说明书正文.doc

丰田戴那汽车前桥有限元结构分析

收藏

压缩包内文档预览:(预览前20页/共55页)
预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图
编号:98916124    类型:共享资源    大小:1.16MB    格式:ZIP    上传时间:2020-10-18 上传人:好资料QQ****51605 IP属地:江苏
50
积分
关 键 词:
丰田 汽车 前桥 有限元 结构 分析
资源描述:

喜欢就充值下载吧。。。资源目录里展示的全都有,,下载后全都有,,请放心下载,原稿可自行编辑修改 【QQ:1304139763 可咨询交流】===================== 喜欢就充值下载吧。。。资源目录里展示的全都有,,下载后全都有,,请放心下载,原稿可自行编辑修改 【QQ:1304139763 可咨询交流】===================== 喜欢就充值下载吧。。。资源目录里展示的全都有,,下载后全都有,,请放心下载,原稿可自行编辑修改 【QQ:1304139763 可咨询交流】=====================

内容简介:
黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要 作为汽车的重要承载部件,前桥传递着车架与路面之间各个方向的作用力,其静态性能的优劣直接影响整车的安全性、平稳性及舒适性。因此,研究汽车前桥的静态特性,进行结构强度分析,为设计具有最佳性能的前桥提供数据支持,在汽车设计中占有重要的地位,具有重大的经济、安全意义。本文利用Pro/E建立了丰田戴那汽车前桥的实体模型,利用ANSYS对其进行了结构有限元分析,揭示了其在静态满载工况下的应力和应变分布状况,从分析的结果可以得出应力集中分布在转向节短轴与转向节连接处。本设计的结果表明该车前桥满足实际的强度和刚度要求。在符合强度和刚度要求的基础上进一步提出了改进措施。本文研究对于提高前桥的安全性,减少企业的设计和试验成本具有重要的意义.关键词:前轴;有限元分析;安全性;强度;ANSYSABSTRACTAs an important bearing part of vehicle, the front axle transfers the loads of all directions between suspension and road. And its dynamic character affects the safety and comfortably character and stability of the whole vehicle. So, it is necessary to research the dynamic character of the front axle for the economic and safe reasons.The finite element model which used Pro/E of the Toyota Dana type vehicles front axle was established, simulated the static and dynamic condition about its structure and obtained its stress and strain in the various conditions. This analysis which used ANSYS method and the conclusion can be guidance for this kind of front axles intensity and rigidity and the ant vibration design. The results from the analysis of the distribution of stress concentration can be drawn in the steering knuckle and the steering knuckle short junction. The results show that the design of the car before the bridge to meet the actual requirements of strength and stiffness. In line with the requirements of strength and stiffness based on the further measures proposed to improve It also can be significant to enhancing front axles security, reducing enterprises design and the experiment cost.Key words: Front axle; Finite element analysis; Security; Strength; ANSYSII目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1课题研究背景及意义11.2国内外研究现状及趋势21.3课题的主要内容、研究方法31.3.1课题研究的主要内容31.3.2研究方法4第2章有限元法的基本理论与分析软件52.1有限元法的基本理论52.1.1有限元法的基本思想52.1.2有限元法特点62.1.3有限元法分析过程72.2有限元法的发展92.3 ANSYS软件的应用122.4本章小节14第3章利用Pro/E建立汽车前桥模型153.1丰田戴那汽车前桥总成参数153.2运用Pro/E实体建模153.2.1丰田戴那汽车前桥的简化153.2.2运用Pro/E实体建模153.3本章小结24第4章有限元分析及改进措施254.1 Pro/E模型的简化254.2几何模型的导入254.3选择单元类型274.4定义材料属性和网格划分284.5静力分析324.5.1施加载荷324.5.2对模型施加约束324.6分析计算与分析结果334.7改进措施354.8本章小结37结 论38参考文献39致 谢40附 录41第1章 绪 论11 课题研究背景及意义 随着我国汽车工业的不断发展与完善,市场要求具有最佳工作性能的整车及汽车零部件出现,以适应现在激烈的市场竞争。前桥作为汽车的重要承载部件,传递着车架与路面之间各个方向的作用力,其动态性能的优劣直接影响整车的安全性、舒适性及平稳性。因此,研究汽车前桥的特性,设计具有最佳性能的前桥是国内各大汽车厂商的重要研究任务之一。 汽车车桥可分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种。整体式转向桥具有结构简单、易加工、应用性好等优点,被广泛使用在各种载重卡车上1。但在使用过程中,由于受到各种多变负荷激励,该前桥经常出现前梁断裂、大变形等故障,导致汽车失去承载能力,甚至出现伤亡事故。厂家针对这类故障进行的结构改进,通常是采用增加全部或局部桥厚度的方式来增大桥身的强度,抵抗结构大变形2。但这种传统的设计方法存在缺陷,它不能完全揭示前桥工作状态下的应力、应变分布规律,也没考虑振动因素对结构造成的影响,因此不能准确确定桥身的薄弱环节,结构改进往往是无的放矢,无法从根本上对产品性能进行改进,导致结构设计成本过高、材料浪费,质量还难以保证,严重制约着产品性能的提高,也进一步影响了产品的市场竞争力。对结构设计而言,静态结构性能分析是结构静态设计的一个重要组成部分,也是静结构态设计的重点。进行结构静态性能分析可以从根本上了解结构在静态载荷作用下的静态特性,掌握结构的工作状态,为结构的故障诊断和优化提供坚实的理论依据和数据支持,进行结构的静态设计成为现代产品设计的一个发展趋势。静态特性研究可以借助于有限单元法来完成。有限单元法是目前工程中最常用的一种数值求解方法,对结构、相关边界条件,约束等复杂的工程问题可以精确模拟,而且应用范围极为广泛。 本课题采用Pro/E与ANSYS软件作有限元分析相结合的方法。其中,Pro/E系统是用来建立实体模型的,ANSYS系统是有限元结构分析分析系统,可以精确识别结构的静态特性参数。鉴于目前汽车超载、路面状况、结构特性等复杂条件对前桥造成的严重破坏,为配合交通运输管理,减少因前桥造成的事故和损失,对前桥进行静态性能分析和优化,有的放矢解决上述问题已迫在眉睫。因此,进行汽车前桥静态特性的研究,改善汽车的整体性能,可以避免因前梁断裂、弯曲大变形造成的车毁人亡严重事故的发生,具有重大的经济、安全意义。12 国内外研究现状及趋势 有限单元法的工程应用己有悠久的历史,早在1943年,Gourant采用分片插值的思想,利用最小势能原理对圣维南的扭转问题进行了分析。后来,Turner, Clough, Martin等人就开始使用离散的思想,将平面连续结构划分成很多三角形单元,单元内部位移由二个定点的位移插值得到,在此基础上建立了合理的单元特性公式,并用直接刚度法组成单元集合体。有限单元法由此诞生,1960年,Clough将它命名为有限单元法。由于有限单元法是通过分片插值建立整个求解域的分片连续函数,所以具有广泛的适用性,迅速被推广到各个工程领域。20 世纪 7 0年代以来,许多欧美国家就己经开始利用有限单元法进行机械工程和汽车工程中各种结构件和传动件的计算分析,并能够很好的模拟、分析零部件的静、动态特性3。随着有限单元法的不断发展和完善,汽车技术发达国家的汽车生产周期不断缩短,一种新车从概念到批量生产,从以前的6年缩短到现在的2年,甚至更短,而且产品性能也越来越好。计算机软、硬件的不断发展,也为计算机辅助造型(CAS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)及计算机虚拟现实系统(VR)提供了广阔发展的空间,并不断涌现出各种大型工程通用软件,如ANSYS, NASTRAN,UG, I-DEAS等,使得各种结构的分析、设计、结构优化等成为可能,国内、外均己经能够使用有限元方法进行结构、材料和形状参数的灵敏度分析。40年来,有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题、波动问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质力学领域。在工程分析中的应用己从分析和校核扩展到优化设计和计算机辅助设计技术相结合。国内对有限元理论的研究早在上世纪六十年代,著名力学专家如钱伟长、徐芝纶、黄茂光等就开始对简支、固支边界的板壳有限元理论进行研究,并取得了很大进展,但由于历史原因,我国计算机技术发展较晚,阻碍了我国有限元软件的发展,也严重影响了有限单元法历史应用,使得我过的有限元应用水平与世界水平有很大差距。直到上世纪80年代,美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功,掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。这个高潮一直持续到1981年ADINA非线性结构分析程序引进,许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解。大家开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是当时限于国内大中型计算机很少,只有杭州汽轮机厂的Siemens 7738和沈阳鼓风机厂的IBM 4310安装有上述程序,所以用户算题非常不方便,而且费用昂贵。随着PC机的普及,国产有限元分析软件开始出现,开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的JIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等3。对于有限单元法的应用局限在结构零部件的设计,大型结构的系统设计、分析、优化仍处在初级探索阶段,高等院校对CAD、 CAE先进技术进行了广泛的探索与研究,并在院企合作、培养人才方面做出了积极的努力。随着计算机技术、振动理论和结构力学理论的发展,结构静、动态特性的研究也进入了一个以计算机辅助分析和优化设计的定量研究的阶段。相信未来的计算机辅助设计系统将取代现有的普通的、传统的设计系统。13 课题的主要内容、研究方法1.3.1 课题研究的主要内容 丰田戴那汽车前桥为整体式前桥,其承载大,地位重要,是汽车的关键组成零部件之一,也是机构设计的重点之一。横梁在汽车转向时受到侧向力、扭矩及剪切载荷,在制动时也会受到相应的扭矩和剪切载荷6。 在国内,研究结构静、动态性能大多采用利用有限元工具进行数值计算或进行模态试验两种方法中的一种。本课题的研究则综合考虑了目前国内外汽车行业领域内的研究现状及发展趋势,以提高前桥性能的可靠性、安全性为目标,采用理论有限元分析研究方法,在当前先进软件平台上,对汽车前桥的静、动态性能开展试验CAE研究,为产品的改进和优化提供技术依据。本课题采用功能强大的有限元分析软件ANSYS,对前桥进行静、动力学数值仿真,发现后桥结构中的薄弱环节。根据分析的结果,提出了提高前桥强度的改进措施,对前桥的设计和改进具有一定的参考价值。主要内容如下:(1)有限元分析的基本思路,有限元法在前桥分析中的应用;(2)利用Pro/E软件建立前桥的三维实体模型;(3)导入ANSYS,运用ANSYS分析软件,完成有限元分析;(4)根据分析结果,提出改进措施。1.3.2 研究方法运用Pro/E软件进行三维建模。Pro/E软件是专业的三维建模,全中文操作,功能强大,可以导入ANSYS进行静力分析。运用ANSYS进行三维建模可以直接在ANSYS中进行网格划分,静力分析,优化设计等操作,方便后续操作。但是ANSYS是全英文操作界面,而且三维建模功能较差,操作不方便,建模周期较长。综上,对比优缺点,选用Pro/E进行三维建模,这样可以更好的建立实体模型。1、利用软件建立前桥在有限元分析时,模型建立得是否合理十分重要。一方面要建立起与实际结构相符的模型,另一方面为简化计算,将对计算结果影响较小的细小结构作适当简化。同时要求建模时操作简单,便于修改。本文用Pro/E软件通过实体测量,建立前桥几何实体模型。2、有限元模型的建立通过将在Pro/E软件中建立的模型导入ANSYS中,然后确定单元类型,进行网格划分.网格的划分对有限元分析的计算量和计算精度影响很大,一般情况下,网格划分越细,计算精度越高,所需的计算机资源、计算时间也越多。在划分时,应在保证计算精度的同时,尽量减少网格数量。3、根据分析结果,提出改进措施确定约束和施加载荷后,利用有限元分析软件对该前桥进行静应力分析,对其强度进行校核,并对一些重要部位进行重点分析,找出前桥前梁,转向节及主销接触面积与所承受最大应力的关系。根据前桥的应力云图进而提出改进措施。第2章 有限元法的基本理论与分析软件21 有限元法的基本理论2.1.1 有限元法的基本思想有限元是数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学,是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其基本思想是将一个连续的实际结构弹性连续划分为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接,单元之间的载荷也仅由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化,也叫单元划分。有限个的单元称为有限单元,简称单元。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体,建立近似的力学模型,对该模型进行数值计算,通过对这些单元分别进行分析,建立其位移与内力之间的关系,以变分原理为工具,将微分方程化为代数方程,再将单元组装成结构,形成整体结构的刚度方程。离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况下,单元划分越细则描述变形情况越精确,即越接近实际变形,但计算量也越大)。所以有限元法中分析的结构已经不是原有的物体或结构物,而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。离散化是有限元方法的基础,必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式。这样做的目的是:将结构分割成足够小的单元,使得简单位移模型能足够近似地表示精确解,同时又不能太小,否则计算量很大。分析过程中首先从单元分析入手,确定单元内的位移、应变、应力模式,并确定单元节点力与单元节点位移的关系,建立单元刚度矩阵.根据离散化结构的联接方式,将各个单元刚度矩阵进行组集,得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移,再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力及其应变。可见,有限元分析的主要内容是:单元离散化、单元分析、整体分析。有限元法与传统的力学方法有很大差别,正是这种差别,使得它能够把许多难以求解的问题变的容易处理:(1)由于可任选单元体的形状和尺寸,故可以“组拼”出形状复杂的机械零件。在作应力分析时,无需对零件的几何形状作过多的简化,从而提高了解题精度,大了可解的范围;(2)对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察;(3)对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点处来计算;(4)易于解决有初应力、热应力的问题;(5)易于处理材料的不均匀性,对各向异性材料也可求解;(6)可以解决材料的非线性和结构的非线性问题;(7)采用大型的通用有限元程序,可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动和稳定性。由于计算机的求解方程组的能力非常强大,构造模型又非常准确,因而有限元法在计算机上使用极为普遍。有限元方法计算精度高,速度快,可缩短设计试制周期和降低成本。目前,优秀的绘图系统软件都配有有限元分析程序窗口。当图形绘制完毕,可立即进行网格划分,并进行强度计算。通过不断修改图形和反复计算,能够使设计质量大幅度提高。有限元法可用于各种模拟和分析方法中,在固体力学、流体力学、机械工程、土木工程、电气工程等领域得到了广泛应用。由于其所涉及问题和算法基本上都是来源于工程实际,应用于工程中,其解决工程实际问题的能力愈来愈强。在汽车领域,有限元法可用于建立汽车结构系统的振动模型,还可以用于设计的刚度与变形分析、设计的应力与疲劳分析、碰撞模拟和塑性变形分析等4。2.1.2 有限元法特点有限元能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用,除了电子计算机技术的发展提供了充分有利的条件外,还与有限元法所具有的优越性是分不开的,综合来说,有限元法的优点有:(1)有限元法能够完成复杂结构的分析,它利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算,并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程,从而可以用多种方法对其求解,虽然它的解是近似的,但适当选择单元的形状于大小,可使近似解达到满意的精度;(2)引入边界条件的方法简单,边界条件不进入单个有限元单元的方程,而是在得到整体代数方程后再引入边界条件,这样内部和边界上的单元都能够采用相同的场变量模型。而且当边界条件改变时,内部场变量模型不需要改变;(3)有限元法不仅适应与复杂的几何形状和边界条件,而且能处理各种复杂的材料性质问题,另外还可解决非均值连续介质的问题;(4)有限元法考虑了物体的多维连续性,不仅在离散过程中把物体看成是连续的,而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点;(5)有限元法通常采用矩阵表达形式,非常便于编制计算机程序,从而适应于电子计算机的运算工作;(6)该方法能够在不同层面上得到阐释或理解。对有较深数学知识的人来说,完全可以用数学语言来描述,并获得严格推理。而对一般人来说,可以只从物理层面上得到理解。但有限元法也有不足,主要体现在:在输入的数据中,如有差错,没有被发现,将会导致错误的计算结果,而且往往较难发现,带来不少麻烦;有限元计算,尤其是在对复杂问题的分析上,所耗费的计算资源是相当惊人的,计算资源包括计算时间、内存和磁盘空间;对无限区域问题,有限元法较难处理;尽管现在的有限元软件提供了自动划分网格的技术,但到底采用什么样的单元、网格的密度多大才合适等问题完全依赖于经验;有限元分析所得结果不是计算机辅助工程的全部,而且一个完整的机械设计不能单独依靠有限元分析来完成,必须结合其他分析和工程实践才能完成整个工程设计。2.1.3 有限元法分析过程应用有限元法求解弹塑性问题的分析过程,概括起来可以分为以下几个步骤:1、结构的离散化有限元法把弹性连续体分割成数目有限的单元,相邻单元之间仅在节点处相连,节点一般都在单元边界上,节点的位移分量作为基本未知量,组成了有限单元集合体并引进了等效节点力及节点约束条件,就成为有限元自由度的有限元计算模型,替代了原来无限多自由度的连续体。有限元法的实质是把无限多个自由度的弹性连续体,理想化为有限个自由度的单元集合体,使问题简化,适合数值求解。结构的离散化是有限元分析的第一步,它是有限元法的基础。对于每个具体问题,离散化的具体内容是选择适当的单元类型、决定单元尺寸和数量、单元的布局以及节点连接的方式。单元的形状原则上是任意的,不管单元取什么样的形状,在一般情况下,单元的边界总是不可能与求解区域的真实边界完全吻合,这就带来了有限元的一个基本近似性几何近似。单元尺寸足够小,才能保证计算的精度,单元尺寸足够大才能减少计算过程的工作量,理论上说,单元划分的越细,节点布置得越多,计算结果就越精确,在计算机发展到今天,计算机的容量和运算速度已经不是主要矛盾,但是分析比较证明节点和单元的数量达到一定值后,再加密网格对于提高计算精度效果就不是很高了。划分单元的一般原则是:关键部位要尽可能使用小单元和高精度单元,应力和位移变化平缓的部位可以采用大单元和低精度单元:在边界曲折、应力集中、应变梯度大的地方,如集中载荷处、分布载荷突变的地方,单元应划分得细一些;任何单元的节点也应当是相邻单元的节点;材料变化的地方应当划分新的单元5。2、单元分析(1)选择位移模式位移模式是表示单元内任意点的位移随位置变化的函数式,由于所采用的函数是一种近似的试函数,一般不能精确地反映单元中真实的位移分布,这就带来了有限元法的另一种基本近似性。采用位移法时,物体或结构物离散化之后,就可把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这是可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常,有限元法中我们将为一函数表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数,如,其中是待定系数,碑是与坐标有关的某种函数。(2)建立单元刚度方程选定单元的类型和位移模式后,就可以按虚功原理或最小势能原理建立单元刚度方程,它实际上是单元各个节点的平衡方程,其系数矩阵称为单元刚度矩阵。 (2.1) 式中:单元编号;单元刚度矩阵;单元的节点位移;单元的节点力向量。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置等,找出单元节点力和节点位移的关系式,这是单元分析中的关键一步。此时需要用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式,从而导出单元刚度矩阵。(3)计算等效节点力物体离散化后,假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是,对于实际的连续体。力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而,这种作用在单元边界的表面力、体积力或集中力都需要等效的移到节点上,也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。3、整体分析集合所有单元的刚度矩阵,建立整个结构的平衡方程,从而形成总体刚度矩阵。整体刚度矩阵反映的是结构整体力的向量与整体位移向量之间的关系,所以组成整体刚度矩阵时,可以按照整体位移向量的顺序对单元刚度矩阵进行运算。即 (2.2)式中:整体结构的总体刚度矩阵;整体结节点位移列矩阵;整体结构的等效节点载荷列矩阵。4、求解方程,得出节点位移解有限元方程式(2.2)得出位移。5、由节点位移计算单元的应力与应变解出节点位移后,根据需要,可由弹性力学的几何方程和弹性方程来计算应力与应变;6、分析计算结果。22 有限元法的发展现代有限元方法的起源可以追溯到20世纪初,当时有一些研究人员利用等价弹性杆来近似模拟连续的弹性体。然而,人们公认Courant(1943)是有限元方法的奠基人。在20世纪40年代,Courant发表了一篇论文,他第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合的方法来研究扭转问题3。在20世纪50年代,Boeing及其后来者采用了三角形应力单元来建立飞机机翼的模型,极大地推动了有限元法的发展.之后,一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限元的概念.然而,直到1960年美国的飞机结构工程师Clough RW才在一篇名为“平面应力分析的有限元法”的论文中首先使用“有限元法”。它是结构分析的一种数值计算方法,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。由于当时理论尚处于初级阶段,计算机的硬件及软件也无法满足需求,有限元法和有限元程序无法在工程上普及。直到1963年Melosh R J在论文中提出有限元法的基础是变分原理,它是基于变分原理的一种新型Ritz法(采用分区插值方案的新型Ritz法)。这样就使数学界与工程界得到了沟通,获得了共识,从而使有限元法被公认为既有严密理论基础又有普通应用价值的一种数值方法6。到20世纪60年代末70年代初,出现了大型通用有限元程序,它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品,成为结构工程强有力的分析工具。40多年来,有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题,分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。迄今为止;有限元法除了发展其自身的理论和方法外,还外延到其它领域,如随机有限元法等。由于计算机的飞速发展,使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。有限元分析理论的逐步成熟主要经历了三个阶段,上世纪60年代的探索发展期,七八十年代的独立发展、专家应用期和90年代与CAD相辅相成的共同发展、推广使用时期。随着有限元分析技术和计算机软件技术的发展,有限元的应用领域得到极大的扩展。当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征:(1)由单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析。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,就可以足够通近精确值。所以近年来有限元法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算,进而发展到求解几个交叉学科的问题。(2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件己经比较成熟,发展的方向是结构非线性、流体动力学和混合场问题的求解。众所周知,非线性的数值计算是很复杂的,它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧,一般工程技术人员很难掌握。为此,近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资,开发出诸如MARC,ABQUS和ADINA等求解非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。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,有些问题需要几种场合(如对结构场和流场)的有限元分析结果交叉迭代求解,故混合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。(3)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。(4)与CAD软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用,即:在用CAD软件完成零部件的造型设计后,自动生成有限元网格并进行计算。如果分析的结果不符合设计要求、可以重新进行造型和计算,直到满足要求为止,这极大地提高了设计的水平和效率。所以,当今所有的商业化有限元软件商都开发了与著名的CAD软件的接口,例如Pro/E, UG, Solid Works, I-DEAS和AutoCAD (5) 更为强大的网格处理能力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。23 ANSYS软件的应用目前国内外应用比较成熟的有限元软件有ANSYS, I-DEAS, AL,GOR, ABACUS,MARC等,其中ANSYS以其自身的特点,应用最为广泛。近些年己开始逐渐被引入到机械结构强度的分析计算和设计上来。1、在有限元软件中的地位在世界各地的各行业,ANSYS获得了广泛应用,并取得了成功。波音公司的747客机、Kids Toys公司的儿童滑梯、Motorola公司的StarITAC手机、壳牌润滑油油桶、阿尔斯通的高速列车、各大汽车公司的各类汽车,甚至Wilson公司的INVEX高尔夫球杆、FMC公司的通心粉生产线、Black及Decker公司的蒸汽电熨斗等等,都有ANSYS立下的汗马功劳。ANSYS全球有5900多个商业客户,如英特尔、微软、可口可乐、奔驰等,有3万多用户装机量,学校用户有10万多个。多年来,ANSYS一直在有限元分析(FEA)软件中排名第一,它是第一个通过IS09001质量认证分析设计类软件,也是通过美国机械工程师协会、美国核安全局及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。ANSYS在中国也得到了日益广泛的认可和应用。它是唯一被中国铁路机车车辆总公司选定的有限元软件,在各厂所中广泛应用于机车提速及高速机车的研制,它是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在全国压力容器行业推广使用的分析软件。目前,中国有100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析,而且ANSYS公司也为院校免费提供教育版软件,广泛提供有限元学习、研究、应用的交流和咨询。2、ANSYS的发展1970年,John Swanson博士在美国宾夕法亚洲的匹兹堡创建了ANSYS公司,并与1971年推出ANSYS的第一个版本2.0。这与现在应用于微机上的版本相比已有了很大的不同,它仅提供了热分析及线性结构分析功能,只是一个批处理程序,且只能在大型计算机上运行。在20世纪70年代初期,ANSYS程序中加入了许多新的技术,如非线性、子结构及更多的单元类型,从而使程序具有更强的通用性。20世纪70年代后期,交互方式的加入大大简化了模型生成和结果评价。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。在分析完成之后立即可用交互式图形来分析检验计算结果。现在,ANSYS程序的功能更加强大和完善,使用也更加的便利。同时,还提供了强大和完整的联机说明和系统详细的联机帮助系统,是用户能够不断的深入学习并完成一些深入的课题。3、ANSYS的特点ANSYS的基本特点可以概括为3个“强大”:强大的前处理能力、强大的加载求解能力和强大的后处理能力。另外,良好的开放性使得用户能够在ANSYS系统上进行二次开发和扩展新的功能。(1)强大的前处理能力强大的前处理能力主要包括强大的几何建模能力、强大的网格划分能力、强大的参数设置功能和与CAD软件的无缝集成能力。在几何建模上,ANSYS不仅具有依次生成点、线、面和体的自底向上建模方式,还具有通过几何体素和采用布尔运算而生成几何模型的自项向下建模方式。进行网格划分时,ANSYS主要有自由网格划分和映射网格划分两种方式。针对不同的几何体,ANASY还有拖拉网格、层网格划分、局部细化等方法。此外,ANSYS开发了与CAD软件(如Pro/E, UG, Solid Works. AutoCAD等)的数据接口,实现了数据的双向交换,从而实现了ANSYS与这些软件的无缝集成。(2)强大的加载求解能力在ANSYS中,包括位移、力、温度等在内的任何载荷均可直接施加在任意几何实体或者有限元实体上,载荷可以是具体数值,也可以是与时间或者是坐标有关的任意函数。求解时有多种求解器可供选择。(3)强大的后处理能力利用ANSYS可以获得任何节点、单元的数据。这些数据具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式。此外时间历程分析功能可以对载荷进行叠加分析计算。(4)良好的开放性ANSYS为了从根本上满足用户的需求,给了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,这个开放的环境允许用户自定义边界条件、材料本构、结构断裂判据等。并且ANSYS的二次开发环境还可以满足不同类型用户的需求7。ANSYS软件把有限元数值分析技术和CAD,CAE,CAM和图像处理等有机地结合在一起,除发展了多种与CAD直接转换的接口外,同时使自己的输出文件格式通用化和标准化,自带的编程语言APDL可供用户以ANSYS为平台,进行二次开发。用户既可以在CAD中建模,然后通过ANSYS和CAD的接口传入模型进行计算,也可以在ANSYS中以用户界面方式利用菜单建模,输入初始数据,进行计算和查看计算结果。用户还可以运用ANSYS的APDL语言,用命令流的方式进行建模、计算和查看结果6。ANSYS软件发展至今己经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平、功能丰富、用户界面友好、前后处理和图形功能完备、使用高效的有限元软件系统。它所拥有的丰富而完善的单元库、材料模型库和求解器,保证了它能够高效的求解各类结构静力学、动力学、振动、线性和非线性问题,稳态和瞬态热分析以及热-结构混合问题,静态和时变电磁场问题,压缩与不可压缩的流体力学问题,以及多场混合问题。ANSYS软件的友好图形用户界面和程序结构使得用户易于学习和掌握,它的完全交互式前后处理和建模软件,大大减轻了用户创建工程模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量,其统一和集中式的数据库保证系统各模块之间能可靠而又灵活的集成,由于ANSYS软件公司的不懈努力,己经使得该软件成为当代CAD、CAE的主流产品之一。4、ANSYS软件的分析步骤ANSYS分析过程中包含三个主要的步骤:(1)创建有限元模型,其中包括创建或读入几何模型、定义材料属性和划分网格;(2)施加载荷及载荷选项、设定约束条件并求解;(3)察看分析结果及检验结果。24 本章小节 本章主要介绍了本设计主要应用的辅助设计软件有限元分析软件ANSYS以及ANSYS软件的具体应用。本设计主要应用有限元分析的方法,着重介绍了有限元法的概况,发展过程,特点,应用及发展。 第3章 利用Pro/E建立汽车前桥模型31 丰田戴那汽车前桥总成参数丰田戴那前桥为非独立悬挂的整体前桥,它是由转向拉杆,转向节,主销与工字型截面钢质梁组成。前梁由一根10mm厚、1650mm长的工字型横梁、支承板、转向节、前轮支承短轴等组成。转向拉杆在工字型梁左侧,钢板弹簧起消振和缓冲作用。前桥体不仅承受汽车重量,而且承担转向的任务。如图3.1所示。图3.1丰田戴那汽车前桥1转向节,2转向节固定螺栓,3转向节固定器,4前轴,5主销固定螺栓,6螺塞,7主销,8衬套。3.2运用Pro/E实体建模3.2.1丰田戴那汽车前桥的简化 建立转向桥几何模型的目的是为了给有限元模型的建立提供三维模型,在保证分析结果精度的前提下,为了提高有限元网格划分质量,减小模型规模,需要对模型进行适当的简化,去除一些对计算结果影响较小的倒圆角及一些附属件。1、转向拉杆不承受汽车重力,故忽略。2、对一些基本不影响分析结果精度的小孔和凸台,如螺栓孔等,建模时忽略;3.2.2运用Pro/E实体建模1、用拉伸做工型横梁(1)画一个工字型侧面,长580mm,宽60mm如图3.1所示;图3.1丰田戴那汽车前梁工型横梁侧面(2)拉伸60mm,如图3.2所示;图3.2 丰田戴那汽车前桥工型横梁2、利用拉伸减材料(1)利用拉伸削减横梁的一侧,草绘一个比外廓小10的前梁侧面图,如图3.3所示图3.3丰田戴那汽车前梁工字型横梁侧面拉伸尺寸为5mm,如图3.4所示 图3.4丰田戴那汽车前梁工字型横梁(2)利用拉伸削减横梁的另一侧草绘一个比外廓小10mm的前梁侧面图,如图3.5所示;图3.5丰田戴那汽车前梁工型横梁侧面拉伸尺寸为5mm,如图3.6所示 图3.6丰田戴那汽车前梁工型字横梁 3、利用拉伸制作前梁与转向节主销连接处建立一个直径为60mm的圆,并拉伸。如图3.7所示;(a)(b)图3.7丰田戴那汽车前梁工字型横梁4、利用拉伸制作横梁支撑板(1)拉伸制作支撑板,建立一个长140mm,宽130mm的长8所示方形。如图3.8所示图3.8丰田戴那汽车前梁工字型横梁(2)在钢板弹簧支撑版上打孔,孔的直径为20mm,如图3.9所示;图3.9丰田戴那汽车前梁工字型横梁5、利用拉伸继续削减工字型横梁两侧(1)利用拉伸削减横梁的一侧草绘一个比外廓尺寸小10mm的图形,具体图形如图3.10所示图3.10丰田戴那汽车前梁工字型横梁侧面拉伸尺寸为20mm,如图3.11所示图3.11丰田戴那汽车前梁工字型横梁(3)利用拉伸削减横梁的另一侧拉伸尺寸为20mm,如图3.12所示; 图3.12丰田戴那汽车前梁工字型横梁6、导圆角 圆角尺寸为5.00mm,如图3.13所示3.13丰田戴那汽车前梁工字型横梁7、利用拉伸制作转向节,如图3.14所示;图3.14丰田戴那汽车前桥转向节镜象处理,如图3.15所示图3.15丰田戴那汽车前桥转向节8、利用旋转绘制轮毂短轴图3.16丰田戴那汽车轮毂短轴9、装配各零件装备前梁,转向节及主销,如图3.17所示(a)(b)(c)(d)(e)图3.17 丰田戴那汽车前桥装配图33本章小结本章主要内容是针对丰田戴那汽车前桥的具体结构,通过查阅汽车设计手册和实体测量对丰田戴那汽车进行三维前桥建模。其中,前桥三维建模运用Pro/E软件。并详细描述了三维建模的过程,包括简化,建立模型和装配。第4章 有限元分析及改进措施41 Pro/E模型的简化 由于单元划分得越细,节点越多,计算精度越高,但随之而来的是计算时间和计算内存的增加,所以要综合考虑各种因索来确定单元和节点的数目。在满足工程精度要求的前提下,单元和节点数尽量少一些7。为了更加有效的利用计算机资源,在不影响分析的精度下,应对Pro/E三维模型进行进一步简化。考虑到计算结果的精度,对其结构进行适当的简化,去除一些对计算结果影响较小的倒圆角及一些附属件。1、前桥的前梁与转向节、主销的摩擦力小,对前桥的工作性能影响很小,摩擦力可忽略不计。因此在导入ANSYS时可不考虑内部的转向节和主销之间的力;2、为了避免计算资源的浪费,提高网格质量,对一些基本不影响分析结果精度的小孔和凸台,如输油孔、螺栓孔等,建模时忽略;3、略去倒圆角,以倒斜角取代倒圆角;4、固定连接的强度等于锻造件的强度;简化后的前桥模型如图4.1,图4.2所示图4.1 丰田戴那汽车前桥简化图图4.2 丰田戴那汽车前桥简化图42 几何模型的导入 将Pro/E中所建立的几何模型导入ANSYS中的方法主要由以下三个:1、方法一:将ANSYS直接集成在Pro/E中(1)设置ANSYS与Pro/E的接口。选择“程序” ANSYSRelease10.0UtilitiesANS_ ADMIN,打开ANSYS管理器,点击“OK”确定,在配置选项对话框中选择与Pro/E的连接.确定后在随之打开的对话框中将图形显示设备设置为“3D”。最后在Pro/E安装信息对话框中输入Pro/E在本计算机中的安装路径,点击“OK”完成ANSYS与Pro/E的接口设置;(2)打开Pro/E,在其菜单管理器中多出了两个选项“ANSYS Comfit”和“ANSYS Geom.”,这表明已经将ANSYS集成在Pro/E之中了;(3)在Pro/E中完成建模后直接点击“ANSYS Geom.”,系统会自动将ANSYS打开,将当前模型导入到ANSYS中去,只要使用“Plot”,菜单中的“Volumes”,选项,就可将实体模型显示出来。值得一提的是,由于导入的是实体模型而非有限元模型,“Plot”,菜单下的“Elements”,选项不可用;(4)在ANSYS中设置模型材料、选择单元、网格划分、添加约束和载荷,最后进行分析和显示分析结果。由于方法一是将ANSYS直接集成在Pro/E之中,所以模型的整个转换过程可以在不脱离Pro/E和ANSYS这两个软件的情况下进行,从而实现了无缝连接,真正做到了CAD/CAE一体化。另外,在模型从Pro/ E导入ANSYS的过程中,系统会自动在Pro/E的工作目录下生成一个与模型同名的.as游式的图形转换文件,该文件包含了模型的所有信息,将该文件复制到ANSYS工作目录下。使用ANSYS 中的“Read Input from”选项,同样也可以导入该模型(同样是实体模型)。2、方法二:ANSYS环境中直接导入Pro/E的模型文件(1)按照方法一将ANSYS和Pro/E的接口设置好;(2)用Pro/E完成建模后,直接将模型文件复制到ANSYS的工作目录下。使用ANSYS中的“Input”-“Pro/E”,选项导入该模型文件,并使用“Plot” 菜单中的“Volumes”选项显示实体模型;通过这种方法导入ANSYS的同样是实体模型。由于没有使用“ANSYS Geom”,选项来启动ANSYS,所以不会产生方法一中出现的。模型转换文件,从而可以节省计算机资源;3、方法三:以IGES形式将Pro/E建立的模型导入IGES是一种通用格式,它可以在各建模软件和分析软件之间转换,首先在Pro/E中建立模型,出现Import IGES File对话框,点击OK进入下一个对话框,指定IGES论文基于ANSYS的桑塔纳汽车后桥有限元结构分析件保存的工作路径,打开。Pro/E模型将会以IGES导入到ANSYS中.但是,对于利用IGES形式将Pro/E模型导人ANSYS时,经常会出现复杂曲面发生曲面丢失或者变形的情况。本文采用上述的第一种方法将模型导ANSYS,比较导入前后的模型可见,模型没有发生扭曲、丢面、多面等现象,确保了信息的完整。本文采用的是方法一,将丰田戴那汽车前桥实体模型导入ANSYS软件中,导入结果如图4.3,图4.4所示;图4.3丰田戴那汽车前桥导入图图4.4丰田戴那汽车前桥导入图43 选择单元类型在生成节点和划分网格之前,通常都要指定所分析对象的特征,即定义单元类型。主要包括3个基本类型的常数定义:单元类型定义(Element Type),实常数定义(RealConstant),以及材料属性定义(Material Attributes)。为了定义单元类型首先要建立一些单元属性表,内容即包括上述的基本常数的定义。ANSYS提供了大约200种单元用于工程分析。包括线单元、梁单元、杆单元、弹筑单元、壳单元和体单元等9。在以往的汽车后桥有限元静态分析中,认为汽车前桥受力基本上是承受压力所以选用有限元中的梁、板壳单元,或者用板、梁、块体元的组合来描述系统的结构。因此即使在选择同一种单元时,也必须设置不同的实常数来定义板厚、梁单元的截面尺寸、转动惯量等参数。若设置参数较少,必然会对结构作较大的简化。若参数设置较多,又给网格的划分增加了计算量和复杂程度。同时,由于板梁等不同单元的节点自由度数是不同的,必须考虑不同类型单元之间连接时位移的连续性问题,使不同单元的接触结构的变形协调,为此需人工进行调整。若人工干预太大,会引起单元畸变,所以用板、梁等单元建立的有限元模型,必将带来一定的计算误差。所以选用中单元类型的SOLID95单元进行网格划分,如图4.5所示。该单元是一个20节点的四面体单元,用于仿真3D实体结构,具有较高的精度。这个单元的每个节点有沿x,y,z方向的三个平移自由度。它可用于分析塑性、应力强化、屈服、大变形和大应变等问题。图4.5 单元类型的选择44 定义材料属性和网格划分1、定义材料属性在划分网格之前需要对材料的属性进行定义,本设计丰田戴那汽车前桥的材料为30Cr,主要针对其弹性模量,泊松比和密度。定义材料属性如图4.6和4.7所示:图4.6 定义材料弹性模量和泊松比图4.7 定义材料密度2、网格划分 为了具体的网格划分做准备,满足找到合适的节点的要求,应先将丰田戴那汽车前桥划分几个部分。具体方法步骤如下所示:(1)旋转工作坐标,沿XZ轴旋转90度。如图4.8所示(1)图4.8 旋转工作坐标(2)将工作坐标左平移273mm,如图4.9所示图4.9 平移工作坐标(3)根据工作坐标划分体操作方法如图4.10所示图4.10 根据工作坐标划分体共划分了4次,其余3次的操作方法与本次均相同。划分后如图4.11所示图4.11 根据工作坐标划分体将前桥加成一个体如图4.12所示:图4.12 所有的体相加接下来需要将其进行网格划分,生成有限元单元网格,为施加边界条件、载荷和求解做好准备,具体划分单元时应注意以下几点:(1)单元划分应尽量避免畸形,如对于三角单元,不应出现过大的钝角或过小的锐角;对于四边形单元,长度和宽度不能相差太大,否则将引起结构刚度矩阵病态,大大影响计算精度;(2)单元划分要适度,对于结构受力比较大的部位,单元的网格尽量密一些:对于受力比较平缓的部位,单元划分可能大一些。为了不使单元边相差太大,则单元应由小到大逐渐过渡;(3)单元和节点的数目要适当。单元划分得越细,节点越多,计算精度越高,但随之而来的是计算时间和计算内存的增加,所以要综合考虑各种因索来确定单元和节点的数目。在满足工程精度要求的前提下,单元和节点数尽量少一些。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小.如果网格过于粗糙,那么结果可能包含严重的错误。如果网格过于精细,计算精度会有所提高,但将花费过多的计算时间,浪费计算资源,甚至还会导致由于硬件条件而无法计算的问题。所以在确定网格数量时应权衡这两个因素综合考虑。网格划分的疏密程度随分析不同问题而异.对一个结构来说,划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力),而计算固有特性时,则应趋于采用较均匀的网格形式,这是因为固有频率和振型主要取决于结构质里分布和刚度分布,不存在类似应力集中现象,采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元数不致相差太大,可减小数值计算误差10。 ANSYS主要有4种网格划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分,然后选择合适的单元属性和网格控制,生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的。对实体模型无特殊要求。对任何几何模型(规则的或不规则的)都可以直接划分,避免了用户对复杂模型的各个部分分别划分后进行组装式,各部分网格不匹配带来的麻烦.自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后,用户指示程序自动生成有限元网格,分析、估计网格的离散误差,然后重新定义网格大小,在次分析计算、估计网格的离散误差,直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。自由体网格一般限定为四面体单元,这符合前面所选的SOLID95单元类型,又由于本课题中的前桥结构复杂,故采用自由网格方法划分网格。选用智能网格划分(Smart Size)选项,拖动改选项下面的划块,设智能网格划分的密度为7。划分有限元模型如图4.13所示。图4.13 自由网格划分45 静力分析4.5.1 施加载荷在前梁的钢板弹簧支撑板上施加载荷,经过查阅资料得到关于丰田戴那汽车相关数据如下:汽车总质量3920kg;额定载质量1450kg;整备质量2340kg,前轴载质量1307kg。前桥受力分析如图4.14所示。图4.14 丰田戴那汽车前桥在静止时的受力简图 汽车前桥在静态满载工况下,只受到本车自身的重力。加载位置为钢板弹簧座体上,具体加载数值为0.455Mpa;约束添加位置为转向节短轴处。具体操作方法如图4.15所示。图4.15 添加载荷4.5.2 对模型施加约束在前桥转向节外短轴处加全约束, 如图4.16所示图4.16 添加约束46 分析计算与分析结果 经过计算分析,求解得出结果。如图4.17所示。图4.17 丰田戴那汽车前桥应力分析主视图通过分析结果可知,最大应力为174.589MPa。此种工况出现应力和变形的原因是:在该工况下作用力垂直于轴向,产生剪应力,导致应力和变形增大,在该工况下,该车桥应力小于流动极限,远小于强度极限。图4.18 丰田戴那汽车前桥应力分析局部图通过图4.18的分析结果可知,丰田戴那汽车前桥的最大应力集中分布在转向节短轴处,最大的应力为174.589Mpa。图4.19 丰田戴那汽车前桥应力分析侧视图从丰田戴那汽车前桥的位移云图中,可以得知前桥的最大位移量为0.648*10-6m。如图4.20所示。图4.20 丰田戴那汽车前桥位移云图从前轴的线性静强度分析过程与结果,可以得出结论:通过对前轴利用ANSYS有限元软件进行线弹性基础上的静强度分析可知,前轴在静态满载工况下,最大应力部位在转向节短轴区域,最大应力为174.589MPA,最大变形在前梁中间部位,最大变形量为0.648*10-6m。位置分布如图4.16和图4.20所示。其强度不超过s=350MPa,满足设计使用要求11。47 改进措施 前梁用钢材锻造,断面为工字型以提高抗弯强度。为提高抗扭强度,接近两端略制成方形。前梁两端各有一个加粗部分,呈拳形,其中有通孔,主销即插入两孔内。通过主销将转向节前部与前梁的拳部相连,并用带有螺纹的楔形锁销将主销固定在拳部孔内,使之不能转动。这样的连接可以提高前桥的抗弯强度和抗扭强度,即增加了前桥的强度和刚度。通过分析结果可知,最大应力为174.589MPa,分布如图4.16所示。此时,虽然车桥不至于断裂,但安全系数偏小,要求生产过程中,从原材料到制造工艺,都要严格控制质量4。在使用过程中,要避免超载,且用户应避免驾车在恶劣路面上高速行驶。对于前桥强度来说,按屈服失效模式来分析前桥强度: (4.1)其中1、2、3为各向主应力,S为材料屈服强度。按最大拉应力理论来校核前轴断裂失效模式:1b,其中b为材料抗拉强度12。通过分析得出1为178.456Mpa,2为51.945Mpa,3为122.098Mpa,如图4.21,图4.22和图4.23所示。图4.21 丰田戴那汽车前桥应力分析x方向应力图图4.22 丰田戴那汽车前桥应力分析y方向应力图图4.23 丰田戴那汽车前桥应力分析z方向应力图通过上式进行校核,静态满载工况下强度满足强度要求。因此,该前轴满足强度和刚度要求。对丰田戴那汽车前桥加强强度和增加使用寿命,可对前桥的结构进行改进和从材料强化处理的角度来考虑改进措施。由于对前桥的结构进行改进可能会影响到其它性能,难度较大。因而可从材料强化处理的角度来考虑改进措施,以提高前桥的强度及使用寿命。目前,实际结构强化处理后的试验证明:用超声冲击强化处理后寿命约为原来的3倍左右;喷丸强化处理后寿命为2倍左右13。另外,如前桥发生断裂,那么断裂一定起源于前桥工字梁前侧焊接处。主要是由于在前桥上焊接钢带时,焊接处产生马氏体组织和焊接裂纹,导致前桥受力时产生脆性断裂。为防止载重汽车(特别是超载的汽车)在山路或长下坡路段长时间刹车引起刹车片处于高温导致刹车失灵,需对刹车片用水进行冷却,所以司机往往在汽车的前桥上焊接薄钢板用以固定冷却水管,而不正当的焊接操作容易导致前桥的断裂事故。因此,应严格禁止在汽车的前桥上进行任何焊接操作。48 本章小结 本设计利用ANSYS软件对丰田戴那汽车进行前桥网格划分,施加约束,加载压强及静力分析得出丰田戴那汽车前桥静力分析图。通过观察丰田戴那汽车前桥的受力情况,找出容易断裂处,并提出改进措施。得出以下结论:(1)最大应力集中分布在转向节短轴与转向节连接处,最大应力为174.589MPa;(2)最大变形集中分布在前梁的中间部位,最大变形量为0.648*10-6m;(3)通过分析得出丰田戴那汽车前桥符合强度和刚度的要求。(4)对丰田戴那汽车前桥加强强度和增加使用寿命,可以用超声冲击强化处理或者喷丸强化处理;(5)前桥不可以做任何焊接处理。结 论本设计利用有限元分析为基本方法,使用三维设计软件Pro/E,以丰田戴那汽车前桥实体模型为基础,提出合理的简化条件,建立了该前桥的三维几何模型。并在几何模型的基础上,进行进一步的分析简化,通过选择恰当的单元类型,添加实际的材料参数,在ANSYS中建立了相应的有限元模型。通过合理的网格划分,添加实际的约束条件和在静态满载工况下的载荷压强,利用ANSYS对丰田戴那汽车前桥进行有限元结构静力分析。找出其应力较为集中的地方和变形较为集中的地方,并对应力较为集中的区域和变形较为集中的区域进行了分析讨论。 然后对丰田戴那汽车前桥进行分析并对分析结果进行了讨论,提出了改进措施。通过本文的研究,得到如下几点结论:(1)通过对前桥结构静应力的分析,发现前桥上应力主要集中的地方,最大应力集中分布在转向节短轴与转向节连接处,最大应力为174.589MPa;(2)通过对前桥结构静应力的分析,发现前桥上变形主要集中的地方,最大变形集中分布在前梁的中间部位,最大变形量为0.648*10-6m;(3)通过对前桥结构静应力的分析,发现前桥上应力主要集中的地方,通过分析得出了该前桥在满载压力的作用下满足强度要求;(4)对丰田戴那汽车前桥加强强度和增加使用寿命,可以对应力较为集中的区域和变形较为集中的区域使用超声冲击强化处理和喷丸强化处理;(5)前桥不可以做任何焊接处理。参考文献1 刘惟信汽车车桥设计M北京:清华大学出版社,2004.2 陈良玉等机械设计基础M沈阳:东北大学出版社,20003 黄国权ANSYS有限元法基础及ANSYS应用M北京:机械工业出版社,20044 黄忠耀等Pro/E2001基础训练教程M北京:清华大学出版社,20025朱帅,钱立军.基于ANSYS的前桥强度分析J.机械研究与应用.2007,20(2):44-51.6 周一平,朱海林.某轿车前后桥有限元模型分析及试验验证J.计算机辅助工程.2006,15:225-2297 房俊喜.汽车后桥静、动态特性的分析与研究D.山东理工大学硕士学位论文,2005.8 余成龙,董益亮.杂交系统动力学分析的有限元法汽车后桥有限元建模与分析J.中国机械工程,2003,14(2):93-95.9 郑燕萍,羊玢.汽车驱动桥壳台架试验的有限元模拟J.南京林业大学学报(自然科学版),2004(4):47-50.10 田应刚. 轿车前悬架的有限元分析J. 清华大学学报, 2001(41):22-26.11 吴瑞明,周晓军,等.汽车驱动桥的疲劳检测分析J.汽车工程, 2003(3): 283-286.12 赵经文,王宏钮.结构有限元分析M.北京:科学出版社,2001.13 刘新田,黄虎,刘长虹,等.基于有限元的汽车车架静态分析J.上海工程技术大学学报.2007,21(2):112-116.14 Bart Peeters,Antonio Vechio,Thierry Olberchts.Vibration Testing and Modal An alysis of Air planes.Proceeding of the SAE World Aviation Congress,Reno(NV),USA 2004.11.15 Chen J.C.Galileo Spacecraft Modal Test and Evaluation of Testing Techniques,J.P .L.California Institute of Technology.致 谢本论文是在我的导师王瑛璞高级实验师的悉心指导下完成的,他对论文的写作提出了许多宝贵的意见,并在研究方法上给予了充分的指导。王瑛璞老师广阔的学术视野、清晰的分析思路和严谨的治学态度,让我在四年的本科学习期间受益匪浅。在我完成课题的过程中,王老师为我创造了良好的学习环境和工作条件,给予了我热情的鼓励和细致的指导,帮助我不断克服学习中的困难,使我能够顺利地完成课题。因此在本设计完成之际,首先感谢我的导师王瑛璞高级实验师。同时,感谢本专业杨兆、王强等全部老师在我学习过程中给予的帮助。老师们渊博的知识,严谨的治学态度,科学的工作方法和忘我的工作热情,令我受益匪浅,终生难忘,在此深表谢忱!最后感谢本专业施奇,马贵,白支飞等同学在我学习研究期间给予的指点和帮助。附 录Establishment of Vehicle Front Axle Load Spectrum and Its Application of Fatigue Life EstimationHongwei Wan Hongyun Luo Qunpeng ZhongThe front axle is very important to safety and reliability of the vehicle. To estimate the fatigue life of the vehicle front axle, a simple and quick method is adopted. The vehicle front axle load spectrum was measured when the vehicle ran on general tar-paved roads, mountainous roads, stones roads, etc. The table of the frequency relationship of the different mean and amplitude load was obtained by using rain-flow counting method of three peaks and valleys. Through a series of tests and calculation, the mathematical model of P-S-N curve of vehicle front axle under the different probabilities was acquired, and the fatigue life of the different mean and amplitude load was obtained. According to the obtained frequency relationship and the fatigue life of the different mean and amplitude load, and with Miner linear accumulated fatigue damage rule, the service life of vehicle front axle under stochastic load was estimated. This method simplifies the calculation of the fatigue life estimation, and these estimated results will be significant for the fatigue design, test, life estimation and the parameters optimizing of the vehicle front axle.IntroductionRoad load spectrum is very important to estimate fatigue life of vehicle front axle. Fatigue load spectrum is the load-time course of being handled. It describes the statistics nature of load under all kinds of loading conditions, and determines the statistic relation between load and frequency based on the probability statistics. It shows that fatigue load spectrum is important foundation to design fatigue parameters, estimate fatigue life and imitate fatigue tests, calculate and analysis strength, and design the reliability etc. It is well known that the good formulas of fatigue life curves play important role in fatigue life estimation. But fatigue testing is time-consuming and costly. Therefore, effective formula should be adopted to estimate P-S-N curves from a limited number of fatigue tests.Therefore, to estimate the fatigue life of the vehicle front axle, it is necessary to obtain Road load spectrum and the P-S-N curve of the vehicle front axle.The Analysis of Road Load SpectrumThe collection of road load spectrumTo derive the road load spectrum of vehicle front axle, a set of tests were carried out when the vehicle ran on general tar-paved roads, mountainous roads, stones roads, etc. All signals, recorded by tape machines, were voltage value that was caused by strain of the vehicle front axle. After loading signal was returned by the tape machine, MTS (Mechanical Testing & Simulation) remote control system made A/D transformation of these signals. Then, the workstation collected these transformed data, showed the sampling curve and saved in the disk for further processing.The signals on the tapes contained many information,such as some interference signals, the sensor signals, the fluctuations signals. Thus, it is necessary to conduct second sample and pretreatment of the load-time history with the software of MTS to eliminate the ineffective signals. Finally, the real signals of road load spectrum were obtained.The analysis of road load spectrum with three peaks and valleys rain-flow counting methodAt present, the rain-flow counting method is most widely used in mechanical engineering to evaluate fatigue damage 2. Rain-flow counting method was first proposed by Matsuishi and Endo in 1968.The counting principle of four peaks and valleys was changed into that of three peaks and valleys based on traditional rain-flow counting method, which can simplify the technical conditions of computer application. By using this converted rain-flow counting method, the relationship of the frequency of the mean and amplitude load was acquired. But, due to the paper limitations, the rain-flow counting results of 10,000km roads load spectrum was combined and the finally results shown in Table 1.TABLE 1-The results of load-time history with rain-flow counting method mean nijamlitude-13.81 -10.56-7.31-4.060.812.445.698.942.43151047056406222237437714125.69022438920523321708.940031061240930013.810009657180018.6900027300021.9400031600025.190002800028.4400004000Zero mean stress conversionThe average stress that obtained under real stress cycle was not zero. It has a greater influence on the cumulative damage. Therefore, the results to zero mean stress was converted by following Goodman experiential fatigue equation. i = 1, 28, j = 1,28 (1) Where Sij is the equivalent to zero mean stress; Sai is the ith stress amplitude in Table 1; Smj is the jth mean stress in Table 1; b is the limit value of strength. Sai and Smj are obtained based on Hookes Law: S = Es (2)Where E is the Youngs modulus, E=0.21106MPa. The materials of vehicle front axle is 42CrMo, b =1133.9MPa. Therefore, Eq. (1) can be re-written as (3) Where ai is the strain amplitude,mj is the strain mean. For example, if Sa1 =2.43 and Sm1 =-13.81, based on Eq.(3), this leads to Sij =0.5109Mpa. Thus, Sij (i=1,2-8, j=1,2-8) can be obtained according to Table 1 and Eq.(3).The mathematical model of P-S-N curve of vehicle front axleGroup fatigue tests of vehicle front axle were operated on the machine of fatigue life test (MTS810). The results of tests were conducted as follow: Firstly, the minimum number of test samples was judged. Secondly, the suspicious data was eliminated, after every group data distribution was fitted respectively, mean and standard deviation of normal distribution were obtained. Finally, the fatigue life data was fitted with the linear least squares method, the mathematical model of P-S-N curve of vehicle front axle under the different probabilities was acquired 5, it can be defined as follows: (4)By using Sij from Eq.(3) and up that can be obtained according to the given Pvalue, the fatigue life (Nij) under the ith stress amplitude and the jth mean stress can be shown. For example, if p=0.5, up=0 and S11 =0.5109Mpa, based on Eq.(4), this leads to N11 =0.5109Mpa. Therefore, the fatigue life Nij (i=1,2-8,j=1,2-8) was acquired.The service life estimation of vehicle front axleThe fatigue fracture of vehicle front axle is a cumulative damage process. At present, Miners rule, revised Miners rule and relative Miners rule of the linear cumulative damage theory are widely used in fatigue design. The fatigue life of vehicle front axle could be acquired according to the Miners linear cumulative damage rule, nij in Table 1 and Nij from Eq. (4). It can be calculated with the next equation: (5)The service life of vehicle front axle can be defined as (6)The service life of vehicle front axle under different fatigue probabilities was shown in Table 2.TABLE 2 The service life under different fatigue probabilitiesprobability50%90%99%99.9%99.99%99.999%service life(km)23238311291315821761522422436459.8332791.6ConclusionsBased on the foregoing test results, analysis and discussions, the preliminary conclusions may be drawn as follows: The table of the frequency relationship of the different mean and amplitude load was obtained by using rain-flow counting method of three peaks and valleys. Then
温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
提示  人人文库网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
关于本文
本文标题:丰田戴那汽车前桥有限元结构分析
链接地址:https://www.renrendoc.com/paper/98916124.html

官方联系方式

2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载   
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器   
4:下载后的文档和图纸-无水印   
5:文档经过压缩,下载后原文更清晰   
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服 - 联系我们

网站客服QQ:2881952447     

copyright@ 2020-2025  renrendoc.com 人人文库版权所有   联系电话:400-852-1180

备案号:蜀ICP备2022000484号-2       经营许可证: 川B2-20220663       公网安备川公网安备: 51019002004831号

本站为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,本站只是中间服务平台,本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知人人文库网,我们立即给予删除!