ANSYS對輕型汽車車架的有限元分析

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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)載荷和動態(tài)載荷下的響應(yīng)情況,因此對車架進行靜、動態(tài)響應(yīng)分析不僅可以評價車架自身的性能,而且還可以作為整車的行駛平順性等性能的評價指標(biāo)。其結(jié)果還可以為車架的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進提供理論依據(jù)。本文運用UG軟件建立農(nóng)用三輪車車架零部件及總成三維模型,并運用UG或相關(guān)軟件對車架進行有限元的強度分析。車架的靜態(tài)特性和動態(tài)特性方面作了如下研究:

對車架及其載荷進行了適當(dāng)簡化,在繪圖軟件UG中建立了車架的三維模型,利用UG的高級仿真模塊將三維模型導(dǎo)入,進行了有限元網(wǎng)格的劃分。對應(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。在計算得到的車架模態(tài)的基礎(chǔ)上,研究了車架在路面上動態(tài)響應(yīng)情況,選取了車架上的駕駛室安裝點、發(fā)動機支架點和貨箱支撐點等關(guān)鍵點作為響應(yīng)輸出,得出了個關(guān)鍵點的動態(tài)應(yīng)力分布和動態(tài)位移情況。

本文的研究結(jié)果為研究整車振動、疲勞和噪聲等問題奠定了基礎(chǔ),并可對廠家的生產(chǎn)實踐具有指導(dǎo)意義。

1 緒論1.1 概述

目前國內(nèi)外汽車市場的競爭日益激烈,使得汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期由原來的幾年縮短到十幾個月,這對于設(shè)計階段準(zhǔn)確的進行汽車各種性能預(yù)測提出了很大挑戰(zhàn)。利用現(xiàn)代CAD/CAE技術(shù)進行汽車新產(chǎn)品的開發(fā),是現(xiàn)代汽車企業(yè)開發(fā)新的汽車產(chǎn)品的重要手段之一,它可以在新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計階段預(yù)測、評估汽車的各種性能,為產(chǎn)品的開發(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)計階段對車架的強度、剛度、疲勞壽命和動態(tài)特性進行準(zhǔn)確的分析和預(yù)測,并進行優(yōu)化,指導(dǎo)設(shè)計工程師對產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計。汽車車架作為汽車總成的一部分,承受著來自道路及裝載的各種復(fù)雜載荷作用,而且汽車上許多重要總成件都是以車架為載體,因而,車架的強度和剛度在汽車總體設(shè)計中顯得非常重要?；诖?本論文建立了車架的有限元模型,對車架的強度、剛度、疲勞壽命等進行了分析,由于車架實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通常建立有限元模型時需要對實際車架結(jié)構(gòu)進行各種簡化,然而如果假設(shè)不當(dāng),就會造成分析結(jié)果不能滿足工程實際的需要,因此對車架結(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車架進行了模態(tài)分析、靜態(tài)強度分析,剛度分析,疲勞強度分析和碰撞分析,最后進行拓撲優(yōu)化,使車架的設(shè)計滿足使用要求。

1.2 有限元法在國內(nèi)、外汽車分析方面的應(yīng)用和發(fā)展概況

有限單元法是一種很有效的數(shù)值計算方法,它能對工程實際中幾何形狀不規(guī)則,載荷和支承情況復(fù)雜的各種結(jié)構(gòu)進行變形計算、應(yīng)力分析和動態(tài)特性分析。有限單元法的基本思想是:把一個連續(xù)的彈性體化分成有限多個彼此只在有限個節(jié)點處相互連接的、有限大小的單元組合體來研究。也就是用一個離散結(jié)構(gòu)來代替原來的結(jié)構(gòu),作為真實結(jié)構(gòu)的近似力學(xué)模型。以后所有的分析計算就在這個離散的結(jié)構(gòu)上進行。有限元法之所以能夠求解結(jié)構(gòu)任意復(fù)雜的問題,并且計算結(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)的簡化。對于結(jié)構(gòu)分析而言,常見的結(jié)構(gòu)類型包括梁單元、板單元、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來描述分析模型。2“有限元法”這一名稱是1960年美國的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,有限元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴展到空間問題、板殼問題,由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定問題、動力問題和波動問題,分析對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性和復(fù)合材料等,從固體力學(xué)擴展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。由于計算機的飛速發(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年代開始,隨著我國計算機技術(shù)的快速發(fā)展,國外先進的計算軟件也開始引進我國,我國的有限元分析已經(jīng)進入實用階段,有限元法的應(yīng)用己經(jīng)從彈性力學(xué)平面問題擴展到了空間問題、板殼問題;從靜力平衡問題擴展到了塑性、粘性、粘塑性和復(fù)合材料問題等;從固體力學(xué)擴展到了流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、振動學(xué)等連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。

實際上,有限元法發(fā)展到了今天,已發(fā)展的較為完善,它已經(jīng)被認為是工程分析中最強有力而又最通用的計算方法,其應(yīng)用范圍很廣,并且由于實踐性強而具有強大的生命力。利用有限元法進行結(jié)構(gòu)分析,實質(zhì)上也是一種“計算機的數(shù)值實驗”,它不僅使過去無法進行運算的課題獲得數(shù)值解,而且逐漸代替某些成本高、時間長的常規(guī)試驗。有限元分析法在汽車中的應(yīng)用非常廣泛,概括起來主要有以下幾個方面:汽車結(jié)構(gòu)的強度、剛度計算;結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析;汽車整車性能分析;傳熱分析;汽車動力學(xué)分析;汽車結(jié)構(gòu)噪聲分析;汽車被動安全分析等。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)品開發(fā)過程中汽車的性能分析,為汽車設(shè)計提供依據(jù)和指導(dǎo)。

車架是汽車的承載體,不僅承擔(dān)發(fā)動機、底盤和牽引貨物的質(zhì)量,而且還要承受汽車行駛過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此,其強度不僅關(guān)系到整車能否正常行駛,而且還關(guān)系到整車安全性。對車架設(shè)計的要求是:在保證足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性下,盡可能達到質(zhì)量輕、形狀合理,并最大限度地減緩過渡區(qū)的應(yīng)力集中。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對車架的有限元分析進行了大量的研究,取得了大量的研究成果。Ao, Kazuo等人對利用有限元靜態(tài)強度分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計過程進行了詳細的介紹。鄭兆昌等人應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)軟件SAP.SP對車車架進行了動態(tài)分析。提出了利用車架模態(tài)分析結(jié)果直接對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行評價的方法。早期的車架有限元模型多把車架簡化為簡支梁,但對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,無法反映車架縱梁和橫梁的連接情況,難以準(zhǔn)確計算車架構(gòu)建結(jié)合部的應(yīng)力,計算結(jié)果只是各節(jié)點的應(yīng)力情況,且計算精度較低。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)力問題,但是這種模型單元與節(jié)點數(shù)目眾多,前處理工作量大,計算速度慢。板殼單元模型適用于對車架分析精度要求較高的場合,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,如何處理焊點模擬與螺栓連接是很關(guān)鍵的問題。

汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是汽車工業(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,也是人們首先開展結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的對象。吉林工業(yè)大學(xué)的黃金陵曾在對影響車架結(jié)構(gòu)強度和剛度的因素進行了理論分析基礎(chǔ)上,運用懲罰函數(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車架進行全面分析,這勢必影響結(jié)果的可靠性。河北工學(xué)院的馮國勝曾經(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)法對汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了實例優(yōu)化計算,優(yōu)化的設(shè)計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)動機、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)機構(gòu)之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最小;車架也應(yīng)有足夠的強度,以保證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)有嚴重變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲,也使汽車的乘座舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機件的可靠性下降。但車架的扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過大,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,使通過性變壞?？紤]到客車在國內(nèi)的具體使用情況在可能的情況下,車架的設(shè)計還應(yīng)考慮易于吸收撞擊的結(jié)構(gòu)。

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,無法用簡單的數(shù)學(xué)方法對其各部分的應(yīng)力狀態(tài)進行分析計算,而采用有限元分析即可對車架的靜強度、振動模態(tài)進行較為準(zhǔn)確的分析,從而使車架設(shè)計從經(jīng)驗設(shè)計進入到科學(xué)設(shè)計階段。

本課題就是有限元分析方法在汽車車架改進設(shè)計方面的具體應(yīng)用,主要目的就是掌握UG繪圖軟件的使用,并對該車車架進行抗彎靜載強度測試,以根據(jù)實驗結(jié)果修正有限元計算模型。利用有限元分析軟件對車架的強度進行計算分析,為車架的計算機設(shè)計及結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)。UG軟件建立車架的幾何模型,并且針對于該車車架,通過NX.NASTRAN大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件對該車車架進行靜態(tài)、模態(tài)分析。主要通過以下步驟完成:

1) 通過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) 對不同工況下車架的強度和剛度進行計算

5) 根據(jù)計算結(jié)果進行分析,提出改進意見

在以上步驟中,第2,3,4步是核心步驟,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)值計算方法,它在 50 年代初期隨著計算機的發(fā)展應(yīng)運而生,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,目前已成為機械產(chǎn)品動、靜、熱特性分析的重要手段,它的程序包是機械產(chǎn)品計算機輔助設(shè)計常用方法庫中不可缺少的內(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,市場的需求是瞬息多變的,機械產(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、制造周期短,質(zhì)量高,成本低,具有較強的競爭能力。傳統(tǒng)的設(shè)計方法已越來越適應(yīng)不了發(fā)展的需要。因此,近 20 年來,由于計算機的應(yīng)用,正在設(shè)計領(lǐng)域中進行著一場深刻的革新,如用理論設(shè)計代替經(jīng)驗設(shè)計,用精確設(shè)計代替近似設(shè)計;用優(yōu)化設(shè)計代替一般設(shè)計,用動態(tài)分析代替靜態(tài)分析等等,而有限元方法為在設(shè)計階段掌握產(chǎn)品性能提供了強有力的工具。可以認為有限元計算是利用計算機對機械產(chǎn)品動、靜、熱特性進行了模擬試驗。隨著計算機及計算技術(shù)的發(fā)展,機械產(chǎn)品設(shè)計必然進入到一個新的階段。國外機械產(chǎn)品設(shè)計已進入計算機輔助設(shè)計及自動設(shè)計時代,目前它正以有限元—優(yōu)化設(shè)計為中心不斷地向前發(fā)展。有限元方法是數(shù)值計算中的—種離散化方法,用數(shù)學(xué)術(shù)語來說,就是從變分原理出發(fā),通過分區(qū)插值把二次泛函(能量積分)的極值問題化為一組多元線性代數(shù)方程來求解。人們知道,直接從一個微分方程推導(dǎo)出它的泛函,常常是很復(fù)雜的,有時甚至是不可能的,所以在求泛函時常借助于所研究問題的物理特性。諸如金屬切削機床這類機械產(chǎn)品的剛性問題,屬于小變形彈性問題,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說,有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種計算方法,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,它們在有限多個節(jié)點上相互連結(jié)。在一定精度要求下,對每個單元用有限多個參數(shù)來描述它的力學(xué)特性,而整個連續(xù)彈性體的力學(xué)特性,可認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 有限元法分析過程

有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。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,對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解,然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件),從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解,而是近似解,因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解,而有限元不僅計算精度高,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際連續(xù)域的離散單元。

有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計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)定義在簡單幾何形狀(如二維問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。

對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題,有限元求解法的基本步驟是相同的,只是具體公式推導(dǎo)和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為:

第一步:問題及求解域定義

根據(jù)實際問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)則離散域的近似程度越好,計算結(jié)果也越精確,但計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

一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(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的泛函形式。

第四步:單元推導(dǎo)

對單元構(gòu)造一個適合的近似解,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)。

為保證問題求解的收斂性,單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對工程應(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,畸形時不僅精度低,而且有缺秩的危險,將導(dǎo)致無法求解。

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)點進行,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、選代法和隨機法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量,將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算。

簡言之,有限元分析可分成三個階段,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,使用戶能簡便提取信息,了解計算結(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講,有限元分析可分為前處理、計算和后處理三大步。

前處理是對計算對象網(wǎng)格劃分、形成計算模型的過程。包括單元類型的選擇,結(jié)構(gòu)的材料特征參數(shù)的確定,實體建模,節(jié)點和單元網(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與主流CAD系統(tǒng)的接口,自己本身也又很好的實體建模性能,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)計算要求進行選擇。計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)點位移的過程。由于商用軟件已經(jīng)針對多種模型進行過驗證運算,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,計算機就可以進行計算,得到計算結(jié)果。

后處理是對計算結(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,使用的是目前國際上最為通用的商用繪圖軟件Unigraphics Solutions(簡稱UGS)繪圖軟件和UGS的內(nèi)部高級仿真模塊NX. Nastran.

3.1 UG的CAD功能簡介

本課題應(yīng)用的是Unigraphics Solutions(簡稱UGS)繪圖軟件和 The MSC.Software Corporation(簡稱 MSC)有限元分析軟件。

美國Unigraphics Solutions公司(簡稱UGS )的產(chǎn)品主要有為機械制造企業(yè)提供包括設(shè)計、分析到制造應(yīng)用的Unigraphics(簡稱UG )軟件,基于Windows的設(shè)計與制圖產(chǎn)品solidedge,集團級產(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)界廣泛使用的高精度邊界表示的實體建模核心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)域的機械設(shè)計和模具加工自動化的市場上得到了廣泛的應(yīng)用。多年來,UGS公司一直在支持美國通用汽午公司實施目前全球最大的虛擬產(chǎn)品開發(fā)項目,同時UG也是日木著名汽車零部件制造商DFNSO公司的計算機應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),并在全球汽車行業(yè)得到了應(yīng)用,如Navistar,底特律柴油機廠、Winnebago和Rorbert Bosch AG等。

UGS公司的產(chǎn)品同時還遍布通用機械、醫(yī)療器械、電子、高技術(shù)以及日用消費品等行業(yè),如3M, Will-Pemco, Biomes. Zirnmer、飛利浦公司、吉列公司、Timex, Eureka和Arctic Cat}等。

UGS公司進入中國已經(jīng)有16個年頭了,在中國的業(yè)務(wù)有了很大的發(fā)展,中國己成為遠東業(yè)務(wù)增長最快的國家。2000年來UGS公司在中國的用戶已超過800家,裝機量達到3500多臺。

隨著我國計算機二維繪圖技術(shù)的逐步普及,以三維實體建模為基礎(chǔ)的計算機輔助零件設(shè)計、裝配設(shè)計、運動分析、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,很多工程設(shè)計人員已開始從使用二維CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向使用三維CAD系統(tǒng)。可以相信,三維CAD系統(tǒng)必將逐步取代二維CAD系統(tǒng)而成為計算機輔助設(shè)計與分析的工具,掌握這一主流工具將迅速成為對工程設(shè)計人員的基本要求之一。

UG為最好的工業(yè)設(shè)計軟件包括一個靈活的復(fù)合建模模塊以及功能強大的逼真照相的渲染,動畫和快速的原型工具,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,主要用到的是實體建模部分,即Solid Modeling,下面概述實體建模部分(Solid Modeling)的基本功能

實體建模 (Solid Modeling)

UG/Solid Modeling是所有其它幾何建模產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

u 實體操作

1.利用實體體素∶塊,圓柱,圓錐,球;

2.布爾操作∶求和,求差,求交;

3.顯示的面編輯命令∶移動,旋轉(zhuǎn),刪除,偏置,代替幾何體;

4.從拉伸和旋轉(zhuǎn)草圖外形生成實體;

5.為高級的相關(guān)定位的基準(zhǔn)平面和基準(zhǔn)軸。

u 片體和實體集成

1.縫合片體到實體;

2.分割和修剪實體允許轉(zhuǎn)換片體形狀到實體;

3.從實體表面抽取片體。

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)計可以以工程特征術(shù)語定義,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)動編輯, 主要特征:

1.面向工程的成形特征-鍵槽,孔,凸墊,凸臺、腔-捕捉設(shè)計意圖和增加生產(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 高級建模操作

1.輪廓可以被掃描,拉伸或旋轉(zhuǎn)形成實體;

2.高級的挖空體命令在幾秒鐘內(nèi)使實體變成薄壁設(shè)計。如果需要,內(nèi)壁拓撲將不同于外壁;

3.對共同的設(shè)計元素的用戶定義特征User- Defined Features。

u 自由形狀建模

UG/Freeform Modeling用于設(shè)計高級的自由形狀外形,或直接在實體上,或作為一獨立的片體,除了它們不必閉合空間體積外,類似于實體。

片體建模完全與實體建模集成并允許自由形狀獨立建立之后作用到實體設(shè)計。許多自由形狀建模操作可以直接產(chǎn)生或修改實體。自由形狀片體和實體與它們定義的幾何體相關(guān),允許重訪早期設(shè)計決策及自動更新下游工作。

1.自由形狀構(gòu)造

功能強大的構(gòu)造方法組∶直紋,掃描,過曲線,網(wǎng)格曲面,點,偏置曲面;自由形狀可以定義以光順通過多于外形;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、邊緣[23]。

3. 2 UG5.0 高級仿真模塊介紹

高級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)品性能評估解法。

高級仿真提供對許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)解算器的無縫、透明支持,這樣的解算器包括 NX Nastran、MSC Nastran、ANSYS 和 ABAQUS。例如,如果您在高級仿真中創(chuàng)建網(wǎng)格或解法,則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)語或“語言”及分析類型來展示所有網(wǎng)格劃分、邊界條件和解法選項。另外,您還可以解算您的模型并直接在高級仿真中查看結(jié)果;不必首先導(dǎo)出解算器文件或?qū)虢Y(jié)果。

高級仿真提供設(shè)計仿真中可用的所有功能,還支持高級分析流程的眾多其它功能。

* 高級仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很有特色,例如具有獨立的仿真文件和 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。

* 高級仿真提供世界級的網(wǎng)格劃分功能。本軟件旨在使用經(jīng)濟的單元計數(shù)來產(chǎn)生高質(zhì)量網(wǎng)格。高級仿真支持補充完整的單元類型(1D、2D 和 3D)。另外,高級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)軟件如何對復(fù)雜幾何體(例如圓角)劃分網(wǎng)格。

* 高級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,方法是消除有問題的幾何體(例如微小的邊)。

* 高級仿真中專門包含有新的 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 流解算器是一種計算流體動力學(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,并對系統(tǒng)中的流體運動預(yù)測流率和壓力梯度。

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,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)庫管理等),動力學(xué)分析模塊,熱傳導(dǎo)模塊,非線性分析模塊,氣動彈性分析模塊,DMAP用戶開發(fā)工具模塊及高級對稱分析模塊。除模塊化外MSC.NASTRAN還按解題規(guī)模分成1000節(jié)點到無限節(jié)點,用戶引進時可根據(jù)自身的經(jīng)費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)庫管理,一旦用戶需要可方便地進行模塊或解題規(guī)模擴充,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)類型等功能做進一步的介紹:

1.靜力分析

靜力分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員使用最為頻繁的分析手段,主要用來求解結(jié)構(gòu)在與時間無關(guān)或時間作用效果可忽略的靜力載荷(如集中/分布靜力、溫度載荷、強制位移、慣性力等)作用下的響應(yīng),并得出所需節(jié)點的位移、節(jié)力點、約束(反)力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力和應(yīng)變能等。該分析同時還提供結(jié)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、線和面載荷、熱載荷、強迫位移、各種載荷的加權(quán)組合,在前后處理程序MSC.PATPAN中定義時,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,可計算無約束自由結(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)變和接觸問題等。

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。該方法較其它有限元軟件中所使用的限定載荷量級法具有更高的精確度和可靠性。

3.動力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析是MSC.NASTRAN的主要強項之一,它具有其它有限元分析軟件所無法比擬的強大分析功能。結(jié)構(gòu)動力分析不同于靜力分析,常用來確定時變載荷對整個結(jié)構(gòu)或部件的影響,同時還可以考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。

全面的MSC.NASTRAN動力學(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、隨機響應(yīng)分析、響應(yīng)及沖擊譜分析、動力靈敏度分析等。針對于中小及超大型問題不同的解題規(guī)模,用戶可選擇MSC.NASTRAN不同的動力學(xué)方法以求解。

4.非線性分析

實際工程問題中,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)中可能會產(chǎn)生大的位移、大轉(zhuǎn)動,或多個零件在載荷作用下時而接觸時而分離。要想更精確地仿真實際問題,就必需考慮材料和幾何、邊境和單元等非線性因素。MSC.NASTRAN強大的非線性分析功能為設(shè)計人員有效地設(shè)計產(chǎn)品、減少額外投資提供了一個十分有用的工具。

很多材料在達到初始屈服極限時往往還有很大潛力可挖,通過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受到小阻力,當(dāng)變形增加時阻力也會隨之增大,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題,這點對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:幾何非線性分析、材料非線性分析、非線性邊界(接觸問題)、非線性瞬態(tài)分析等。

5.熱傳導(dǎo)分析

熱傳導(dǎo)分析通常用來校驗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、熱點位置及分布。用戶可通過改變發(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),進行熱—結(jié)構(gòu)耦合分析。

6.空氣動力彈性及顫振分析

氣動彈性問題是應(yīng)用力學(xué)的分支,涉及氣動、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、直升機、導(dǎo)彈、斜拉橋及至高聳的電視發(fā)射塔、煙囪等需要氣動彈性方面的計算。

MSC.NASTRAN的氣動彈性分析功能主要包括:靜態(tài)和動態(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—固耦合分析問題,包括:流—固耦合法、水彈性流體單元法、虛質(zhì)量法。

8.多級超單元分析

超單元分析主要是通過把整體結(jié)構(gòu)分化成很多小的子部件來進行分析,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的功能且更易于使用。子結(jié)構(gòu)可使問題表達簡單、計算效率提高、計算機的存儲量降低。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,不僅可單獨運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處理可以減小非線性問題的規(guī)模。應(yīng)用超單元工程師僅需對那些所關(guān)心的受影響大的超單元部分進行重新計算,從而使分析過程更經(jīng)濟、更高效,避免了總體模型的修改和對整個結(jié)構(gòu)的重新計算。

多級超單元分析是MSC.NASTRAN的主要強項之一,適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.高級對稱分析

針對結(jié)構(gòu)的對稱、反對稱、軸對稱或循環(huán)對稱等不同的幾何特點,MSC.NASTRAN提供了不同的算法。類似超單元分析,高級對稱分析可大大壓縮大型結(jié)構(gòu)分析問題的規(guī)模,提高計算效果。

10.設(shè)計優(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的高級求解方法

MSC.NASTRAN能有效地求解大模型,其稀疏矩陣算法速度快而且占有磁盤空間少,內(nèi)節(jié)點自動排序以減小半帶寬,再啟動能利用以前計算的結(jié)果。

并行計算以及線性靜力,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算極大地提高分析速度,復(fù)特征值問題速度提高3倍以上,虛擬質(zhì)量計算速度提高2倍以上,靜力氣彈分析(SOL144)速度提高30%以上

44 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平面上分別畫出車架縱梁的某一條外沿線在主視圖和俯視圖的投影,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。畫出截面形狀,再進行掃掠,這樣車架前端縱梁的繪制,最后將內(nèi)外槽鋼布爾運算加和,形成一體。如圖:

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)計圖紙的到的,得到的縱梁即為設(shè)計師要求達到的理想形狀。

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出支架的平面形狀。退出草圖,使用建模的拉伸功能,拉出實體模型。然后再用邊倒角導(dǎo)出形狀,支架的形狀便出來了。最后進行布爾運算求和,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,沖孔和展開功能。對于空間曲面則還要用掃略來做出。彎邊后還要進行鈑金裁減,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不用的圖層,并將之隱藏。最后得到一個完整的模型

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,來代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)進行分析,這種單元組集體稱之為結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型;如果已知各個單元體的力和位移(單元的剛度特性),只需根據(jù)節(jié)點的變形連續(xù)條件與節(jié)點的平衡條件,來推導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)的特性并研究其性能。有限元的特點是始終以矩陣形式來作為數(shù)學(xué)表達式,便于程序設(shè)計,大量工作是由電于計算機來完成,只要計算機容量足夠,單元的剖分可以是任意的,對于任何復(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,計算結(jié)果是近似解,其精度主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:梁單元模型和組合模型等。梁單元模型是將車架結(jié)構(gòu)簡化為由一組兩節(jié)點的梁單元組成的框架結(jié)構(gòu).以梁單元的截面特性來反映車架的實際結(jié)構(gòu)特性。其優(yōu)點是:劃分的單元數(shù)目和節(jié)點數(shù)目少,計算速度快而且模型前處理工作量不大,適合初選方案。其缺點是:無法仔細分析車架應(yīng)力集中間題,因而不能為車架縱、橫梁連接方案提供實用的幫助。組合單元模型則是既采用梁單元也采用板殼單元進行離散。在實際工程運用中,由于車架是由一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu),且形狀復(fù)雜,宜離散為許多板殼單元的組集,其缺點是前處理工作量大,計算時間長,然而隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,這個問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算機完成,也不是制約板殼元模型實際運用的因難了。這種模型使得對車架的分析計算更為精確,能為車架設(shè)計提供更為有利的幫助。

5.2 車架的計算方法

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?？v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形狀,邊粱式車架的結(jié)構(gòu)計算方法可分為兩大類:

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:

忽略了接頭的柔度.而它對車架變形和桿端力矩的計算卻很有影響;

無法確切計算接頭區(qū)域的應(yīng)力分布.而這對于車架的設(shè)計和優(yōu)化卻很重要;

只用梁單元,不能反映設(shè)計的修改,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離散整個車架,可用于縱梁并不均勻平直的剛架,缺點是用的單元和自由度數(shù)目龐大。且計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 等效載荷的簡化

計算結(jié)果的真實值與可信性程度如何與模型的建立、載荷的簡化有直接的關(guān)系。早期的車架強度計算是將車架簡化為簡支梁,只做彎曲強度的校核。隨著有限元的發(fā)展和推廣,國內(nèi)汽車行業(yè)已將有限元法應(yīng)用于車架的強度計算,但貨箱與車架相連的部分,應(yīng)力的計算值與貨箱和車架之間等效載荷和相互剛度關(guān)系簡化模型有關(guān),直接影響計算結(jié)果。通過分析可得出以下幾點結(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)力的有限元計算中考慮貨箱的剛度貢獻,

66 車架結(jié)構(gòu)有限元分析

車架用UG高級仿真模塊進行有限元分析的前期處理工作,用MSC.NASTRAN求解器對車架進行求解。

6.1 計算模型

由于車輪軸通過前、后鋼板彈簧裝在車架上,車架上面承受著發(fā)動機、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)點處相聯(lián),節(jié)點選在各單元的角點處,相鄰單元之間通過節(jié)點可以傳遞力和力矩。為使薄板離散體系能較好地反映真實車架的變形情態(tài),其相鄰單元各節(jié)點應(yīng)滿足變形連續(xù)條件。因此,在任一節(jié)點處,須考慮6個節(jié)點位移分量。計算過程中采用3D四面體單元對車架的幾何模型進行網(wǎng)格劃分,并利用剛性單元將力施加到各相應(yīng)節(jié)點上。模型中共包括37377個節(jié)點,72215個單元。

6.2 邊界條件的處理

由于輪胎剛度很大,可將它看成是剛性的,忽略它對結(jié)構(gòu)分析的影響。對于鋼板彈簧,將模擬前后板簧的彈簧元下端點分別固連在相應(yīng)的剛性單元上。

有限元分析過程中,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)點位移。為消除空間運動的六個自由度,將約束剛性單元在前后輪中心線位置的節(jié)點,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 對車架進行應(yīng)變測量實驗

汽車的使用條件非常復(fù)雜,對整車和總成的性能要求也很高,即使在設(shè)計和制造時對某些問題考慮非常周密也不能保證性能的完備性,還必須以試驗來檢驗.試驗是幫助我們深入了解整車及其總成在實際使用中各種現(xiàn)象的本質(zhì)及其規(guī)律,并推動其技術(shù)進步的一種極為重要的方法.它是保證試驗對象的性能,提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力的重要手段.

汽車試驗按照試驗對象分類,包括:

1)整車試驗試驗的目的是考核評定整車的主要技術(shù)性能,測出其各項技術(shù)性能指標(biāo),如動力性、經(jīng)濟性、平順性、制動性和通過性等。整車基本參數(shù)的測定也包括在整車試驗范圍內(nèi)。

2)機構(gòu)及總成試驗這類試驗主要考核機構(gòu)及總成的工作性能和耐久性,如發(fā)動機功率、變速器效率、懸掛裝置的特性以及他們的結(jié)構(gòu)強度疲勞壽命和耐久性等。

3)零部件試驗該試驗主要考核其設(shè)計和工藝的合理性,測試其剛度、強度、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即為其中的機構(gòu)及總成試驗。

試驗原理及方法

應(yīng)變片工作原理:

電阻應(yīng)變片簡稱為電阻片或應(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)變片不僅能夠測量應(yīng)變,而且對于任何物理量,如力、轉(zhuǎn)矩、壓強、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,都可以利用對應(yīng)的應(yīng)變片進行測量,所以它在測試中應(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,應(yīng)變片也同時發(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)平衡箱對每片應(yīng)變片進行預(yù)平衡處理,消除非車架變形產(chǎn)生的應(yīng)變,進而通過靜態(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.實驗?zāi)康?/span>

對該車車架進行抗彎靜載強度測試,以根據(jù)實驗結(jié)果修正有限元計算模型。

2.實驗方法

1)實驗中采用應(yīng)變片測試技術(shù)。根據(jù)測點受力狀況,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(阻值變化,絕緣)后,連接導(dǎo)線及應(yīng)變儀。

2)為保證測量精度,采用單片測量方法(另設(shè)補償片)。補償片貼在相同材料、相同溫度、不受力的材料上。

3)根據(jù)應(yīng)變儀所讀出的測點實際應(yīng)變值,利用公式即可獲得測點的應(yīng)力值。其中,為材料的彈性模量,對于鋼材其值為2.06GPa。

應(yīng)變儀型號:YJD——1型(具有靈敏系數(shù)補償功能),上海華東電子儀表廠生產(chǎn)

平衡箱型號: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)院試驗儀器廠

4.實驗載荷

動力總成質(zhì)量(不包括車架):220Kg;

車身重量:650Kg;

乘員重量:325Kg;

貨箱重量:300Kg;

6.4 實驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比

為驗證有限元模型的正確性,對車架進行了靜態(tài)彎曲強度測試。實驗中過程中采用YJD-1型應(yīng)變儀測量車架的應(yīng)變,然后根據(jù)實驗中測量的各點應(yīng)變和材料的特性計算出相應(yīng)的應(yīng)力值。實驗工況為整車原地加載,加載過程中將300kg的重物均布在貨廂底板上,同時在車身前部駕駛室內(nèi)座椅上按照實際工況布置225kg的重物。測點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算值和實驗值。

圖6.3應(yīng)變片的位置

比較點	1	2	3	4	5	6	7	8
計算值	105	129	120	98	130	102	122	142
實驗值	96	121.1	123.2	102.4	137.9	109.7	128.9	143.3

表1彎曲工況下實驗值和計算值的應(yīng)力比較

比較點	1	2	3	4	5	6	7	8
計算值	220	125	145	195	145	155	160	195
實驗值	202	103	133	188	141	149	157	187

表2彎扭工況下實驗值和計算值的應(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,因此對工程實際問題進行計算時很難求得精確解。有限元分析過程中的誤差包括模型誤差和計算誤差。模型誤差是將實際問題抽象為有限元模型時產(chǎn)生的,它包括離散誤差,單元形狀誤差、模型誤差,而計算誤差是采用數(shù)值方法對模型計算產(chǎn)生的誤差,其性質(zhì)是舍入誤差和截斷誤差。上述誤差都可以造成有限元理論計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的差異。例如,有限元模型中假定材料為各向同性,但由于制造過程中加工和熱處理的影響會導(dǎo)致實際結(jié)構(gòu)材料特性的不均勻性。雖然在實驗過程中為避免這些因素的影響,將應(yīng)變片盡量遠離這些區(qū)域,但是影響仍然會存在。建立的模型和實際車架有一點的差別,建模中忽略了一些小的特征;車架的實際受力與模型上的力的加載肯定存在著誤差等等因素導(dǎo)致了應(yīng)力和應(yīng)變的差別。

基于上述考慮,有限元計算結(jié)果與實驗結(jié)果之間不可避免地存在有誤差。由上圖可以看出,與實驗結(jié)果相比,計算結(jié)果的誤差在基本±10%之內(nèi)。由于計算誤差基本可以滿足求解工程問題的需要,因此可以利用計算模型對結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行評價并為結(jié)構(gòu)的修改提供計算依據(jù)。

1.載荷的處理

滿載時作用于車身結(jié)構(gòu)的載荷分別處理為:結(jié)構(gòu)自重、各裝備重量、乘客重量。座位上的乘客與座椅載荷分配到相近的節(jié)點上;發(fā)動機、變速器等載荷則各自分配到相應(yīng)的支承節(jié)點上。計算過程中各部分載荷重量如下:

(1)動力總成質(zhì)量(不包括車架):220Kg;

(2)車身質(zhì)量:650Kg;

(3)貨箱質(zhì)量:300Kg;

(4)乘員質(zhì)量:325Kg;

2.計算工況的選擇

車輛的使用工況雖然很復(fù)雜、但直接關(guān)系到車身結(jié)構(gòu)強度的主要是彎曲和滿載扭轉(zhuǎn)(即彎扭)兩種工況。

(1)彎曲工況:在滿載情況下,研究車架的抗彎強度。

(2)彎扭工況:車架遭受較劇烈的扭轉(zhuǎn)工況、一般是當(dāng)汽車以低速通過崎嶇不平路面時發(fā)生的。此種扭轉(zhuǎn)工況下的動載,在時間上變化得很緩慢,其扭轉(zhuǎn)特性可以近似地看作是靜態(tài)的,許多試驗結(jié)果也都證實了這一點,即靜扭試驗下的骨架強度可以反映出實際強度。因此,在滿載情況下,一個前〔后〕輪懸空時施加在前(后)橋上的扭矩的作用,應(yīng)認為是最嚴重的扭轉(zhuǎn)工況。

6.5 計算結(jié)果及分析

1.彎曲工況

車架在滿載、靜態(tài)狀態(tài)下,縱梁上的應(yīng)力基本上在70Mpa左右。此外,在一些支架與縱梁連接處應(yīng)力較大,分別位于以下各點:

后鋼板彈簧前支撐處:166Mpa;

前鋼板彈簧后支撐與縱梁相交處:127Mpa;

第一支架與縱梁連接處:88.2Mpa;

彎曲工況的相關(guān)圖示如下:

2.5.4彎曲工況下車架位移約束條件

圖2.5.5彎曲工況——車身載荷分布

圖靜載荷彎曲工況——車架位移分布云圖

2.彎扭工況

車架在滿載、靜態(tài)、單輪懸空其他三輪水平狀態(tài)下,此時車架會承受較大的扭轉(zhuǎn)力矩。這種情況下,較大應(yīng)力的位置分別位于以下各點:

結(jié)論

車架作為汽車的重要組成部分,它的強度關(guān)系到整車的安全性和使用壽命,因此, 使用有限元分析方法對該田野汽車車架強度進行校核,其重要意義就在于提高整車安全性,提高車輛的使用壽命,從而進一步提高整車質(zhì)量。

主要任務(wù)就是針對于該車車架通過MSC.NASTRAN大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件對其進行靜態(tài)強度分析。

對有限元分析方法進行了較細致的闡述。介紹了有限單元的形成,有限元法的基本思路,有限元法的計算步驟和有限元基本原理及公式。并重點對空間梁的有限元分析進行了解釋,建立了車架有限元平衡方程并予以求解。本論文闡明了建立有限元模型的基本原則,即保證計算精度和控制模型規(guī)模。介紹了建立有限元模型的一般方法,包括有限元建模一般要考慮的問題,建立計算模型的幾個策略和方法。最后簡單介紹了有限元法的應(yīng)用。

針對所使用的MSC.NASTRAN大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件,論文給予了詳細介紹,包括前后處理器MSC.PATRAN的功能,如直接CAD幾何訪問,有限元分析定義等。還有求解器MSC.NASTRAN的功能介紹。

綜述了車架有限元分析技術(shù)的概況,介紹了車架的功用和要求,車架的類型和構(gòu)造,并重點闡述了車架的靜態(tài)分析,包括力學(xué)模型的選擇,車架的計算方法,等效載荷的簡化。

首先采用應(yīng)變片測試技術(shù)對車架進行了應(yīng)變測量實驗,得到了實際的數(shù)據(jù)。為車架強度的有限元分析打下了良好的基礎(chǔ)。

其次,建立了車架的有限元模型。由于車架通過前、后鋼板彈簧裝在車輪軸上,上面承受著發(fā)動機、駕駛室、車箱及貨物等一系列垂直于框架平面的載荷,所以車架實際上是空間板架結(jié)構(gòu)。因此用板殼單元對該車架進行離散, 建立有限元模型。模型中共包括37377個節(jié)點,72215個單元,以及459個剛性單元。另外,車架上的鋼板彈簧通過彈簧單元模擬。

再者,對該車架進行有限元分析。對于邊界條件的處理,由于輪胎剛度很大,可忽略它對結(jié)構(gòu)分析的影響,將它看成是剛性的。對于鋼板彈簧,將模擬前后板簧的彈簧元下端點分別固連在相應(yīng)的剛性單元上。

對于載荷的處理,在滿載時作用于車身結(jié)構(gòu)的載荷分別處理為:結(jié)構(gòu)自重、各裝備重量、乘客重量。座位上的乘客與座椅載荷分配到相近的節(jié)點上;發(fā)動機、變速器等載荷則各自分配到相應(yīng)的支承節(jié)點上。

經(jīng)過邊界條件的處理和載荷的處理之后,確定了計算工況,選擇彎曲和滿載扭轉(zhuǎn)(即彎扭)兩種工況進行了處理。

最后進行計算并得到了強度分析應(yīng)力云圖。

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