黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 車架是汽車上重要的承載部件，車輛所受到的各種載荷最終都傳遞給車架，因此，車架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整車設(shè)計(jì)的成敗。通過有限元法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對提高整車的各種性能，降低設(shè)計(jì)與制造成本，增強(qiáng)市場競爭力等都具有十分重要的意義。大型通用有限元軟件 借其強(qiáng)大的分析功能和高度可靠性，在結(jié)構(gòu)靜力分析和動力分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面具有無可比擬的優(yōu)越性。 本文以 車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，通過對 E 和 件的消化與吸收，采用實(shí)體單元，對車 架結(jié)構(gòu)的有限元建模、車架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析問題進(jìn)行了研究。以實(shí)體單元為基礎(chǔ)創(chuàng)建了車架結(jié)構(gòu)的簡單的尺寸優(yōu)化模型，以車架的縱梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，以車架結(jié)構(gòu)的總體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，對車架縱梁的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化并分析了優(yōu)化結(jié)果。闡述了應(yīng)用 行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本指導(dǎo)思想及方法，推廣到解決以板殼單元為基礎(chǔ)的車架優(yōu)化問題，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)。通過對 貨車車架結(jié)構(gòu)的有限元仿真及優(yōu)化，得到了一些有益的結(jié)論，為車架的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用。 關(guān)鍵詞 ：車架；載荷；輕 量化； 有限元分析；三維建模； 龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) is as an of an 0as a of is or to to in of of on in by of E EA of a as on of S A a on of is of as of an be to be to of a of 龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 摘要 I 1 章 緒論 1 究目的和意義 1 究背景 1 限元法在國內(nèi)外車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究現(xiàn)狀 2 要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 4 第 2 章 有限元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論 6 限元法的基本理論 6 限元法的基本概念 6 限元法的基本思路 6 件的簡介 7 主要特點(diǎn) 7 主要功能 8 結(jié)構(gòu)分析文件 9 供的分析類型 9 章小結(jié) 10 第 3 章 車架有限元模型的建立 12 型的建立原則 12 何建模的注意事項(xiàng) 12 何建模的簡化 13 立車架模型 14 模時(shí)的簡化處理 14 架模型的建立 14 用 車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分 15 實(shí)體單元 2 的簡要介紹 16 章小結(jié) 16 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 章 車架結(jié)構(gòu)的有 限元靜態(tài)分析 17 輛載荷分析 17 駛載荷 17 作載荷 18 殊載荷 18 架受力情況 18 載荷 19 載荷 19 架結(jié)構(gòu)的靜力性能分析 19 力分析的基本概念及流程 19 架結(jié)構(gòu)靜力分析工況及約束處理 20 架結(jié)構(gòu)靜力分析規(guī)范 21 架結(jié)構(gòu)的靜力性能分析結(jié)果 22 曲工況靜力分析結(jié)果 22 轉(zhuǎn)工況靜力分析結(jié)果 24 章小結(jié) 27 第 5 章 車架結(jié)構(gòu)的動力性能分析 27 架結(jié)構(gòu)的動力性能分析 27 架的模態(tài)分析 27 構(gòu)動力性能分析方程 29 度矩陣和質(zhì)量矩陣形成 29 架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析規(guī)范 30 架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果 31 章小結(jié) 33 第 6 章 車架結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 34 化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 34 化設(shè)計(jì)的步驟 34 化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)描述 38 基本優(yōu)化方法 39 化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立 40 化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型建立的原則 40 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 單的車架縱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立 41 義優(yōu)化變量及運(yùn)行優(yōu)化 43 義優(yōu)化變量 43 置并運(yùn)行優(yōu)化 43 化結(jié)果分析 44 章小結(jié) 47 結(jié)論 48 參考文獻(xiàn) 49 致謝 51 附錄 52 附錄 A 外文文獻(xiàn)原文 52 附錄 B 外文文獻(xiàn)中文翻譯 58 附錄 C 程序命令流 59 附錄 曲分析命令流 59 附錄 轉(zhuǎn)分析命令流 63 附錄 態(tài)分析命令流 70 附錄 化設(shè)計(jì)命令流 76 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 買文檔送全套 紙，扣扣 414951605 緒 論 究目的和意義 隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在 61 ： 運(yùn)用有限元法對初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架丌發(fā)、設(shè)計(jì)、 分析和制造的效能和車架的性能。 車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。 利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可 以得到車架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。 通過對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。 通過本文的研究，預(yù)計(jì)達(dá)到以下目的： 建立車架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)做好基 礎(chǔ)性工作。 通過運(yùn)用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參 考 。 對所研究的車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析，為車架的設(shè)計(jì)提供理論支 持。 對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行初步探討，為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設(shè)計(jì)服務(wù) 。 究背景 在汽車行業(yè)中，有限元法廣泛應(yīng)用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及駕駛室噪聲的分析，大大提高了汽車的設(shè)計(jì)水平，正在成為設(shè)計(jì)計(jì)算的強(qiáng)有力工具之一。 目前，在進(jìn)行汽車車架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對 車架進(jìn)行簡化的計(jì)算，或者由其它部門進(jìn)行有限元分析計(jì)算。車架的這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致的問題 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 包括兩個(gè)方面：一是車架簡化計(jì)算精度不夠，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車架的設(shè)計(jì)過于安全，造成設(shè)計(jì)出的車架結(jié)構(gòu)過重，增加了設(shè)計(jì)成本；二是造成車架的設(shè)計(jì)與計(jì)算分離，不利于提高車架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。為了促進(jìn)車架設(shè)計(jì)水平的提高，保證整車在市場上的競爭能力，必須將車架有限元分析技術(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來。因此，本文以 型貨車車架為研究對象，主要對車架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立，靜、動態(tài)特性分析以及設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化等內(nèi)容進(jìn)行研究與探討，最 終掌握車架結(jié)構(gòu)的特性，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)，得出車架結(jié)構(gòu)縱梁優(yōu)化模型，為車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及動力特性的仿真以及優(yōu)化提供基礎(chǔ) 7 。 限元法在國內(nèi)外車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究現(xiàn)狀 在國外，從 60 年代起就開始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。1970 年美國宇航局將 限元分析程序引入汽車結(jié)構(gòu)分析中，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進(jìn)行車架輕量化的分析。當(dāng)前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已非常成熟 ，其工作重心已轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。特別是隨機(jī)激勵響應(yīng)分析備受青睞，主要是因?yàn)樗捎脕磉M(jìn)行車輛的強(qiáng)度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析：國外將有限元法引入到車架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應(yīng)用于車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的翹曲 變形，因此梁單元分析的結(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應(yīng)力分析時(shí)的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測手段。近十 年來，由于計(jì)算機(jī)軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很困難的事，同時(shí)有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。國外大型汽車公司經(jīng)過近百年的汽車設(shè)計(jì)制造，在車架設(shè)計(jì)方面積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析經(jīng)驗(yàn) ，形成了實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)改正記錄和設(shè)計(jì)規(guī)范。目前應(yīng)用于車架開發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強(qiáng)度分析 (應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì) )， 析 (各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等 )、機(jī)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 構(gòu)運(yùn)動分析等；建立在分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的種優(yōu)化方法為車架設(shè)計(jì)提供了多種實(shí)用的選擇方案，使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到優(yōu)化設(shè)計(jì)跨出了一大步。在關(guān)于優(yōu)化算法方面的研究，國外將遺傳算法引入到結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果?？偟目磥恚瑖廨p量化研究主要有以下幾個(gè)方面： (1)提出先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，發(fā)展先進(jìn)的制 造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結(jié)構(gòu)； (2)將拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中； (3)提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進(jìn)入到結(jié)構(gòu)輕量化中； (4)利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量化結(jié)構(gòu)。 我國早在 1956 年就由我國著名的數(shù)學(xué)家馮康教授在有限單元法的研究方面發(fā)表了研究論文，在研究變分問題的差分格式中，獨(dú)立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程結(jié)構(gòu)的分析，為有限元法的形成做出了貢獻(xiàn)。目前，我國利用有限元法進(jìn)行汽車分析已發(fā)展到普遍應(yīng)用有限元法靜強(qiáng)度和有限元動態(tài)響應(yīng)分析 及優(yōu)化分析階段。2002 年馬迅、盛勇牛以車架的部分結(jié)構(gòu)的截面尺寸為優(yōu)化變量，采用板殼和梁單元組合建立有限元模型，以車架變形和一階頻率為約束，效果。 2003 年 10 月李娜采用板殼單元對機(jī)車車頂結(jié)構(gòu)建立有限元模型，應(yīng)用自己編制的遺傳算法程序，對形狀、加強(qiáng)筋的布置數(shù)量和位置以及截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，減輕重量 2004 年 5 月杜海珍針對汽車典型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法及應(yīng)用進(jìn)行了研究。為了解決在刪除無效材料時(shí)可能導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，基于圍繞結(jié)構(gòu)邊界和孔洞周圍附加人工材料單元的 思想，提出了一種新的基于應(yīng)力及其靈敏度的優(yōu)化準(zhǔn)則。 2005 年 4 月吉林大學(xué)的余傳文采用板殼單元對某重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并對車架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析的進(jìn)行了研究，在建立簡單的車架梁單元優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，以車架縱梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量對車架進(jìn)行優(yōu)化分析，從車架體積和最大變形隨著迭代過程的變化曲線可以看到車架的自重明顯降低 2006 年6 月北京航空航天大學(xué)的張洪偉，張以都等人探討了基于動力特性靈敏度分析的動力修改技術(shù)。建立了某農(nóng)用車車架的參數(shù)化有限元模型，并對車架進(jìn)行靈敏度分析，在分析結(jié)果的指 導(dǎo)下，進(jìn)行了車架的動力修改，取得了良好的效果，為農(nóng)用車改型設(shè)計(jì)及推出新產(chǎn)品提供了思路和設(shè)計(jì)依據(jù)，為在工程實(shí)踐中應(yīng)用結(jié)構(gòu)動力修改和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論作了有益的嘗試。雖然前人在車架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究對靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)大都是分開進(jìn)行的，對其進(jìn)行動力修改，提高其動力性能，單憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改動達(dá)到最佳的效果，因此有必要在靈敏度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在國內(nèi)，高等院校對基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫 和設(shè)計(jì)規(guī)范，有時(shí)只能按解剖進(jìn)口車結(jié)構(gòu)來進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)。具體在車架結(jié)構(gòu)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 分析方面，車架的剛度分析對結(jié)構(gòu)分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。從分析類型上看，仍以車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析為主。虛擬試驗(yàn)場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。其中，車架剛度、強(qiáng)度分析，碰撞模擬分析，空氣動力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實(shí)用化階段，為車架的全面優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結(jié)構(gòu)等的改形設(shè)計(jì)方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入有限元法對車架輕量化設(shè)計(jì)的研究很少。與國外相比，國內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計(jì)過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設(shè)計(jì)過程中的分析規(guī)模較小， 體化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段的應(yīng)用還不成熟以至于汽車生產(chǎn)廠家很少采用。 同時(shí)，國內(nèi)外不少公司、科研機(jī)構(gòu)及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用性很強(qiáng)的大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結(jié)構(gòu)，如整架飛機(jī)或整個(gè)汽車的結(jié)構(gòu)。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的 國麻省理工學(xué)院研制的 國國家航空與航天局研制的 國斯圖加特大學(xué)宇航結(jié)構(gòu)靜力學(xué)研究所研制的界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 發(fā)的 件等等。這些通用程序的研制成功，大大簡化了結(jié)構(gòu)分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法即可。這些大型商業(yè)通用有限元分析軟件也像 計(jì)軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實(shí)力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開發(fā)獨(dú)立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。 綜合分析這些文獻(xiàn)可知，當(dāng)前國內(nèi)對于有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對車架或 車架結(jié)構(gòu)在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分布，并對其進(jìn)行了局部的修改，由于軟硬件對計(jì)算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計(jì)算結(jié)果多用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。 要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。本文將基于 立車架結(jié)構(gòu)的實(shí)體單元模型，對汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和動力分析的研 究以及對車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。首先，對 行了簡要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析做好準(zhǔn)備工作；其次，以 型貨車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，利用 車架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性進(jìn)行深入研究，對車架進(jìn)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 行性能分析評價(jià)，最后以車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，以車架總體積為設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用 化模塊對車架結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行有益的嘗試。 技術(shù)路線如圖 示： 圖 術(shù)路線圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 2章 有限元結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)理論 限元法的基本理論 限元法的基本概念 有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法。它以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，又與經(jīng)典的彈性力學(xué)解析法不同。有限單元法 將連續(xù)體理想化為有限個(gè)單元集合而成，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，亦即用有限個(gè)單元的集合來代替原來具有無限個(gè)自由度的自由體。有限元單元的分割和節(jié)點(diǎn)的配置非常靈活，它可適應(yīng)于任意復(fù)雜的幾何形狀，處理不同的邊界條件。單元有各種類型，包括線、面和實(shí)體或稱為一維、二維和三維等類型單元。節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并 承受一定載荷，這樣就組成了有限單元集合體。 在此基礎(chǔ)上，對每一單元假設(shè)一個(gè)簡單的位移函數(shù)來近似模擬其位移分布規(guī)律，通過虛位移原理求得每個(gè)單元的平衡方程，即是建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后把所有單元的這種特性關(guān)系集合起來，就可建立整個(gè)物體的平衡方程組。考慮邊界條件后 利用計(jì)算機(jī) 解此方程組求得節(jié)點(diǎn)位移，并計(jì)算各單元應(yīng)力。 而且，單元細(xì)化程度越高，所得的解越接近精確值。 限元法的基本思路 （ 1） 物體離散法 將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為有各種連結(jié)單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的 節(jié)點(diǎn)相互連接起來 。 單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、數(shù)目等問題的性質(zhì)， 由 計(jì)算精度而定（一般情況，單元劃分越細(xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大）。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣的材料由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣，用有限單元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。 （ 2）單元特性分析 1 選擇未知量模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量 時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。 當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物體離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等用節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法中將位移表示為坐標(biāo)變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù) 。 2 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié) 點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元剛度矩陣，這是有限元基本步驟之一。 3 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而這種作用在單元邊界上的表面力，體積力或集中力都需要等效地移動節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元 上的 力。 （ 3）單元組集 利用機(jī)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單 元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程 （ 式中， K 是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣； Q 是節(jié)點(diǎn)位移列陣； F 是載荷列陣。 （ 4）求解未知節(jié)點(diǎn)位移 解有限元方程式 （ 得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來選擇合適的計(jì)算方法。 主要特點(diǎn) 有限元分析軟件中具有領(lǐng) 先地位，主要是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)： 唯一能夠?qū)崿F(xiàn)多場及多場耦合分析功能的軟件，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動、電磁等的單獨(dú)研究或者它們之間相互影響的研究。 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型有限元分析軟件。 唯一具有多物理場優(yōu)化功能的有限元分析軟件。 有強(qiáng)大的非線性分析功能。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 多種求解器分別適用于不同問題及不同的硬件配置。 支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)，以及所有平臺之間的并行計(jì)算。 支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容。 多種自動網(wǎng)格劃 分技術(shù)。 可與大多數(shù) 件集成并有接口。 良好的用戶開發(fā)環(huán)境，綜合應(yīng)用菜單、對話框、工具條、命令行輸入，圖形化輸出等多種方式，使應(yīng)用更加方便。 主要功能 限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動器械等。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模 及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便 地構(gòu)造有限元模型。 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。 1)實(shí)體建模 序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。 序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸 如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對線、面、體、基元的 布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。 序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、 切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運(yùn)算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然 后依次是相關(guān)的線、面、體。 2)網(wǎng)格劃分 序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對 型進(jìn)行 網(wǎng)格劃分的功能。包括黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 四種網(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。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。 序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算 、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低 于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。 分析計(jì)算模塊 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析 (可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析 )、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分 析能力。 后處理模塊 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來 模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上。 結(jié)構(gòu)分析文件 在建立一個(gè)分析任務(wù)時(shí)， 動創(chuàng)建大量文件，這些文件以任務(wù)名為文件名的基礎(chǔ)，通過對該任務(wù)名后添加字符或者使用不同的擴(kuò)展名來識別不同類型的文件。 供的分析類型 件提供的分析類型如下： 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。 序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性 分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動響應(yīng)分析。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。 序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 動力學(xué)分析 序可以分析大型三維柔體 運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱一結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、 加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 流體動力學(xué)分析 體單元能進(jìn)行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱一流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。 聲場分析 程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動船 體的阻尼效應(yīng)。 壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對 流 )、 流 )或任意隨時(shí)問變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析。可進(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。 章小結(jié) 對有限元分析軟件 發(fā)展過程、特點(diǎn)及功能進(jìn)行了簡要的概述，對 戶界面及數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要的介紹，對 11 的分析文件、常用基本單元、耦合與約束方程、連接關(guān)系的處理、 網(wǎng)格檢查以 及求解器等內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，為以后應(yīng)用該軟件做好了準(zhǔn)備。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 第 3章 車架有限元模型的建立 型的建立原則 何建模的注意事項(xiàng) 為了達(dá)到事半功信的目的，使用 E 建立幾何模型，特別應(yīng)該注意建模步 驟與技巧。 使用 E，首先應(yīng)從繪制平面草圖入手，因?yàn)閷?shí)體特征都是由平面草圖 通過各種命令，如旋轉(zhuǎn)、拉伸等生成的。 繪制平面草圖時(shí)，要注意應(yīng)用尺寸驅(qū)動原理。開始作圖時(shí)，只需要大致的輪 廓尺寸，部需要精確控制草圖的每一個(gè)尺寸；修改草圖時(shí)，再輸入要求的控制尺 寸，系 統(tǒng)就可以通過再生建立準(zhǔn)確的圖形。應(yīng)用尺寸驅(qū)動原理繪制草圖，既方便，也節(jié)省時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。 建立幾何模型之前，要觀察結(jié)構(gòu)的主要特征是什么，確定從哪里開始建模。一般先做出主要特征，再做出局部的特征，也就是從整體到局部的建模思路。 基準(zhǔn)是完成特征的第一步。基準(zhǔn)包括基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線、基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)坐標(biāo)系，其主要用途是為三維造型設(shè)計(jì)提供建模參考，也可以作為草繪圖和標(biāo)注的參考。實(shí)體建模，首先需要考慮是采用系統(tǒng)默認(rèn)的基準(zhǔn)，還是采用白定義的基準(zhǔn)，很多部規(guī)則的實(shí)體特征都是在自定義的參考基準(zhǔn)上生成的。 E 是基于特征建模的，因此，父子特征的關(guān)系就顯得十分重要。通常創(chuàng)建一個(gè)新特征的時(shí)候，不可避免要參考已有的特征，如選取已有的表面作為繪圖平面或參考面，選取已有的特征邊線為參考線等，此時(shí)便形成特征之間的父子關(guān)系。父特征修改直接影響到子特征，刪除或隱藏父特征，子特征也會一起被刪除或隱藏。 大優(yōu)點(diǎn)就是可以對模型的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，并重新自動生成模型。修改時(shí)，如果對某個(gè)父特征重新定義，就有可能導(dǎo)致子特征自動生成失