輕型汽車車架有限元分析畢業(yè)論文

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1、 輕型汽車車架有限元分析 畢業(yè)論文中文摘要 輕型汽車車架有限元分析 摘要： 車架作為非承載式車身結(jié)構(gòu)的主要承載部件，要承擔(dān)汽車的大部分載荷，其性直接關(guān)系到整車性能的好壞。車架的性能主要取決于車架在靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷下的響應(yīng)情況，因此對(duì)車架進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析不僅可以評(píng)價(jià)車架自身的性能，而且還可以作為整車的行駛平順性等性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其結(jié)果還可以為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。本文運(yùn)用UG軟件建立農(nóng)用三輪車車架零部件及總成三維模型，并運(yùn)用UG或相關(guān)軟件對(duì)車架進(jìn)行有限元的強(qiáng)度分析。車架的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性方面作了如下研究： 對(duì)

2、車架及其載荷進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，在繪圖軟件UG中建立了車架的三維模型，利用UG的高級(jí)仿真模塊將三維模型導(dǎo)入，進(jìn)行了有限元網(wǎng)格的劃分。對(duì)應(yīng)車架在扭轉(zhuǎn)和彎曲兩種工況，施加相應(yīng)的邊界條件和載荷條件，進(jìn)行了靜態(tài)響應(yīng)分析，找出了車架結(jié)構(gòu)中的薄弱部位。在計(jì)算得到的車架模態(tài)的基礎(chǔ)上，研究了車架在路面上動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，選取了車架上的駕駛室安裝點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架點(diǎn)和貨箱支撐點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)作為響應(yīng)輸出，得出了個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布和動(dòng)態(tài)位移情況。 本文的研究結(jié)果為研究整車振動(dòng)、疲勞和噪聲等問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)，并可對(duì)廠家的生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞： 有限元；模態(tài)分析；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)特性；UG5.0

3、 畢業(yè)論文外文摘要 Finite Element Analysis of the Frame of Light Vehicle Abstract: Frame is the most important part of a Body-chassis frame construction. The performance of a frame directly determined the performance of an automotive. Further more, the performance of a frame is determined by t

4、he static and dynamic characteristics of its structure. So researches on the static and dynamic characteristics can not only estimate the frame characteristics, but also estimate the characteristics of an automotive. Papers use the software of UG to establish agricultural tricycle frame three-dimens

5、ional model of parts and assembly, and the use of related software on the frame to carry out finite element analysis of strength. Frame of the static characteristics and dynamic characteristics study were as follows: With reasonable and suitable simplifications, a fine FEM model of the frame was es

6、tablished by using UG. The modal analyses of the frame were processed in NX NASTRAN. Finite element mesh division. A series of static analysis, include bending and torsion, were implemented on to the frame for simulation. The results of stress and deform presented the evidence of the weakness of the

7、 frame. Based on the former modal results, research of the dynamic response on the road was followed by choosing the cab’s installation place, the engine’s rod and the carriage’s support points as the output points. The frame’s dynamic stress distribution and displacement were calculated. This rese

8、arch not only meaningful of its theoretical foundation of the optimization, but also its contribution for the future NVH studies. Keywords： Finite element; Modal analysis; Static analysis; Dynamic analysis; UG5.0 （空2行） 目 次 （4號(hào)黑體，居中） 1 緒論………… 1 2 ×××××× （正文第2章）…………

9、………………………………………… Y 2.1 ×××××× （正文第2章第1條） ………………………………………… Y 2.2 ×××××× （正文第2章第2條） ………………………………………… Y 2.X ×××××× （正文第2章第X條） ………………………………………… Y 3 ×××××（正文第3章） ……………………………………………… Y ………………………………………（略） X ×××××（正文第X章）……………………………………………………… Y 結(jié)論 ………………………………………………………………………………… Y 參考文獻(xiàn)………………………………

10、……………………………………………… Y 致謝………………………………………………………………………………Y 附錄A ××××（必要時(shí)） ………………………………………………………… Y 附錄B ××××（必要時(shí)） ………………………………………………………… Y 圖1 ×××××（必要時(shí)）………………………………………………………… Y 圖2 ×××××（必要時(shí)）………………………………………………………… Y 表1 ×××××（必要時(shí)）………………………………………………………… Y 表2 ×××××（必要時(shí)）………………………………………………………… Y

11、 1 緒論 1．1 概述 目前國(guó)內(nèi)外汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，使得汽車產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期由原來(lái)的幾年縮短到十幾個(gè)月，這對(duì)于設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確的進(jìn)行汽車各種性能預(yù)測(cè)提出了很大挑戰(zhàn)。利用現(xiàn)代CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行汽車新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，是現(xiàn)代汽車企業(yè)開(kāi)發(fā)新的汽車產(chǎn)品的重要手段之一，它可以在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)、評(píng)估汽車的各種性能，為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成功提供了一定的保障。利用有限元方法可以在汽車的三維設(shè)計(jì)階段對(duì)車架的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)，并進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 汽車車架作為汽車總成的一部分，承受著來(lái)自道路及裝載的各種復(fù)雜載荷作

12、用，而且汽車上許多重要總成件都是以車架為載體，因而，車架的強(qiáng)度和剛度在汽車總體設(shè)計(jì)中顯得非常重要。基于此，本論文建立了車架的有限元模型，對(duì)車架的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命等進(jìn)行了分析，由于車架實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常建立有限元模型時(shí)需要對(duì)實(shí)際車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種簡(jiǎn)化，然而如果假設(shè)不當(dāng)，就會(huì)造成分析結(jié)果不能滿足工程實(shí)際的需要，因此對(duì)車架結(jié)構(gòu)分析的要求特別高。本論文建立了可信賴的車架的有限元模型，然后利用車架的有限元模型對(duì)車架進(jìn)行了模態(tài)分析、靜態(tài)強(qiáng)度分析，剛度分析，疲勞強(qiáng)度分析和碰撞分析，最后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使車架的設(shè)計(jì)滿足使用要求。 1．2 有限元法在國(guó)內(nèi)、外 汽車分析方面的應(yīng)用和發(fā)展概況 有限單元法是

13、一種很有效的數(shù)值計(jì)算方法，它能對(duì)工程實(shí)際中幾何形狀不規(guī)則，載荷和支承情況復(fù)雜的各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形計(jì)算、應(yīng)力分析和動(dòng)態(tài)特性分析。有限單元法的基本思想是:把一個(gè)連續(xù)的彈性體化分成有限多個(gè)彼此只在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處相互連接的、有限大小的單元組合體來(lái)研究。也就是用一個(gè)離散結(jié)構(gòu)來(lái)代替原來(lái)的結(jié)構(gòu)，作為真實(shí)結(jié)構(gòu)的近似力學(xué)模型。以后所有的分析計(jì)算就在這個(gè)離散的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行。有限元法之所以能夠求解結(jié)構(gòu)任意復(fù)雜的問(wèn)題，并且計(jì)算結(jié)果可靠、精度高，其中原因之一在于它有豐富的單元集，能夠適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。對(duì)于結(jié)構(gòu)分析而言，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類型包括梁?jiǎn)卧鍐卧?、曲殼單元、管單元、彈簧單元等，從而使我們能夠非常方便的用有限元模型?lái)描述

14、分析模型。2“有限元法”這一名稱是1960年美國(guó)的Clough R W在一篇名為“平面應(yīng)力分析的有限元法”論文中首先使用的。40年來(lái)，有限元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題，分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，使得有限元法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是從80年代開(kāi)始，隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)外先進(jìn)的計(jì)算軟件也開(kāi)始引進(jìn)我國(guó)，我國(guó)的有限元分析已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，有限元法的應(yīng)用己經(jīng)從彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到了空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題；從靜力平衡問(wèn)題

15、擴(kuò)展到了塑性、粘性、粘塑性和復(fù)合材料問(wèn)題等;從固體力學(xué)擴(kuò)展到了流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、振動(dòng)學(xué)等連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。 實(shí)際上，有限元法發(fā)展到了今天，已發(fā)展的較為完善，它已經(jīng)被認(rèn)為是工程分析中最強(qiáng)有力而又最通用的計(jì)算方法，其應(yīng)用范圍很廣，并且由于實(shí)踐性強(qiáng)而具有強(qiáng)大的生命力。利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，實(shí)質(zhì)上也是一種“計(jì)算機(jī)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)”，它不僅使過(guò)去無(wú)法進(jìn)行運(yùn)算的課題獲得數(shù)值解，而且逐漸代替某些成本高、時(shí)間長(zhǎng)的常規(guī)試驗(yàn)。有限元分析法在汽車中的應(yīng)用非常廣泛，概括起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算；結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析；汽車整車性能分析；傳熱分析；汽車動(dòng)力學(xué)分析；汽車結(jié)構(gòu)噪聲分析；汽車被動(dòng)安全

16、分析等。因此有限元分析方法在汽車中有著廣泛的應(yīng)用范圍，它不僅可以用來(lái)分析已經(jīng)成型的汽車產(chǎn)品的性能，也可以應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中汽車的性能分析，為汽車設(shè)計(jì)提供依據(jù)和指導(dǎo)。 車架是汽車的承載體，不僅承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)和牽引貨物的質(zhì)量，而且還要承受汽車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此，其強(qiáng)度不僅關(guān)系到整車能否正常行駛，而且還關(guān)系到整車安全性。對(duì)車架設(shè)計(jì)的要求是:在保證足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性下，盡可能達(dá)到質(zhì)量輕、形狀合理，并最大限度地減緩過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車架的有限元分析進(jìn)行了大量的研究，取得了大量的研究成果。Ao, Kazuo等人對(duì)利用有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計(jì)過(guò)

17、程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。鄭兆昌等人應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)軟件SAP.SP對(duì)車車架進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。提出了利用車架模態(tài)分析結(jié)果直接對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。早期的車架有限元模型多把車架簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，但對(duì)于一些低合金鋼板沖壓成型或槽鋼，工字鋼等制作的車架，這種模擬方法存在許多不足之處，無(wú)法反映車架縱梁和橫梁的連接情況，難以準(zhǔn)確計(jì)算車架構(gòu)建結(jié)合部的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果只是各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況，且計(jì)算精度較低。板殼單元模型用板殼單元將車架的縱、橫梁及連接板進(jìn)行離散化，這種結(jié)構(gòu)單元準(zhǔn)確的描述了形狀復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，大大提高了有限元分析的精度，能夠處理連接部位的應(yīng)力問(wèn)題，但是這種模型單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，前處理工作量大，計(jì)算速度慢

18、。板殼單元模型適用于對(duì)車架分析精度要求較高的場(chǎng)合，采用板殼單元建立的車架有限元模型板殼之間的焊接及螺栓連接的模擬形式對(duì)于汽車車架結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果有較大的影響，如何處理焊點(diǎn)模擬與螺栓連接是很關(guān)鍵的問(wèn)題。 汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是汽車工業(yè)近些年的重要研究領(lǐng)域。汽車車架是汽車結(jié)構(gòu)件中結(jié)構(gòu)與載荷都很復(fù)雜的重要部件，也是人們首先開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的對(duì)象。吉林工業(yè)大學(xué)的黃金陵曾在對(duì)影響車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素進(jìn)行了理論分析基礎(chǔ)上，運(yùn)用懲罰函數(shù)法尋得了汽車車架各梁截面參數(shù)的最佳值，但是由于影響汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素很多，如縱梁及橫梁的布置;各梁所采用的截面形狀和尺寸；縱、橫梁聯(lián)接接頭的型

19、式等等。再者，車架結(jié)構(gòu)和載荷都比較復(fù)雜，難以形成較好的數(shù)學(xué)模型，因此該文作者并未對(duì)車架進(jìn)行全面分析，這勢(shì)必影響結(jié)果的可靠性。河北工學(xué)院的馮國(guó)勝曾經(jīng)在有限元分析的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合形法和懲罰函數(shù)法對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)例優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量也只涉及到了截面的參數(shù)，并未考慮到同樣比較重要的布置參數(shù)。 1．3 本文研究的主要內(nèi)容 車架作為汽車的承載基體，支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、貨廂等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車行駛過(guò)程中保持不變并使車身的變形最小;車架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證

20、其有足夠的可靠性和壽命，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開(kāi)裂。車架剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也使汽車的乘座舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。但車架的扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過(guò)大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差，使通過(guò)性變壞?？紤]到客車在國(guó)內(nèi)的具體使用情況在可能的情況下，車架的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮易于吸收撞擊的結(jié)構(gòu)[22]。 車架作為汽車的基礎(chǔ)部件，受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法對(duì)其各部分的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，而采用有限元分析即可對(duì)車架的靜強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，從而使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)入到科學(xué)設(shè)計(jì)階段。 本課題就是有限元分析方法在汽車車架改

21、進(jìn)設(shè)計(jì)方面的具體應(yīng)用，主要目的就是掌握UG繪圖軟件的使用，并對(duì)該車車架進(jìn)行抗彎靜載強(qiáng)度測(cè)試，以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正有限元計(jì)算模型。利用有限元分析軟件對(duì)車架的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，為車架的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)。UG軟件建立車架的幾何模型，并且針對(duì)于該車車架，通過(guò)NX.NASTRAN大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件對(duì)該車車架進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)分析。主要通過(guò)以下步驟完成： 1) 通過(guò)UG等軟件建立輕型汽車車架總成的三維幾何數(shù)學(xué)模型 2) 劃分有限元單元 3) 設(shè)定約束條件和承載情況 4) 對(duì)不同工況下車架的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算 5) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，提出改進(jìn)意見(jiàn) 在以上步驟中，第2，3，4步是

22、核心步驟，第1步是最重要的準(zhǔn)備工作。 2 有限元的基本理論 有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，它在 50 年代初期隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛應(yīng)用。這一方法的理論基礎(chǔ)牢靠，物理概念清晰，解題效率高，適用性強(qiáng)，目前已成為機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段，它的程序包是機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)常用方法庫(kù)中不可缺少的內(nèi)容之一在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展日新月異的情況下，市場(chǎng)的需求是瞬息多變的，機(jī)械產(chǎn)品以多品種、小批量生產(chǎn)為主，這就要求新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造周期短，質(zhì)量高，成本低，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已越來(lái)越適應(yīng)不了發(fā)展的需要。因此，近 20 年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，正在設(shè)

23、計(jì)領(lǐng)域中進(jìn)行著一場(chǎng)深刻的革新，如用理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用精確設(shè)計(jì)代替近似設(shè)計(jì)；用優(yōu)化設(shè)計(jì)代替一般設(shè)計(jì)，用動(dòng)態(tài)分析代替靜態(tài)分析等等，而有限元方法為在設(shè)計(jì)階段掌握產(chǎn)品性能提供了強(qiáng)有力的工具?？梢哉J(rèn)為有限元計(jì)算是利用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)必然進(jìn)入到一個(gè)新的階段。國(guó)外機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)已進(jìn)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及自動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)代，目前它正以有限元—優(yōu)化設(shè)計(jì)為中心不斷地向前發(fā)展。有限元方法是數(shù)值計(jì)算中的—種離散化方法，用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是從變分原理出發(fā)，通過(guò)分區(qū)插值把二次泛函(能量積分)的極值問(wèn)題化為一組多元線性代數(shù)方程來(lái)求解。人們知道，直接從一個(gè)微分方

24、程推導(dǎo)出它的泛函，常常是很復(fù)雜的，有時(shí)甚至是不可能的，所以在求泛函時(shí)常借助于所研究問(wèn)題的物理特性。諸如金屬切削機(jī)床這類機(jī)械產(chǎn)品的剛性問(wèn)題，屬于小變形彈性問(wèn)題，因而彈性力學(xué)中的最小位能原理提供了極大的方便。從物理或幾何概念來(lái)說(shuō)，有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種計(jì)算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用，其基本思路是將彈性連續(xù)體劃分成有限數(shù)量的小單元體，它們?cè)谟邢薅鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)上相互連結(jié)。在一定精度要求下，對(duì)每個(gè)單元用有限多個(gè)參數(shù)來(lái)描述它的力學(xué)特性，而整個(gè)連續(xù)彈性體的力學(xué)特性，可認(rèn)為是這些小單元體力學(xué)特性的總和，從而建立起連續(xù)體的力的平衡關(guān)系。 2．1 有限元法分析過(guò)程 有限元分析(FE

25、A, Finite Element Analysis)的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。 有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代

26、初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地將其描繪為:“有限元法=Rayleigh-Ritz法+分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh-Ritz法的一種局部化情況。不同于求解(往往是困難的)滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh-Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀(如二維 問(wèn)題中的三角形或任意四邊形)的單元域上(分片函數(shù))，且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元求解問(wèn)題的基本步驟通常為: 第一步:問(wèn)題及

27、求解域定義 根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。 第二步:求解域離散化 將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小(網(wǎng)絡(luò)越細(xì))則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。 第三步:確定狀態(tài)變量及控制方法 一個(gè)具體的物理問(wèn)題通?？梢杂靡唤M包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。 第四步:單元推導(dǎo) 對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試

28、函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣(結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣)。 為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。 第五步:總裝求解 將單元總裝形成離散域的總矩陣方程(聯(lián)合方程組)，反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)(可能的話)連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。 第六步:聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋 有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、

29、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。 簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分;后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果 2．2 有限元法的程序?qū)崿F(xiàn) 從使用有限元程序的角度來(lái)講，有限元分析可分為前處理、計(jì)算和后處理三大步。 前處理是對(duì)計(jì)算對(duì)象網(wǎng)格劃分、形成計(jì)算模型的過(guò)程。包括單元類型的選擇，結(jié)構(gòu)的材料特征參數(shù)的確定，實(shí)體建模，節(jié)點(diǎn)和單元網(wǎng)格的確定，邊界條件或約束條件及載荷的移置等。許多商用有限元軟件不僅提供了

30、與主流CAD系統(tǒng)的接口，自己本身也又很好的實(shí)體建模性能，有限元軟件都提供了一種以上的網(wǎng)格劃分方法，以供使用者根據(jù)計(jì)算要求進(jìn)行選擇。計(jì)算是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯(lián)立方程組、最終得到節(jié)點(diǎn)位移的過(guò)程。由于商用軟件已經(jīng)針對(duì)多種模型進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證運(yùn)算，因此只需要按照提示輸入各種條件，包括收斂的方法(在軟件中，這常被稱為求解器)等，計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。 后處理是對(duì)計(jì)算結(jié)果（應(yīng)力、應(yīng)變或振型等）的整理，形成等應(yīng)力線、變形圖、振型圖等，以及結(jié)果的輸出。 3 建模和有限元軟件的選擇 在本文的研究中，使用的是目前國(guó)際上最為通用的商用繪圖軟件Unigraphics Solution

31、s(簡(jiǎn)稱UGS)繪圖軟件和UGS的內(nèi)部高級(jí)仿真模塊NX. Nastran. 3．1 UG的CAD功能簡(jiǎn)介 本課題應(yīng)用的是Unigraphics Solutions(簡(jiǎn)稱UGS)繪圖軟件和 The MSC.Software Corporation(簡(jiǎn)稱 MSC)有限元分析軟件。 美國(guó)Unigraphics Solutions公司(簡(jiǎn)稱UGS )的產(chǎn)品主要有為機(jī)械制造企業(yè)提供包括設(shè)計(jì)、分析到制造應(yīng)用的Unigraphics(簡(jiǎn)稱UG )軟件，基于Windows的設(shè)計(jì)與制圖產(chǎn)品solidedge，集團(tuán)級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)iMAN、產(chǎn)品可視化技術(shù)ProductVision以及被業(yè)界廣泛使用的高精

32、度邊界表示的實(shí)體建模核心parasolid在內(nèi)的產(chǎn)品。 UG軟件在航空航天，汽車、通用機(jī)械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)和模具加工自動(dòng)化的市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。多年來(lái)，UGS公司一直在支持美國(guó)通用汽午公司實(shí)施目前全球最大的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，同時(shí)UG也是日木著名汽車零部件制造商DFNSO公司的計(jì)算機(jī)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并在全球汽車行業(yè)得到了應(yīng)用，如Navistar,底特律柴油機(jī)廠、Winnebago和Rorbert Bosch AG等。 UGS公司的產(chǎn)品同時(shí)還遍布通用機(jī)械、醫(yī)療器械、電子、高技術(shù)以及日用消費(fèi)品等行業(yè)，如3M, Will-Pemco, Biomes. Zirnmer、

33、飛利浦公司、吉列公司、Timex, Eureka和Arctic Cat}等。 UGS公司進(jìn)入中國(guó)已經(jīng)有16個(gè)年頭了，在中國(guó)的業(yè)務(wù)有了很大的發(fā)展，中國(guó)己成為遠(yuǎn)東業(yè)務(wù)增長(zhǎng)最快的國(guó)家。2000年來(lái)UGS公司在中國(guó)的用戶已超過(guò)800家，裝機(jī)量達(dá)到3500多臺(tái)。 隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)二維繪圖技術(shù)的逐步普及，以三維實(shí)體建模為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析、有限元分析、數(shù)控加工仿真與編程等方面的需求正在快速增長(zhǎng)，很多工程設(shè)計(jì)人員已開(kāi)始從使用二維CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向使用三維CAD系統(tǒng)?？梢韵嘈牛SCAD系統(tǒng)必將逐步取代二維CAD系統(tǒng)而成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析的工具，掌握這一主流工具將迅速成為對(duì)工程設(shè)

34、計(jì)人員的基本要求之一。 UG為最好的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件包括一個(gè)靈活的復(fù)合建模模塊以及功能強(qiáng)大的逼真照相的渲染，動(dòng)畫(huà)和快速的原型工具，復(fù)合建模讓用用戶可在建模方法中選擇;創(chuàng)建實(shí)體(Solid )，曲面 (surface )、線框（Wireframe）及其于特征的參數(shù)化建模。 在本次建模中，主要用到的是實(shí)體建模部分，即Solid Modeling，下面概述實(shí)體建模部分（Solid Modeling）的基本功能 實(shí)體建模 (Solid Modeling) UG/Solid Modeling是所有其它幾何建模產(chǎn)品的基礎(chǔ)。 u 實(shí)體操作 1．利用實(shí)體體素∶塊，圓柱，圓錐，球； 2．布爾操作∶求

35、和，求差，求交； 3．顯示的面編輯命令∶移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，刪除，偏置，代替幾何體； 4．從拉伸和旋轉(zhuǎn)草圖外形生成實(shí)體； 5．為高級(jí)的相關(guān)定位的基準(zhǔn)平面和基準(zhǔn)軸。 u 片體和實(shí)體集成 1．縫合片體到實(shí)體； 2．分割和修剪實(shí)體允許轉(zhuǎn)換片體形狀到實(shí)體； 3．從實(shí)體表面抽取片體。 u 特征編輯 1．編輯和刪除特征∶參數(shù)化編輯和重定位； 2．特征抑制，特征重排序，特征插入。 u 特征建模 (Feature Modeling) 特征建模設(shè)計(jì)可以以工程特征術(shù)語(yǔ)定義，而不是低水平的CAD幾何體。特征被參數(shù)化定義為基于尺寸和位置的尺寸驅(qū)動(dòng)編輯， 主要特征： 1

36、．面向工程的成形特征-鍵槽，孔，凸墊，凸臺(tái)、腔-捕捉設(shè)計(jì)意圖和增加生產(chǎn)率； 2．特征引用陣列-矩形和圓形陣列-在陣列中，個(gè)別的和所有特征是與主特征相關(guān)的。 u 倒圓和倒角 1．固定和可變的半徑倒圓； 2．能夠倒角任一邊緣； 3．設(shè)計(jì)的徒峭邊緣倒圓不適合完全的倒圓半徑但仍然需要倒圓。 u 高級(jí)建模操作 1．輪廓可以被掃描，拉伸或旋轉(zhuǎn)形成實(shí)體； 2．高級(jí)的挖空體命令在幾秒鐘內(nèi)使實(shí)體變成薄壁設(shè)計(jì)。如果需要，內(nèi)壁拓?fù)鋵⒉煌谕獗冢? 3．對(duì)共同的設(shè)計(jì)元素的用戶定義特征User- Defined Features。 u 自由形狀建模

37、 UG/Freeform Modeling用于設(shè)計(jì)高級(jí)的自由形狀外形，或直接在實(shí)體上，或作為一獨(dú)立的片體，除了它們不必閉合空間體積外，類似于實(shí)體。 片體建模完全與實(shí)體建模集成并允許自由形狀獨(dú)立建立之后作用到實(shí)體設(shè)計(jì)。許多自由形狀建模操作可以直接產(chǎn)生或修改實(shí)體。自由形狀片體和實(shí)體與它們定義的幾何體相關(guān)，允許重訪早期設(shè)計(jì)決策及自動(dòng)更新下游工作。 1．自由形狀構(gòu)造 功能強(qiáng)大的構(gòu)造方法組∶直紋，掃描，過(guò)曲線，網(wǎng)格曲面，點(diǎn)，偏置曲面；自由形狀可以定義以光順通過(guò)多于外形；定義外形尖形拐角并可以包含不同數(shù)量的曲線, 外形可以由線框, 實(shí)體邊緣, 或也可以是草圖, 結(jié)果是參數(shù)化的自由形狀；二次錐

38、曲面與圓角；固定與可變半徑圓角曲面。 2．操縱自由形狀 可以編輯定義的參數(shù)；數(shù)學(xué)參數(shù)(如rho或公差)及構(gòu)造幾何體可以重定義；通過(guò)下列任一方式直接操縱自由形狀∶控制多邊形、改變曲面階數(shù)、曲面上點(diǎn)、邊緣[23]。 3. 2 UG5.0 高級(jí)仿真模塊介紹 高級(jí)仿真是一種綜合性的有限元建模和結(jié)果可視化的產(chǎn)品，旨在滿足資深分析員的需要。高級(jí)仿真包括一整套預(yù)處理和后處理工具，并支持多種產(chǎn)品性能評(píng)估解法。 高級(jí)仿真提供對(duì)許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)解算器的無(wú)縫、透明支持，這樣的解算器包括 NX Nastran、MSC Nastran、ANSYS 和 ABAQUS。例如，如果您在高級(jí)仿真中創(chuàng)建網(wǎng)格或解法，則

39、指定您將要用于解算模型的解算器和您要執(zhí)行的分析類型。本軟件然后使用該解算器的術(shù)語(yǔ)或“語(yǔ)言”及分析類型來(lái)展示所有網(wǎng)格劃分、邊界條件和解法選項(xiàng)。另外，您還可以解算您的模型并直接在高級(jí)仿真中查看結(jié)果；不必首先導(dǎo)出解算器文件或?qū)虢Y(jié)果。 高級(jí)仿真提供設(shè)計(jì)仿真中可用的所有功能，還支持高級(jí)分析流程的眾多其它功能。 * 高級(jí)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很有特色，例如具有獨(dú)立的仿真文件和 FEM 文件，這有利于在分布式工作環(huán)境中開(kāi)發(fā) FE 模型。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還允許分析員輕松地共享 FE 數(shù)據(jù)，以執(zhí)行多種分析。 * 高級(jí)仿真提供世界級(jí)的網(wǎng)格劃分功能。本軟件旨在使用經(jīng)濟(jì)的單元計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生高質(zhì)量網(wǎng)格。高級(jí)仿真支持補(bǔ)充完整的單

40、元類型（1D、2D 和 3D）。另外，高級(jí)仿真使分析員能夠控制特定網(wǎng)格公差，這些公差控制著（例如）軟件如何對(duì)復(fù)雜幾何體（例如圓角）劃分網(wǎng)格。 * 高級(jí)仿真包括許多幾何體抽取工具，使分析員能夠根據(jù)其分析需要來(lái)量身定制 CAD 幾何體。例如，分析員可以使用這些工具提高其網(wǎng)格的整體質(zhì)量，方法是消除有問(wèn)題的幾何體（例如微小的邊）。 * 高級(jí)仿真中專門(mén)包含有新的 NX 熱解算器和 NX 流解算器。 o NX 熱解算器是一種完全集成的有限偏差解算器。它允許熱工程師預(yù)測(cè)承受熱載荷的系統(tǒng)中的熱流和溫度。 o NX 流解算器是一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）解算器。它允許分析員執(zhí)行穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的流分析，并

41、對(duì)系統(tǒng)中的流體運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)流率和壓力梯度。 您可以使用 NX 熱和 NX 流一起執(zhí)行耦合熱/流分析。 3．3 求解器MSC.NASTRAN功能簡(jiǎn)介 作為世界CAE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及最流行的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，MSC.NASTRAN的分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，并為用戶提供了方便的模塊化功能選項(xiàng)，MSC.NASTRAN的主要功能模塊有：基本分析模塊（含靜力，模態(tài)，屈曲，熱應(yīng)力，流固耦合及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等），動(dòng)力學(xué)分析模塊，熱傳導(dǎo)模塊，非線性分析模塊，氣動(dòng)彈性分析模塊，DMAP用戶開(kāi)發(fā)工具模塊及高級(jí)對(duì)稱分析模塊。除模塊化外MSC.NASTRAN還按解題規(guī)模分成1000節(jié)點(diǎn)到無(wú)限節(jié)點(diǎn)，用戶引

42、進(jìn)時(shí)可根據(jù)自身的經(jīng)費(fèi)狀況和功能需要靈活的選擇不同的模塊和不同的解題規(guī)模，以最小的經(jīng)濟(jì)投入取得最大效益。MSC.NASTRAN及MSC的相關(guān)產(chǎn)品擁有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，一旦用戶需要可方便地進(jìn)行模塊或解題規(guī)模擴(kuò)充，不必有任何其他的擔(dān)心。下面就是MSC.NASTRAN不同的分析方法、加載方法、數(shù)據(jù)類型等功能做進(jìn)一步的介紹： 1.靜力分析 靜力分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員使用最為頻繁的分析手段，主要用來(lái)求解結(jié)構(gòu)在與時(shí)間無(wú)關(guān)或時(shí)間作用效果可忽略的靜力載荷（如集中/分布靜力、溫度載荷、強(qiáng)制位移、慣性力等）作用下的響應(yīng)，并得出所需節(jié)點(diǎn)的位移、節(jié)力點(diǎn)、約束（反）力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力和應(yīng)變能等。該分析同時(shí)還提供結(jié)

43、構(gòu)的重量和重心數(shù)據(jù)。MSC.NASTRAN支持全范圍的材料模式，包括：均質(zhì)各向同性材料，下交各向異性材料，各向異性材料，隨溫度變化的材料，方便的載荷與工況組合單元上的點(diǎn)、線和面載荷、熱載荷、強(qiáng)迫位移、各種載荷的加權(quán)組合，在前后處理程序MSC.PATPAN中定義時(shí)，可把載荷直接施加于幾何體上。 a.具有慣性釋放的靜力分析 此分析考慮結(jié)構(gòu)的慣性作用，可計(jì)算無(wú)約束自由結(jié)構(gòu)在靜力載荷和加速度作用下產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)。 b.非線性靜力分析 在靜力分析中除線性外，MSC.NASTRAN還可處理一系列具有非線性屬性的靜力問(wèn)題，主要分為幾何非線性，材料非線性及考慮接觸狀態(tài)的非線性如塑性、蠕變、大變形、大應(yīng)

44、變和接觸問(wèn)題等。 2.屈曲分析 屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，MSC.NASTRAN中屈曲分析包括：線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性屈曲分析又稱特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預(yù)載荷，也可以用慣性釋放；非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩(wěn)分析，彈塑性失穩(wěn)分析，非線性后屈曲（Snap-through）分析。在算法上，MSC.NASTRAN特征值抽取算法可精確地判別出相應(yīng)地失穩(wěn)臨界點(diǎn)。該方法較其它有限元軟件中所使用的限定載荷量級(jí)法具有更高的精確度和可靠性。 3.動(dòng)力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是MSC.NASTRAN的主要強(qiáng)項(xiàng)之一，它具有其它有限元

45、分析軟件所無(wú)法比擬的強(qiáng)大分析功能。結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析不同于靜力分析，常用來(lái)確定時(shí)變載荷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時(shí)還可以考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。 全面的MSC.NASTRAN動(dòng)力學(xué)分析功能包括：正則模態(tài)及復(fù)特征值分析、頻率及瞬態(tài)響應(yīng)分析、（噪）聲學(xué)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析、響應(yīng)及沖擊譜分析、動(dòng)力靈敏度分析等。針對(duì)于中小及超大型問(wèn)題不同的解題規(guī)模，用戶可選擇MSC.NASTRAN不同的動(dòng)力學(xué)方法以求解。 4.非線性分析 實(shí)際工程問(wèn)題中，很多結(jié)構(gòu)響應(yīng)與所受的外載荷并不成比例。由于材料的非線性，在結(jié)構(gòu)中可能會(huì)產(chǎn)生大的位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)，或多個(gè)零件在載荷作用下時(shí)而接觸時(shí)而分離。要想更精確地仿真實(shí)際問(wèn)題，就必需考

46、慮材料和幾何、邊境和單元等非線性因素。MSC.NASTRAN強(qiáng)大的非線性分析功能為設(shè)計(jì)人員有效地設(shè)計(jì)產(chǎn)品、減少額外投資提供了一個(gè)十分有用的工具。 很多材料在達(dá)到初始屈服極限時(shí)往往還有很大潛力可挖，通過(guò)非線性分析工程師可充分利用材料的塑性和韌性。薄殼結(jié)構(gòu)或橡膠一類超彈性體零件在小變形時(shí)受到小阻力，當(dāng)變形增加時(shí)阻力也會(huì)隨之增大，所有這些如果用線性分析就不能得到有效的結(jié)果。類似地，非線性分析還可解決蠕變問(wèn)題，這點(diǎn)對(duì)于高聚合塑性和高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)件尤為有用。接觸分析也是非線性分析一個(gè)很重要的應(yīng)用方面，如輪胎與道路的接觸、齒輪、墊片或襯套等都用到接觸分析。 MSC.NASTRAN非線性分析功能包括：

47、幾何非線性分析、材料非線性分析、非線性邊界(接觸問(wèn)題)、非線性瞬態(tài)分析等。 5．熱傳導(dǎo)分析 熱傳導(dǎo)分析通常用來(lái)校驗(yàn)零件在熱邊界條件或熱環(huán)境下的產(chǎn)品特性，利用MSC.NASTRAN可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱分布狀況，并直觀地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)潛熱、熱點(diǎn)位置及分布。用戶可通過(guò)改變發(fā)熱元件的位置、提高散熱手段、或絕熱處理或用其它方法優(yōu)化產(chǎn)品的熱性能。 MSC.NASTRAN提供廣泛的溫度相關(guān)的熱傳導(dǎo)分析支持能力。基于一維、二維、三維熱分析單元，MSC.NASTRAN可以模擬包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射、相變、熱控系統(tǒng)在內(nèi)所有的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，并真實(shí)地仿真各類邊界條件，構(gòu)造各種復(fù)雜的材料和幾何模型，模擬熱控系統(tǒng)，進(jìn)行熱—

48、結(jié)構(gòu)耦合分析。 6．空氣動(dòng)力彈性及顫振分析 氣動(dòng)彈性問(wèn)題是應(yīng)用力學(xué)的分支，涉及氣動(dòng)、慣性及結(jié)構(gòu)力間的相互作用，在MSC.NASTRAN中提供了多種有效的解決方法。眾所周知的飛機(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈、斜拉橋及至高聳的電視發(fā)射塔、煙囪等需要?dú)鈩?dòng)彈性方面的計(jì)算。 MSC.NASTRAN的氣動(dòng)彈性分析功能主要包括：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣彈響應(yīng)分析、顫振分析及氣彈優(yōu)化。 7．流—固耦合分析 流-固耦合分析主要用于解決流體(含氣體)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用效應(yīng)。MSC.NASTRAN中擁有多種方法求解完全的流—固耦合分析問(wèn)題，包括：流—固耦合法、水彈性流體單元法、虛質(zhì)量法。 8．多級(jí)超單元分析 超單元分析主要

49、是通過(guò)把整體結(jié)構(gòu)分化成很多小的子部件來(lái)進(jìn)行分析，即將結(jié)構(gòu)的特征矩陣(剛度、傳導(dǎo)率、質(zhì)量、比熱、阻尼等)壓縮成一組主自由度類似于子結(jié)構(gòu)方法，但較其相比具有更強(qiáng)的功能且更易于使用。子結(jié)構(gòu)可使問(wèn)題表達(dá)簡(jiǎn)單、計(jì)算效率提高、計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量降低。超單元分析則在子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了重復(fù)和鏡像映射和多層子結(jié)構(gòu)功能，不僅可單獨(dú)運(yùn)算而且可與整體模型混合使用，結(jié)構(gòu)中的非線性與線性部分分開(kāi)處理可以減小非線性問(wèn)題的規(guī)模。應(yīng)用超單元工程師僅需對(duì)那些所關(guān)心的受影響大的超單元部分進(jìn)行重新計(jì)算，從而使分析過(guò)程更經(jīng)濟(jì)、更高效，避免了總體模型的修改和對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的重新計(jì)算。 多級(jí)超單元分析是MSC.NASTRAN的主要強(qiáng)項(xiàng)之一，適

50、用于所有的分析類型，如線性靜力分析、剛體靜力分析、正則模態(tài)分析、幾何和材料非線性分析、響徹云霄應(yīng)譜分析、直接特征值、頻率響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)分析、模態(tài)綜合分析(混合邊界方法和自由邊界方法)、設(shè)計(jì)靈敏度分析、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)、線性、非線性傳熱分析等。 9．高級(jí)對(duì)稱分析 針對(duì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱、反對(duì)稱、軸對(duì)稱或循環(huán)對(duì)稱等不同的幾何特點(diǎn)，MSC.NASTRAN提供了不同的算法。類似超單元分析，高級(jí)對(duì)稱分析可大大壓縮大型結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題的規(guī)模，提高計(jì)算效果。 10．設(shè)計(jì)優(yōu)化分析 11．復(fù)合材料分析 12．P單元及H、H—P自適應(yīng) 13．MSC.NASTRAN的高級(jí)求解方法 MSC.NASTRAN能有效地求解大

51、模型，其稀疏矩陣算法速度快而且占有磁盤(pán)空間少，內(nèi)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)排序以減小半帶寬，再啟動(dòng)能利用以前計(jì)算的結(jié)果。 并行計(jì)算以及線性靜力，正則模態(tài)分析，模態(tài)及直接頻率響應(yīng)分析的分布式并行計(jì)算極大地提高分析速度，復(fù)特征值問(wèn)題速度提高3倍以上，虛擬質(zhì)量計(jì)算速度提高2倍以上，靜力氣彈分析(SOL144)速度提高30%以上[24] 4 車架三維模型的建立 車架的模型是用CAD繪圖軟件UG建立的。具體步驟如下： 4．1 繪制縱梁 縱梁我是采用沿引導(dǎo)線掃略這個(gè)功能完成的。由于給定了二維圖形，故在建模模式下，用草圖功能，在草圖xc - yc , yc - zc平面上分別畫(huà)出車架縱梁的某一條外沿線在主視

52、圖和俯視圖的投影，然后完成草圖，在建模(Modeling)中拉伸成片體，并使兩個(gè)片體相交，求交線，由此得到車架縱梁的輪廓線外沿線，并用相同的方法得到車架縱梁的四條外沿線。畫(huà)出截面形狀，再進(jìn)行掃掠，這樣車架前端縱梁的繪制，最后將內(nèi)外槽鋼布爾運(yùn)算加和，形成一體。如圖： 圖2.1縱梁前端 圖2.2縱梁的整體形狀 由于采用的是三位投影的逆向操作的到的交線，即縱梁的外沿線，生成的空間曲線有兩個(gè)片體相交的到，則該曲線必然連貫。又由于曲線的生成是完全按照設(shè)計(jì)圖紙的到的，得到的縱梁即為設(shè)計(jì)師要求達(dá)到的理想形狀。 4．2 繪制支架 建立基準(zhǔn)平面，再該基準(zhǔn)平面上用草圖功能畫(huà)出支架的平面形狀

53、。退出草圖，使用建模的拉伸功能，拉出實(shí)體模型。然后再用邊倒角導(dǎo)出形狀，支架的形狀便出來(lái)了。最后進(jìn)行布爾運(yùn)算求和，使之與車架縱梁連為一體。如圖： 圖2.3 縱梁上的支架 4．3 繪制橫梁 圓柱形的橫梁用軟管功能即可實(shí)現(xiàn)。先做出引導(dǎo)線，即圓柱形橫梁的中心線，在用軟管功能生成圓柱體橫梁，再與縱梁托架布爾運(yùn)算加和，形成一體。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的橫梁，則需要在鈑金狀態(tài)下做出草圖，形成薄板。再充分利用折彎，沖孔和展開(kāi)功能。對(duì)于空間曲面則還要用掃略來(lái)做出。彎邊后還要進(jìn)行鈑金裁減，比較復(fù)雜。 圖2.4 橫梁托架 4．4 完成模型 把所有繪圖中使用的曲線和平面都移到一個(gè)不用的圖層，并將之隱

54、藏。最后得到一個(gè)完整的模型 圖2.6 車架模型 5 車架的靜態(tài)分析 5．1 力學(xué)模型的選擇 有限元分析的基本思想，是用一組離散化的單元組集，來(lái)代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這種單元組集體稱之為結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型；如果已知各個(gè)單元體的力和位移(單元的剛度特性)，只需根據(jù)節(jié)點(diǎn)的變形連續(xù)條件與節(jié)點(diǎn)的平衡條件，來(lái)推導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)的特性并研究其性能。有限元的特點(diǎn)是始終以矩陣形式來(lái)作為數(shù)學(xué)表達(dá)式，便于程序設(shè)計(jì)，大量工作是由電于計(jì)算機(jī)來(lái)完成，只要計(jì)算機(jī)容量足夠，單元的剖分可以是任意的，對(duì)于任何復(fù)雜的幾何形狀，多樣化的載荷和任意的邊界條件都能適應(yīng)。然而，由于有限元是一種數(shù)值分析方法，計(jì)算結(jié)果是近似解，其精度主

55、要取決于離散化誤差。如果結(jié)構(gòu)離散化得恰當(dāng)，單元位移因數(shù)選取得合理，隨著單元逐步縮小，近似解將收斂于精確解。因此，正確建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，是分析工作的第一步。 目前采用有限元分析模型一般有如下兩種：梁?jiǎn)卧Ｐ秃徒M合模型等。梁?jiǎn)卧Ｐ褪菍④嚰芙Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為由一組兩節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧M成的框架結(jié)構(gòu)．以梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦詠?lái)反映車架的實(shí)際結(jié)構(gòu)特性。其優(yōu)點(diǎn)是：劃分的單元數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，計(jì)算速度快而且模型前處理工作量不大，適合初選方案。其缺點(diǎn)是：無(wú)法仔細(xì)分析車架應(yīng)力集中間題，因而不能為車架縱、橫梁連接方案提供實(shí)用的幫助。組合單元模型則是既采用梁?jiǎn)卧膊捎冒鍤卧M(jìn)行離散。在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于車架是由一系列薄壁件組

56、成的結(jié)構(gòu)，且形狀復(fù)雜，宜離散為許多板殼單元的組集，其缺點(diǎn)是前處理工作量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這個(gè)問(wèn)題已得到了較好的解決，而且由于有大型有限元軟件支撐，巨大的前處理工作量絕大部分可由計(jì)算機(jī)完成，也不是制約板殼元模型實(shí)際運(yùn)用的因難了。這種模型使得對(duì)車架的分析計(jì)算更為精確，能為車架設(shè)計(jì)提供更為有利的幫助。 5．2 車架的計(jì)算方法 汽車車架的主要結(jié)構(gòu)形式為邊梁式車架，貨車車架縱梁截面多為槽形，橫梁截面可為槽形、閉口矩形或圓管。縱梁和橫梁的聯(lián)結(jié)方式有焊接、鉚接和螺栓聯(lián)結(jié)等。其聯(lián)結(jié)接頭幾何形狀各異，應(yīng)力分布復(fù)雜。根據(jù)是否考慮接頭的真實(shí)形狀，邊粱式車架的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法可分為兩大類

57、： 1)不考慮接頭形狀 有最小變形能法、Erz法、傳遞矩陣法和空間梁有限元法。其不足之處于下列幾點(diǎn)： 忽略了接頭的柔度．而它對(duì)車架變形和桿端力矩的計(jì)算卻很有影響； 無(wú)法確切計(jì)算接頭區(qū)域的應(yīng)力分布．而這對(duì)于車架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化卻很重要； 只用梁?jiǎn)卧荒芊从吃O(shè)計(jì)的修改，如接頭形狀和連接形式的改變。 2)考慮接頭形狀 有完全法和混合法。完全法用板殼單元來(lái)離散整個(gè)車架，可用于縱梁并不均勻平直的剛架，缺點(diǎn)是用的單元和自由度數(shù)目龐大。且計(jì)算的前后處理工作量大；混合法是交替使用了有限元和矩陣立法。 5．3 等效載荷的簡(jiǎn)化 計(jì)算結(jié)果的真實(shí)值與可信性程度如何與模型的建立、載荷的簡(jiǎn)化有直接的關(guān)

58、系。早期的車架強(qiáng)度計(jì)算是將車架簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，只做彎曲強(qiáng)度的校核。隨著有限元的發(fā)展和推廣，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)已將有限元法應(yīng)用于車架的強(qiáng)度計(jì)算，但貨箱與車架相連的部分，應(yīng)力的計(jì)算值與貨箱和車架之間等效載荷和相互剛度關(guān)系簡(jiǎn)化模型有關(guān)，直接影響計(jì)算結(jié)果。通過(guò)分析可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： 1)乘員和車架，貨箱和車架之間的作用力是以集中力的形式傳遞的； 2)貨箱和車架共同承受彎曲載荷，貨箱承受能力與貨箱剛度有關(guān)。因此在車架應(yīng)力的有限元計(jì)算中考慮貨箱的剛度貢獻(xiàn)， 6 車架結(jié)構(gòu)有限元分析 車架用UG高級(jí)仿真模塊進(jìn)行有限元分析的前期處理工作，用MSC.NASTRAN求解器對(duì)車架進(jìn)行求解。 6．1 計(jì)算模型

59、由于車輪軸通過(guò)前、后鋼板彈簧裝在車架上，車架上面承受著發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、車箱及貨物等一系列垂直于框架平面的載荷，所以車架實(shí)際上可視作空間板架結(jié)構(gòu)。 有限元板殼元模型就是將車架離散為一系列板單元，各單元只在節(jié)點(diǎn)處相聯(lián)，節(jié)點(diǎn)選在各單元的角點(diǎn)處，相鄰單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)可以傳遞力和力矩。為使薄板離散體系能較好地反映真實(shí)車架的變形情態(tài)，其相鄰單元各節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足變形連續(xù)條件。因此，在任一節(jié)點(diǎn)處，須考慮6個(gè)節(jié)點(diǎn)位移分量。計(jì)算過(guò)程中采用3D四面體單元對(duì)車架的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并利用剛性單元將力施加到各相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。模型中共包括37377個(gè)節(jié)點(diǎn)，72215個(gè)單元。 6．2 邊界條件的處理 由于輪胎剛度很大，可

60、將它看成是剛性的，忽略它對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響。對(duì)于鋼板彈簧，將模擬前后板簧的彈簧元下端點(diǎn)分別固連在相應(yīng)的剛性單元上。 有限元分析過(guò)程中，要有足夠的約束條件，以消除車架的整體剛性位移，求出車架結(jié)構(gòu)因變形而引起的各結(jié)點(diǎn)位移。為消除空間運(yùn)動(dòng)的六個(gè)自由度，將約束剛性單元在前后輪中心線位置的節(jié)點(diǎn)，作為整車約束。 按照以上約束條件得到的部分單元的車架有限元模型和全部單元的車架有限元模型如圖6.1和圖6.2所示。 圖6.1車架有限元模型（部分單元） 圖6.2車架有限元模型（全部單元） 6．3 對(duì)車架進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn) 汽車的使用條件非常復(fù)雜,對(duì)整車和總成的性能要求也很高,即使在設(shè)計(jì)和制造時(shí)對(duì)

61、某些問(wèn)題考慮非常周密也不能保證性能的完備性,還必須以試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn).試驗(yàn)是幫助我們深入了解整車及其總成在實(shí)際使用中各種現(xiàn)象的本質(zhì)及其規(guī)律,并推動(dòng)其技術(shù)進(jìn)步的一種極為重要的方法.它是保證試驗(yàn)對(duì)象的性能,提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段. 汽車試驗(yàn)按照試驗(yàn)對(duì)象分類,包括: 1)整車試驗(yàn) 試驗(yàn)的目的是考核評(píng)定整車的主要技術(shù)性能,測(cè)出其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo),如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平順性、制動(dòng)性和通過(guò)性等。整車基本參數(shù)的測(cè)定也包括在整車試驗(yàn)范圍內(nèi)。 2)機(jī)構(gòu)及總成試驗(yàn) 這類試驗(yàn)主要考核機(jī)構(gòu)及總成的工作性能和耐久性,如發(fā)動(dòng)機(jī)功率、變速器效率、懸掛裝置的特性以及他們的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疲勞壽命和耐久性等。 3)零部

62、件試驗(yàn) 該試驗(yàn)主要考核其設(shè)計(jì)和工藝的合理性,測(cè)試其剛度、強(qiáng)度、磨損和疲勞壽命,研究材料的選擇是否合理。 本課題中所做的車架試驗(yàn)即為其中的機(jī)構(gòu)及總成試驗(yàn)。 試驗(yàn)原理及方法 應(yīng)變片工作原理: 電阻應(yīng)變片簡(jiǎn)稱為電阻片或應(yīng)變片。它是一種將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的置換元件。應(yīng)變片不僅能夠測(cè)量應(yīng)變,而且對(duì)于任何物理量,如力、轉(zhuǎn)矩、壓強(qiáng)、位移、溫度及加速度,只要能夠設(shè)法變?yōu)閼?yīng)變的相應(yīng)變化,都可以利用對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量,所以它在測(cè)試中應(yīng)用特別廣泛。應(yīng)變片由敏感元件、基底、蓋片和引線組成,其中的敏感元件用黏合劑粘在其底和蓋片之間,引線焊接在線柵的兩端。 將應(yīng)變片用黏合劑貼在試件上,試件受力產(chǎn)生變形時(shí),

63、應(yīng)變片也同時(shí)發(fā)生變形,其電阻隨之改變,即產(chǎn)生應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)。各應(yīng)變片分別用導(dǎo)線接出,通過(guò)預(yù)調(diào)平衡箱與靜態(tài)電阻應(yīng)變儀相聯(lián)。其中預(yù)調(diào)平衡箱對(duì)每片應(yīng)變片進(jìn)行預(yù)平衡處理,消除非車架變形產(chǎn)生的應(yīng)變,進(jìn)而通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀,讀出應(yīng)變片在車架變形作用下的應(yīng)變[27]。 1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 對(duì)該車車架進(jìn)行抗彎靜載強(qiáng)度測(cè)試，以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正有限元計(jì)算模型。 2.實(shí)驗(yàn)方法 1)實(shí)驗(yàn)中采用應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)。根據(jù)測(cè)點(diǎn)受力狀況，按應(yīng)變片粘貼技術(shù)要求粘貼電阻應(yīng)變片，經(jīng)固化檢驗(yàn)（阻值變化，絕緣）后，連接導(dǎo)線及應(yīng)變儀。 2)為保證測(cè)量精度，采用單片測(cè)量方法（另設(shè)補(bǔ)償片）。補(bǔ)償片貼在相同材料、相同溫度、不受力的材料上。

64、 3)根據(jù)應(yīng)變儀所讀出的測(cè)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)變值，利用公式即可獲得測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。其中，為材料的彈性模量，對(duì)于鋼材其值為2.06GPa。 3.實(shí)驗(yàn)元件及測(cè)試儀器 金屬膠基電阻應(yīng)變片：規(guī)格，阻值為，靈敏系數(shù)為，邢臺(tái)金力傳感元件廠生產(chǎn) 接線端子：邢臺(tái)金力傳感元件廠生產(chǎn) 應(yīng)變儀型號(hào)：YJD——1型（具有靈敏系數(shù)補(bǔ)償功能），上海華東電子儀表廠生產(chǎn) 平衡箱型號(hào)：P20R-1型，上海華東電子儀表廠生產(chǎn) (5)感應(yīng)式標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變發(fā)生儀：DBYM——1型，廣東省科學(xué)院試驗(yàn)儀器廠 4.實(shí)驗(yàn)載荷 動(dòng)力總成質(zhì)量（不包括車架）：220Kg； 車身重量：650Kg； 乘員重量：325Kg； 貨箱重量：300Kg；

65、 6．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比 為驗(yàn)證有限元模型的正確性，對(duì)車架進(jìn)行了靜態(tài)彎曲強(qiáng)度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中過(guò)程中采用YJD-1型應(yīng)變儀測(cè)量車架的應(yīng)變，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的各點(diǎn)應(yīng)變和材料的特性計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值。實(shí)驗(yàn)工況為整車原地加載，加載過(guò)程中將300kg的重物均布在貨廂底板上，同時(shí)在車身前部駕駛室內(nèi)座椅上按照實(shí)際工況布置225kg的重物。測(cè)點(diǎn)布于車架縱梁的上方。如圖6.3紅色代表應(yīng)變片的位置，表1和表2分別列出了在彎曲和彎扭工況下計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值。 圖6.3應(yīng)變片的位置 比較點(diǎn) 1 2 3 4 5 6 7 8 計(jì)算值 105 129 120 98 130 1

66、02 122 142 實(shí)驗(yàn)值 96 121.1 123.2 102.4 137.9 109.7 128.9 143.3 表1彎曲工況下實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的應(yīng)力比較 比較點(diǎn) 1 2 3 4 5 6 7 8 計(jì)算值 220 125 145 195 145 155 160 195 實(shí)驗(yàn)值 202 103 133 188 141 149 157 187 表2彎扭工況下實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的應(yīng)力比較 由于有限元分析方法是一種近似數(shù)值求解方法，因此對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算時(shí)很難求得精確解。有限元分析過(guò)程中的誤差包括模型誤差和計(jì)算誤差。模型誤差是將實(shí)際問(wèn)題抽象為有限元模型時(shí)產(chǎn)生的，它包括離散誤差，單元形狀誤差、模型誤差，而計(jì)算誤差是采用數(shù)值方法對(duì)模型計(jì)算產(chǎn)生的誤差，其性質(zhì)是舍入誤差和截?cái)嗾`差。上述誤差都可以造成有限元理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的差異。例如，有限元模型中假定材料為各向同性，但由于制造過(guò)程中加工和熱處理的影響會(huì)導(dǎo)致實(shí)際結(jié)構(gòu)材料特性的不均勻性。雖然在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為避免這些因素的影響，將應(yīng)變片盡量遠(yuǎn)離這些區(qū)域，但