淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言2</b></p><p>　　1.1 課題的研究意義2</p><p>　　1.2 有限單元法的概述3</p><p>　　1.3 行李牽引車關(guān)重件的有限元分析的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢4</p>

2、;<p>　　1.4 本文的主要研究內(nèi)容5</p><p>　　2 有限元法基本理論及軟件5</p><p>　　2.1 有限元法的變分原理基礎(chǔ)5</p><p>　　2.2 有限元分析軟件ANSYS簡介6</p><p>　　2.3 有限元軟件分析流程8</p><p>　　3 有

3、限元模型的建立9</p><p>　　3.1 車架幾何模型的建立9</p><p>　　3.2 車架有限元模型的建立10</p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)向軸幾何模型的建立14</p><p>　　3.4 轉(zhuǎn)向軸有限元模型的建立15</p><p>　　4 靜力分析16</p><

4、;p>　　4.1 靜力分析基礎(chǔ)16</p><p>　　4.2 剛度理論基礎(chǔ)18</p><p>　　4.3 車架靜力工況分析19</p><p>　　4.4 車架模態(tài)分析及其ANSYS實(shí)現(xiàn)過程23</p><p>　　4.5 轉(zhuǎn)向軸的靜力工況分析28</p><p><b>　　結(jié)

5、 論30</b></p><p><b>　　致 謝31</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)32</p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　1.1 課題的研究意義</p><p>　　隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，行李牽引車逐

6、漸向系列化、模塊化、輕量化、小型化、電子化(自動(dòng)化、智能化)及個(gè)性化發(fā)展。在保證能夠安全有效的完成作業(yè)的同時(shí)，減輕車輛的質(zhì)量，這意味著節(jié)約了能源和材料，這將是我國行李牽引車的發(fā)展趨勢，是與外國技術(shù)接軌的一個(gè)很重要的途徑。</p><p>　　目前，汽車整車制造市場競爭激烈，行李牽引車的制造技術(shù)不斷的發(fā)展，完善，再加上市場對(duì)牽引車的需求不斷的加大，對(duì)行李牽引車的要求變大，種類變多，所以行李牽引車的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式直接

7、影響車身的壽命和整車性能如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性。車輛設(shè)計(jì)中，在滿足重型載貨車運(yùn)營中對(duì)底盤的剛度、強(qiáng)度及工藝改造等因素要求的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能減輕它們的質(zhì)量和降低制造成本。</p><p>　　行李牽引車關(guān)重件主要由車架和其它承載車輛重量的構(gòu)件組成。而車架是整個(gè)底盤結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，起到承載整車質(zhì)量、傳導(dǎo)地面反力和裝載底盤其它構(gòu)件的作用，因此對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究顯得十分重要。</p><p>

8、;　　車架也稱大梁，車架是汽車各總成的安裝基體，它將發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和車身等總成連成一個(gè)整體，即將各總成組成為一輛完整的汽車。同時(shí)，車架還承受汽車各總成的質(zhì)量和有效載荷，并承受汽車行駛時(shí)所產(chǎn)生的各種力和力矩，即車架要承受各種靜載荷和動(dòng)載荷。一般由兩根縱梁和幾根橫梁組成，經(jīng)由懸掛裝置﹑前橋﹑后橋支承在車輪上。具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。車架在實(shí)際環(huán)境下要面對(duì)4種壓力即：負(fù)載彎曲、非水平扭動(dòng)、橫向彎曲、水平棱形扭動(dòng)。

9、要評(píng)價(jià)車架設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的好壞，首先應(yīng)該清楚了解的是車輛在行駛時(shí)車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的韌性(stiffness)不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達(dá)到良好的操控表現(xiàn)。同樣，車架的剛性對(duì)汽車的性能有很大的影響。影響車架剛性的外力，通常是來自于路面摩擦力以及加減速或過彎時(shí)產(chǎn)生的值。汽車由于引擎及底盤設(shè)計(jì)不像現(xiàn)在發(fā)達(dá)，輪胎的抓地力也不如今日優(yōu)異，因此車架剛性的重要性并不容易被關(guān)注。但是市售車所搭載的引擎已有不錯(cuò)的動(dòng)力，而且

10、輪胎有與地面的摩擦力更好的輻射層構(gòu)造，低扁平薄胎與大直徑化的設(shè)定也成為了市場的主流，因此在動(dòng)力有所提升、輪胎與懸掛所承受的負(fù)荷</p><p>　　行李牽引車車架靜力學(xué)分析主要包括彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況，這是評(píng)價(jià)車架質(zhì)量最重要的指標(biāo)。采用牽引力學(xué)理論及有限元原理，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某車型車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)兩種工況下進(jìn)行力學(xué)分析，得出了在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下某轎車車架的剛度變化。并對(duì)不同荷載情況下的車架不

11、同部位的應(yīng)力、位移進(jìn)行較為全面的數(shù)值模擬，為對(duì)車架的強(qiáng)度分析提供參考和依據(jù)。</p><p>　　同時(shí)，行李牽引車關(guān)重件中的轉(zhuǎn)向軸，對(duì)整車的性能也有很大的影響，轉(zhuǎn)向軸要能夠承受足夠大的扭矩，即有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，以保證能夠安全，穩(wěn)定的將動(dòng)力傳遞到轉(zhuǎn)向輪。</p><p>　　由此可見關(guān)重件對(duì)汽車的重要性，采用ANSYS對(duì)行李牽引車車架和轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性做出評(píng)價(jià)。同

12、時(shí)對(duì)車架的模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，使車架結(jié)構(gòu)在原有基礎(chǔ)上得以分析并優(yōu)化，以保證車架的安全性，精簡等。</p><p>　　1.2 有限單元法的概述</p><p>　　有限單元法（finite element method，F(xiàn)EM），簡稱有限元法，是以力學(xué)為基礎(chǔ)，是力學(xué)，數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是隨著計(jì)算機(jī)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種數(shù)值計(jì)算方法，是一種解決工程實(shí)際問題

13、的有力的數(shù)值計(jì)算工具，它幾乎適用于求解所有連續(xù)介質(zhì)和場的問題。經(jīng)過近60年的發(fā)展，有限元的基本理論已相當(dāng)成熟，一大批通用的專用有限元軟件紛紛面世。伴隨著廣泛的學(xué)術(shù)交流和大量期刊文獻(xiàn)的出版，借助于互聯(lián)網(wǎng)信息的傳遞，有限元從高端走向普及，成為工程結(jié)構(gòu)分析中最為成功，最為廣泛和最為實(shí)用的重要工具。借助有限元分析技術(shù)已經(jīng)成功地解決眾多領(lǐng)域的大型科學(xué)和工程計(jì)算問題，幾乎所有工程領(lǐng)域都在使用有限元法，汽車工程更不例外。</p><

14、;p>　　有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA），簡稱有限元分析，是更為廣泛意義上的計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）的重要組成部分，事實(shí)上CAE的應(yīng)用首先就是從有限元分析開始的。基于有限元技術(shù)的CAE軟件，無論在數(shù)量，規(guī)模上，還是在應(yīng)用范圍上都處于主要地位。作為數(shù)值分析的代表，有限元分析已經(jīng)成為繼機(jī)車結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和汽車結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)之后的另一個(gè)重要手段，由此形成

15、了現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，即設(shè)計(jì)-計(jì)算-實(shí)驗(yàn)的三步法。有限元分析不僅能夠解決和驗(yàn)證傳統(tǒng)的汽車結(jié)構(gòu)問題，而且極大地?cái)U(kuò)大了結(jié)構(gòu)分析的研究范圍，成為解決汽車結(jié)構(gòu)問題的新的主要手段。</p><p>　　作為結(jié)構(gòu)分析的一種計(jì)算方法，從數(shù)學(xué)角度看，其基本思想是通過離散化的手段，將偏微分方程或者變分方程變換成代數(shù)方程求解。從力學(xué)角度看，其基本思想是通過離散化的手段，將連續(xù)體劃分成有限多個(gè)小單元體，并使他們?cè)谟邢薅鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)上相互連

16、接。在一定精度要求下，用有限多個(gè)參數(shù)來描述每個(gè)單元的力學(xué)特性；而整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)特性，可認(rèn)為是這些小單元力學(xué)特性的總和，從而建立起連續(xù)體的力的平衡關(guān)系。</p><p>　　1.3 行李牽引車關(guān)重件的有限元分析的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p><b>　　1. 研究現(xiàn)狀：</b></p><p>　　上世紀(jì)五六十年代，我國對(duì)于一般車架的設(shè)計(jì)及

17、強(qiáng)度校核是依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和方法，即依靠經(jīng)典的材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)車架的結(jié)構(gòu)作大量的簡化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，該方法具有一定的可行性和科學(xué)性。</p><p>　　傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)方法，具有簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，在我國目前的車輛設(shè)計(jì)計(jì)算中仍起到一定的作用。但是，該方法也有明顯的不足，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：</p><p>　?。?）由于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)拿つ啃裕P(guān)重

18、件如車架的設(shè)計(jì)改進(jìn)都不會(huì)有明顯的突破。使得其整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度問題都不能得到合理的解決。而且設(shè)計(jì)周期長，使得車架的更新?lián)Q代的速度比較慢，不能與現(xiàn)代化商品生產(chǎn)競爭相適應(yīng)。</p><p>　?。?）傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不能對(duì)車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及剛度分布進(jìn)行定量分析。因此，設(shè)計(jì)中不可避免的會(huì)出現(xiàn)車架各部分強(qiáng)度匹配不合理的現(xiàn)象。導(dǎo)致整個(gè)車架設(shè)計(jì)成本提高，而且某些部位強(qiáng)度不夠，容易引起事故；若某些部位的強(qiáng)度過于富裕，造成浪

19、費(fèi)，從而使車架達(dá)不到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。由于經(jīng)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)方法有以上的不足之處，生產(chǎn)廠家迫切需要一種能與市場競爭相適應(yīng)的新的設(shè)計(jì)方法。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序的投入使用，取代了高強(qiáng)度的手工勞動(dòng)，結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)速度大大提高。有限元分析法就是其中的一種。</p><p>　　目前，國內(nèi)對(duì)汽車車架的設(shè)汁與研究已經(jīng)從主要依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)分析設(shè)汁方法逐漸發(fā)展到有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，但是尚未像汽車整車和主要零

20、部件的參數(shù)確定那樣廣泛應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。所以汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化仍是近些年的重要研究領(lǐng)域。</p><p><b>　　2．發(fā)展趨勢：</b></p><p>　　隨著競爭車型的不斷推出和燃油價(jià)格的不斷攀升，用戶對(duì)行李牽引車的耗油量問題越來越敏感，市場對(duì)汽車輕量化的要求日益迫切。有限元分析技術(shù)能夠滿足用戶對(duì)車架的應(yīng)力分布的需要，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)能夠?yàn)檐嚰艿脑O(shè)計(jì)提供

21、更合理的設(shè)計(jì)尺寸。有限元分析技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)化方法相結(jié)合并應(yīng)用于工程實(shí)際，不僅改善了車架的力學(xué)性能，而且能降低車身重量并且更加節(jié)省材料。</p><p><b>　　3. 研究方法：</b></p><p>　　選中車型，確定車架和轉(zhuǎn)向軸具體尺寸，然后利用ANSYS進(jìn)行車架和轉(zhuǎn)向軸建模并進(jìn)行有限元分析，高效準(zhǔn)確地建立分析構(gòu)件的三維實(shí)體模型，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，建立相應(yīng)

22、的約束及載荷工況，并自動(dòng)進(jìn)行有限元求解，對(duì)車架模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖形顯示和結(jié)果輸出，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性做出評(píng)價(jià)。同時(shí)對(duì)車架的模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為對(duì)車架的強(qiáng)度分析提供參考和依據(jù)。使車架結(jié)構(gòu)在原有基礎(chǔ)上得以分析并優(yōu)化它。</p><p>　　1.4 本文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本文以型號(hào)為QCD30的行李牽引車的車架和轉(zhuǎn)向軸為例，建立了基于實(shí)體單元的結(jié)構(gòu)有限元模型。通過對(duì)這車

23、架的三種典型工況的靜態(tài)分析和轉(zhuǎn)向軸扭轉(zhuǎn)工況的分析，得出應(yīng)力與應(yīng)變集中的位置，并提出改進(jìn)建議，其體實(shí)施步驟如下：</p><p>　　（1）建立車架，轉(zhuǎn)向軸模型，用SolidWorks軟件建立車架整體模型和轉(zhuǎn)向軸，然后導(dǎo)入到ANSYS有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。</p><p>　?。?）假定行李牽引車滿載并牽引的情況下，對(duì)車架在彎曲、制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎三種工況下的受力和變形情況進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。&

24、lt;/p><p>　?。?）對(duì)車架進(jìn)行ANSYS模態(tài)分析。</p><p>　?。?）假定行李牽引車滿載的情況下，對(duì)轉(zhuǎn)向軸的扭轉(zhuǎn)工況下的受力和變形情況進(jìn)行靜態(tài)的有限元分析。</p><p>　　2 有限元法基本理論及軟件</p><p>　　2.1 有限元法的變分原理基礎(chǔ)</p><p>　　力學(xué)中的能量變分原理有很

25、多種，其中虛功原理與最小勢能原理都是有限元法的重要理論基礎(chǔ)。有限元法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分原理，而力學(xué)基礎(chǔ)則是能量原理。基于這些原理就可以把連續(xù)彈性體的變形求解問題轉(zhuǎn)化為泛函的變分極值問題，從而形成有限元的求解過程。這里簡單介紹虛功原理。</p><p>　　虛功原理代表了彈性體平衡的普遍規(guī)律，所以可用來研究彈性體的平衡問題?；谔摴υ砜梢赃M(jìn)行有限元公式的推到。彈性體虛位移是指滿足變形協(xié)調(diào)條件和邊界約束條件的任意無限

26、小位移。虛功原理可表述為：當(dāng)一個(gè)彈性體在外力作用下處于平衡狀態(tài)，則對(duì)任何約束許可的虛位移來說，外力所做的虛功等于內(nèi)力的虛功。這里虛功是指真實(shí)的力在虛位移上所做的功，其表達(dá)式為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中，為外力的虛功；為外力的虛功；表達(dá)式分別為</p><p><b>　?。?-2）<

27、;/b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　這里的、、、 、、表示由虛位移、、引起的虛應(yīng)變。</p><p>　　虛功原理通過虛位移和虛應(yīng)變建立了外力與應(yīng)力之間的關(guān)系。</p><p>　?。?）虛功原理沒有涉及物理方程，即沒有規(guī)定應(yīng)力與應(yīng)變之間的具體關(guān)系，因此，對(duì)彈性、塑性情況均

28、適應(yīng)。</p><p>　?。?）虛位移原理完全等價(jià)平衡微分方程和力邊界條件。由虛位移原理可以導(dǎo)出平衡微分方程和力邊界條件。</p><p>　　這樣求解彈性力學(xué)問題又可敘述為：在所有變形可能的位移場中，尋找所給出的應(yīng)力能滿足虛位移原理的位移場?；蛘哒f，真實(shí)的位移場必須是變形可能的位移外，它所給出的應(yīng)力還應(yīng)滿足虛位移原理。</p><p>　　2.2 有限元分析軟

29、件ANSYS簡介</p><p>　　ANSYS是由美國ANSYS公司升發(fā)的大型通用有限元分析軟件。自1970年成立以來，ANSYS公司在其創(chuàng)始人John Swanson教授的領(lǐng)導(dǎo)下，不斷吸取世界最先進(jìn)的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，引導(dǎo)著世界有限元分析軟件的發(fā)展。以其先進(jìn)性、可靠性、開發(fā)性等特點(diǎn)，被全球工業(yè)界廣泛認(rèn)可，并擁有全球最大的用戶群。</p><p>　　ANSYS是融多物理場于一體的大

30、型通用FEA軟件，它主要包括三個(gè)模塊:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。各模塊主要功能如下:</p><p><b>　　(1) 前處理模塊</b></p><p>　　ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容:實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。ANSYS提供了兩種可以交叉使用的實(shí)體建模方法:自頂向下及自底向上建模。無論使用哪種方法建模，用戶都能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)庫，從而“雕

31、塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS提供了完整的布爾運(yùn)算，如相加、相減、相交、分割、紐結(jié)和重跌等。同時(shí)，ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。它包括4種網(wǎng)格劃分方法:延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。</p><p><b>　　(2) 求解模塊</b></p><p>　　前處理階段完成建模后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。ANS

32、YS提供的分析類型有:結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析和耦合場分析等。在平時(shí)的練習(xí)和課題中所常用的分析類型為結(jié)構(gòu)分析和耦合分析，下面具體對(duì)這兩種類型進(jìn)行說明。</p><p>　?、?結(jié)構(gòu)分析?？煞譃榻Y(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)非線性分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析等。結(jié)構(gòu)線性分析用于分析慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)影響不顯著的線性或準(zhǔn)靜態(tài)問題；結(jié)構(gòu)非線性分析主要包括幾何非線性(大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、旋轉(zhuǎn)軟化以及非線性屈曲等)、材料非線性

33、(模擬100多種非線性材料模式，包括橡膠、泡沫、巖石等特殊材料)、狀態(tài)非線性(剛-柔接觸、柔-柔接觸問題等)；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析包括模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析和線性與非線性屈曲分析等。</p><p>　?、?耦合分析。ANSYS的耦合場分析可以分為直接耦合和間接耦合兩類。直接耦合使用帶有多個(gè)場自由度的耦合單元，通過單元矩陣或載荷向量把耦合構(gòu)造到控制方程中，因此可以一次求解多個(gè)場的自

34、由度。間接耦合又稱順序耦合法，通過把第一次場分析的結(jié)果作為第二次場分析的載荷來實(shí)現(xiàn)兩種場的耦合，需要至少兩次分析才能得到最后的結(jié)果。當(dāng)分析結(jié)果的獲得是同時(shí)依賴于兩個(gè)物理場時(shí)，此時(shí)就得用完全耦合分析方式；當(dāng)分析結(jié)果的獲得只依賴于一個(gè)物理場時(shí)可以使用間接耦合方式，如熱-應(yīng)力分析中一般結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形依賴于構(gòu)件的溫度場，而溫度場信息的獲得不依賴于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形情況。間接耦合方式為用戶提供了更自由的耦合方式，從而實(shí)現(xiàn)任意兩場或多場的耦合分析。&l

35、t;/p><p>　　(3)后處理模塊POST1和POST26</p><p>　　ANSYS軟件的后處理過程包括兩個(gè)部分:通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易地求解過程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表顯示兩種。</p><p>　?、偻ㄓ?/p>

36、后處理模塊POST1這個(gè)模塊對(duì)前而的分析結(jié)果能以圖形顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果(如應(yīng)力)在模型上的變換情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色代表了不同的值(如應(yīng)力值)。云圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)(如應(yīng)力范圍)，清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。</p><p>　　②時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊POST26。這個(gè)模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、位移、支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查

37、看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其他量變化的曲線有助于形象化地表示分析結(jié)果。</p><p>　　2.3 有限元軟件分析流程</p><p>　　有限元法的基本研究思路是結(jié)構(gòu)離散-單元分析-整體求解。有限元軟件實(shí)施的過程則采用前處理-中處理-后處理三個(gè)階段。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；中處理是構(gòu)件剛度矩陣與分析計(jì)算；后處理則是分析與計(jì)算結(jié)果，對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)做出評(píng)價(jià)。</

38、p><p>　　簡單的說，有限元基本分析過程可以歸納為以下幾個(gè)步驟：</p><p>　?。?）將連續(xù)體分割成有限大小的區(qū)域，這些區(qū)域即為有限單元，單元之間以節(jié)點(diǎn)相連。</p><p>　　（2）選擇節(jié)點(diǎn)的物理量（如位移、溫度）作為未知量，對(duì)每一單元假設(shè)一個(gè)簡單的連續(xù)位移函數(shù)（插值函數(shù)）來近似模擬其位移分布規(guī)律，將單元內(nèi)任一點(diǎn)的物理量用節(jié)點(diǎn)物理量表述。</p>

39、;<p>　　（3）利用有限元法的不同解法，如根據(jù)虛功原理建立每個(gè)單元的平衡方程，即建立整體剛度矩陣。</p><p>　?。?）將各個(gè)單元再組裝成原來的整體區(qū)域，建立整個(gè)整體物體的平衡方程組，形成整體剛度矩陣。</p><p>　?。?）引入邊界條件，即約束處理，求解節(jié)點(diǎn)上的未知量。其他參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變等依次求出。</p><p>　　對(duì)汽車結(jié)構(gòu)分

40、析而言，其分析流程可用圖2-1簡略表示：</p><p>　　圖2.1 有限元分析流程</p><p>　　3 有限元模型的建立</p><p>　　創(chuàng)建ANSYS模型的途徑有四種：</p><p>　?。?）在ANSYS環(huán)境中創(chuàng)建實(shí)體模型，然后劃分有限元網(wǎng)格。</p><p>　?。?) 在其他軟件(比如CAD)中

41、創(chuàng)建實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS環(huán)境中，經(jīng)過修正后劃分有限元網(wǎng)格。</p><p>　?。?）在ANSYS環(huán)境中直接創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)和單元。</p><p>　?。?）在其他軟件中創(chuàng)建有限元模型，然后將節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)讀入ANSYS。</p><p>　　本文采用第二種方法，即：在SolidWorks軟件中創(chuàng)建實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS中。</p><p

42、>　　3.1 車架幾何模型的建立</p><p>　　在SolidWorks中建模具體步驟如下：</p><p>　?。?） 打開SolidWorks軟件，選擇新建單一零部件的3D展現(xiàn)。</p><p>　?。?） 選擇前視基準(zhǔn)面，用草圖命令中的直線畫出側(cè)板，并定義尺寸，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 草繪車架側(cè)板顯示

43、圖</p><p>　　（3） 創(chuàng)建一個(gè)新的基準(zhǔn)面1，將側(cè)板鏡像，如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 鏡像側(cè)板圖顯示圖</p><p>　　再創(chuàng)建一個(gè)新的基準(zhǔn)面，在草圖命令中，草繪縱梁，如圖所示，退出草圖環(huán)境，拉伸如圖，如圖3.3，圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3 創(chuàng)建縱梁 圖3.4

44、 創(chuàng)建后梁</p><p>　?。?） 草圖前后縱梁，拉伸，完成車架的建模，如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 車架完成后的顯示圖</p><p>　　3.2 車架有限元模型的建立</p><p>　　3.2.1 模型導(dǎo)入</p><p>　　由于ANSYS軟件不能直接應(yīng)用SolidWorks形成的*.

45、SLDPRT文件，所以在車架的裝配模型完成后，將該模型轉(zhuǎn)化為ANSYS軟件可以識(shí)別的*. x_t格式，在SolidWorks軟件中可以通過文件—保存副本實(shí)現(xiàn)這個(gè)操作。</p><p>　　啟動(dòng)ANSYS軟件后，通過Import選項(xiàng)導(dǎo)入車架的三維幾何模型*.x_t文件。導(dǎo)入到ANSYS軟件后的車架有限元模型如圖3.6所示</p><p>　　圖3.6 車架導(dǎo)入ANSYS后的顯示圖</

46、p><p>　　3.2.2 參數(shù)設(shè)置</p><p>　　啟動(dòng)ANSYS軟件，設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)分析Structure，然后設(shè)置有限元單元類型為SOLID45，同時(shí)設(shè)置材料參數(shù)。車架的材料參數(shù)如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 車架材料特性</p><p>　　3.2.3 單元簡介</p><p>　　本文

47、選用SOLID45單元，為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，一個(gè)單元就是一個(gè)立方體, 節(jié)點(diǎn)就是這個(gè)立方體上的8個(gè)頂點(diǎn)。這個(gè)立方體單元受到的外力作用都要通過節(jié)點(diǎn)來加載, 外力的作用不是直接作用在這個(gè)單元上, 而是通過節(jié)點(diǎn)來使這個(gè)立方體單元發(fā)生變形。</p><p>　　下面對(duì)八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行簡單的介紹：</p><p>　　對(duì)幾何形狀規(guī)則的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維分析時(shí)，可選用六面體單元，它有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)參數(shù)為三

48、個(gè)坐標(biāo)軸方向的位移向量，和。邊長分別為，和的平行六面體單元，也稱為磚形單元。在六面體單元的形心上取局部坐標(biāo)，坐標(biāo)軸分別與邊長平行，如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 八節(jié)點(diǎn)六面體單元</p><p>　　單元局部坐標(biāo)與整體坐標(biāo)之間的關(guān)系為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　

49、　用前述構(gòu)造形函數(shù)的方法，在該局部坐標(biāo)系的情況下，可得到對(duì)應(yīng)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的形狀函數(shù)，即</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中的、和為單元節(jié)點(diǎn)的局部坐標(biāo)。單元內(nèi)任一點(diǎn)位移可表示為：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p><b>　　

50、或?qū)懗删仃囆问?lt;/b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　其中為形函數(shù)矩陣：</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　單元節(jié)點(diǎn)位移向量為：</p><p><

51、b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由幾何方程式（2-10），得單元應(yīng)變與單元節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式：</p><p><b>　?。?-8）</b></

52、p><p>　　為應(yīng)變矩陣，用子矩陣來表示可寫成為</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><b>　　其中每個(gè)子矩陣為</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　而</b&

53、gt;</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　將式（3-11）代入物理方程中，得到單元應(yīng)力與單元節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　為應(yīng)力矩陣，寫成子矩陣形式為：</p><p><

54、;b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　單元?jiǎng)偠染仃嚍椋?lt;/b></p><p><b>　　(3-15)</b></p

55、><p>　　寫成分塊矩陣的形式：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　空間問題有限單元法的整體分析，包括總剛度矩陣、總載荷列陣的形成，以及約束處理等，都與平面問題中的處理類似。</p><p>　　3.2.4 劃分網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　在ANSYS軟件中一般把

56、板單元和板殼單元合稱為板殼單元。本文中采用的板殼單元為SOLID45。它是一種常用的8節(jié)點(diǎn)單元，。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，共有24個(gè)自由度。單元長度選取50mm，采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分，縱梁和橫梁相接觸的部位在劃分網(wǎng)絡(luò)時(shí)要一體劃分，這樣可以保證零部件在有限元軟件中的有效連接。劃分網(wǎng)絡(luò)后的車架有限元模型如圖3.8所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)共18423個(gè)，單元數(shù)共68337個(gè)。</p><p>　　圖3.8 車架劃分網(wǎng)格后的顯示圖&l

57、t;/p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)向軸幾何模型的建立</p><p>　　轉(zhuǎn)向軸是連接轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)件，轉(zhuǎn)向柱管固定在車身上，轉(zhuǎn)向軸從轉(zhuǎn)向柱管中穿過，支承在柱管內(nèi)的軸承和襯套上。轉(zhuǎn)向軸長度L=150mm，直徑d=25mm。參考同類汽車的轉(zhuǎn)向軸，使用SolidWorks軟件對(duì)汽車轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行建模，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，去除一些附屬件，得到模型，左端與方向盤相連，右端與轉(zhuǎn)向器相連。</

58、p><p>　　在SolidWorks中建模具體步驟如下：</p><p>　?。?）打開SolidWorks軟件，選擇新建單一零部件的3D展現(xiàn)</p><p>　?。?）選擇前視基準(zhǔn)面，用草圖命令中的直線畫出轉(zhuǎn)向軸的輪廓尺寸，如圖3.9所示</p><p>　　圖3.9 創(chuàng)建轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)截面圖的顯示圖</p><p>　

59、?。?）退出草繪，旋轉(zhuǎn)，得到轉(zhuǎn)向軸，如圖3.10所示</p><p>　　圖3.10 旋轉(zhuǎn)之后得到的轉(zhuǎn)向軸的顯示圖</p><p>　?。?）最終效果圖如圖3.11所示</p><p>　　圖3.11 轉(zhuǎn)向軸最終的顯示圖</p><p>　　3.4 轉(zhuǎn)向軸有限元模型的建立</p><p>　　3.4.1 模型導(dǎo)

60、入</p><p>　　由于ANSYS軟件不能直接應(yīng)用SolidWorks形成的*.SLDPRT文件，所以在車架的裝配模型完成后，將該模型轉(zhuǎn)化為ANSYS軟件可以識(shí)別的*. x_t格式，在SolidWorks軟件中可以通過文件—保存副本實(shí)現(xiàn)這個(gè)操作。</p><p>　　啟動(dòng)ANSYS軟件后，通過Import選項(xiàng)導(dǎo)入車架的三維幾何模型*.x_t文件。導(dǎo)入到ANSYS軟件后的車架有限元模型如

61、圖3.12所示</p><p>　　圖3.12 轉(zhuǎn)向軸導(dǎo)入ANSYS后的顯示圖</p><p>　　3.4.2 參數(shù)設(shè)置</p><p>　　啟動(dòng)ANSYS軟件，設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)分析Structure，然后設(shè)置有限元單元類型為SOLID45，同時(shí)設(shè)置材料參數(shù)。車架的材料參數(shù)如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 車架材料特性<

62、;/p><p>　　3.4.3 劃分網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　采用ANSYS軟件中的SOLID45實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這種單元有利于考慮轉(zhuǎn)向軸的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，能比較準(zhǔn)確反映集中情況。SOLID45單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度，具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力.在非線性有限元分析計(jì)算中,需要耗費(fèi)大量的資源,所以在保證精度的前提下,轉(zhuǎn)向軸的單元

63、應(yīng)盡可能少,本文的轉(zhuǎn)向軸劃分為2873個(gè)SOLID45單元和13475個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分后的轉(zhuǎn)向軸模型如圖3.13所示</p><p>　　圖3.13 轉(zhuǎn)向軸劃分網(wǎng)格之后的顯示圖</p><p><b>　　4 靜力分析</b></p><p>　　4.1 靜力分析基礎(chǔ)</p><p>　　結(jié)構(gòu)靜力分析用于計(jì)算由那些

64、不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力(如重力和離心力)、位移載荷等。</p><p>　　通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的有限元靜力分析，可以找到車架在各種工況下各零部件變形和應(yīng)力的最大值以及分布情況。以此為依據(jù)，通過改變結(jié)構(gòu)的形狀尺寸或者改變材料的特性來

65、調(diào)整質(zhì)量和剛度分布，使車架各部位的變形和受力情況盡量均衡。同時(shí)可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足使用要求的前提下，最大限度地降低材料用量，使車架的自重減輕，從而節(jié)省材料和降低油耗，提高整車性能。</p><p>　　在有限元分析程序中，靜力分析的控制方程表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　其

66、中：</b></p><p>　　為結(jié)構(gòu)剛度矩陣； 為位移向量；為載荷向量</p><p>　　在用CAE方法進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析時(shí)，其基本原理是一樣的，即求解用矩陣形式表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程，得出：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　其中：</b

67、></p><p>　　為整體剛度矩陣，由單元?jiǎng)偠汝嚱M集而成；為整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移列陣，由單元節(jié)點(diǎn)位移列陣組集而成；為載荷列陣，由作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力列陣組成而成。</p><p>　　利用上式求解出節(jié)點(diǎn)位，然后利用公式（4-3）和已求出的節(jié)點(diǎn)位移來計(jì)算各單元的力，并加以整理得出所要求的結(jié)果。</p><p><b>　?。?-3）</b>

68、;</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　為與單元材料有關(guān)的彈性矩陣；為單元應(yīng)變矩陣；為單元的節(jié)點(diǎn) 位移列陣。</p><p>　　經(jīng)過計(jì)算得到車架應(yīng)力和變形的結(jié)果，變形可通過后處理中模型的變形圖直觀地反映出來，應(yīng)力的分布則可以以應(yīng)力云圖或應(yīng)力圖中以高等線的形式表示，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力是與之相連的單元的應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)位置的算術(shù)平

69、均。根據(jù)強(qiáng)度要求和材料的特性可以選擇最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或綜合應(yīng)力作為強(qiáng)度校核基準(zhǔn)，材料的失效以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志，因此對(duì)車架的靜態(tài)強(qiáng)度校核可以根據(jù)第四強(qiáng)度理論，選擇Vonmiss等效應(yīng)力來判斷車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。</p><p>　　Vonmiss等效應(yīng)力可以表示為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><

70、b>　　強(qiáng)度條件表示為：</b></p><p><b>　　（4-5）</b></p><p><b>　　為材料的許用應(yīng)力。</b></p><p>　　4.2 剛度理論基礎(chǔ)</p><p>　　車架既要有足夠的強(qiáng)度，也要有足夠的剛度。足夠的彎曲剛度，可使車架上的部件在行駛過

71、程中相對(duì)位置不發(fā)生改變。車架剛度不足，會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也會(huì)使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些基件的可靠性下降。然而其扭轉(zhuǎn)剛度不易過大，否則汽車的通過性變差。應(yīng)有足夠的強(qiáng)度可保證其有足夠的可靠性和使用壽命等。</p><p>　　(1) 汽車車架彎曲剛度</p><p>　　為使汽車車架產(chǎn)生單位撓度所需的載荷，或載荷與所引的車架最大撓度值之比稱為車架的彎曲剛度。車架的單位彎曲剛度相當(dāng)于車

72、架縱梁的。對(duì)于車架縱梁，其跨距中點(diǎn)受到集中載荷，則車架縱梁的撓度最大值為:</p><p><b>　　（4-6）</b></p><p><b>　　其中: </b></p><p>　　為縱梁的抗彎剛度系數(shù)；為彈性模量；為汽車軸距；為縱梁中點(diǎn)受到的集中載荷；為梁的最大撓度。</p><p>　　

73、（2）汽車車架扭轉(zhuǎn)剛度</p><p>　　汽車車架的扭轉(zhuǎn)剛度是指為使汽車軸距長度內(nèi)的系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)單位角度所需的轉(zhuǎn)矩，或者為轉(zhuǎn)矩與軸距長度內(nèi)的轉(zhuǎn)角之比。汽車車架的單位彎曲剛度相當(dāng)于扭桿的KGJ。從汽車整個(gè)結(jié)構(gòu)來看，車架前后部分的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)該大些，而中間部分小些。駕駛室后面前的這一段車架的扭轉(zhuǎn)剛度大些有益于飛發(fā)動(dòng)機(jī)及駕駛室的懸置。從駕駛室后面之后懸架以前的這段車架的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)小，以起到緩沖作用，避免載荷集中，減小車架和

74、懸架系統(tǒng)的載荷，并改善汽車在不同路而上的接地性。車架扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算通常以前后軸的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為準(zhǔn)。當(dāng)汽車某一車輪被路而上的凸起抬高時(shí)，車架的軸間扭轉(zhuǎn)角為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　4.3 車架靜力工況分析</p><p>　　4.3.1 彎曲工況</p><p>　?。?）載

75、荷與邊界條件</p><p>　　根據(jù)靜力等效原則，將發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、駕乘人員等各部件的質(zhì)量對(duì)車輛的作用力簡化為在車架各部分上的均布載荷。貨箱的質(zhì)量與裝載量之和對(duì)車架的作用，按貨箱與車架的實(shí)際接觸面積計(jì)算簡化為車架上的均布載荷。各部件的質(zhì)量如表4.1所示，駕駛室、駕乘人員共對(duì)車架施加2500N的力，施加在第一梁處；發(fā)動(dòng)機(jī)，油箱和蓄電池對(duì)車架施加3700N，施加在第二梁處；車廂及載荷對(duì)車架共施加10000N，均布施

76、加在車架上?？紤]地面摩擦系數(shù)取值0.25-0.4之間，取0.25，則在最后縱梁取一片區(qū)域施加總拉力75000N。</p><p>　　表4.1 各部件質(zhì)量</p><p>　　各車輪施加完載荷和邊界條件的車架在彎曲工況下的邊界條件如表4.2所示：</p><p>　　表4.2 彎曲工況邊界條件</p><p><b>　?。?）結(jié)果

77、分析</b></p><p>　　從圖4.1中可以看出，最大位移發(fā)生在車架中部駕駛室的位置，最大位移為0.221mm，車架的變形量很小，遠(yuǎn)小于汽車定型試驗(yàn)規(guī)程中所規(guī)定的最大變形參考值，說明該車架有良好的抗變形能力。</p><p>　　圖4.1 滿載彎曲工況最大位移節(jié)點(diǎn)位移值</p><p>　　滿載彎曲工況應(yīng)力分布如圖4.2從圖中可以看出車架的最大應(yīng)

78、力發(fā)生在車架中間端，最大應(yīng)力為12.3MPa，本文車架的材料為Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa，車架各截面處的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，由此可以知道車架在滿載彎曲時(shí)滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　圖4.2 彎曲工況應(yīng)力分布圖</p><p>　　4.3.2 制動(dòng)工況</p><p><b>　?。?）約束與載荷</b></p>

79、<p>　　貨車車架在使用過程中常常發(fā)生與懸架連接處的車架開裂現(xiàn)象，這與車輛使用中的緊急制動(dòng)工況有很大關(guān)系，有必要分析車架或車身結(jié)構(gòu)在制動(dòng)載荷條件下的強(qiáng)度指標(biāo)。汽車在行駛過程中由于行駛工況的改變，車輛常常會(huì)經(jīng)歷加速或減速的情況，而導(dǎo)致慣性力的產(chǎn)生。由于慣性力的作用車架將承受和行駛方向相反的縱向載荷的作用，縱向載荷的大小取決于制動(dòng)減速度和車載質(zhì)量的大小，慣性力的大小取決于制動(dòng)減速度的大小。在本文的研究中以制動(dòng)時(shí)前、后各車輪同時(shí)

80、抱死的情況進(jìn)行計(jì)算，在車架上施加一個(gè)縱向加速度來模擬緊急制動(dòng)工況。以汽車的初始速度，制動(dòng)距離為進(jìn)行模擬，即制動(dòng)減速度來進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然在實(shí)際中根本不可能達(dá)到這么大的制動(dòng)減速度，但作為對(duì)車架的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核時(shí)可假設(shè)其能達(dá)到上述的制動(dòng)減速度，這樣計(jì)算所得到的結(jié)果具有更高的安全系數(shù)。汽車在緊急制動(dòng)的情況下汽車的車速是一個(gè)逐漸減小的過程，故在計(jì)算時(shí)取動(dòng)載系數(shù)為1.5。</p><p>　　緊急制動(dòng)工況下的邊界條件如表4

81、.3所示：</p><p>　　表4.3 緊急制動(dòng)工況邊界條件</p><p><b>　?。?）結(jié)果分析</b></p><p>　　滿載緊急制動(dòng)工況的車架變形如圖4.3，從圖中可以看出車架最大位移出現(xiàn)在駕駛室靠后一些的位置，最大位移為1.651mm,變形量比較大。但是由于模擬的工況減速度很大，實(shí)際工作時(shí)并沒有這么大的減速度，所以車架在滿載緊

82、急制動(dòng)工況下還是有較高的安全系數(shù)。汽車在滿載緊急制動(dòng)過程中，在慣性力的作用下，尾部受拉力作用，車架尾部位移量比較大。</p><p>　　圖4.3 緊急制動(dòng)工況最大位移節(jié)點(diǎn)位移值</p><p>　　滿載緊急制動(dòng)工況的車架應(yīng)力分布如圖4.4，從圖中可以看出由于緊急制動(dòng)，車架略向前收縮。最大應(yīng)力產(chǎn)生在車架中部，最大應(yīng)力為197MPa，而車架材料的屈服強(qiáng)度為235MPa，即車架各截面處的應(yīng)力

83、小于車架材料的屈服強(qiáng)度。</p><p>　　圖4.4 緊急制動(dòng)工況應(yīng)力分布圖</p><p>　　4.3.3 轉(zhuǎn)彎工況</p><p><b>　?。?）約束與載荷</b></p><p>　　汽車滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)，車架將受到側(cè)向離心力的作用而產(chǎn)生側(cè)向載荷。由于離心加速度的大小是由轉(zhuǎn)彎半徑以及汽車的行駛車速?zèng)Q定，并且在轉(zhuǎn)

84、彎的時(shí)候必然會(huì)有減速的過程，所以還有減速加速度。作為近似計(jì)算，本文通過在橫向(軸負(fù)方向)施加一個(gè)側(cè)向加速度和在縱向(X軸方向)施加一個(gè)減速加速度來模擬左轉(zhuǎn)彎工況。此外，離心力的大小還受到車載質(zhì)量的影響。該工況假設(shè)后軸完全側(cè)滑的極限狀態(tài)。動(dòng)載系數(shù)取為1.5。</p><p>　　緊急轉(zhuǎn)彎工況下的邊界條件如表4.4所示： </p><p>　　表 4.4 緊急轉(zhuǎn)彎工況邊界條件</p>

85、;<p><b>　　（2）結(jié)果分析</b></p><p>　　滿載轉(zhuǎn)彎工況車架的變形如圖4.5，從圖中可以看出汽車在滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況下，車架的主要變形出現(xiàn)在車架后半部和最前右半部，并且向車架前端逐漸遞減，車架的最大變形量為2.869mm。這主要是由于汽車在緊急轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車發(fā)生“甩尾”所致。</p><p>　　圖4.5 滿載轉(zhuǎn)彎工況最大位移節(jié)點(diǎn)位移

86、值</p><p>　　滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況下車架的應(yīng)力分布如圖4.6，從圖中可以養(yǎng)出車架的最大應(yīng)力在車架尾部，最大應(yīng)力為209MPa，而車架材料的屈服強(qiáng)度為235MPa，即車架各截面處的應(yīng)力小于車架材料的屈服強(qiáng)度，可見在滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況下，車架的總體應(yīng)力值仍然能滿足要求。</p><p>　　圖4.6 滿載轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力分布圖</p><p>　　4.4 車架模態(tài)分

87、析及其ANSYS實(shí)現(xiàn)過程</p><p>　　4.4.1 模態(tài)分析理論</p><p>　　結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的一個(gè)重要問題就是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性分析。結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性只與結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量和剛度分布有關(guān)，因此又稱為自振特性，自振特性將決定結(jié)構(gòu)在動(dòng)力載荷作用下的響應(yīng)行為。一個(gè)最常見的問題就是結(jié)構(gòu)在受到與其自振頻率相近的載荷作用時(shí)，將產(chǎn)生顯著的動(dòng)力響應(yīng)，這稱為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力共振現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)的

88、一個(gè)重要方面就是通過合理調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布，避免結(jié)構(gòu)在外部作用激勵(lì)下發(fā)生共振。此外，掌握結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性還將有助于對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案和工作性能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。</p><p>　　ANSYS程序通過模態(tài)分析來計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率，這種分析的目的是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率以及振型。模態(tài)分析是其他一些ANSYS動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，例如基于模態(tài)疊加法的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和諧響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析等。</p><p

89、>　　任何結(jié)構(gòu)或部件都有固有頻率和響應(yīng)的模態(tài)振型，這些屬于結(jié)構(gòu)或部件自身的固有屬性。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)就是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征值問題。</p><p>　　典型的無阻尼結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程是：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中：為質(zhì)量矩陣；為剛度矩陣；為加速度向量；為位移向量。</p>&

90、lt;p>　　如果結(jié)構(gòu)以某一固定頻率和模式振動(dòng)，即：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　則有：</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　代入運(yùn)動(dòng)方程，可得結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)特征方程：</p&g

91、t;<p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　顯然，是一個(gè)解，但是這個(gè)意味著結(jié)構(gòu)的所有質(zhì)點(diǎn)都處于靜止?fàn)顟B(tài)。欲得非零解，必須滿足：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　上式稱為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征值方程，該方程的特征值為，回代到特征方程，可得到特征值對(duì)應(yīng)的特征向量

92、。特征值的平方根正是結(jié)構(gòu)的自振圓頻率，特征向量則是結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于的振型向量。</p><p>　　ANSYS模態(tài)分析的基本目的就是計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振頻率及其對(duì)應(yīng)的振型。一個(gè)典型的ANSYS模態(tài)分析包括建模、模態(tài)求解與擴(kuò)展、觀察結(jié)果三個(gè)環(huán)節(jié)。</p><p>　　4.4.2 車架的ANSYS模態(tài)分析</p><p><b>　　1 建模</b><

93、/p><p>　　要進(jìn)行模態(tài)分析，必須建立符合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)分析模型。建模過程與一般靜力分析基本相同，也包括定義單元屬性（單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料模型及參數(shù)）、創(chuàng)建幾何模型以及劃分網(wǎng)格形成有限元模型。對(duì)于分布質(zhì)量模型，要記著為材料指定密度。</p><p><b>　　2 模態(tài)求解與擴(kuò)展</b></p><p>　　首先，在求解器中選擇分析類型為

94、Model，然后按如下步驟進(jìn)行模態(tài)分析選項(xiàng)的設(shè)置以及模態(tài)的求解與擴(kuò)展。</p><p>　?。?） 設(shè)置分析類型。選擇菜單路徑Main Menu>Solution>Analysis>Analysis Option，在隨后彈出的Model Analysis對(duì)話框中相關(guān)分析選項(xiàng)的設(shè)置。如圖4.7所示：</p><p>　　圖4.7 車架分析類型參數(shù)</p>&

95、lt;p>　?。?） 施加邊界及約束條件。要給結(jié)構(gòu)施加符合實(shí)際受力狀況的約束。模態(tài)分析中只能施加零位移約束，如果施加了非零的位移約束，程序?qū)⒁粤慵s束代替。除位移約束以外的其他載荷則被程序忽略。不施加任何約束條件的結(jié)構(gòu)在模態(tài)分析中可以得到相應(yīng)的剛體模態(tài)（頻率為0）</p><p>　　需要注意的另外一個(gè)問題是，要慎重使用對(duì)稱或反對(duì)稱約束條件，因?yàn)檫@樣可能會(huì)丟失一些模態(tài)。如施加了對(duì)稱約束就無法得到反對(duì)稱的振動(dòng)模

96、態(tài)。所以，在給車架施加約束時(shí)，將前后輪全部約束。</p><p>　?。?） 模態(tài)求解與擴(kuò)展。求解前應(yīng)該保持?jǐn)?shù)據(jù)庫文件，然后通過菜單途徑Main Menu>Solution>Solve >Current LS開始求解計(jì)算。</p><p>　　模態(tài)擴(kuò)展是對(duì)縮減法等方法而言的，這種方法定義能夠描述結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的自由度作為自由度，求解后需要進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展將主自由度解擴(kuò)展到整個(gè)

97、結(jié)構(gòu)。對(duì)其他方法，模態(tài)擴(kuò)展可以理解為模態(tài)分析結(jié)果被保存到結(jié)果文件中以備觀察。</p><p>　　指定車架擴(kuò)展的模態(tài)數(shù)，通過菜單路徑Main Menu>Solution>Load Step Opts >Expansionpass>Single Expand>Expand modes，如下圖4.8所示設(shè)置：</p><p>　　圖4.8 模態(tài)擴(kuò)展參數(shù)</

98、p><p>　?。?） 查看模態(tài)分析的結(jié)果</p><p>　　1 列表顯示固有頻率。菜單操作路徑為Main Menu>General Postproc>Result Summary。如下表4.5所示：</p><p>　　表4.5 各階模態(tài)固有頻率</p><p>　　2 圖形顯示變形。該步驟用于圖形顯示讀入數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)的某一階模態(tài)

99、振型。對(duì)應(yīng)的菜單路徑為Main Menu>General Postproc>Plot Result>Deformed Shape</p><p>　　3 等值圖顯示結(jié)果項(xiàng)。該步驟以云圖的形式顯示結(jié)構(gòu)模型在特定模態(tài)中的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等變量的相對(duì)分布.菜單操作路徑為：Main Menu>General Postproc>Plot Result>Contour Plot。如下圖所示

100、：</p><p>　　圖4.9 模態(tài)1中的相對(duì)位移云圖 圖4.10 模態(tài)2中的相對(duì)位移云圖</p><p>　　圖4.11 模態(tài)3中的相對(duì)位移云圖 圖4.12 模態(tài)4中的相對(duì)位移云圖</p><p>　　圖4.13 模態(tài)5中的相對(duì)位移云圖 圖4.14 模態(tài)6中的相對(duì)位移云圖</p><p>　　圖4.15

101、 模態(tài)7中的相對(duì)位移云圖 圖4.16 模態(tài)8中的相對(duì)位移云圖</p><p>　　圖4.17 模態(tài)9中的相對(duì)位移云圖 圖4.18 模態(tài)10中的相對(duì)位移云圖</p><p>　　在這十個(gè)模態(tài)下，從車架的相對(duì)位移云圖中，可以看出：前5個(gè)模態(tài)是車架彎曲工況下的相對(duì)位移變化，而后5個(gè)模態(tài)是車架扭轉(zhuǎn)工況下的相對(duì)位移變化。在前5階模態(tài)中，最大的彎曲位移為0.13mm，位移很小，滿

102、足剛度條件；在后5階模態(tài)中，最大的扭轉(zhuǎn)位移為0.178mm，位移很小，滿足剛度條件。</p><p>　　4.5 轉(zhuǎn)向軸的靜力工況分析</p><p>　　4.5.1 約束與載荷</p><p>　　對(duì)轉(zhuǎn)向軸下底面施加約束，限制其在徑向和軸向的位移；轉(zhuǎn)向軸上端受到一個(gè)方向盤給它的扭矩，手給方向盤的最大圓周力為700N，方向盤半徑為0.25m,則對(duì)轉(zhuǎn)向軸截面添加的

103、扭矩。</p><p>　　4.5.2 結(jié)果與分析</p><p>　　從扭矩載荷下的位移分布圖來看，此轉(zhuǎn)向軸的位移變化從靠近方向盤一端逐漸向另一端呈螺旋狀遞減。最大位移量為0.024mm，變形量非常小。因此剛度性能較好，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖4.19 扭轉(zhuǎn)工況最大位移節(jié)點(diǎn)位移值</p><p>　　4.5.3 應(yīng)力結(jié)果

104、</p><p>　　如下圖，轉(zhuǎn)向軸截面外圍應(yīng)力較大，向軸心遞減。最大應(yīng)力為246Mpa,小于650MPa，總的來說，該轉(zhuǎn)向軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，富余量還行，滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　圖4.20 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布圖</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文用SolidWorks軟件建立

105、了車架和轉(zhuǎn)向軸的實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以有限元理論為基礎(chǔ)，對(duì)車架在滿載拖拉貨物下，彎曲、制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎三種工況下進(jìn)行靜力分析以及轉(zhuǎn)向軸的扭轉(zhuǎn)工況靜力分析。</p><p>　　在對(duì)車架和轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行有限元分析的過程中，得出以下主要結(jié)論:</p><p>　?。?）建立正確的有限元模型是分析的關(guān)鍵，在不影響分析精度的情況下對(duì)模型進(jìn)行必要的幾何清理和簡化，去除一些

106、不必要的結(jié)構(gòu)；網(wǎng)格劃分應(yīng)該根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和分析對(duì)象進(jìn)行梯度變化，合理控制網(wǎng)格的尺寸和數(shù)量。在保證分析精度的同時(shí)盡量減少計(jì)算的工作量。</p><p>　?。?）通過對(duì)彎曲、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎三種工況的靜力分析，可以得出:車架的最大變形量和最大應(yīng)力均發(fā)生在滿載扭轉(zhuǎn)工況下，其中最大變形量為2.869mm；最大應(yīng)力為209MPa，均在材料許用范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　?。?）通過對(duì)轉(zhuǎn)向軸的

107、扭轉(zhuǎn)靜力分析，可以得出，轉(zhuǎn)向軸最大變形量非常小，滿足剛度要求，最大應(yīng)力為249MPa，均在材料許用范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求</p><p>　　本文雖然由于各種條件的限制無法對(duì)分析結(jié)果的可靠性和精確性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和考察，但是得出的結(jié)果還是大致和車架以及轉(zhuǎn)向軸的性能相貼切的，為進(jìn)一步對(duì)車架和轉(zhuǎn)向軸的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。</p><p><b>　　致 謝</b></

108、p><p>　　本論文是在我的導(dǎo)師吳永海老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。多少次周末，多少次本是已經(jīng)下班吃過晚飯的休息時(shí)間，吳永海老師依然到校與我交流，給我指導(dǎo)。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。吳永海老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想上感染我，讓我懂得如何去做個(gè)優(yōu)秀的人，一個(gè)精益求精的人。在此謹(jǐn)向吳永海老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意！還要感謝實(shí)教中心的老師們，在我

109、測量數(shù)據(jù)和觀察車架結(jié)構(gòu)的時(shí)候給予了我悉心的指導(dǎo)，謝謝你們！</p><p>　　在論文完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠摯的謝意！最后我還要感謝含辛茹苦培養(yǎng)我長大的父母，謝謝你們！</p><p>　　最后再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！</p><p><

110、;b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1 譚繼錦，張代勝.汽車結(jié)構(gòu)有限元分析.圖書館目錄.北京：清華大學(xué)出版社，2009</p><p>　　2 陳精一.ANSYS工程分析實(shí)例教程.圖書館目錄.北京：中國鐵道出版社，2006</p><p>　　3 博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解.圖書館目錄.北京：中國水利水

111、電出版社，2006</p><p>　　4 尚曉江，邱峰，趙海峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用.第2版.北京：中國水利水電出版社，2008</p><p>　　5 朱茂桃，陳龍，李志兵.農(nóng)用運(yùn)輸車車架支撐方式與動(dòng)態(tài)特性分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，34（3）：142～144</p><p>　　6 陸波.板簧模型對(duì)車架強(qiáng)度計(jì)算的影響分析[J].汽

112、車技術(shù)，2011，4：9～10</p><p>　　7 李德信，呂江濤，應(yīng)錦春.SX360型自卸車車架有限元分析模型的建立以及動(dòng)靜態(tài)特性分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，21（3）：380～386 </p><p>　　8 劉二龍.某半掛牽引車車架的靜動(dòng)態(tài)特性分析：[學(xué)位論文]，太原理工大學(xué)，2011</p><p>　　9 柴山，李基恒，劉書田等.串聯(lián)多軸油

113、氣彈簧懸架車輛車架強(qiáng)度分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，23（4）：408～411</p><p>　　10 李德信，呂江濤，應(yīng)錦春. SX360型自卸車車架有限元分析模型的建立及動(dòng)靜態(tài)特性分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（3）：380～386</p><p>　　11 朱軼.半掛牽引車車架有限元分析.中國期刊全文數(shù)據(jù)庫，[學(xué)位論文]，合肥工業(yè)大學(xué)，2011</p&