新能源大客車車骨架有限元模型建立分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22322新能源大客車車骨架有限元模型建立分析案例 1297521.1有限元法理論 1165981.1.1有限元法基本思想 1109091.1.2有限元分析計(jì)算實(shí)質(zhì) 236621.2新能源大客車車架有限元模型的建立 441841.2.1新能源大客車三維模型的簡(jiǎn)化 446911.2.2新能源大客車三維模型的建立 414811.2.3建立新能源大客車有限元模型 7不同于小轎車車骨架，大客車車骨架大多由桿類零件所構(gòu)成，所以為了簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)，本優(yōu)化車架建模時(shí)均將采用桿狀支架進(jìn)行建模。觀察車架圖紙，此款車架基本呈對(duì)稱排列，并且桿件的位置也有規(guī)律可循，所以將采用APDL語(yǔ)言直接在ANSYS軟件內(nèi)部進(jìn)行建模，大大縮短了建模周期，使得后期有限元分析工作更加便捷。對(duì)建好的三維模型再通過(guò)有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即完成新能源大客車車骨架有限元模型的建立。1.1有限元法理論1.1.1有限元法基本思想有限元法最初是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種計(jì)算方法，50年代首先應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域來(lái)分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性與動(dòng)態(tài)特性，歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，有限元分析技術(shù)隨后又很快的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域之中，并且衍生出許多其他門(mén)類的分析模塊用于解決各類連續(xù)性問(wèn)題例如：求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等，所以說(shuō)有限元法是將計(jì)算機(jī)科學(xué)作為工具，以數(shù)學(xué)和力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，把連續(xù)得物體進(jìn)行離散化，從而對(duì)其進(jìn)行近似數(shù)值計(jì)算的一種分析方法[20]。隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，如今利用有限元分析來(lái)模擬實(shí)際試驗(yàn)情況的誤差已十分小。目前在汽車領(lǐng)域有限元分析法已得以廣泛應(yīng)。在汽車領(lǐng)域，利用有限元分析法貫穿于從客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)到最終的產(chǎn)品成型，應(yīng)用有限元分析法進(jìn)行模擬分析不僅可以縮短車輛的研發(fā)周期，而且還可以降低車輛的研發(fā)成本。有限元基本思想就是把一個(gè)連續(xù)物體分割成有限數(shù)目的小單元，這些小單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)建立相互之間的關(guān)系，通過(guò)研究這些一個(gè)個(gè)小單元組成的集合來(lái)代替原本的連續(xù)體，再通過(guò)各種施加在結(jié)點(diǎn)上的等效力來(lái)代替實(shí)際作用在單元體上的力，選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似表示各節(jié)點(diǎn)位移分量的分布規(guī)律，從而建立各節(jié)點(diǎn)與位移之間的關(guān)系，用近似值來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算方法得精確值。有限元法相較于傳統(tǒng)計(jì)算方法不同之處如圖1.1。圖1.1有限元法與經(jīng)典解析法對(duì)比圖有限元思想的實(shí)質(zhì)，就是把自由度為無(wú)限的連續(xù)體，理想化為有限自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化成適合數(shù)值解法的類型。1.1.2有限元分析計(jì)算實(shí)質(zhì)有限元分析的基本思想包括物體離散化，單元特性分析，構(gòu)成單元組集以及求解未知節(jié)點(diǎn)位移，具體步驟如下：(1)物體離散化：概括來(lái)說(shuō)就是將一個(gè)連續(xù)體通過(guò)網(wǎng)格的劃分，劃分成一個(gè)個(gè)通過(guò)各自節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系的微小單元體。網(wǎng)格劃分的越密，網(wǎng)格質(zhì)量越好，劃分出的結(jié)點(diǎn)越多，計(jì)算規(guī)模越大，分析得出的結(jié)論也就越精確，但是限于目前計(jì)算機(jī)算力水平，選擇合適的網(wǎng)格密度也十分重要，一般情況下單元尺寸不得小于物體最小尺寸的五分之一。(2)單元特性分析：物體離散化后，通過(guò)單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位移通過(guò)插值來(lái)獲得單元內(nèi)各點(diǎn)的位移，通常建立如下函數(shù)關(guān)系：fe=式中：feδeN將(1.1)式代入幾何方程可推導(dǎo)出用單元節(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變表達(dá)式：ε=B式中：ε——單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)變列陣；B——單元應(yīng)變矩陣；由彈性理論假設(shè)可知，單元的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，得到物理方程：σ=D式中：σ——單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力列陣；D——單元的彈性矩陣；再將(1.2)式代入物理方程(1.3)中，可導(dǎo)出用單元結(jié)點(diǎn)位移列陣表示的單元應(yīng)力表達(dá)式：σ=D最后利用彈性體的虛功方程建立單元節(jié)點(diǎn)力陣與節(jié)點(diǎn)位移列陣之間的關(guān)系，即形成單元的剛度方程式：Re=式中：ke=(3)整體分析：通過(guò)單元特性分析來(lái)集合成總體，通過(guò)單元?jiǎng)偠染仃嚨玫秸w剛度矩陣，用直接剛度法將單剛組集成總綱。Kδ=式中：K——總體剛度矩陣；δ——總體結(jié)點(diǎn)位移；R——總體載荷列陣；(4)求解數(shù)值：考慮整體結(jié)構(gòu)的約束情況，將已知條件代入上述方程，解此方程組即可求出單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力以及單元節(jié)點(diǎn)位移。1.2新能源大客車車架有限元模型的建立根據(jù)現(xiàn)有圖紙，首先建立大客車車架的三維模型，由于大客車車架模型較為復(fù)雜，若完整建模并直接導(dǎo)入有限元分析軟件當(dāng)中進(jìn)行分析，會(huì)嚴(yán)重增加計(jì)算機(jī)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，增加有限元分析周期。為提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率，需要首先對(duì)大客車三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，再進(jìn)行網(wǎng)格的劃分以及有限元分析。1.2.1新能源大客車三維模型的簡(jiǎn)化（1）車骨架整體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化在大客車車骨架的建模當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)一些和之后的車骨架強(qiáng)度分析影響不大的零部件，例如車內(nèi)扶手，乘客以及駕駛員座椅，前后車門(mén)，前后以及側(cè)邊擋風(fēng)玻璃和一些裝飾性零部件等，考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算工作量，這些與實(shí)際車骨架強(qiáng)度分析影響不大的零部件在建模當(dāng)中可以省略，并且需要使用相應(yīng)位置的載荷進(jìn)行零件的替換，實(shí)現(xiàn)對(duì)車骨架三維模型的初步簡(jiǎn)化。（2）車骨架內(nèi)部細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化車骨架建模中的一些細(xì)節(jié)也會(huì)影響計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量，例如在實(shí)際模型當(dāng)中，一些桿件會(huì)進(jìn)行打孔達(dá)到減少車身重量的作用，但是這些小孔在有限元模型的建立當(dāng)中會(huì)增加一定的工作量，并且會(huì)影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，進(jìn)而影響最終有限元分析的精度。鑒于這些小孔一般會(huì)打在受力較小的桿件當(dāng)中，只起到減輕車身重量的作用，對(duì)實(shí)際的車骨架強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響，所以在車骨架建模當(dāng)中需要忽略此類小孔的建模。（3）有限元單元類型的簡(jiǎn)化在有限元分析前，首先需要定義單元類型，常見(jiàn)的有梁?jiǎn)卧?，殼單元和三維實(shí)體單元，而若是不同單元類型之間相互組合和連接可能會(huì)出現(xiàn)不同自由度的單元類型相連接，比如梁?jiǎn)卧辛鶄€(gè)自由度而三維實(shí)體單元?jiǎng)t只有三個(gè)自由度，這兩個(gè)單元在相互連接時(shí)需要進(jìn)行特殊的MPC處理，這樣則大大增加了計(jì)算機(jī)計(jì)算工作量，降低了運(yùn)行效率。此類情況會(huì)發(fā)生在客車懸架與車身骨架連接的部分，和客車蒙皮與車身骨架的連接部分，所以在進(jìn)行客車骨架的建模中，將采取統(tǒng)一的梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，省略對(duì)整體分析影響不大的蒙皮結(jié)構(gòu)，并用相應(yīng)的約束以及載荷來(lái)代替客車懸架的效果。1.2.2新能源大客車三維模型的建立本大客車模型的建立將基于ANSYS軟件的建模模塊，在ANSYS軟件當(dāng)中模型的建立大體上說(shuō)有兩種模式，第一種是GUI操作通過(guò)軟件的模型繪制模塊直接進(jìn)行模型的建立，另一種則是通過(guò)軟件內(nèi)部的APDL編程語(yǔ)言對(duì)模型進(jìn)行建立，兩種建模方式各有特點(diǎn)，各有適合的場(chǎng)合，通過(guò)觀察圖紙，本客車骨架的三維模型的建立將通過(guò)后者來(lái)實(shí)現(xiàn)。APDL編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介APDL全稱ANSYSParametricDesignLanguage，是一種在ANSYSMechanicalAPDL環(huán)境下的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，實(shí)質(zhì)為一種腳本語(yǔ)言。通過(guò)APDL編程編程語(yǔ)言編寫(xiě)的命令流可以對(duì)模型進(jìn)行建模以及分析。（2）APDL編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)相比于傳統(tǒng)的直接通過(guò)軟件自帶的建模模塊進(jìn)行建模的方式，本此大客車有限元分析通過(guò)APDL編程語(yǔ)言進(jìn)行建模有以下優(yōu)勢(shì)：①可以對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，為之后改變模型約束條件，施加載荷，重新定義截面形狀，改變材料參數(shù)等設(shè)計(jì)內(nèi)容提供便利。②對(duì)于較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)而言，使用APDL編程更為方便快捷，縮短建模周期。③在修改模型方面，相較于GUI操作會(huì)出現(xiàn)的牽一發(fā)而動(dòng)全身情況，使用APDL編程不但更快的找出問(wèn)題之處，還可以更加方便的修改模型，為的模型優(yōu)化提供了便利。（3）利用APDL編程語(yǔ)言建立三維模型①在編程之前首先需要定義大客車總長(zhǎng)、總寬和總高等基礎(chǔ)參數(shù)，可以方便只有的找點(diǎn)工作。參數(shù)設(shè)置大致如圖1.2。圖1.2參數(shù)設(shè)置圖②由于該模型大致為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在建模過(guò)程中先對(duì)模型的一邊進(jìn)行建立，再通過(guò)映射完成另一半的模型，最后進(jìn)行細(xì)節(jié)部分的補(bǔ)充與刪減。所以先通過(guò)建立模型一邊的關(guān)鍵點(diǎn)，在進(jìn)行連線，命令流設(shè)置示意如圖1.3圖1.3框架建立示意圖③根據(jù)現(xiàn)有圖紙，使用APDL語(yǔ)言，最終通過(guò)三百余行命令流，逐步完成了客車車骨架一側(cè)的建模工作，因?yàn)橄抻谄拗?，在這只截取部分命令流內(nèi)容，對(duì)于一些有規(guī)律的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可采用循環(huán)語(yǔ)句對(duì)其進(jìn)行建模如圖1.4；對(duì)于一些細(xì)節(jié)處理，如圓角操作可使用相應(yīng)的命令流進(jìn)行編輯如圖1.5；一側(cè)車架建立結(jié)果如圖1.6。圖1.4網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)命令流圖1.5倒圓角命令流圖1.6一側(cè)車架結(jié)果圖④通過(guò)對(duì)稱命令流和合并重疊節(jié)點(diǎn)命令流如圖1.7建立客車模型的另一側(cè)。最后再進(jìn)行兩邊的修改與補(bǔ)充，最終客車車骨架模型如圖1.8。圖1.7映射與合并節(jié)點(diǎn)命令流圖1.8客車車骨架三維模型圖1.2.3建立新能源大客車有限元模型（1）選擇單元類型通過(guò)之前模型的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型均為矩形管件，所以在單元類型的選擇上面，以盡可能簡(jiǎn)化計(jì)算量為目的，本模型在單元類型的選擇方面，選擇Beam188單元。（2）選擇材料經(jīng)了解本車架全部采用的材料為Q345結(jié)構(gòu)鋼，其結(jié)構(gòu)鋼的材料參數(shù)如表1.1。表1.1結(jié)構(gòu)鋼材料參數(shù)結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)彈性模量（Gpa）泊松比密度（Kg/m3）屈服極限（Mpa）Q3452100.37850345對(duì)模型的材料通過(guò)APDL編程語(yǔ)言進(jìn)行定義如圖1.9。圖1.9定義材料參數(shù)（3）選擇截面形狀通過(guò)之前模型的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型均為矩形管件，其主要截面尺寸為：50×50×2mm、60×50×2mm、40×40×2mm。首先對(duì)不同截面進(jìn)行定義如圖1.10，再選取不同區(qū)域的直線進(jìn)行截面的定義