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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 選題的背景
車(chē)架是汽車(chē)各總成的安裝基體，它將發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)身等總成連成一個(gè)有機(jī)的整體，承受著來(lái)自道路及各種復(fù)雜載荷的作用，而且汽車(chē)上許多重要總成都是以車(chē)架為載體，因此設(shè)計(jì)出重量輕且各方面性能達(dá)到要求的車(chē)架結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用類(lèi)比的思想進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，車(chē)架的這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致的問(wèn)題包括兩個(gè)方面：一是車(chē)架簡(jiǎn)化計(jì)算精度不夠，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車(chē)架的設(shè)計(jì)過(guò)于安全，造成設(shè)計(jì)出的車(chē)架結(jié)構(gòu)過(guò)重，增加了設(shè)計(jì)成本；二是造成車(chē)架的設(shè)計(jì)與計(jì)算分離，不利于提高車(chē)架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。設(shè)計(jì)出的車(chē)架結(jié)構(gòu)除了個(gè)別部位的應(yīng)力水平比較高外，大部分部位的應(yīng)力水平較低。因此，有必要采用有限元法對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低車(chē)架的重量，減少汽車(chē)的制造成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1.2 選題的目的
通過(guò)本文的研究，預(yù)計(jì)達(dá)到以下目的：
（1）將有限元技術(shù)應(yīng)用于中型載貨汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)性工作。
（2）通過(guò)運(yùn)用有限元軟件對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車(chē)架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參考。
（3）對(duì)所研究的車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，為車(chē)架的設(shè)計(jì)提供理論支持。
（4）利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車(chē)架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車(chē)架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。
1.3 選題的意義
（1）運(yùn)用有限元法對(duì)初步設(shè)計(jì)的車(chē)架進(jìn)行輔助分析將大大提高車(chē)架開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車(chē)架的性能。
（2）車(chē)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(chē)架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車(chē)的復(fù)雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問(wèn)題。
（3）利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車(chē)架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車(chē)架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。
（4）通過(guò)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車(chē)架的重量，在保證車(chē)架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對(duì)降低車(chē)架的成本具有重要的意義。
1.4 研究現(xiàn)狀
有限元法是當(dāng)今工程分析中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算法。由于他的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的重要組成部分。
近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途 徑，現(xiàn)在從汽車(chē)到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車(chē)、土木建筑、電子電器，國(guó)防軍工，船舶， 鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）增加產(chǎn)品和工程的可靠性； （2）在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題；（3）經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低原材料成本；（4）縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間 ；（5）模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。
當(dāng)前，國(guó)外各大汽車(chē)公司利用有限元軟件進(jìn)行車(chē)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(lì)響應(yīng)分析備受青睞，主要是因?yàn)樗捎脕?lái)進(jìn)行車(chē)輛的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析：國(guó)外將有限元法引入到車(chē)架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國(guó)大約是在七十年代末才把有限元法應(yīng)用于車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。在有限元法對(duì)汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿(mǎn)意的，但由于梁?jiǎn)卧旧淼娜毕?，例如梁?jiǎn)卧荒芎芎玫拿枋鼋Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車(chē)架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車(chē)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?jiǎn)卧治龅慕Y(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁?jiǎn)卧谲?chē)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(cè)手段。近十年來(lái)，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(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，由過(guò)去的定性或半定量的分析過(guò)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(guó)外大型汽車(chē)公司經(jīng)過(guò)近百年的汽車(chē)設(shè)計(jì)制造，在車(chē)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(kù)、設(shè)計(jì)改正記錄和設(shè)計(jì)規(guī)范。目前應(yīng)用于車(chē)架開(kāi)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(chē)、大小總成與零部件分析以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì))，NVH分析(各種振動(dòng)、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(chē)架設(shè)計(jì)提供了多種實(shí)用的選擇方案，使車(chē)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。
縱觀當(dāng)今國(guó)際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析方法的一些發(fā)展趨勢(shì)：
1）與CAD軟件的無(wú)縫集成
當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限 元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿(mǎn)意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。為了滿(mǎn)足工程師快捷地解 決復(fù)雜工程問(wèn)題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開(kāi)發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE軟件為了實(shí)現(xiàn)和CAD軟件的無(wú)縫集成而采 用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了基于Parasolid內(nèi)核的實(shí)體建模技術(shù)，能和以Parasolid為核心的CAD軟件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實(shí)現(xiàn)真正無(wú)縫的雙向數(shù)據(jù)交換。
2）更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力
有限元法求解問(wèn)題的基本過(guò)程主要包括：分析對(duì)象的離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果的后處理三部分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的 正確性與否，近年來(lái)各軟件開(kāi)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(méi)有得到改進(jìn)，如對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個(gè)別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒(méi)有此功能。自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分是指對(duì)三維實(shí)體模型程序能自動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則模型適用，對(duì)于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對(duì)于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問(wèn)題中將會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果使用中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)引起求解時(shí)間、收斂速度等方面的一系列問(wèn)題，因此人們迫切的希望自動(dòng)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(jì)算結(jié)果估計(jì)計(jì)算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計(jì)算的一個(gè)循環(huán)過(guò)程。對(duì)于許多工程實(shí)際問(wèn)題，在整個(gè)求解過(guò)程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(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(dòng)重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問(wèn)題如裂紋擴(kuò)展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要條件。
3）由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問(wèn)題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對(duì)塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問(wèn)題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)問(wèn)題，還必須掌握一定的理論知識(shí)和求解技巧，學(xué)習(xí)起來(lái)也較為困難。為此國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開(kāi)發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非 線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫(kù)，ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。
4）由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問(wèn)題的求解
有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來(lái)求解線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題，實(shí)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(duì)象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值?，F(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問(wèn)題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng) 問(wèn)題的求解。例如由于摩擦接觸而產(chǎn)生的熱問(wèn)題，金屬成形時(shí)由于塑性功而產(chǎn)生的熱問(wèn)題,需要結(jié)構(gòu)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即"熱力耦合"的 問(wèn)題。當(dāng)流體在彎管中流動(dòng)時(shí)，流體壓力會(huì)使彎管產(chǎn)生變形，而管的變形又反過(guò)來(lái)影響到流體的流動(dòng)……這就需要對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)和流場(chǎng)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解， 即所謂"流固耦合"的問(wèn)題。由于有限元的應(yīng)用越來(lái)越深入，人們關(guān)注的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，耦合場(chǎng)的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。
5）程序面向用戶(hù)的開(kāi)放性
隨著商業(yè)化的提高，各軟件開(kāi)發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額，滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費(fèi)了大量的投資，但由于用戶(hù)的要求千差萬(wàn)別，不管他們?cè)鯓优σ膊豢赡軡M(mǎn)足所有用戶(hù)的要求，因此必須給用戶(hù)一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，允許用戶(hù)根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶(hù)自定義單元特性、用戶(hù)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(hù)自定義流場(chǎng)邊界條件、用戶(hù)自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。
1.5課題的主要內(nèi)容
了解車(chē)架在車(chē)輛結(jié)構(gòu)中的重要作用，學(xué)習(xí)車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。ANSYS軟件的學(xué)習(xí)，用Pro/E建立車(chē)架實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS軟件，假定汽車(chē)滿(mǎn)載情況下，對(duì)車(chē)架進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急剎車(chē)、急轉(zhuǎn)彎四種工況下的受力和變形情況的靜態(tài)有限元分析，在不加載荷的情況下對(duì)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析。
第2章 有限元基礎(chǔ)及ANSYS軟件介紹
2.1 有限元分析簡(jiǎn)介
利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素—即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。
有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿(mǎn)足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)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(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱(chēng)為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。
有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性?xún)H限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)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(mǎn)足整個(gè)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(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)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(gè)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(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)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(yùn)算求解不同。
2.2 有限元方法的基本求解過(guò)程
有限元法用相互連接的單元模擬實(shí)際物體的結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元都有一個(gè)位移函數(shù)與之相關(guān)。相互聯(lián)結(jié)的單元通過(guò)共同（或共享）的界面，與其他單元聯(lián)結(jié)起來(lái)。通過(guò)使用構(gòu)成結(jié)構(gòu)材料已知的應(yīng)力應(yīng)變特性，可以用結(jié)構(gòu)中其他單元的特性確定給定節(jié)點(diǎn)的特性。描述每一節(jié)點(diǎn)特性的整組方程得出一系列用矩陣符號(hào)最佳表示的代數(shù)方程，具體說(shuō)，進(jìn)行有限元分析，主要可分為如下步驟：
步驟1：離散結(jié)構(gòu)和選擇單元類(lèi)型
將給定的物體劃分為具有相關(guān)節(jié)點(diǎn)的等價(jià)的有限元系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)膯卧?lèi)型來(lái)最接近的模擬系統(tǒng)實(shí)際的物理性能。所用的單元總數(shù)和給定物體內(nèi)單元大小和類(lèi)型的變化是需要工程判斷的主要問(wèn)題。單元必須小到可以給出有用的結(jié)果，又必須足夠大以節(jié)省計(jì)算費(fèi)用。一般來(lái)說(shuō)，一維結(jié)構(gòu)的有限單元可以為線段；二維結(jié)構(gòu)的優(yōu)先單元為三角形、四邊形；三維連續(xù)體的有限單元可以是四面體、長(zhǎng)方體和六面體。各種類(lèi)型的單元有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，發(fā)展出了更多的單元，最典型的區(qū)分就是有無(wú)中節(jié)點(diǎn)。分析人員必須要決定單元的類(lèi)型、數(shù)目、大小和排列方式，以便能夠合理有效地表示給定的物理系統(tǒng)。
步驟2：選擇位移函數(shù)
假設(shè)的位移函數(shù)或模型只是近似地表示了真實(shí)的位移分布。通常假設(shè)位移函數(shù)為多項(xiàng)式，最簡(jiǎn)單的情況為線性多項(xiàng)式。在實(shí)際應(yīng)用中，沒(méi)有一種多項(xiàng)式可以與實(shí)際位移完全一致。用戶(hù)所要做的就是選擇多項(xiàng)式的階次，以使多項(xiàng)式在可以承受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)達(dá)到足夠的精度。此外，還需要選擇表示位移大小的參數(shù)，他們通常是節(jié)點(diǎn)的位移，但也有可能包括節(jié)點(diǎn)的位移導(dǎo)數(shù)。所選擇的位移函數(shù)是用單元的節(jié)點(diǎn)值在單元內(nèi)部定義的，并且每個(gè)單元可以重復(fù)使用同一個(gè)通用的位移函數(shù)。
步驟3：定義應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
為了推導(dǎo)每一個(gè)有限單元的方程，需要應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。例如，在一維變形和小應(yīng)變的情況下，x方面的應(yīng)變?chǔ)舩和位移u的關(guān)系如下公式：
εx= du/dx （2-1）
此外，應(yīng)力和應(yīng)變必須通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（通常叫做本構(gòu)關(guān)系）聯(lián)系起來(lái)。在獲取可接受的結(jié)果時(shí)，精確定義材料行為的能力是最重要的。最簡(jiǎn)單的應(yīng)力/應(yīng)變定律即是胡克定律。
步驟4：推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚭头匠?
單元?jiǎng)偠染仃囀礁鶕?jù)最小位能原理或其他原理，由單元材料和幾何性質(zhì)導(dǎo)出的平衡方程系數(shù)構(gòu)成的。單元?jiǎng)偠染仃噷⒐?jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力聯(lián)系起來(lái)，物體受到的分布載荷變換為節(jié)點(diǎn)處的等價(jià)集中力。剛度矩陣K、節(jié)點(diǎn)力矢量F和節(jié)點(diǎn)位移矢量D的平衡關(guān)系表示為矩陣形式為
{F}=[K]{D} （2-2）
步驟5：組裝單元方程得出總體方程并引進(jìn)邊界條件
可以使用疊加法將步驟4得到的每個(gè)單元方程組裝在一起得出整個(gè)結(jié)構(gòu)的總體方程。疊加法中所隱含的是連續(xù)和協(xié)調(diào)概念，要求結(jié)構(gòu)保持完整，在結(jié)構(gòu)任何一處都不發(fā)生撕裂。
最后得到如下形式的總體矩陣方程：
{F}=[K]{D} （2-3）
式中 {F}——整體節(jié)點(diǎn)力矢量；
[K]——總體剛度矩陣；
{D}——總體節(jié)點(diǎn)位移矢量
步驟6：解未知自由度
即是求解上面得到的矩陣方程。
步驟7：求解單元應(yīng)變和應(yīng)力
對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析來(lái)說(shuō)，因?yàn)閼?yīng)力應(yīng)變可以用步驟6確定的位移直接表達(dá)，因此，應(yīng)力應(yīng)變是第二批得到的重要的量，可以使用典型的應(yīng)變和位移關(guān)系，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。如上面所述。
步驟8：解釋結(jié)果
最后的目標(biāo)是解釋和分析用于應(yīng)力應(yīng)變分析過(guò)程的結(jié)果，在進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析決策時(shí)，通常需要確定結(jié)構(gòu)中位移最大和應(yīng)力最大的位置，后處理計(jì)算機(jī)程序用圖形顯示的方式，幫助用戶(hù)解釋結(jié)果。
在使用有限元程序求解結(jié)果時(shí)，分析人員必須做出決定的問(wèn)題是：將結(jié)構(gòu)或連續(xù)體劃分為有限元的問(wèn)題，選擇單位類(lèi)型或分析中要使用的單元類(lèi)型、外加載荷的類(lèi)型、邊界條件的類(lèi)型、外加支撐的類(lèi)型問(wèn)題。其中，步驟2~7由計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)完成。
2.3 有限元分析的誤差及建模準(zhǔn)則
有限元分析結(jié)果的精確性依賴(lài)于計(jì)算全過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)的誤差性質(zhì)和大小。這些誤差主要包括：
1)理論模型本身的誤差，例如克?；舴蚣僭O(shè)，幾何變形線性化假設(shè)對(duì)于薄板彎曲問(wèn)題的誤差；
2）理論模型有限元離散近似誤差，其中既包括低維模型近似、邊界條件近似、載荷條件近似和幾何形狀近似等引起的誤差，也包括幾何方程、物理方程、平衡方程等近似產(chǎn)生的誤差；
3)有限元分析基本的線性代數(shù)方程組求解過(guò)程的誤差，例如單元?jiǎng)偠染仃嚨臄?shù)值積分，迭代計(jì)算近似誤差等；
4)有限元軟件系統(tǒng)的編程誤差等。
有限元模型是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的離散近似模型。對(duì)于線性靜力問(wèn)題，它包括有限元網(wǎng)絡(luò)的離散點(diǎn)組成的近似幾何模型，由材料力學(xué)特性數(shù)據(jù)和單元?jiǎng)偠染仃嚤磉_(dá)的變形應(yīng)力平衡近似，以及外載荷近似和邊界條件近似的總體。因此，即便理論模型是準(zhǔn)確的，模型誤差總是在所難免的。為了使誤差處于可控制的范圍內(nèi)，必須遵循合理的有限元建模準(zhǔn)則。
建模的總則是根據(jù)工程分析精度要求，建立合適的能模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型。在連續(xù)體離散化及用有限個(gè)參數(shù)表征無(wú)限個(gè)形態(tài)自由度過(guò)程中不可避免的引入了近似。為使分析結(jié)果有足夠的精度，所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價(jià)。具體應(yīng)滿(mǎn)足下述準(zhǔn)則：
1)有限元模型應(yīng)滿(mǎn)足平衡條件，即結(jié)構(gòu)的整體和任一單元在節(jié)點(diǎn)上都必須保持靜力平衡；
2)變形協(xié)調(diào)條件。交匯于一點(diǎn)上的各元素在外力作用下，引起元素變形后必須仍保持交匯于一個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)結(jié)構(gòu)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，也都應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足變形協(xié)調(diào)條件。若用協(xié)調(diào)元素，元素邊界上亦應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)的位移協(xié)調(diào)條件；
3)必須滿(mǎn)足邊界條件（包括整個(gè)結(jié)構(gòu)邊界條件及單元間的邊界條件）和材料的本構(gòu)關(guān)系；
4)剛度等價(jià)原則。有限元模型的抗彎、抗扭、抗拉及抗剪剛度應(yīng)該盡可能等價(jià)；
5)認(rèn)真選取單元，使之能較好的反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點(diǎn)，尤其是對(duì)主要受力構(gòu)件，應(yīng)該做到盡可能不失真。在單元內(nèi)部所采用的應(yīng)力和位移函數(shù)必須是當(dāng)單元大小遞減時(shí)有限元解趨于連續(xù)系統(tǒng)的精確解；
6)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)力分布情況、單元性質(zhì)、精度要求以及計(jì)算量大小等仔細(xì)劃分計(jì)算網(wǎng)格。在高應(yīng)力、應(yīng)力梯度大的區(qū)域，網(wǎng)格要細(xì)；在低應(yīng)力、應(yīng)力變化比較平緩的區(qū)域，網(wǎng)格可以粗一些；在網(wǎng)格疏密相交區(qū)域，可以使用過(guò)渡元。分析結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題的網(wǎng)格可以比分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力問(wèn)題的網(wǎng)格粗；分析結(jié)構(gòu)的頻率和振型的問(wèn)題可以比分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題的網(wǎng)格粗；重要部位和位移變化很大的部位（例如凹角，連接處，不同材料連接處，空邊等應(yīng)力集中區(qū)域）的單元尺度要??；
7)在幾何上要盡可能的逼近真實(shí)的結(jié)構(gòu)體，其中特別要注意曲線與曲面的逼近問(wèn)題；
8)仔細(xì)處理載荷模型，正確的生成節(jié)點(diǎn)力，同時(shí)載荷的簡(jiǎn)化不應(yīng)跨越主要構(gòu)件；
9)質(zhì)量的堆聚應(yīng)滿(mǎn)足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩的等效要求；
10)當(dāng)量阻尼折算應(yīng)符合能量等價(jià)要求；
11)超單元的劃分盡可能單級(jí)化并使剩余結(jié)構(gòu)最小。
有限元法和模態(tài)實(shí)驗(yàn)法是目前常用的方法。進(jìn)行有限元分析時(shí)，模型建立的合理與否以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)是否準(zhǔn)確的確定，都關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。與有限元方法不同的是，實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以比較精確的分析出內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，這就是振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)分析技術(shù)。動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀器、快速傅立葉變換（FFT）以及各種計(jì)算和測(cè)量分析軟件的應(yīng)用，使振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的作用得到充分的發(fā)揮。振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)采用人工激勵(lì)的方法使被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)多通道數(shù)字分析儀分析激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)，來(lái)建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)，最后運(yùn)用參數(shù)識(shí)別方法確定各階的模態(tài)參數(shù)。振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是參數(shù)識(shí)別理論的具體應(yīng)用。
2.4 有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介
2.4.1 ANSYS的發(fā)展概述
ANSYS軟件是由美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元軟件。1970年，有遠(yuǎn)見(jiàn)的JohnSwanson博士洞悉到計(jì)算機(jī)模擬工程應(yīng)該商品化的發(fā)展趨勢(shì)，在賓州匹茲堡創(chuàng)立了ANSYS公司。ANSYS公司開(kāi)發(fā)的ANSYS第一個(gè)版本只提供線性結(jié)構(gòu)分析及熱分析功能，是一個(gè)批處理程序，而且只能在大型機(jī)上運(yùn)行。其后，ANSYS公司在ANSYS中不斷地加入越來(lái)越多的單元類(lèi)型，考慮了非線性、子結(jié)構(gòu)等新技術(shù)。20世紀(jì)70年代末，ANSYS引入了交互式概念，大大提高了用戶(hù)對(duì)程序的使用效能；其前處理器和后處理器的概念，使得用戶(hù)在建模與結(jié)構(gòu)處理上非常方便。在跟蹤有限元學(xué)科及其應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，ANSYS也適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠在多種工作平臺(tái)和多個(gè)操作系統(tǒng)上完全兼容，其并行處理技術(shù)大大提高了分析效率。
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。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(hù)可以方便地構(gòu)造有限元模型；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(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)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（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，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(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。
2.4.2典型的ANSYS分析過(guò)程
一個(gè)典型的ANSYS分析過(guò)程，由前處理、加載求解和后處理三部分組成?，F(xiàn)分別加以介紹。
1.前處理
(1)定義工作文件名和分析標(biāo)題：
①定義文件名
②定義分析標(biāo)題
③定義單位制
(2)選擇分析類(lèi)型
為待分析的題目選擇分析類(lèi)型：
①定義單元類(lèi)型
ANSYS單元庫(kù)中有100多種不同的單元類(lèi)型，可以根據(jù)問(wèn)題的實(shí)際選擇合適的單元類(lèi)型。
②定義單元實(shí)常數(shù)
為材料選擇了單元類(lèi)型后，隨后應(yīng)該輸入與此單元類(lèi)型相關(guān)的單元常數(shù)。單元類(lèi)型的實(shí)常數(shù)是根據(jù)所選單元的類(lèi)型而定的。
③定義材料特性
大多數(shù)單元類(lèi)型分析時(shí)，都需要制定材料特性，ANSYS以選擇的特性有：線性和非線性；各向同性、正交異性或非彈性；不隨溫度而變化或隨溫度變化。
(3)建立模型并劃分網(wǎng)絡(luò)
建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成物理模型，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行模擬。
實(shí)體建模的兩種思路：自底向上建模和自頂向下建模。
2. 加載求解
(1)定義分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)
可以根據(jù)載荷條件和想要計(jì)算的響應(yīng)選擇分析類(lèi)型。ANSYS提供的有靜態(tài)、瞬態(tài)、調(diào)諧、模態(tài)、譜分析、屈曲和子結(jié)構(gòu)分析等。
(2)施加載荷和約束.
在ANSYS程序中，載荷包括六類(lèi)：DOF約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合常載荷。這些載荷可以加在幾何模型上，包括點(diǎn)、線、面；也可以直接加到物理模型上，包括節(jié)點(diǎn)和單元。
(3)指定載荷步選項(xiàng)
它的主要功能是對(duì)載荷步進(jìn)行修改和控制。
3. 計(jì)算求解
由計(jì)算機(jī)自行完成。
4.后處理
ANSYS計(jì)算求解完成后，需要在后處理階段查看分析結(jié)果。這包括以下幾方面：
(1)從求解結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)。
(2)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示。
(3)可對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行列表顯示。
(4)進(jìn)行各種后續(xù)分析
2.4.3 ANSYS的主要功能
ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車(chē)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(dòng)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。
1.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(hù)可以方便
地構(gòu)造有限元模型。
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。
1)實(shí)體建模
ANSYS程序提供了兩種實(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(hù)定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱(chēng)為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶(hù)利用這些高級(jí)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(wú)論使用自頂下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱(chēng)為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶(hù)利用這些高級(jí)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(wú)論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶(hù)均能使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程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(duì)線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、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(guò)拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶(hù)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
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。包括四種網(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(hù)將幾何模型分解成簡(jiǎn)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。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶(hù)對(duì)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(lái)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(hù)指示程序自動(dòng)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(hù)定義的值或達(dá)到用戶(hù)定義的求解次數(shù)。
2.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(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)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；
3.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(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。
2.4.4 ANSYS的主要特點(diǎn)
ANSYS在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)：
①唯一能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析功能的軟件，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)、電磁等的單獨(dú)研究或者它們之間相互影響的研究。
②唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型有限元分析軟件。
③唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的有限元分析軟件。
④有強(qiáng)大的非線性分析功能。
⑤多種求解器分別適用于不同問(wèn)題及不同的硬件配置。
⑥支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)，以及所有平臺(tái)之間的并行計(jì)算。
⑦支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶(hù)界面統(tǒng)一、數(shù)
據(jù)文件全部兼容。
⑧多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。
⑨可與大多數(shù)CAD軟件集成并有接口。
⑩良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，綜合應(yīng)用菜單、對(duì)話(huà)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。
2.4.5 ANSYS軟件提供的分析類(lèi)型
ANSYS軟件提供的分析類(lèi)型如下：
①結(jié)構(gòu)靜力分析
用來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。ANSYS程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。
②結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。
③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。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。
④動(dòng)力學(xué)分析
ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。
⑤熱分析
程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類(lèi)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(guò)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。
⑥電磁場(chǎng)分析
主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)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(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。
⑦流體動(dòng)力學(xué)分析
ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類(lèi)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(guò)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(duì)流換熱效應(yīng)。
⑧聲場(chǎng)分析
程序的聲學(xué)功能用來(lái)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(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話(huà)筒的頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。
⑨壓電分析
用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC(交流)、DC(直流)或任意隨時(shí)問(wèn)變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類(lèi)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(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類(lèi)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。
2.5 本章小結(jié)
對(duì)有限元分析軟件ANSYS的發(fā)展過(guò)程、特點(diǎn)及主要功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，對(duì)ANSYS用于有限元前后處理的過(guò)程、進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，對(duì)ANSYS的系統(tǒng)的處理、以及求解等內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，為以后應(yīng)用該軟件做好了準(zhǔn)備。
第3章 車(chē)架有限元模型的建立
汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的有限元模型可以采用梁?jiǎn)卧鍤卧驅(qū)嶓w單元建立。梁?jiǎn)卧Ｐ蛯⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一組兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M成的結(jié)構(gòu)，以梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦苑从耻?chē)架的結(jié)構(gòu)特性，這種模型的優(yōu)點(diǎn)是單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，前處理工作量少，計(jì)算量較小，計(jì)算速度快，但是無(wú)法分析車(chē)架應(yīng)力集中問(wèn)題，計(jì)算精度較低。板殼單元模型則與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本吻合，計(jì)算精度較高，但是由于單元與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量龐大，前處理工作量大，計(jì)算量大。實(shí)體單元模型能夠很好地分析車(chē)架縱梁和橫梁連接處的應(yīng)力變化情況，但是用作模態(tài)分析時(shí)，往往存在剛性過(guò)大現(xiàn)象。為了縮短建立模型的時(shí)間，基于實(shí)體單元，本章將嘗試聯(lián)合應(yīng)用Pro/Engineer與ANSYS完成車(chē)架結(jié)構(gòu)幾何模型與有限元模型的建模工作。
3.1 車(chē)架的實(shí)體建模
3.1.1 Pro/E軟件簡(jiǎn)介
Pro/ENGINEER是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司推出的一套功能強(qiáng)大的三維CAD/CAM/CAE參數(shù)化軟件。該軟件參數(shù)化、單一數(shù)據(jù)庫(kù)、基于特征和完全關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)理念已成為當(dāng)今世界CAD/CAM/CAE領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。Pro/E廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車(chē)、航天航空、家電、玩具等行業(yè)，是一個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，它集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開(kāi)發(fā)、NC加工、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)模擬、壓力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能于一體。
Pro/E軟件的主要一些特性：
(1)全相關(guān)性：Pro/E的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開(kāi)發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。
(2)基于特征的參數(shù)化造型：Pro/E使用用戶(hù)熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的，因而易于使用。
(3)裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過(guò)給這些特征設(shè)置參數(shù)(不但包括幾何尺寸，還包括非凡何屬性)，然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。(4)數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開(kāi)發(fā)研制，正是專(zhuān)門(mén)用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/E獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。
(4)裝配管理：Pro/E的基本結(jié)構(gòu)能夠利用一些直觀的命令，例如“嚙合"、“插入”、“對(duì)齊’’等很容易的把零件裝配起來(lái)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。
(5)易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)還提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得用戶(hù)容易學(xué)習(xí)和使用。
3.1.2 Pro/E軟件基本功能
Pro/E能夠完成特征建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)、零件實(shí)體造型及裝配造型、完整工程圖產(chǎn)生等工作。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式，Pro/E可以輸出三維或二維圖形用于其它應(yīng)用軟件。使用Pro/E配置的開(kāi)發(fā)模塊或利用C語(yǔ)言，用戶(hù)也可以擴(kuò)展與增強(qiáng)Pro/E的功能。
Pro/E的基本功能是：
①特征建模
在Pro/E中，特征是組成模型的基本單位，如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等特征。模型創(chuàng)建過(guò)程就是按照一定順序以“搭積木”的方式添加各類(lèi)特征的過(guò)程，通過(guò)構(gòu)建不同的特征建立幾何模型。
②參數(shù)化設(shè)計(jì)
參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者只需抓住圖形的某一個(gè)典型特點(diǎn)繪出圖形的大致形狀，通過(guò)向圖形添加適當(dāng)?shù)募s束條件規(guī)范其形狀，最后修改圖形的尺寸數(shù)值，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)再生即可獲得需要的圖形。
③支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)
Pro/E支持大型、復(fù)雜組合件的構(gòu)造和管理，可以利用一些直觀的命令，如“嚙合”、“插入”、“對(duì)齊”等，將基本零件裝配起來(lái)，形成組合件。
④整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)完全相關(guān)
在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，Pro/E各個(gè)模塊共享模型的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某一處數(shù)據(jù)修改了，整個(gè)設(shè)計(jì)中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)也隨之自動(dòng)修改。
3.1.3 幾何建模的簡(jiǎn)化
有限元模型是在幾何模型基礎(chǔ)上建立的，因此，建立幾何模型時(shí)，既要考慮幾何模型建立的特點(diǎn)，也要考慮有限元模型建立的特點(diǎn)。建立車(chē)架的幾何模型時(shí)，根據(jù)車(chē)架的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，在保持其力學(xué)性能不變的條件下，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。
建立有限元模型，既要如實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)特性，又要盡量采用較少的單元和簡(jiǎn)單的單元形態(tài)，以保證較高的計(jì)算精度，同時(shí)縮小計(jì)算規(guī)模。為了滿(mǎn)足這兩個(gè)要求，在建立幾何模型前，就需要考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)該怎么簡(jiǎn)化。使用Pro/E建立幾何模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化的思路是：
①盡可能使建模簡(jiǎn)化
因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)越復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時(shí)模擬結(jié)構(gòu)需要的單元就越多，分析時(shí)占用的資源也就越多。建立幾何模型，可以將結(jié)構(gòu)中的圓角簡(jiǎn)化成直角，既有利于簡(jiǎn)化建模，也有利于有限元模型建立過(guò)程中的網(wǎng)格劃分。
②忽略細(xì)節(jié)特征
在建立幾何模型時(shí)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布只產(chǎn)生較小局部影響的特征，如倒角和小孔等都可以忽略。因?yàn)榫W(wǎng)格劃分過(guò)程中，諸如倒角和小孔等特征需要很多單元才能模擬。
③使用Pro/E對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行壓縮
如果沒(méi)有對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，也沒(méi)有忽略細(xì)節(jié)特征，使用Pro/E提供的壓縮(Suppress)特征的功能，也是簡(jiǎn)化模型的好方法。Pro/E提供的壓縮(Suppress)特征的功能，可以按照用戶(hù)要求屏蔽復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特征，輸出簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型。
為了便于分析，在不失真實(shí)情況的前提下，現(xiàn)對(duì)一些附屬結(jié)構(gòu)及工藝結(jié)構(gòu)．根據(jù)具體情況進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：
1.略去功能件和非承載構(gòu)件。有些構(gòu)件僅為滿(mǎn)足工藝或使用上的要求而設(shè)置．并非根據(jù)強(qiáng)度的要求而設(shè)置。這些構(gòu)件對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形影響都較小，因此在建模時(shí)可以忽略，如工藝孔，過(guò)渡圓角等。
2.對(duì)部分部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先是某些連接結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，根據(jù)其功能用途，對(duì)于分析關(guān)系不大．所以將其略去，如駕駛室和乘客的連接支架以及車(chē)架后端用于連接車(chē)廂的后連接支架, 而將其簡(jiǎn)化為車(chē)架左右縱粱上的均布載。
3.根據(jù)車(chē)架上部件上實(shí)際作用效果，將其復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為實(shí)際接觸面，以便把載荷施加到作用的面上。
4. 忽略車(chē)架上用于裝配的小孔．因?yàn)檫@些小孔僅僅影響車(chē)架的局部強(qiáng)度，而對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量影響卻較大；
以上各種簡(jiǎn)化一方面是為了方便進(jìn)行有限元分析，另一方面也是節(jié)省計(jì)算機(jī)的內(nèi)在資源，并且利用了復(fù)雜系統(tǒng)有限元分析簡(jiǎn)化的原則，可以說(shuō)以上的簡(jiǎn)化不是盲目、隨便進(jìn)行的簡(jiǎn)化，都是在保證可以模擬實(shí)際情況，又不過(guò)大偏離分析結(jié)果的前提下進(jìn)行的簡(jiǎn)化，是符合實(shí)際工程分析中簡(jiǎn)化原則的，所以說(shuō)對(duì)其進(jìn)行的備種分析是符合實(shí)際情況的。
3.2 應(yīng)用Pro/E軟件三維幾何模型的建立
本節(jié)將以中型載貨汽車(chē)CA1093的車(chē)架為對(duì)象，應(yīng)用Pro/E Wildfire4.0版建立該車(chē)架的幾何模型，車(chē)型如圖3.1所示。
圖3.1解放CA1093長(zhǎng)頭汽油載貨汽車(chē)
圖3.2 車(chē)架二維圖
①利用Pro/E軟件，按照車(chē)架上各零件的實(shí)際尺寸繪制所有零件的三維實(shí)體幾何模型，車(chē)架上各零件的實(shí)際尺寸如圖3.2所示；
圖3.3 車(chē)架簡(jiǎn)化后的三維圖
②在直角坐標(biāo)系中直接繪制實(shí)體，得到三維幾何模型如圖3.3所示，利用Pro/E與ANSYS軟件建立好的接口直接導(dǎo)入。
3.3 應(yīng)用ANSYS對(duì)車(chē)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分
①啟動(dòng)ANSYS，選擇Plot>Volumes,顯示導(dǎo)入的三維圖形；
②選擇MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，打開(kāi)單元類(lèi)型對(duì)話(huà)框；
③單元類(lèi)型庫(kù)對(duì)話(huà)框中單擊Add；
④左邊列中單擊Solid，選擇實(shí)體單元類(lèi)型；
⑤在右邊列中單擊Solid，選擇8節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)單元Brick 8node 45；
⑥選擇Main Menu>Proprossor>MaterialProps>Cortstant>Isotropic，打開(kāi)各項(xiàng)同性材料特性對(duì)話(huà)框。在對(duì)話(huà)框中輸入彈性模量2.12E+11和泊松比0.31，密度7870kg/m；如圖3.4和3.5所示。
圖3.4輸入彈性模量和泊松比
圖3.5輸入材料密度
⑦選擇MainMeau>Preprocessor>Meshing>MeshTool打開(kāi)網(wǎng)格劃分工具，選擇SmartSize 將網(wǎng)格大小取6，點(diǎn)擊Mesh鍵，在粗線的對(duì)話(huà)框點(diǎn)擊Pick All，網(wǎng)格劃分開(kāi)始。劃分好網(wǎng)格的實(shí)體如圖3.6所示。
圖3.6 網(wǎng)格劃分完成的車(chē)架
3.4 實(shí)體單元Solid 45的簡(jiǎn)介
①Solid 45單元說(shuō)明
Solid 45單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)沿XYZ方向平移的自由度，單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化和大應(yīng)變能力.類(lèi)似的單元有適用于各向異性材料的solid64 單元。Solid45 單元的更高階單元是solid95。
②輸入數(shù)據(jù)
單元由8 個(gè)節(jié)點(diǎn)和各向同性的材料參數(shù)來(lái)定義.各向同性材料方向?qū)?yīng)于單元坐標(biāo)系方向.單元載荷包括節(jié)點(diǎn)載荷和單元載荷.keypoint(1)用于指定包括或不包括附加的位移形函數(shù)。Keypoint（5）和keypoint（6）提供不同的單元輸出選項(xiàng)。單元結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。
圖3.7
③solid45 單元輸入數(shù)據(jù)摘要
單元名稱(chēng) Solid45
節(jié)點(diǎn) I，J，K，L，M，N，O，P
節(jié)點(diǎn)自由度 UX，UY，UZ
材料參數(shù) EX，EY，EZ，（PRXY，PRYZ，PRXZ or NUXY，NUYZ，NUXZ），ALPX，ALPY，ALPZ，DENS，GXY，GYZ，GXZ，DAMP
表面載荷 壓力s——表面1（J-I-L-K），表面2（I-J-N-M），表面3（J-K-O-N），表面4（K-L-P-O）,表面5（L-I-M-P），表面6（M-N-O-P）
體載荷 溫度——T（I），T（J），T（K），T（L），T（M），T（N），
T（O），T（P）；
熱流量——FL（I），F(xiàn)L（J），F(xiàn)L（K），F(xiàn)L（L），F(xiàn)L（M），
FL（N），F(xiàn)L（O）FL（P）
特殊功能 塑性,蠕變,膨脹,應(yīng)力強(qiáng)化,大變形,大應(yīng)變,單元死活
KEYPOINT(1) 0 ——包括附加的位移形函數(shù)
1 ——不包括附加的位移形函數(shù)
KEYPOINT(2) 0 ——依據(jù)KEYPIONT(1)帶,或者不帶附加的位移形函數(shù),執(zhí)行完全積分
1 ——帶砂漏控制的均勻縮減積分,不帶附加的位移形函數(shù)(KEYPOINT(1)自動(dòng)設(shè)置為1)
KEYPOINT(4) 0——單元坐標(biāo)系平行于整體坐標(biāo)系
1——單元坐標(biāo)系沿單元I-J 一側(cè)
KEYPOINT(5) 0 ——基本單元解
1 ——在所有積分點(diǎn)上重復(fù)基本解
2——節(jié)點(diǎn)應(yīng)力解
KEYPOINT(6) 0——基本單元解
1——附帶表面I-J-N-M 的表面解
2——表面I-J-N-M 和表面K-L-P-O 的表面解(表面解只對(duì)線性材料可用)
3 ——附帶每個(gè)積分點(diǎn)的非線性解
4 ——非零壓力表面的表面解
KEYPOINT(9) 0——沒(méi)有提供初始應(yīng)力的用戶(hù)子程序(默認(rèn)情況)
1——從用戶(hù)子程序中讀入初始應(yīng)力數(shù)據(jù)
④輸出數(shù)據(jù)
與單元結(jié)果相聯(lián)系的結(jié)果輸出主要有兩種方式:
(1) 節(jié)點(diǎn)位移和所有節(jié)點(diǎn)結(jié)果。
(2) 結(jié)果輸出表中給出的附加的單元輸出。
單元應(yīng)力方向平行于單元坐標(biāo)系.表面應(yīng)力輸出是在表面坐標(biāo)系且可以在任何表面(KEYPOINT(6)。
SOLID45 單元的結(jié)果輸出
⑤假定和限制
體積等于0 的單元是不允許的。同時(shí),單元也不允許扭曲,以至于形成兩個(gè)體。所有單元必須具有8 個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)將K和L重合,O和P節(jié)點(diǎn)重合,可以定義出棱形單元。四面體單元當(dāng)然也可以作出的。這些退化單元的形函數(shù)自然會(huì)退化。
3.5 本章小結(jié)
本章概述了幾何建模軟件Pro/E的發(fā)展歷程、基木功能和幾何建模的簡(jiǎn)化，應(yīng)用ANSYS對(duì)車(chē)架網(wǎng)格劃分，并對(duì)有限元分析要采用的實(shí)體單元Solid 45進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。以解放CA1093長(zhǎng)頭汽油載貨汽車(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，以有限元的基本理論為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用Pro/E和ANSYS軟件建立了基于實(shí)體單元的車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元模型，為將實(shí)體單元應(yīng)用于車(chē)架結(jié)構(gòu)分析做好了準(zhǔn)備。
第4章 車(chē)架有限元的靜力及模態(tài)分析
車(chē)輛是運(yùn)輸機(jī)械，在工作過(guò)程中總是受到來(lái)自各個(gè)方面載荷的作用。車(chē)架作為汽車(chē)承載的主要部件一方面要承受發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、水箱、底盤(pán)和牽引貨物等的重量，另一方面還要承受汽車(chē)行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩的作用。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，要行駛和經(jīng)過(guò)各種路面工況，如：一個(gè)車(chē)輪跳過(guò)臺(tái)階上或一個(gè)車(chē)輪駛過(guò)路面上的坑洞等。在上述各種行駛工況下，都會(huì)產(chǎn)生新的附加載荷并作用于車(chē)架上，因此車(chē)架就必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)承受作用于其上的各種載荷。當(dāng)動(dòng)載荷很小時(shí)，可以忽略不計(jì)，只需要進(jìn)行靜力分析；當(dāng)動(dòng)載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時(shí)，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振，從而產(chǎn)生很大的變形，破壞車(chē)輛的性能，此時(shí)僅僅進(jìn)行靜力分析是不夠的，還必須進(jìn)行模態(tài)分析。若車(chē)架的強(qiáng)度和剛度達(dá)不到要求則會(huì)造成車(chē)架開(kāi)裂等各種損壞現(xiàn)象的發(fā)生，輕則影響汽車(chē)的正常行駛，重則造成嚴(yán)重的交通事故，因此車(chē)架的強(qiáng)度和剛度不僅關(guān)系到車(chē)輛能否正常行駛，同時(shí)還關(guān)系到整車(chē)的安全性好壞為了考察所研究車(chē)架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，本章對(duì)其結(jié)構(gòu)靜力性能和動(dòng)力性能進(jìn)行分析與研究。
4.1 車(chē)架靜力分析
靜力分析是計(jì)算在固定不變載荷作用下的結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及反力等的大小，即討論結(jié)構(gòu)受到外力后的變形、應(yīng)力和應(yīng)變，以便對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，保證結(jié)構(gòu)既安全、正常工作，又符合經(jīng)濟(jì)性的要求。
車(chē)輛在行駛中車(chē)架承受的載荷很多，車(chē)架受到的載荷主要有彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷等幾種。其中彎曲載荷主要是由車(chē)身、車(chē)載設(shè)備、乘客和貨物等的質(zhì)量在重力作用下產(chǎn)生，彎曲工況下汽車(chē)四輪均著地；扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生于路面不平度對(duì)車(chē)身造成的非對(duì)稱(chēng)支承；另外還有側(cè)向和縱向載荷的沖擊，側(cè)向載荷主要是由汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力作用而產(chǎn)生的；縱向載荷則是由于汽車(chē)在加速、制動(dòng)時(shí)的慣性力的作用而產(chǎn)生的。本文分別對(duì)四種工況進(jìn)行分析。
4.1.1 車(chē)架受力情況
汽車(chē)靜止時(shí)，車(chē)架只承受鋼板彈簧以上部分的載荷，它由于車(chē)身和車(chē)架的自身質(zhì)量、車(chē)架上各總稱(chēng)與附件質(zhì)量及有效載荷組成，其總和稱(chēng)之為靜載荷。
由于客觀條件的限制，只施加部分作用在車(chē)架上的載荷，其中發(fā)動(dòng)機(jī)總成560kg，駕駛室及成員3人700kg,油箱及燃油130kg，車(chē)廂以及貨物載荷共6000kg。駕駛室和成員的重量以均布載荷施加在車(chē)架的前部，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量放置在發(fā)動(dòng)機(jī)前置橫梁和后置橫梁，載荷分布在三個(gè)面上，貨物和車(chē)廂的重量以均布載荷施加在車(chē)架的后半部分上。
4.1.2 車(chē)架結(jié)構(gòu)靜力分析工況及約束處理
進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，模型的約束方式必須滿(mǎn)足的條件是：保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生剛體位移，也就是說(shuō)必須有足夠的自由度約束，以保證結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為滿(mǎn)秩矩陣，從而使整體剛度方程有唯一解。車(chē)架所使用的材料為16Mn鋼，其材料特性如下：彈性模量E=2.12e5MPa、泊松比0.31、密度7.870kg/m、抗拉強(qiáng)度為510~660MPa、屈服極限為350 MPa。
下面就分別對(duì)四種工況進(jìn)行分析。
① 彎曲工況
彎曲工況是模擬在滿(mǎn)載狀態(tài)下、四輪著地時(shí)汽車(chē)在良好路面勻速直線行駛或靜止的狀態(tài)。打開(kāi)ANSYS軟件，完成材料定義和網(wǎng)格劃分工作，進(jìn)行約束處理。彎曲工況約束的施加與實(shí)際情況相符，在鋼板彈簧和車(chē)架連接的鉚釘孔處施加面位移，操作步驟：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Displacement>On Areas 如圖所示：
圖4.1 約束的施加
選取要施加約束的面，點(diǎn)擊OK，完成約束處理。
完成約束處理后，需要施加載荷了，操作步驟：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Pressure>On Areas,選取要施加的面，加完載荷如圖所示：
圖4.2 施加載荷
設(shè)置分析類(lèi)型為靜態(tài)分析，操作步驟：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis命令；選取Static，點(diǎn)擊OK按鈕，選擇靜態(tài)分析。
在完成上述步驟后就開(kāi)始求解，操作步驟：Main Menu>Solution>Solve>Current LS；
在完成結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算后，采用ANSYS提供的通用后處理模塊就可以方便、直觀地觀察有限元分析的結(jié)果。操作步驟：Main Menu>Genneral Postproc>Plot Results>
Contour Plot>Nodal Solu, 選擇應(yīng)力Stress>von Mises選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK按鈕。如圖所示：
圖4