豐田戴那汽車前橋有限元結(jié)構(gòu)分析

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SY-025-BY-3 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學(xué)生姓名 王作銘 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程B05-18 指導(dǎo)教師姓名 王瑛璞 職稱 高級實驗師 從事 專業(yè) 汽車運用工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 豐田戴那汽車前橋有限元結(jié)構(gòu)分析 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1、研究現(xiàn)狀 汽車前軸作為汽車的重要承載零部件之一，是連接車身與懸架的重要部件，用于在車架和懸架之間傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力，同時前軸還要承受由懸架傳遞而來的制動力矩，,對其剛度和強度、抗沖擊性、疲勞可靠性方面都有很高的要求。因此，對汽車前軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度分析也就顯得十分重要。結(jié)構(gòu)強度分心可以借助于有限單元法和模態(tài)試驗來完成。 有限元分析最基本的研究方法就是“結(jié)構(gòu)離散→單元分析→整體求解”的過程。經(jīng)過近50 年的發(fā)展，有限元法的理論日趨完善；有限單元法的應(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、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)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的應(yīng)用己從分析和校核擴展到優(yōu)化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計技術(shù)相結(jié)合。 目前國內(nèi)外汽車行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究及趨勢，均以提高前橋性能的可靠性、安全性為目標(biāo)，采用理論有限元分析的研究方法，利用先進(jìn)的測試試驗設(shè)備和技術(shù)，在當(dāng)前先進(jìn)軟件平臺上，對汽車前橋的靜、動態(tài)性能開展試驗?zāi)B(tài)分析及CAE研究，為產(chǎn)品的改進(jìn)和優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。 2、 目的、依據(jù)和意義 汽車前橋是幾何形狀與組成、加工工藝與工序等都比較復(fù)雜的機械零、部件,在它們的制造過程中,為保證一些關(guān)鍵工藝的質(zhì)量(如沖壓質(zhì)量、焊接質(zhì)量等),往往規(guī)定要定期從生產(chǎn)線中隨機抽取樣品進(jìn)行實物的垂直彎曲剛度、彎曲靜強度、疲勞等一系列試驗。根據(jù)各種試驗中出現(xiàn)的應(yīng)力集中位置、疲勞裂紋位置、長度來判別、認(rèn)可其制造質(zhì)量。這是一個反復(fù)修改和調(diào)整的過程,費時費力。如果在檢測過程中,建立前橋的有限元模型,在計算機上模擬相關(guān)試驗,再通過小部分抽樣實驗,則會使設(shè)計和檢測過程縮短,減少抽樣數(shù)目,降低生產(chǎn)成本,產(chǎn)生較好的經(jīng)濟、社會效益。為此選擇豐田戴那汽車的一系列改進(jìn)型的前橋進(jìn)行有限元分析。 通過設(shè)計可以使學(xué)生掌握汽車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)的有限元分析原則和方法。培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)。使學(xué)生對汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計、Pro／E軟件、有限元分析軟件等知識綜合運用。 二、設(shè)計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內(nèi)容 （1）利用Pro/E軟件建立前橋的三維實體模型； （2）運用ANSYS分析軟件,完成有限元分析； （3）根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施； （4）完成設(shè)計說明書。 2、擬解決的主要問題 （1）運用ANSYS分析軟件,完成有限元分析； 1)導(dǎo)入利用Pro/E建立的前橋模型； 2）利用ANSYS添加參數(shù)、約束和載荷； 3）運行、分析； （2）得出分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施； （3）完成設(shè)計說明書。 三、技術(shù)路線（研究方法） 調(diào)查研究 數(shù)據(jù)采集、分析、處理 擬定設(shè)計思路 學(xué)習(xí)使用Pro/E,Ansys等需要使用的軟件 利用Pro/E建立模型 導(dǎo)入Ansys添加參數(shù)，約束 基于Ansys進(jìn)行分析 形成研究成果 4、 進(jìn)度安排 （1）資料收集、調(diào)研，完成開題報告 第1~2周（3月2日~3月15日） （2）調(diào)研，學(xué)習(xí)掌握Pro／E軟件和有限元分析軟件 第3周（3月16日~3月22日） （3）利用Pro／E建模 第4~5周（3月23日~4月5日） （4）完成結(jié)構(gòu)分析，完成說明書 第6~12周（4月6日~5月24日） （5）完善計算分析過程，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施 第13~14周（5月25日~6月7日 （6）設(shè)計審核、修改、答辯準(zhǔn)備 第15~16周（6月8日～6月21日） （7）畢業(yè)設(shè)計答辯 第17周（6月22日～6月28日） 5、 參考文獻(xiàn) [1] 陳良玉等．機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]．沈陽：東北大學(xué)出版社，2000． [2] 劉惟信．汽車車橋設(shè)計[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004． [3] 黃國權(quán)．ANSYS有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004． [4] 黃忠耀等．Pro/E2001基礎(chǔ)訓(xùn)練教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002． [5] 朱 帥,錢立軍.基于ANSYS的前橋強度分析[J].機械研究與應(yīng)用.2007,20(2):44-51. [6] 周一平,朱海林.某轎車前后橋有限元模型分析及試驗驗證[J].計算機輔助工程.2006,15:225- 229． [7] 房俊喜.汽車后橋靜、動態(tài)特性的分析與研究[D].山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005. [8] 余成龍,董益亮.雜交系統(tǒng)動力學(xué)分析的有限元法——汽車后橋有限元建模與分析[J].中國機 械工程,2003,14(2):93-95 [9] 鄭燕萍,羊玢.汽車驅(qū)動橋殼臺架試驗的有限元模擬[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004(4):47-50. [10] 田應(yīng)剛. 轎車前懸架的有限元分析[J]. 清華大學(xué)學(xué)報, 2001(41). [11] 吳瑞明,周曉軍,等.汽車驅(qū)動橋的疲勞檢測分析[J].汽車工程, 2003(3): 283-286. [12] 趙經(jīng)文,王宏鈕.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:科學(xué)出版社，2001. 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And its dynamic character affects the safety and comfortably character and stability of the whole vehicle. So, it is necessary to research the dynamic character of the front axle for the economic and safe reasons. The finite element model which used Pro/E of the Toyota Dana type vehicle’s front axle was established, simulated the static and dynamic condition about its structure and obtained its stress and strain in the various conditions. This analysis which used ANSYS method and the conclusion can be guidance for this kind of front axle's intensity and rigidity and the ant vibration design. The results from the analysis of the distribution of stress concentration can be drawn in the steering knuckle and the steering knuckle short junction. The results show that the design of the car before the bridge to meet the actual requirements of strength and stiffness. In line with the requirements of strength and stiffness based on the further measures proposed to improve It also can be significant to enhancing front axle's security, reducing enterprise’s design and the experiment cost. Key words: Front axle; Finite element analysis; Security; Strength; ANSYS II 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章緒論 1 1.1課題研究背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 2 1.3課題的主要內(nèi)容、研究方法 3 1.3.1課題研究的主要內(nèi)容 3 1.3.2研究方法 4 第2章有限元法的基本理論與分析軟件 5 2.1有限元法的基本理論 5 2.1.1有限元法的基本思想 5 2.1.2有限元法特點 6 2.1.3有限元法分析過程 7 2.2有限元法的發(fā)展 9 2.3 ANSYS軟件的應(yīng)用 12 2.4本章小節(jié) 14 第3章利用Pro/E建立汽車前橋模型 15 3.1豐田戴那汽車前橋總成參數(shù) 15 3.2運用Pro/E實體建模 15 3.2.1豐田戴那汽車前橋的簡化 15 3.2.2運用Pro/E實體建模 15 3.3本章小結(jié) 24 第4章有限元分析及改進(jìn)措施 25 4.1 Pro/E模型的簡化 25 4.2幾何模型的導(dǎo)入 25 4.3選擇單元類型 27 4.4定義材料屬性和網(wǎng)格劃分 28 4.5靜力分析 32 4.5.1施加載荷 32 4.5.2對模型施加約束 32 4.6分析計算與分析結(jié)果 33 4.7改進(jìn)措施 35 4.8本章小結(jié) 37 結(jié) 論 38 參考文獻(xiàn) 39 致 謝 40 附 錄 41 第1章 緒 論 1．1 課題研究背景及意義 隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展與完善，市場要求具有最佳工作性能的整車及汽車零部件出現(xiàn)，以適應(yīng)現(xiàn)在激烈的市場競爭。前橋作為汽車的重要承載部件，傳遞著車架與路面之間各個方向的作用力，其動態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響整車的安全性、舒適性及平穩(wěn)性。因此，研究汽車前橋的特性，設(shè)計具有最佳性能的前橋是國內(nèi)各大汽車廠商的重要研究任務(wù)之一。 汽車車橋可分為轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋和支持橋四種。整體式轉(zhuǎn)向橋具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、應(yīng)用性好等優(yōu)點，被廣泛使用在各種載重卡車上[1]。但在使用過程中，由于受到各種多變負(fù)荷激勵，該前橋經(jīng)常出現(xiàn)前梁斷裂、大變形等故障，導(dǎo)致汽車失去承載能力，甚至出現(xiàn)傷亡事故。廠家針對這類故障進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通常是采用增加全部或局部橋厚度的方式來增大橋身的強度，抵抗結(jié)構(gòu)大變形[2]。但這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法存在缺陷，它不能完全揭示前橋工作狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，也沒考慮振動因素對結(jié)構(gòu)造成的影響，因此不能準(zhǔn)確確定橋身的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)往往是無的放矢，無法從根本上對產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計成本過高、材料浪費，質(zhì)量還難以保證，嚴(yán)重制約著產(chǎn)品性能的提高，也進(jìn)一步影響了產(chǎn)品的市場競爭力。對結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能分析是結(jié)構(gòu)靜態(tài)設(shè)計的一個重要組成部分，也是靜結(jié)構(gòu)態(tài)設(shè)計的重點。進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能分析可以從根本上了解結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷作用下的靜態(tài)特性，掌握結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)的故障診斷和優(yōu)化提供堅實的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)設(shè)計成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的一個發(fā)展趨勢。靜態(tài)特性研究可以借助于有限單元法來完成。有限單元法是目前工程中最常用的一種數(shù)值求解方法，對結(jié)構(gòu)、相關(guān)邊界條件，約束等復(fù)雜的工程問題可以精確模擬，而且應(yīng)用范圍極為廣泛。 本課題采用Pro/E與ANSYS軟件作有限元分析相結(jié)合的方法。其中，Pro/E系統(tǒng)是用來建立實體模型的，ANSYS系統(tǒng)是有限元結(jié)構(gòu)分析分析系統(tǒng)，可以精確識別結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性參數(shù)。鑒于目前汽車超載、路面狀況、結(jié)構(gòu)特性等復(fù)雜條件對前橋造成的嚴(yán)重破壞，為配合交通運輸管理，減少因前橋造成的事故和損失，對前橋進(jìn)行靜態(tài)性能分析和優(yōu)化，有的放矢解決上述問題已迫在眉睫。因此，進(jìn)行汽車前橋靜態(tài)特性的研究，改善汽車的整體性能，可以避免因前梁斷裂、彎曲大變形造成的車毀人亡嚴(yán)重事故的發(fā)生，具有重大的經(jīng)濟、安全意義。 1．2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 有限單元法的工程應(yīng)用己有悠久的歷史，早在1943年，Gourant采用分片插值的思想，利用最小勢能原理對圣維南的扭轉(zhuǎn)問題進(jìn)行了分析。后來，Turner, Clough, Martin等人就開始使用離散的思想，將平面連續(xù)結(jié)構(gòu)劃分成很多三角形單元，單元內(nèi)部位移由二個定點的位移插值得到，在此基礎(chǔ)上建立了合理的單元特性公式，并用直接剛度法組成單元集合體。有限單元法由此誕生，1960年，Clough將它命名為有限單元法。由于有限單元法是通過分片插值建立整個求解域的分片連續(xù)函數(shù)，所以具有廣泛的適用性，迅速被推廣到各個工程領(lǐng)域。20 世紀(jì) 7 0年代以來，許多歐美國家就己經(jīng)開始利用有限單元法進(jìn)行機械工程和汽車工程中各種結(jié)構(gòu)件和傳動件的計算分析，并能夠很好的模擬、分析零部件的靜、動態(tài)特性[3]。隨著有限單元法的不斷發(fā)展和完善，汽車技術(shù)發(fā)達(dá)國家的汽車生產(chǎn)周期不斷縮短，一種新車從概念到批量生產(chǎn)，從以前的6年縮短到現(xiàn)在的2年，甚至更短，而且產(chǎn)品性能也越來越好。計算機軟、硬件的不斷發(fā)展，也為計算機輔助造型(CAS)、計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助分析(CAE)、計算機輔助制造(CAM)及計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（VR)提供了廣闊發(fā)展的空間，并不斷涌現(xiàn)出各種大型工程通用軟件，如ANSYS, NASTRAN,UG, I-DEAS等，使得各種結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等成為可能，國內(nèi)、外均己經(jīng)能夠使用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)、材料和形狀參數(shù)的靈敏度分析。40年來，有限單元法的應(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、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)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的應(yīng)用己從分析和校核擴展到優(yōu)化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計技術(shù)相結(jié)合。 國內(nèi)對有限元理論的研究早在上世紀(jì)六十年代，著名力學(xué)專家如錢偉長、徐芝綸、黃茂光等就開始對簡支、固支邊界的板殼有限元理論進(jìn)行研究，并取得了很大進(jìn)展，但由于歷史原因，我國計算機技術(shù)發(fā)展較晚，阻礙了我國有限元軟件的發(fā)展，也嚴(yán)重影響了有限單元法歷史應(yīng)用，使得我過的有限元應(yīng)用水平與世界水平有很大差距。直到上世紀(jì)80年代，美國的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析程序向國內(nèi)引進(jìn)移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來分析計算工程問題的高潮。這個高潮一直持續(xù)到1981年ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進(jìn)，許多一直無法解決的工程難題都迎刃而解。大家開始認(rèn)識到有限元分析程序的確是工程師應(yīng)用計算機進(jìn)行分析計算的重要工具。但是當(dāng)時限于國內(nèi)大中型計算機很少，只有杭州汽輪機廠的Siemens 7738和沈陽鼓風(fēng)機廠的IBM 4310安裝有上述程序，所以用戶算題非常不方便，而且費用昂貴。隨著PC機的普及，國產(chǎn)有限元分析軟件開始出現(xiàn)，開發(fā)比較成功并擁有較多用戶(100家以上)的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的JIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國農(nóng)機科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動化技術(shù)研究院的MFEP4.0等[3]。對于有限單元法的應(yīng)用局限在結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計，大型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計、分析、優(yōu)化仍處在初級探索階段，高等院校對CAD、 CAE先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的探索與研究，并在院企合作、培養(yǎng)人才方面做出了積極的努力。隨著計算機技術(shù)、振動理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論的發(fā)展，結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性的研究也進(jìn)入了一個以計算機輔助分析和優(yōu)化設(shè)計的定量研究的階段。相信未來的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)將取代現(xiàn)有的普通的、傳統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)。 1．3 課題的主要內(nèi)容、研究方法 1.3.1 課題研究的主要內(nèi)容 豐田戴那汽車前橋為整體式前橋，其承載大，地位重要，是汽車的關(guān)鍵組成零部件之一，也是機構(gòu)設(shè)計的重點之一。橫梁在汽車轉(zhuǎn)向時受到側(cè)向力、扭矩及剪切載荷，在制動時也會受到相應(yīng)的扭矩和剪切載荷[6]。 在國內(nèi)，研究結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)性能大多采用利用有限元工具進(jìn)行數(shù)值計算或進(jìn)行模態(tài)試驗兩種方法中的一種。本課題的研究則綜合考慮了目前國內(nèi)外汽車行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，以提高前橋性能的可靠性、安全性為目標(biāo)，采用理論有限元分析研究方法，在當(dāng)前先進(jìn)軟件平臺上，對汽車前橋的靜、動態(tài)性能開展試驗CAE研究，為產(chǎn)品的改進(jìn)和優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。本課題采用功能強大的有限元分析軟件——ANSYS，對前橋進(jìn)行靜、動力學(xué)數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)后橋結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)分析的結(jié)果，提出了提高前橋強度的改進(jìn)措施，對前橋的設(shè)計和改進(jìn)具有一定的參考價值。主要內(nèi)容如下： （1）有限元分析的基本思路，有限元法在前橋分析中的應(yīng)用； （2）利用Pro/E軟件建立前橋的三維實體模型； （3）導(dǎo)入ANSYS，運用ANSYS分析軟件,完成有限元分析； （4）根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施。 1.3.2 研究方法 運用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模。Pro/E軟件是專業(yè)的三維建模，全中文操作，功能強大,可以導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行靜力分析。 運用ANSYS進(jìn)行三維建?？梢灾苯釉贏NSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,靜力分析，優(yōu)化設(shè)計等操作，方便后續(xù)操作。但是ANSYS是全英文操作界面，而且三維建模功能較差,操作不方便，建模周期較長。 綜上，對比優(yōu)缺點，選用Pro/E進(jìn)行三維建模，這樣可以更好的建立實體模型。 1、利用軟件建立前橋 在有限元分析時，模型建立得是否合理十分重要。一方面要建立起與實際結(jié)構(gòu)相符的模型，另一方面為簡化計算，將對計算結(jié)果影響較小的細(xì)小結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡化。同時要求建模時操作簡單，便于修改。本文用Pro/E軟件通過實體測量，建立前橋幾何實體模型。 2、有限元模型的建立 通過將在Pro/E軟件中建立的模型導(dǎo)入ANSYS中，然后確定單元類型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格的劃分對有限元分析的計算量和計算精度影響很大，一般情況下，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計算精度越高，所需的計算機資源、計算時間也越多。在劃分時，應(yīng)在保證計算精度的同時，盡量減少網(wǎng)格數(shù)量。 3、根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施 確定約束和施加載荷后，利用有限元分析軟件對該前橋進(jìn)行靜應(yīng)力分析，對其強度進(jìn)行校核，并對一些重要部位進(jìn)行重點分析，找出前橋前梁，轉(zhuǎn)向節(jié)及主銷接觸面積與所承受最大應(yīng)力的關(guān)系。根據(jù)前橋的應(yīng)力云圖進(jìn)而提出改進(jìn)措施。 第2章 有限元法的基本理論與分析軟件 2．1 有限元法的基本理論 2.1.1 有限元法的基本思想 有限元是數(shù)學(xué)、力學(xué)及計算機科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)，是現(xiàn)代科學(xué)和工程計算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其基本思想是將一個連續(xù)的實際結(jié)構(gòu)彈性連續(xù)劃分為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體進(jìn)行研究。這些單元僅在節(jié)點處連接，單元之間的載荷也僅由節(jié)點傳遞。這個把連續(xù)體劃分為離散結(jié)構(gòu)的過程稱為有限元的離散化，也叫單元劃分。有限個的單元稱為有限單元，簡稱單元。利用離散而成的有限元集合體代替原來的彈性連續(xù)體，建立近似的力學(xué)模型，對該模型進(jìn)行數(shù)值計算，通過對這些單元分別進(jìn)行分析，建立其位移與內(nèi)力之間的關(guān)系，以變分原理為工具，將微分方程化為代數(shù)方程，再將單元組裝成結(jié)構(gòu)，形成整體結(jié)構(gòu)的剛度方程。 離散后單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)和數(shù)目應(yīng)根據(jù)問題的性質(zhì)、描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定(一般情況下，單元劃分越細(xì)則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量也越大)。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式連結(jié)成的離散物體。這樣做的結(jié)果造成用有限元分析計算所獲得的結(jié)果只能是近似的。離散化是有限元方法的基礎(chǔ)，必須依據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況，決定單元的類型、數(shù)目、形狀、大小以及排列方式。這樣做的目的是:將結(jié)構(gòu)分割成足夠小的單元，使得簡單位移模型能足夠近似地表示精確解，同時又不能太小，否則計算量很大。 分析過程中首先從單元分析入手，確定單元內(nèi)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力模式，并確定單元節(jié)點力與單元節(jié)點位移的關(guān)系，建立單元剛度矩陣.根據(jù)離散化結(jié)構(gòu)的聯(lián)接方式，將各個單元剛度矩陣進(jìn)行組集，得到反映整體結(jié)構(gòu)位移與載荷關(guān)系的總體剛度方程。通過求解該剛度方程可以得出各個單元的位移，再利用單元分析得到的關(guān)系可以求出單元應(yīng)力及其應(yīng)變。可見，有限元分析的主要內(nèi)容是:單元離散化、單元分析、整體分析。 有限元法與傳統(tǒng)的力學(xué)方法有很大差別，正是這種差別，使得它能夠把許多難以求解的問題變的容易處理： （1）由于可任選單元體的形狀和尺寸，故可以“組拼”出形狀復(fù)雜的機械零件。在作應(yīng)力分析時，無需對零件的幾何形狀作過多的簡化，從而提高了解題精度，大了可解的范圍； （2）對于應(yīng)力集中區(qū)可以減小單元體尺寸來細(xì)加考察； （3）對于各種復(fù)雜類型的外載荷都可以采取適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵浞峙渲凉?jié)點處來計算； （4）易于解決有初應(yīng)力、熱應(yīng)力的問題； （5）易于處理材料的不均勻性，對各向異性材料也可求解； （6）可以解決材料的非線性和結(jié)構(gòu)的非線性問題； （7）采用大型的通用有限元程序，可一次計算大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、振動和穩(wěn)定性。 由于計算機的求解方程組的能力非常強大，構(gòu)造模型又非常準(zhǔn)確，因而有限元法在計算機上使用極為普遍。有限元方法計算精度高，速度快，可縮短設(shè)計試制周期和降低成本。目前，優(yōu)秀的繪圖系統(tǒng)軟件都配有有限元分析程序窗口。當(dāng)圖形繪制完畢，可立即進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行強度計算。通過不斷修改圖形和反復(fù)計算，能夠使設(shè)計質(zhì)量大幅度提高。有限元法可用于各種模擬和分析方法中，在固體力學(xué)、流體力學(xué)、機械工程、土木工程、電氣工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于其所涉及問題和算法基本上都是來源于工程實際，應(yīng)用于工程中，其解決工程實際問題的能力愈來愈強。在汽車領(lǐng)域，有限元法可用于建立汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動模型，還可以用于設(shè)計的剛度與變形分析、設(shè)計的應(yīng)力與疲勞分析、碰撞模擬和塑性變形分析等[4]。 2.1.2 有限元法特點 有限元能夠得到迅速的發(fā)展與越來越廣泛的應(yīng)用，除了電子計算機技術(shù)的發(fā)展提供了充分有利的條件外，還與有限元法所具有的優(yōu)越性是分不開的，綜合來說，有限元法的優(yōu)點有： （1）有限元法能夠完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析，它利用離散化將無限自由度的連續(xù)體力學(xué)問題變?yōu)橛邢迒卧?jié)點參數(shù)的計算，并將整個系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程，從而可以用多種方法對其求解，雖然它的解是近似的，但適當(dāng)選擇單元的形狀于大小，可使近似解達(dá)到滿意的精度； （2）引入邊界條件的方法簡單，邊界條件不進(jìn)入單個有限元單元的方程，而是在得到整體代數(shù)方程后再引入邊界條件，這樣內(nèi)部和邊界上的單元都能夠采用相同的場變量模型。而且當(dāng)邊界條件改變時，內(nèi)部場變量模型不需要改變； （3）有限元法不僅適應(yīng)與復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處理各種復(fù)雜的材料性質(zhì)問題，另外還可解決非均值連續(xù)介質(zhì)的問題； （4）有限元法考慮了物體的多維連續(xù)性，不僅在離散過程中把物體看成是連續(xù)的，而且不需要用分別的插值過程把近似解推廣到連續(xù)體中的每一點； （5）有限元法通常采用矩陣表達(dá)形式，非常便于編制計算機程序，從而適應(yīng)于電子計算機的運算工作； （6）該方法能夠在不同層面上得到闡釋或理解。對有較深數(shù)學(xué)知識的人來說，完全可以用數(shù)學(xué)語言來描述，并獲得嚴(yán)格推理。而對一般人來說，可以只從物理層面上得到理解。但有限元法也有不足，主要體現(xiàn)在： ①在輸入的數(shù)據(jù)中，如有差錯，沒有被發(fā)現(xiàn)，將會導(dǎo)致錯誤的計算結(jié)果，而且往往較難發(fā)現(xiàn)，帶來不少麻煩； ②有限元計算，尤其是在對復(fù)雜問題的分析上，所耗費的計算資源是相當(dāng)驚人的，計算資源包括計算時間、內(nèi)存和磁盤空間； ③對無限區(qū)域問題，有限元法較難處理； ④盡管現(xiàn)在的有限元軟件提供了自動劃分網(wǎng)格的技術(shù)，但到底采用什么樣的單元、網(wǎng)格的密度多大才合適等問題完全依賴于經(jīng)驗； ⑤有限元分析所得結(jié)果不是計算機輔助工程的全部，而且一個完整的機械設(shè)計不能單獨依靠有限元分析來完成，必須結(jié)合其他分析和工程實踐才能完成整個工程設(shè)計。 2.1.3 有限元法分析過程 應(yīng)用有限元法求解彈塑性問題的分析過程，概括起來可以分為以下幾個步驟： 1、結(jié)構(gòu)的離散化 有限元法把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連，節(jié)點一般都在單元邊界上，節(jié)點的位移分量作為基本未知量，組成了有限單元集合體并引進(jìn)了等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，就成為有限元自由度的有限元計算模型，替代了原來無限多自由度的連續(xù)體。有限元法的實質(zhì)是把無限多個自由度的彈性連續(xù)體，理想化為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化，適合數(shù)值求解。結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基礎(chǔ)。 對于每個具體問題，離散化的具體內(nèi)容是選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋汀Q定單元尺寸和數(shù)量、單元的布局以及節(jié)點連接的方式。單元的形狀原則上是任意的，不管單元取什么樣的形狀，在一般情況下，單元的邊界總是不可能與求解區(qū)域的真實邊界完全吻合，這就帶來了有限元的一個基本近似性——幾何近似。單元尺寸足夠小，才能保證計算的精度，單元尺寸足夠大才能減少計算過程的工作量，理論上說，單元劃分的越細(xì)，節(jié)點布置得越多，計算結(jié)果就越精確，在計算機發(fā)展到今天，計算機的容量和運算速度已經(jīng)不是主要矛盾，但是分析比較證明節(jié)點和單元的數(shù)量達(dá)到一定值后，再加密網(wǎng)格對于提高計算精度效果就不是很高了。 劃分單元的一般原則是：關(guān)鍵部位要盡可能使用小單元和高精度單元，應(yīng)力和位移變化平緩的部位可以采用大單元和低精度單元:在邊界曲折、應(yīng)力集中、應(yīng)變梯度大的地方，如集中載荷處、分布載荷突變的地方，單元應(yīng)劃分得細(xì)一些；任何單元的節(jié)點也應(yīng)當(dāng)是相鄰單元的節(jié)點；材料變化的地方應(yīng)當(dāng)劃分新的單元[5]。 2、單元分析 （1）選擇位移模式 位移模式是表示單元內(nèi)任意點的位移隨位置變化的函數(shù)式，由于所采用的函數(shù)是一種近似的試函數(shù)，一般不能精確地反映單元中真實的位移分布，這就帶來了有限元法的另一種基本近似性。采用位移法時，物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后，就可把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點位移來表示。這是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，有限元法中我們將為一函數(shù)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)，如,其中是待定系數(shù)，碑是與坐標(biāo)有關(guān)的某種函數(shù)。 （2）建立單元剛度方程 選定單元的類型和位移模式后，就可以按虛功原理或最小勢能原理建立單元剛度方程，它實際上是單元各個節(jié)點的平衡方程，其系數(shù)矩陣稱為單元剛度矩陣。 （2.1） 式中：——單元編號； ——單元剛度矩陣； ——單元的節(jié)點位移； ——單元的節(jié)點力向量。 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要用彈性力學(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。 （3）計算等效節(jié)點力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對于實際的連續(xù)體。力是從單元的公共邊界傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界的表面力、體積力或集中力都需要等效的移到節(jié)點上，也就是用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元上的力。 3、整體分析 集合所有單元的剛度矩陣，建立整個結(jié)構(gòu)的平衡方程，從而形成總體剛度矩陣。整體剛度矩陣反映的是結(jié)構(gòu)整體力的向量與整體位移向量之間的關(guān)系，所以組成整體剛度矩陣時，可以按照整體位移向量的順序?qū)卧獎偠染仃囘M(jìn)行運算。即 (2.2) 式中：——整體結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣； ——整體結(jié)節(jié)點位移列矩陣； ——整體結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點載荷列矩陣。 4、求解方程，得出節(jié)點位移 解有限元方程式(2.2)得出位移。 5、由節(jié)點位移計算單元的應(yīng)力與應(yīng)變 解出節(jié)點位移后，根據(jù)需要，可由彈性力學(xué)的幾何方程和彈性方程來計算應(yīng)力與應(yīng)變； 6、分析計算結(jié)果。 2．2 有限元法的發(fā)展 現(xiàn)代有限元方法的起源可以追溯到20世紀(jì)初，當(dāng)時有一些研究人員利用等價彈性桿來近似模擬連續(xù)的彈性體。然而，人們公認(rèn)Courant(1943)是有限元方法的奠基人。在20世紀(jì)40年代，Courant發(fā)表了一篇論文，他第一次嘗試用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合的方法來研究扭轉(zhuǎn)問題[3]。 在20世紀(jì)50年代，Boeing及其后來者采用了三角形應(yīng)力單元來建立飛機機翼的模型，極大地推動了有限元法的發(fā)展.之后，一些應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師由于各種原因都涉足過有限元的概念.然而，直到1960年美國的飛機結(jié)構(gòu)工程師Clough RW才在一篇名為“平面應(yīng)力分析的有限元法”的論文中首先使用“有限元法”。它是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計算方法，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。由于當(dāng)時理論尚處于初級階段，計算機的硬件及軟件也無法滿足需求，有限元法和有限元程序無法在工程上普及。直到1963年Melosh R J在論文中提出有限元法的基礎(chǔ)是變分原理，它是基于變分原理的一種新型Ritz法(采用分區(qū)插值方案的新型Ritz法)。這樣就使數(shù)學(xué)界與工程界得到了溝通，獲得了共識，從而使有限元法被公認(rèn)為既有嚴(yán)密理論基礎(chǔ)又有普通應(yīng)用價值的一種數(shù)值方法[6]。到20世紀(jì)60年代末70年代初，出現(xiàn)了大型通用有限元程序，它們以功能強、用戶使用方便、計算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品，成為結(jié)構(gòu)工程強有力的分析工具。40多年來，有限元法的應(yīng)用己由彈性力學(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、粘塑性和復(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。迄今為止；有限元法除了發(fā)展其自身的理論和方法外，還外延到其它領(lǐng)域，如隨機有限元法等。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。 有限元分析理論的逐步成熟主要經(jīng)歷了三個階段，上世紀(jì)60年代的探索發(fā)展期，七八十年代的獨立發(fā)展、專家應(yīng)用期和90年代與CAD相輔相成的共同發(fā)展、推廣使用時期。隨著有限元分析技術(shù)和計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，有限元的應(yīng)用領(lǐng)域得到極大的擴展。當(dāng)今國際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征： （1）由單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場問題有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實體等連續(xù)體固體力學(xué)分析。實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法，而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解，就可以足夠通近精確值。所以近年來有限元法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，進(jìn)而發(fā)展到求解幾個交叉學(xué)科的問題。 （2）由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題 現(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件己經(jīng)比較成熟，發(fā)展的方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動力學(xué)和混合場問題的求解。眾所周知，非線性的數(shù)值計算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運算技巧，一般工程技術(shù)人員很難掌握。為此，近年來國外一些公司花費了大量的人力和投資，開發(fā)出諸如MARC,ABQUS和ADINA等求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實踐。這些軟件的共同特點是具有高效的非線性求解器以及豐富和實用的非線性材料庫。由于有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，有些問題需要幾種場合(如對結(jié)構(gòu)場和流場)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，故混合場的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。 （3）程序面向用戶的開放性 隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴大自己的市場份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管他們怎樣努力也不可能滿足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實際情況對軟件進(jìn)行擴充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定義材料本構(gòu)(結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu))、用戶自定義流場邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴展規(guī)律等。 （4）與CAD軟件的無縫集成 當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個特點是與通用CAD軟件的集成使用，即:在用CAD軟件完成零部件的造型設(shè)計后，自動生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計算。如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計要求、可以重新進(jìn)行造型和計算，直到滿足要求為止，這極大地提高了設(shè)計的水平和效率。所以，當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元軟件商都開發(fā)了與著名的CAD軟件的接口，例如Pro/E, UG, Solid Works, I-DEAS和AutoCAD （5） 更為強大的網(wǎng)格處理能力 由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時間及求解結(jié)果的正確與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進(jìn)，如對三維實體模型進(jìn)行自動六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能.自動六面體網(wǎng)格劃分是指對三維實體模型程序能自動的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對簡單規(guī)則模型適用，對于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元.對于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點，在很多問題中將會產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果使用中間節(jié)點將會引起求解時間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元計算結(jié)果估計計算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計算的一個循環(huán)過程。對于許多工程實際問題，在整個求解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)a(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要條件。 2．3 ANSYS軟件的應(yīng)用 目前國內(nèi)外應(yīng)用比較成熟的有限元軟件有ANSYS, I-DEAS, AL,GOR, ABACUS,MARC等，其中ANSYS以其自身的特點，應(yīng)用最為廣泛。近些年己開始逐漸被引入到機械結(jié)構(gòu)強度的分析計算和設(shè)計上來。 1、在有限元軟件中的地位 在世界各地的各行業(yè)，ANSYS獲得了廣泛應(yīng)用，并取得了成功。波音公司的747客機、Kid's Toys公司的兒童滑梯、Motorola公司的StarITAC手機、殼牌潤滑油油桶、阿爾斯通的高速列車、各大汽車公司的各類汽車，甚至Wilson公司的INVEX高爾夫球桿、FMC公司的通心粉生產(chǎn)線、Black及Decker公司的蒸汽電熨斗等等，都有ANSYS立下的汗馬功勞。ANSYS全球有5900多個商業(yè)客戶，如英特爾、微軟、可口可樂、奔馳等，有3萬多用戶裝機量，學(xué)校用戶有10萬多個。 多年來，ANSYS一直在有限元分析(FEA)軟件中排名第一，它是第一個通過IS09001質(zhì)量認(rèn)證分析設(shè)計類軟件，也是通過美國機械工程師協(xié)會、美國核安全局及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。ANSYS在中國也得到了日益廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。它是唯一被中國鐵路機車車輛總公司選定的有限元軟件，在各廠所中廣泛應(yīng)用于機車提速及高速機車的研制，它是第一個通過中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證并在全國壓力容器行業(yè)推廣使用的分析軟件。目前，中國有100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，而且ANSYS公司也為院校免費提供教育版軟件，廣泛提供有限元學(xué)習(xí)、研究、應(yīng)用的交流和咨詢。 2、ANSYS的發(fā)展 1970年，John Swanson博士在美國賓夕法亞洲的匹茲堡創(chuàng)建了ANSYS公司，并與1971年推出ANSYS的第一個版本2.0。這與現(xiàn)在應(yīng)用于微機上的版本相比已有了很大的不同，它僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，只是一個批處理程序，且只能在大型計算機上運行。在20世紀(jì)70年代初期，ANSYS程序中加入了許多新的技術(shù)，如非線性、子結(jié)構(gòu)及更多的單元類型，從而使程序具有更強的通用性。20世紀(jì)70年代后期，交互方式的加入大大簡化了模型生成和結(jié)果評價。在進(jìn)行分析之前，可用交互式圖形來驗證模型的幾何形狀、材料及邊界條件。在分析完成之后立即可用交互式圖形來分析檢驗計算結(jié)果。 現(xiàn)在，ANSYS程序的功能更加強大和完善，使用也更加的便利。同時，還提供了強大和完整的聯(lián)機說明和系統(tǒng)詳細(xì)的聯(lián)機幫助系統(tǒng)，是用戶能夠不斷的深入學(xué)習(xí)并完成一些深入的課題。 3、ANSYS的特點 ANSYS的基本特點可以概括為3個“強大”:強大的前處理能力、強大的加載求解能力和強大的后處理能力。另外，良好的開放性使得用戶能夠在ANSYS系統(tǒng)上進(jìn)行二次開發(fā)和擴展新的功能。 （1）強大的前處理能力 強大的前處理能力主要包括強大的幾何建模能力、強大的網(wǎng)格劃分能力、強大的參數(shù)設(shè)置功能和與CAD軟件的無縫集成能力。在幾何建模上，ANSYS不僅具有依次生成點、線、面和體的自底向上建模方式，還具有通過幾何體素和采用布爾運算而生成幾何模型的自項向下建模方式。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，ANSYS主要有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種方式。針對不同的幾何體，ANASY還有拖拉網(wǎng)格、層網(wǎng)格劃分、局部細(xì)化等方法。 此外，ANSYS開發(fā)了與CAD軟件(如Pro/E, UG, Solid Works. AutoCAD等)的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向交換，從而實現(xiàn)了ANSYS與這些軟件的無縫集成。 （2）強大的加載求解能力 在ANSYS中，包括位移、力、溫度等在內(nèi)的任何載荷均可直接施加在任意幾何實體或者有限元實體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與時間或者是坐標(biāo)有關(guān)的任意函數(shù)。求解時有多種求解器可供選擇。 （3）強大的后處理能力 利用ANSYS可以獲得任何節(jié)點、單元的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動畫模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外時間歷程分析功能可以對載荷進(jìn)行疊加分析計算。 （4）良好的開放性 ANSYS為了從根本上滿足用戶的需求，給了用戶一個開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實際情況對軟件進(jìn)行擴充，這個開放的環(huán)境允許用戶自定義邊界條件、材料本構(gòu)、結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)等。并且ANSYS的二次開發(fā)環(huán)境還可以滿足不同類型用戶的需求[7]。 ANSYS軟件把有限元數(shù)值分析技術(shù)和CAD，CAE，CAM和圖像處理等有機地結(jié)合在一起，除發(fā)展了多種與CAD直接轉(zhuǎn)換的接口外，同時使自己的輸出文件格式通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，自帶的編程語言APDL可供用戶以ANSYS為平臺，進(jìn)行二次開發(fā)。用戶既可以在CAD中建模，然后通過ANSYS和CAD的接口傳入模型進(jìn)行計算，也可以在ANSYS中以用戶界面方式利用菜單建模，輸入初始數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算和查看計算結(jié)果。用戶還可以運用ANSYS的APDL語言，用命令流的方式進(jìn)行建模、計算和查看結(jié)果[6]。 ANSYS軟件發(fā)展至今己經(jīng)成為能夠緊跟計算機硬、軟件發(fā)展的最新水平、功能豐富、用戶界面友好、前后處理和圖形功能完備、使用高效的有限元軟件系統(tǒng)。它所擁有的豐富而完善的單元庫、材料模型庫和求解器，保證了它能夠高效的求解各類結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)、振動、線性和非線性問題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析以及熱-結(jié)構(gòu)混合問題，靜態(tài)和時變電磁場問題，壓縮與不可壓縮的流體力學(xué)問題，以及多場混合問題。ANSYS軟件的友好圖形用戶界面和程序結(jié)構(gòu)使得用戶易于學(xué)習(xí)和掌握，它的完全交互式前后處理和建模軟件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型以及分析和評價計算結(jié)果的工作量，其統(tǒng)一和集中式的數(shù)據(jù)庫保證系統(tǒng)各模塊之間能可靠而又靈活的集成，由于ANSYS軟件公司的不懈努力，己經(jīng)使得該軟件成為當(dāng)代CAD、CAE的主流產(chǎn)品之一。 4、ANSYS軟件的分析步驟 ANSYS分析過程中包含三個主要的步驟： （1）創(chuàng)建有限元模型，其中包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格； （2）施加載荷及載荷選項、設(shè)定約束條件并求解； （3）察看分析結(jié)果及檢驗結(jié)果。 2．4 本章小節(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計主要應(yīng)用的輔助設(shè)計軟件——有限元分析軟件ANSYS以及ANSYS軟件的具體應(yīng)用。本設(shè)計主要應(yīng)用有限元分析的方法，著重介紹了有限元法的概況，發(fā)展過程，特點，應(yīng)用及發(fā)展。 第3章 利用Pro/E建立汽車前橋模型 3．1 豐田戴那汽車前橋總成參數(shù) 豐田戴那前橋為非獨立懸掛的整體前橋，它是由轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向節(jié)，主銷與工字型截面鋼質(zhì)梁組成。前梁由一根10mm厚、1650mm長的工字型橫梁、支承板、轉(zhuǎn)向節(jié)、前輪支承短軸等組成。轉(zhuǎn)向拉桿在工字型梁左側(cè)，鋼板彈簧起消振和緩沖作用。前橋體不僅承受汽車重量，而且承擔(dān)轉(zhuǎn)向的任務(wù)。如圖3.1所示。 圖3.1豐田戴那汽車前橋 1—轉(zhuǎn)向節(jié)，2—轉(zhuǎn)向節(jié)固定螺栓，3—轉(zhuǎn)向節(jié)固定器，4—前軸，5—主銷固定螺栓，6—螺塞，7—主銷，8—襯套。 3.2運用Pro/E實體建模 3.2.1豐田戴那汽車前橋的簡化 建立轉(zhuǎn)向橋幾何模型的目的是為了給有限元模型的建立提供三維模型，在保證分析結(jié)果精度的前提下，為了提高有限元網(wǎng)格劃分質(zhì)量，減小模型規(guī)模，需要對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，去除一些對計算結(jié)果影響較小的倒圓角及一些附屬件。 1、轉(zhuǎn)向拉桿不承受汽車重力，故忽略。 2、對一些基本不影響分析結(jié)果精度的小孔和凸臺，如螺栓孔等，建模時忽略; 3.2.2運用Pro/E實體建模 1、用拉伸做工型橫梁 （1）畫一個工字型側(cè)面，長580mm，寬60mm如圖3.1所示; 圖3.1豐田戴那汽車前梁工型橫梁側(cè)面 （2）拉伸60mm,如圖3.2所示; 圖3.2 豐田戴那汽車前橋工型橫梁 2、利用拉伸減材料 （1）利用拉伸削減橫梁的一側(cè), 草繪一個比外廓小10的前梁側(cè)面圖，如圖3.3所示 圖3.3豐田戴那汽車前梁工字型橫梁側(cè)面 拉伸尺寸為5mm，如圖3.4所示 圖3.4豐田戴那汽車前梁工字型橫梁 （2）利用拉伸削減橫梁的另一側(cè) 草繪一個比外廓小10mm的前梁側(cè)面圖，如圖3.5所示; 圖3.5豐田戴那汽車前梁工型橫梁側(cè)面 拉伸尺寸為5mm，如圖3.6所示 圖3.6豐田戴那汽車前梁工型字橫梁 3、利用拉伸制作前梁與轉(zhuǎn)向節(jié)主銷連接處 建立一個直徑為60mm的圓，并拉伸。如圖3.7所示; (a) (b) 圖3.7豐田戴那汽車前梁工字型橫梁 4、利用拉伸制作橫梁支撐板 (1)拉伸制作支撐板,建立一個長140mm，寬130mm的長8所示方形。如圖3.8所示 圖3.8豐田戴那汽車前梁工字型橫梁 （2）在鋼板彈簧支撐版上打孔,孔的直徑為20mm，如圖3.9所示; 圖3.9豐田戴那汽車前梁工字型橫梁 5、利用拉伸繼續(xù)削減工字型橫梁兩側(cè) （1）利用拉伸削減橫梁的一側(cè) 草繪一個比外廓尺寸小10mm的圖形，具體圖形如圖3.10所示 圖3.10豐田戴那汽車前梁工字型橫梁側(cè)面 拉伸尺寸為20mm，如圖3.11所示 圖3.11豐田戴那汽車前梁工字型橫梁 (3)利用拉伸削減橫梁的另一側(cè) 拉伸尺寸為20mm，如圖3.12所示; 圖3.12豐田戴那汽車前梁工字型橫梁 6、導(dǎo)圓角 圓角尺寸為5.00mm,如圖3.13所示 3.13豐田戴那汽車前梁工字型橫梁 7、利用拉伸制作轉(zhuǎn)向節(jié),如圖3.14所示; 圖3.14豐田戴那汽車前橋轉(zhuǎn)向節(jié) 鏡象處理，如圖3.15所示 圖3.15豐田戴那汽車前橋轉(zhuǎn)向節(jié) 8、利用旋轉(zhuǎn)繪制輪轂短軸 圖3.16豐田戴那汽車輪轂短軸 9、裝配各零件 裝備前梁，轉(zhuǎn)向節(jié)及主銷，如圖3.17所示 (a) (b) (c) (d) (e) 圖3.17 豐田戴那汽車前橋裝配圖 3．3本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是針對豐田戴那汽車前橋的具體結(jié)構(gòu)，通過查閱汽車設(shè)計手冊和實體測量對豐田戴那汽車進(jìn)行三維前橋建模。其中，前橋三維建模運用Pro/E軟件。并詳細(xì)描述了三維建模的過程，包括簡化，建立模型和裝配。 第4章 有限元分析及改進(jìn)措施 4．1 Pro/E模型的簡化 由于單元劃分得越細(xì)，節(jié)點越多，計算精度越高，但隨之而來的是計算時間和計算內(nèi)存的增加，所以要綜合考慮各種因索來確定單元和節(jié)點的數(shù)目。在滿足工程精度要求的前提下，單元和節(jié)點數(shù)盡量少一些[7]。為了更加有效的利用計算機資源，在不影響分析的精度下，應(yīng)對Pro/E三維模型進(jìn)行進(jìn)一步簡化?？紤]到計算結(jié)果的精度,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?去除一些對計算結(jié)果影響較小的倒圓角及一些附屬件。 1、前橋的前梁與轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷的摩擦力小，對前橋的工作性能影響很小，摩擦力可忽略不計。因此在導(dǎo)入ANSYS時可不考慮內(nèi)部的轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷之間的力； 2、為了避免計算資源的浪費，提高網(wǎng)格質(zhì)量，對一些基本不影響分析結(jié)果精度的小孔和凸臺，如輸油孔、螺栓孔等，建模時忽略； 3、略去倒圓角，以倒斜角取代倒圓角； 4、固定連接的強度等于鍛造件的強度； 簡化后的前橋模型如圖4.1,圖4.2所示 圖4.1 豐田戴那汽車前橋簡化圖 圖4.2 豐田戴那汽車前橋簡化圖 4．2 幾何模型的導(dǎo)入 將Pro/E中所建立的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中的方法主要由以下三個： 1、方法一：將ANSYS直接集成在Pro/E中 （1）設(shè)置ANSYS與Pro/E的接口。選擇“程序” ANSYSRelease10.0—Utilities—ANS_ ADMIN，打開ANSYS管理器，點擊“OK”確定，在配置選項對話框中選擇與Pro/E的連接.確定后在隨之打開的對話框中將圖形顯示設(shè)備設(shè)置為“3D”。最后在Pro/E安裝信息對話框中輸入Pro/E在本計算機中的安裝路徑，點擊“OK”完成ANSYS與Pro/E的接口設(shè)置； （2）打開Pro/E，在其菜單管理器中多出了兩個選項“ANSYS Comfit”和“ANSYS Geom.”，這表明已經(jīng)將ANSYS集成在Pro/E之中了； （3）在Pro/E中完成建模后直接點擊“ANSYS Geom.”，系統(tǒng)會自動將ANSYS打開，將當(dāng)前模型導(dǎo)入到ANSYS中去，只要使用“Plot”，菜單中的“Volumes”，選項，就可將實體模型顯示出來。值得一提的是，由于導(dǎo)入的是實體模型而非有限元模型，“Plot”,菜單下的“Elements”，選項不可用； （4）在ANSYS中設(shè)置模型材料、選擇單元、網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷，最后進(jìn)行分析和顯示分析結(jié)果。由于方法一是將ANSYS直接集成在Pro/E之中，所以模型的整個轉(zhuǎn)換過程可以在不脫離Pro/E和ANSYS這兩個軟件的情況下進(jìn)行，從而實現(xiàn)了無縫連接，真正做到了CAD/CAE一體化。另外，在模型從Pro/ E導(dǎo)入ANSYS的過程中，系統(tǒng)會自動在Pro/E的工作目錄下生成一個與模型同名的.as游式的圖形轉(zhuǎn)換文件，該文件包含了模型的所有信息，將該文件復(fù)制到ANSYS工作目錄下。使用ANSYS 中的“Read Input from”選項，同樣也可以導(dǎo)入該模型(同樣是實體模型)。 2、方法二：ANSYS環(huán)境中直接導(dǎo)入Pro/E的模型文件 (1)按照方法一將ANSYS和Pro/E的接口設(shè)置好； (2)用Pro/E完成建模后，直接將模型文件復(fù)制到ANSYS的工作目錄下。使用 ANSYS中的“Input”-“Pro/E”，選項導(dǎo)入該模型文件，并使用“Plot” 菜單中的“Volumes”選項顯示實體模型;通過這種方法導(dǎo)入ANSYS的同樣是實體模型。由于沒有使用“ANSYS Geom”，選項來啟動ANSYS，所以不會產(chǎn)生方法一中出現(xiàn)的。模型轉(zhuǎn)換文件，從而可以節(jié)省計算機資源； 3、方法三：以IGES形式將Pro/E建立的模型導(dǎo)入 IGES是一種通用格式，它可以在各建模軟件和分析軟件之間轉(zhuǎn)換，首先在Pro/E中建立模型，出現(xiàn)Import IGES File對話框，點擊OK進(jìn)入下一個對話框，指定IGES論文基于ANSYS的桑塔納汽車后橋有限元結(jié)構(gòu)分析件保存的工作路徑，打開。Pro/E模型將會以IGES導(dǎo)入到ANSYS中.但是，對于利用IGES形式將Pro/E模型導(dǎo)人ANSYS時，經(jīng)常會出現(xiàn)復(fù)雜曲面發(fā)生曲面丟失或者變形的情況。本文采用上述的第一種方法將模型導(dǎo)ANSYS，比較導(dǎo)入前后的模型可見，模型沒有發(fā)生扭曲、丟面、多面等現(xiàn)象，確保了信息的完整。 本文采用的是方法一，將豐田戴那汽車前橋?qū)嶓w模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，導(dǎo)入結(jié)果如圖4.3,圖4.4所示； 圖4.3豐田戴那汽車前橋?qū)雸D 圖4.4豐田戴那汽車前橋?qū)雸D 4．3 選擇單元類型 在生成節(jié)點和劃分網(wǎng)格之前，通常都要指定所分析對象的特征，即定義單元類型。主要包括3個基本類型的常數(shù)定義:單元類型定義(Element Type)，實常數(shù)定義(Real Constant)，以及材料屬性定義(Material Attributes)。為了定義單元類型首先要建立一些單元屬性表，內(nèi)容即包括上述的基本常數(shù)的定義。ANSYS提供了大約200種單元用于工程分析。包括線單元、梁單元、桿單元、彈筑單元、殼單元和體單元等[9]。在以往的汽車后橋有限元靜態(tài)分析中，認(rèn)為汽車前橋受力基本上是承受壓力所以選用有限元中的梁、板殼單元，或者用板、梁、塊體元的組合來描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。因此即使在選擇同一種單元時，也必須設(shè)置不同的實常數(shù)來定義板厚、梁單元的截面尺寸、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。若設(shè)置參數(shù)較少，必然會對結(jié)構(gòu)作較大的簡化。若參數(shù)設(shè)置較多，又給網(wǎng)格的劃分增加了計算量和復(fù)雜程度。同時，由于板梁等不同單元的節(jié)點自由度數(shù)是不同的，必須考慮不同類型單元之間連接時位移的連續(xù)性問題，使不同單元的接觸結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，為此需人工進(jìn)行調(diào)整。若人工干預(yù)太大，會引起單元畸變，所以用板、梁等單元建立的有限元模型，必將帶來一定的計算誤差。所以選用中單元類型的SOLID95單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4.5所示。該單元是一個20節(jié)點的四面體單元，用于仿真3D實體結(jié)構(gòu)，具有較高的精度。這個單元的每個節(jié)點有沿x，y，z方向的三個平移自由度。它可用于分析塑性、應(yīng)力強化、屈服、大變形和大應(yīng)變等問題。 圖4.5 單元類型的選擇 4．4 定義材料屬性和網(wǎng)格劃分 1、定義材料屬性 在劃分網(wǎng)格之前需要對材料的屬性進(jìn)行定義,本設(shè)計豐田戴那汽車前橋的材料為30Cr，主要針對其彈性模量，泊松比和密度。定義材料屬性如圖4.6和4.7所示： 圖4.6 定義材料彈性模量和泊松比 圖4.7 定義材料密度 2、網(wǎng)格劃分 為了具體的網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備，滿足找到合適的節(jié)點的要求，應(yīng)先將豐田戴那汽車前橋劃分幾個部分。具體方法步驟如下所示： (1)旋轉(zhuǎn)工作坐標(biāo)，沿XZ軸旋轉(zhuǎn)90度。如圖4.8所示 (1) 圖4.8 旋轉(zhuǎn)工作坐標(biāo) (2)將工作坐標(biāo)左平移273mm，如圖4.9所示 圖4.9 平移工作坐標(biāo) (3)根據(jù)工作坐標(biāo)劃分體 操作方法如圖4.10所示 圖4.10 根據(jù)工作坐標(biāo)劃分體 共劃分了4次，其余3次的操作方法與本次均相同。劃分后如圖4.11所示 圖4.11 根據(jù)工作坐標(biāo)劃分體 將前橋加成一個體如圖4.12所示： 圖4.12 所有的體相加 接下來需要將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元單元網(wǎng)格，為施加邊界條件、載荷和求解做好準(zhǔn)備，具體劃分單元時應(yīng)注意以下幾點： （1）單元劃分應(yīng)盡量避免畸形，如對于三角單元，不應(yīng)出現(xiàn)過大的鈍角或過小的銳角；對于四邊形單元，長度和寬度不能相差太大，否則將引起結(jié)構(gòu)剛度矩陣病態(tài)，大大影響計算精度； （2）單元劃分要適度，對于結(jié)構(gòu)受力比較大的部位，單元的網(wǎng)格盡量密一些：對于受力比較平緩的部位，單元劃分可能大一些。為了不使單元邊相差太大，則單元應(yīng)由小到大逐漸過渡； （3）單元和節(jié)點的數(shù)目要適當(dāng)。單元劃分得越細(xì)，節(jié)點越多，計算精度越高，但隨之而來的是計算時間和計算內(nèi)存的增加，所以要綜合考慮各種因索來確定單元和節(jié)點的數(shù)目。在滿足工程精度要求的前提下，單元和節(jié)點數(shù)盡量少一些。 網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小.如果網(wǎng)格過于粗糙，那么結(jié)果可能包含嚴(yán)重的錯誤。如果網(wǎng)格過于精細(xì)，計算精度會有所提