近似的重要体现。一般来说，形函数阶数越高，近似精度也就越高，但其要求的单元控制点数量和高斯积分点数量也更多。另外单元划分的越精细，其近似结果也更加精确。但是以上两种提高有限元精度的代价就是计算量几何倍数增加。

为了提高数值近似精度同时尽量较少地提高计算量，有限元法经历了很多发展和改良。下图就是一典型的有限元问题，因为模型中间空洞部分几何不规则性，结构用有限三角单元划分。由于在靠外区域，结构反应变化程度不是很大，因此划分的单元比较大和粗糙，而在内部，应力变化比较大，划分也比较精细。而在左边单元划分最密区域，有应力集中现象（如裂纹问题的奇异解现象），所以又有相应的高级理论（比如non-localtheory）来指导这部分的单元应力应变计算。结构被选择性地离散，和高级理论构成了有限元发展的主要研究方向。

2.

“离散化”离散化和相应单元特性和收敛研究也是有限元中一个重要研究领域，总的来说，有限单元和他们组装成的总体结构主要分为：表1-1常见的几种单元类型和应用范围Table1-1Severalcommoncelltypesandapplications单元类型结点数结点自由度典型应用1D单元杆21桁架梁23平面钢架2D单元平面问题三角形32平面四边形42轴对称问题三角形32轴对称体板弯曲问题四边形43薄板弯曲三角形333D单元四面体43空间问题六面体83

可以看到每种单元又可以提高形函数的阶数（控制点node数量）来提高精度。很多有限元研究也集中在这个领域。比如研究新的单元引用于结构动力反应以减小数值震荡，比如用3-D单元去模拟梁单元等等。其实理论上来说这个领域可以有无限可能，因为对精度和数值稳定的追求可以是无限的。2平衡车三维实体的建模2.1平衡车的结构及组成本文针对国内现有的平衡车进行三维实体建模，在本次三维实体建模中不仅需要对平衡车的车轮轴进行建模，还需要对平衡车的车架、支撑杆、电机和上下板等部件进行建模。我们在对平衡车的结构进行优化设计是，旺旺需要对设计方案进行多次的修改、计算才能达到我们最终所需求的理想结果。2.2建模前的准备本文主要Pro/Engineer以软件对机器人进行三维实体建模，Pro/Engineer软件是一种非常出色的三维建模与分析软件，应用软件可以对机器人进行零部件实体建模、虚拟装配、运动仿真和强度分析等一系列工作。它是机械设计中非常重要的设计工具之一，同时具有直观便捷等优点。具有如下的特点：(1)Pro/Engineer不像一些传统的CAD/CAM系统，他们是建立在多个数据库上，而Pro/Engineer建立在统一基层的数据库上。在设计的过程中，如果任何一处发生了改动，都可以在整个过程的相关环节中显现出来。它可以使产品设计更方便、更优化，质量更高而成本更低。(2)Pro/Engineer的建模是参数化的，为了使用户做出来的三维模型更加接近实际，Pro/Engineer设计师们设计出可以通过修改参数来达到控制几何形状的软件。Pro/Engineer不同于以图形线条为传统的计算机辅助设计，它可以从构建特征来建立零件的数字化模块，而参数化设计的核心是约束。该软件的优点是：=1\*GB3①画图方法很常规，与其他CAD软件大同小异；=2\*GB3②具有系列化设计，相同规格的零件，尽管尺寸不同，但软件可以通过集合参数的调整，来改变尺寸大小，达到符合条件的状态；=3\*GB3③设计过程中出现任何问题，都能随时编辑和修改。(3)所有Pro/Engineer的功能都可以相互关联，在整个设计过程中，任何一个环节的修改都能够被传送得到，自动更新各种工程文档；(4)在设计过程中，机械产品的大部分物理量、几何量等参数，用户可以随时查看具体的参数值，而且数值都是电脑自动计算所得，节省了用户的计算时间。本文主要研究平衡车的车轮轴部分，平衡车的车轮轴与电机相连接，电机工作后通过车轮轴将动力输送至车轮，小车才得以实现运动。因此车轮轴承担了平衡车的绝大部分重力，包括驾驶员的重力和平衡车的自重。如果车轮轴损坏，不仅平衡车不能正常运行，更对驾驶员的安全有很大影响。所以在对平衡车进行结构优化时，我们优先应该考虑到车轮轴的承载能力，其影响因素有材料、尺寸、重力等。2.3平衡车的实体建模利用Pro/Engineer建立三维模型，应尽量保持三维图形数据的完整性和正确性，必须严格按照设计构思来建模。在Pro/Engineer中，有各种各样的实体建模方法，具体采用哪一种方法还需要根据设计者的经验来定。在构造模型时，我们应该更多的保留真实的平衡车的特性来设计，因此必须要好好考虑模型的生成方式。要想保证零件模型的精确性，就要先克服联立辅助点和辅助面这两大难题。平衡车的主要建模构件为：车轮、电机、上踏板、支撑杆、电机和车架等。2.3.1平衡车电机的建模(1)利用草绘工具，绘制出电机的特征。(2)利用拉伸工具，拉伸出电机的实体。(3)利用草绘工具，绘制出车轮轴的直径。(4)利用拉伸工具，拉伸车轮轴直至与实体长度一致。2.3.2平衡车车架的建模(1)利用草绘工具，绘制出车架的特征。(2)利用拉伸工具，拉伸出车架的U型槽。(3)利用拉伸工具，拉伸出车架的圆孔。(4)对周边进行倒角处理。2.3.3平衡车车轮的建模(1)利用草绘工具，绘制出车轮的特征。(2)利用拉伸工具，拉伸出车轮的宽度。(3)利用拉伸工具，拉伸出车轮的轮毂。(4)利用草绘工具，绘制出车轮的轮毂凹槽。(5)利用拉伸工具，拉伸出车轮的轮毂凹槽。(6)对车轮的细节进行刻画。2.3.3平衡车支撑杆的建模(1)利用草绘工具，绘制出支撑杆的顶端。(2)利用拉伸工具，拉伸出支撑杆的顶端。(3)利用草绘工具，绘制出支撑杆的尾部。(4)利用拉伸工具，拉伸出支撑杆的尾部。(5)对支撑杆的顶部和底部进行倒圆角。3平衡车有限元模型的建立3.1建立有限元模型的前处理3.1.1Hypermesh软件本次仿真分析选择使用Hypermesh软件对模型进行前处理和网格划分。Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，它的应用软件包深受用户的喜爱，同时它也是一个具有创新性和开放性的企业级CAE平台。Hypermesh软件的有限元网格模型前处理和后处理功能在计算机辅助工程领域内数一数二。通常情况下，CAE分析工程师会花费大量的时间用来创建有限元模型上，而真正用来分析模型的时间可能只有短短几分钟，所以选用一个方便、快捷、高效、开放性强的绘制有限元模型的软件，往往会达到事半功倍的效果。3.1.2把平衡车的三维实体模型导入Hypermesh在Pro/Engineer中建立机器人的三维实体模型以后，就需要将其导入到hypermesh软件中去，具体的导入过程可以在hypermesh软件界面中进行操作，首先点击File通过下拉菜单找到Import，然后在电脑的文件夹中找到建立好的三维实体模型，找到文件夹中的.hm格式的文件，这样在Pro/Engineer建立的三维实体模型就可以导入到Hyperworks软件中去。如图3-1所示。3.1.3对模型进行几何清理以平衡车的电机为例子，当我们进入了hypermesh软件之后，我们应该先打开topo关系模式，选择By2DTopo模式。如下图所示，部件大部分呈灰色，有些红色、黄色、绿色和蓝色的线条。红色边代表着自由边，它只属于这其中的一个面，这就表明与这条线相邻的两个面不连续。绿色代表的是共享边，它表示相邻的两个面是连续的。黄色边表示有两个以上的面共享一个边，当存在闭环的黄色边时说明此处可能有重复的面。蓝色代表的是压缩边，它指代两个相邻的面已经合并成了一个面。当发现有问题的线条以后，就需要对我们的模型进行一些处理，这种处理我们称为对模型的几何清理。对红色边的处理步骤是：点击Geom选项中的edgeedit功能，然后选择equivalence，单机surfs，选择display，最后点击equivalence，即可修复大多数的红色自由边。再点击Geom里面的quickedit选项，选择toggleedge，cleanuptol设置成10.000后鼠标左键选择各个需要缝合的红色自由边，即可对红色线条进行修复。圆孔旁边的红色边不能用toggleedge，则需要用其他方法来实现消除红色边，比如用edgeedit里面的replace，movededge选择被替代的红色边，retainededge选择目标红色边，然后replace完成替代。针对黄色边，我们需要点击Geom里面的defeature选项，选择duplicates以后，点击find，找到这些重复的线条，然后delete就可以清除掉多余的黄色边。如果不能直接处理掉的黄色边，我们应该对其进行更细致的查看，F5可以隐藏部分图形，F2可以删除多余的面，二者配合使用可以达到清楚黄色边的目的，经过多次处理就能将平衡车电机部分的线条修复完整，修复以后的平衡车电机模型如下图所示。3.2实体模型的网格划分划分网格的方法有三种：Hypermesh根据网格提供了自动划分法（Automatic）、扫描法（Sweep）、多区域法（MultiZone）3种网格划分方法，按照网格类型分类提供了四面体法（Tetrahedrons）、六面体主导法（HexDominant）等。下面重点介绍二维网格的划分和三维网格的划分。3.2.1二维网格的划分在利用有限元法对平衡车电机的实体模型进行二维网格划分之前，把离散成的有限个简单形体作为等待分析的对象，并用这些简单形体的集合(有限元网格)来模拟或逼近原始对象。如果要解决二维形体的有限元网格生成问题，就必须采用二维网格生成(或称为平面区域划分)方法。目前主要包括：拓扑分解法、节点连接法、网格模板法、映射法和几何分解法。3.2.2三维网格的划分四面体法可以对任意几何体划分四面体网格，可以使用膨胀细化实体边界附近的网格，在使用近似尺寸功能和曲度自动细化网格时，可以在关键区域实现。其具有应用范围广的优点，但是求解速度和效率精度不如六面体网格。四面体网格划分包括协调分片算法（PatchConforming）和独立分片算法（PatchIndependent），如果要考虑几何模型中较小的特征如倒角、小孔等，则需要使用协调分片算法，反之，若要忽略这些特征或者模型质量差，则可以使用独立分片算法。扫掠网格划分法既可以得到六面体网格，也可以得到楔形单元，但不管怎么样，最基本的要求是扫掠对象必须要是可扫掠体，所以扫掠法并不常用。六面体主导法主要是采用六面体单元划分，但是在生活中的很多复杂的模型，用六面体单元划分很容易丢失其特征，比如球类的或者圆柱类带有曲面的几何体就很难用六面体法完成绘制。不过Hypermesh能够自动弥补这个缺陷，用金字塔单元和四面体单元来填补，此方法经常用于受到的弯曲或扭转的结构或者变形较大的结构分析中，求解精度和效率都很高。3.2.3平衡车电机的网格划分下面主要介绍在Hypermesh软件中对于平衡车电机进行有限元网格划分。平衡车电机的外壳基本上是由平面组成的，当然也有些地方进行了倒圆角处理。利用Hypermesh中的automesh功能能够很轻松的完成平面和曲面的划分。具体操作如下：点击2D--automesh--surf--displayed即可选中所有可见的surf，在elementsize中输入10，meshtype选择四边形网格，点击mesh进入网格划分预览模式。鼠标指向网格中的小数字，按左右键可以增加和减少节点数目，调整好后按鼠标中间确认，或者直接点击右下角的return完成划分。电机壳上有方形的槽，这个槽的存在与否，与我们最后的分析结果没有太大关联，因此我选择spline来处理这个凹槽，具体操作如下：点击2D--spline，然后选中前后两个需要直接划分网格的边，点击mesh即可。电机壳与电机轴相连的地方有个小凸台，也是需要用automesh来划分，为了划分的更美观，应该保持小凸台端面的节点数量与它侧面一样。最后就只剩下了电机轴了，电机轴的画法也有好多种，可以用之前的automesh划分网格，也可以用shrinkwrap来划分，我用的是shrinkwrap划分的，先用automesh画分电机轴的大致外观，然后再进入shrinkwrap点击刚才划分的网格，调整好单元格的大小，然后mesh即可。shrinkwrap相对于automesh来说，画出来的网格更加贴近真实。3.3施加约束与载荷施加约束和载荷是有限元建模中很重要的步骤，为了更加贴合物体实际的受力情况，在加载前就必须要考虑清楚。软件中有好几种常用的载荷可供选择。Pressure（压力）：他直接作用在面上，并且与面正交。Force（集中力）：它可以作用在点、线和面上，并且能够在点、线面上均匀分布。Moment（力矩载荷）：他可以在点、边或者面上存在，但仅在实体上可以在面上施加力矩载荷。本次设计使用的是Force载荷，将使用者脚踩踏板的情况近似的看做部分地方的均匀施压。约束也称之为边界条件。最常见的约束有:FixedSupport(固定约束)、Displacement(位移约束)、ElasticSupport(弹性约束)、FrictionlessSupport(无摩擦约束)、CylindricalSupport(圆柱面约束)、SimplySupported(简单约束)和FixedRotation(转动约束)。但是本次设计仅用刚性连接来替代螺钉的固定约束和圆柱面的约束，根据分析来看，直接用刚性连接也能起到本次设计的约束作用。在施加约束和载荷前，我们应该先分析平衡车的受力情况，找出其受力点和支承点。因为我们进行的是静力学分析，所以电机轴的底端为受力点必须固定。部件与部件相邻的地方我们都用刚性连接。施加约束与载荷的具体步骤如下：Analysis--constrain--勾选dof1-dof6，表示限制了该节点的六个自由度，然后左键选取nodes，点击selectentities，设置size=5，点击create。Analysis--forces--N1-N2-N3那一栏左边下拉三角形--z-axis--magnitude=-700--uniform

size=30--nodes，设置magnitude=-700，create。相当于我在一个箭头处加了70公斤的力。3.4设置单元属性单元类型有很多，最常见的有两个，shell和solid，他们对应的属性就是sectionshell，secsolid，他们分别为一维二维三维单元，如果是壳单元，比如汽车上的各种车盖啊前纵梁啊都用shell，总之就是厚度的尺度跟总体尺寸来比很小的就用shell，所以平衡车电机壳我选择的是壳单元。至于solid就是实体单元了，比如平衡车上的实体长杆就是属与实体单元。单元属性设置的具体操作步骤如下：2D--elemstypes--2D&3D，在quad4中选择shell63，hex中选择solid45。再点击elems--displayed--update，即完成了单元属性设置。再检查刚才所设置的区域是否真的赋予了我们想要的属性：点击elems，选中各个不同部件的某个网格，点击review可显示所有的单元类型。因为shell是壳单元，是有厚度的，所以我们还应该对shell单元的厚度进行设置，在左边的树状区域找到Property--shell63，然后右键，选择CardEdit...找到TKI一栏然后输入3，确认后完成厚度设置。3.5材料属性设置此步骤是为了给以划分好的网格定义材料属性，使仿真模型更逼近于真实的物体。一般都是采用钢为材料，钢的密度取7.800e-09吨/立方毫米，钢的弹性模量为206000MPa，钢的泊松比为0.3。根据这些信息，我们就可以对模型的材料属性进行设置，具体的设置步骤如下：点击material进入编辑面板，然后点击create，在matname处自定义材料的名称，最好取名为steel方便后面的操作，然后选择cardimage中的MATERIAL，点击create就可以看见左边的树状图中有个Material文件，里面有个子文件名字叫steel。然后右键steel--cardimage--勾选下方的“DENS_FLAG”、“EX_FLAG”、“NUXY_FLAG”,设置参数如下：3.6质量单元的建立及属性设置具体操作步骤如下：首先隐藏掉所有的二维单元，仅显示图层中的“rigid”中的刚性连接单元。，然后1D--masses--nodes--displayed，为了更容易区分，我们选择重新建立一个component，将其命名为mass，然后再点击creat完成创建。点击propname=，取一个名字为mess；点击type--mass--cardimage--MASS21p--creat，可以在左边的树形结构中找到Property下拉栏中的mass，然后右键点击mass--CardEdits--在MASSX（1）中输入一个很小的值，在这里我输入的是1e-12，于是质量单元的建立及属性设置完成。3.7利用ETTypes创建sensor具体操作步骤如下：2D--ETTypes--name=,然后取个名字比如：shell，然后再点击cardimage=，找到SHELL63--create，这时可以看见左边的树状图中Sensor一栏里面有shell，然后右键点击shell--cardedit--return。Solid单元和mass单元同理，2D--ETTypes--name=取名为solid，cardimage=--solid45--create；2D--ETTypes--name=取名为mass，cardimage=--mass21--create。3.8单元、材料、实常数等的绑定此步骤是hypermesh软件中最后的一步，将之前设定的单元、材料、实常数等赋予component，具体的操作步骤如下：首先点击左边树状框顶上的Utility--Componentmanager。点开以后会出现一张表格，最左边第一栏四component的名字，但是灰色部分有很多地方是NONE。点击Table--Editable进入可操作界面，然后找到shell单元，全部选中，在AssignValues：的第一栏Name的下拉菜单中找到“ETRef.No.”在第二栏下拉菜单中找到1-SHELL63，点击set完成一个设定。然后再选中“RealSetNo.”选择1-SHELL63，set。“MatSetNo.”选择1-steel，set，完成所有的壳单元设定。然后再进行实体单元的设定，框选出所有实体单元的component--“ETRef.No.”--2-SOLID45--set；选择“RealSetNo.”--2-SOLID45，set；选择“MatSetNo.”--1-steel，set完成对实体单元的设定。最后对mass进行设定选中mass那一栏，点击第一个框右边的下拉三角形，选择”ET

Ref.No“，接着点击第二个框右边的下拉三角形，选择”2-MASS21“，点击set。点击第一个框右边的下拉三角形，选择”Real

Set

No.“，接着点击第二个框右边的下拉三角形，选择”2-MASS21“，点击set。完成了这些，绑定就完成了。3.9有限元模型的导出本次设计不用Hypermesh软件自带的分析软件分析，而是用更实用的ANSYS软件来分析，所以在Hypermesh中建立的有限元模型应该导出，然后再导入至ANSYS中。具体的操作如下：点击film--Export--在黄色文件夹图案处选择要保存的路径及格式，格式选择.cdb文件，路径不要设置成中文，不然会显示出错。点击Apply完成导出。4平衡车静力学仿真分析4.1有限元模型导入至ANSYS在Hypermesh中我们已经将载荷和约束加载了，导出来的模型，我们也可以直接拿来进行分析。打开软件MechanicalAPDLProductLaunch弹出设置面板，调整好WorkingDirectory目录，JobName取个名01，点击Run以后进入ANSYS软件。再找到MainMenu--Preprocessor--CheckingCrels--ShapeChecking，点击ChangeSettings的Yes，点击OK进入载入文件前的设置，调整好设置以后点击OK确认。点击File--ReadInputfrom...弹出ReadFile，找到之前导出的.cdb文件再点击OK，完成导入。找到Plot--Element查看导入的模型。4.2计算求解的设置与开始求解首先我们对计算求解先设置，点开MainMenu--Solution--AnalysisType--NewAnalysis，Typeofanalysis选择Static然后点击OK。再点开Sol’nControls进入编辑面板，AnalysisOptions选择LargeDisplacementStatic，Timeatendofloadstep=2，Numberofsubsteps=10，Frequency选择WriteeveryNthsubstep。然后在Sol’nOptions一栏处，Numberofrestartfilestowrite=1，Frequency：WriteeveryNthsubstep，whereN=1点击OK，完成设置。然后我们开始求解，点击MainMenu--Solution--Solve--CurrentLS，然后点击OK，点击Yes开始计算，计算结束以后会弹出Solutionisdone！此时说明计算已经完成，点击File--close关闭STATUSCommand。4.3静力学分析结果查看查看结果GeneralPostproc——Plot

Results——Contour

Plot——Nodal

Solu，会弹出想要查看的云图的类型，这里我们选择Stress--vonMisesstress，Undisplacedshapekey选择Deformedshapewithundeformedmodel，然后点击OK，此时会出现的是带有网格的等效应力图。DMX表示最大位移量；SMN表示最小应力值；SMX表示最大应力值。4.4平衡车结构的优化针对以上的分析结果进行优化和改进，我改进的地方是shell单元的厚度。前面用ANSYS分析的模型的厚度为3mm，现在将模型shell单元的厚度改成5mm后，再放入ANSYS中分析，得到如下的结果：由上图可以清楚的看到模型的DMX（最大位移量）有明显的减小，SMX（最大应力值）也有明显的减小。得到结论：此操作确实到达了优化的效果。研究或成果与社会、环境、文化、经济、环保等关系本次设计旨在找出平衡车的薄弱环节，对小车进行结构的优化，对社会、环境、文化、经济、环保等领域有着重要影响。其中，最直观的影响就是经济。对小车进行优化以后，安全性能会大大提高，相比于同类产品也更有竞争优势。本次实验虽然未进行实际的压力测试，但也确实对找到平衡车的薄弱环节有很大帮助。可以减少实际的压力测试的次数，为企业节约了成本。在环保方面，平衡车本就是以电能为能源的“绿色出行”产品，不会像汽车一样排出对大气层有害的尾气。如今的社会更加注重生态环境的保护，“绿色出行”成了当今社会的潮流趋势，这也让平衡车一类的新能源环保出行方式更容易被大家所接受。而且，伴随着平衡车安全性能的提升，大众将会更加喜爱和信赖平衡车。潮流、有科技感的平衡车相比于传统的自行车、滑板、电动车等代步工具，也将更具有竞争优势。平衡车的兴起，让我们今后的文化生活也与科技联系的更加紧密。当今社会中，对平衡车的态度始终有两种：一种是觉得平衡车出行方便、绿色、环保、潮流等；另一种是觉得平衡车不利于交通管制，驾驶操控方面不够灵活，平衡车质量要求不过关等会对社会生活造成影响。本次设计仅提高了平衡车的品质，相信在不久的将来，平衡车的缺点会一步步被解决，平衡车的呼声也会越来越高，人们的生活将会越来越安全、便利、绿色、环保！小结通过这次对平衡车的静力学仿真分析，让我们对平衡车的结构有了新的理解，让我们能更直观的看见平衡车各个部位的安全性能，而我们也能更容易找到最脆弱的部位，并对其进行优化。这样，就能让以后的平衡车更加坚固，驾驶员更加安全，这就是我们此次仿真分析的意义。本次论文首先是用Pro/E对平衡车进行建模，然后导入至hypermesh中进行进一步的操作。值得一提的是，我们在此以前从未学过用hypermesh来进行有限元建模，这次仿真给了我们一个学