ANSYS对轻型汽车车架的有限元分析

2016-10-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

车架作为非承载式车身结构的主要承载部件,要承担汽车的大部分载荷,其性直接关系到整车性能的好坏。车架的性能主要取决于车架在静态载荷和动态载荷下的响应情况,因此对车架进行静、动态响应分析不仅可以评价车架自身的性能,而且还可以作为整车的行驶平顺性等性能的评价指标。其结果还可以为车架的优化设计和结构改进提供理论依据。本文运用UG软件建立农用三轮车车架零部件及总成三维模型,并运用UG或相关软件对车架进行有限元的强度分析。车架的静态特性和动态特性方面作了如下研究:

对车架及其载荷进行了适当简化,在绘图软件UG中建立了车架的三维模型,利用UG的高级仿真模块将三维模型导入,进行了有限元网格的划分。对应车架在扭转和弯曲两种工况,施加相应的边界条件和载荷条件,进行了静态响应分析,找出了车架结构中的薄弱部位。在计算得到的车架模态的基础上,研究了车架在路面上动态响应情况,选取了车架上的驾驶室安装点、发动机支架点和货箱支撑点等关键点作为响应输出,得出了个关键点的动态应力分布和动态位移情况。

本文的研究结果为研究整车振动、疲劳和噪声等问题奠定了基础,并可对厂家的生产实践具有指导意义。

1 绪论1.1 概述

目前国内外汽车市场的竞争日益激烈,使得汽车产品的开发周期由原来的几年缩短到十几个月,这对于设计阶段准确的进行汽车各种性能预测提出了很大挑战。利用现代CAD/CAE技术进行汽车新产品的开发,是现代汽车企业开发新的汽车产品的重要手段之一,它可以在新产品的开发设计阶段预测、评估汽车的各种性能,为产品的开发成功提供了一定的保障。利用有限元方法可以在汽车的三维设计阶段对车架的强度、刚度、疲劳寿命和动态特性进行准确的分析和预测,并进行优化,指导设计工程师对产品进行优化设计。汽车车架作为汽车总成的一部分,承受着来自道路及装载的各种复杂载荷作用,而且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体,因而,车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得非常重要。基于此,本论文建立了车架的有限元模型,对车架的强度、刚度、疲劳寿命等进行了分析,由于车架实际结构复杂,通常建立有限元模型时需要对实际车架结构进行各种简化,然而如果假设不当,就会造成分析结果不能满足工程实际的需要,因此对车架结构分析的要求特别高。本论文建立了可信赖的车架的有限元模型,然后利用车架的有限元模型对车架进行了模态分析、静态强度分析,刚度分析,疲劳强度分析和碰撞分析,最后进行拓扑优化,使车架的设计满足使用要求。

1.2 有限元法在国内、外汽车分析方面的应用和发展概况

有限单元法是一种很有效的数值计算方法,它能对工程实际中几何形状不规则,载荷和支承情况复杂的各种结构进行变形计算、应力分析和动态特性分析。有限单元法的基本思想是:把一个连续的弹性体化分成有限多个彼此只在有限个节点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究。也就是用一个离散结构来代替原来的结构,作为真实结构的近似力学模型。以后所有的分析计算就在这个离散的结构上进行。有限元法之所以能够求解结构任意复杂的问题,并且计算结果可靠、精度高,其中原因之一在于它有丰富的单元集,能够适应各种结构的简化。对于结构分析而言,常见的结构类型包括梁单元、板单元、曲壳单元、管单元、弹簧单元等,从而使我们能够非常方便的用有限元模型来描述分析模型。2“有限元法”这一名称是1960年美国的Clough R W在一篇名为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。40年来,有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题,分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。由于计算机的飞速发展,使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。特别是从80年代开始,随着我国计算机技术的快速发展,国外先进的计算软件也开始引进我国,我国的有限元分析已经进入实用阶段,有限元法的应用己经从弹性力学平面问题扩展到了空间问题、板壳问题;从静力平衡问题扩展到了塑性、粘性、粘塑性和复合材料问题等;从固体力学扩展到了流体力学、传热学、电磁学、声学、振动学等连续介质领域。

实际上,有限元法发展到了今天,已发展的较为完善,它已经被认为是工程分析中最强有力而又最通用的计算方法,其应用范围很广,并且由于实践性强而具有强大的生命力。利用有限元法进行结构分析,实质上也是一种“计算机的数值实验”,它不仅使过去无法进行运算的课题获得数值解,而且逐渐代替某些成本高、时间长的常规试验。有限元分析法在汽车中的应用非常广泛,概括起来主要有以下几个方面:汽车结构的强度、刚度计算;结构的模态分析;汽车整车性能分析;传热分析;汽车动力学分析;汽车结构噪声分析;汽车被动安全分析等。因此有限元分析方法在汽车中有着广泛的应用范围,它不仅可以用来分析已经成型的汽车产品的性能,也可以应用于产品开发过程中汽车的性能分析,为汽车设计提供依据和指导。

车架是汽车的承载体,不仅承担发动机、底盘和牵引货物的质量,而且还要承受汽车行驶过程中所产生的各种力和力矩。因此,其强度不仅关系到整车能否正常行驶,而且还关系到整车安全性。对车架设计的要求是:在保证足够的强度、刚度和稳定性下,尽可能达到质量轻、形状合理,并最大限度地减缓过渡区的应力集中。

近年来,国内外学者对车架的有限元分析进行了大量的研究,取得了大量的研究成果。Ao, Kazuo等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍。郑兆昌等人应用大型结构软件SAP.SP对车车架进行了动态分析。提出了利用车架模态分析结果直接对结构动态特性进行评价的方法。早期的车架有限元模型多把车架简化为简支梁,但对于一些低合金钢板冲压成型或槽钢,工字钢等制作的车架,这种模拟方法存在许多不足之处,无法反映车架纵梁和横梁的连接情况,难以准确计算车架构建结合部的应力,计算结果只是各节点的应力情况,且计算精度较低。板壳单元模型用板壳单元将车架的纵、横梁及连接板进行离散化,这种结构单元准确的描述了形状复杂的车架结构,大大提高了有限元分析的精度,能够处理连接部位的应力问题,但是这种模型单元与节点数目众多,前处理工作量大,计算速度慢。板壳单元模型适用于对车架分析精度要求较高的场合,采用板壳单元建立的车架有限元模型板壳之间的焊接及螺栓连接的模拟形式对于汽车车架结构的分析结果有较大的影响,如何处理焊点模拟与螺栓连接是很关键的问题。

汽车车架结构参数优化设计是汽车工业近些年的重要研究领域。汽车车架是汽车结构件中结构与载荷都很复杂的重要部件,也是人们首先开展结构分析和结构优化设计研究的对象。吉林工业大学的黄金陵曾在对影响车架结构强度和刚度的因素进行了理论分析基础上,运用惩罚函数法寻得了汽车车架各梁截面参数的最佳值,但是由于影响汽车车架结构强度和刚度的因素很多,如纵梁及横梁的布置;各梁所采用的截面形状和尺寸;纵、横梁联接接头的型式等等。再者,车架结构和载荷都比较复杂,难以形成较好的数学模型,因此该文作者并未对车架进行全面分析,这势必影响结果的可靠性。河北工学院的冯国胜曾经在有限元分析的基础上,采用复合形法和惩罚函数法对汽车车架结构参数进行了实例优化计算,优化的设计变量也只涉及到了截面的参数,并未考虑到同样比较重要的布置参数。

1.3 本文研究的主要内容

车架作为汽车的承载基体,支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、货厢等所有簧上质量的有关机件,承受着传给它的各种力和力矩。为此,车架应有足够的弯曲刚度,以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小;车架也应有足够的强度,以保证其有足够的可靠性和寿命,纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声,也使汽车的乘座舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大,否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差,使通过性变坏。考虑到客车在国内的具体使用情况在可能的情况下,车架的设计还应考虑易于吸收撞击的结构。

车架作为汽车的基础部件,受力状态、结构较复杂,无法用简单的数学方法对其各部分的应力状态进行分析计算,而采用有限元分析即可对车架的静强度、振动模态进行较为准确的分析,从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。

本课题就是有限元分析方法在汽车车架改进设计方面的具体应用,主要目的就是掌握UG绘图软件的使用,并对该车车架进行抗弯静载强度测试,以根据实验结果修正有限元计算模型。利用有限元分析软件对车架的强度进行计算分析,为车架的计算机设计及结构修改提供依据。UG软件建立车架的几何模型,并且针对于该车车架,通过NX.NASTRAN大型结构分析通用有限元软件对该车车架进行静态、模态分析。主要通过以下步骤完成:

1) 通过UG等软件建立轻型汽车车架总成的三维几何数学模型

2) 划分有限元单元

3) 设定约束条件和承载情况

4) 对不同工况下车架的强度和刚度进行计算

5) 根据计算结果进行分析,提出改进意见

在以上步骤中,第2,3,4步是核心步骤,第1步是最重要的准备工作。

2 有限元的基本理论

有限元方法是结构分析的一种数值计算方法,它在 50 年代初期随着计算机的发展应运而生,并得到广泛应用。这一方法的理论基础牢靠,物理概念清晰,解题效率高,适用性强,目前已成为机械产品动、静、热特性分析的重要手段,它的程序包是机械产品计算机辅助设计常用方法库中不可缺少的内容之一在当前科学技术及生产技术发展日新月异的情况下,市场的需求是瞬息多变的,机械产品以多品种、小批量生产为主,这就要求新产品设计、制造周期短,质量高,成本低,具有较强的竞争能力。传统的设计方法已越来越适应不了发展的需要。因此,近 20 年来,由于计算机的应用,正在设计领域中进行着一场深刻的革新,如用理论设计代替经验设计,用精确设计代替近似设计;用优化设计代替一般设计,用动态分析代替静态分析等等,而有限元方法为在设计阶段掌握产品性能提供了强有力的工具。可以认为有限元计算是利用计算机对机械产品动、静、热特性进行了模拟试验。随着计算机及计算技术的发展,机械产品设计必然进入到一个新的阶段。国外机械产品设计已进入计算机辅助设计及自动设计时代,目前它正以有限元—优化设计为中心不断地向前发展。有限元方法是数值计算中的—种离散化方法,用数学术语来说,就是从变分原理出发,通过分区插值把二次泛函(能量积分)的极值问题化为一组多元线性代数方程来求解。人们知道,直接从一个微分方程推导出它的泛函,常常是很复杂的,有时甚至是不可能的,所以在求泛函时常借助于所研究问题的物理特性。诸如金属切削机床这类机械产品的刚性问题,属于小变形弹性问题,因而弹性力学中的最小位能原理提供了极大的方便。从物理或几何概念来说,有限元方法是结构分析的一种计算方法,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用,其基本思路是将弹性连续体划分成有限数量的小单元体,它们在有限多个节点上相互连结。在一定精度要求下,对每个单元用有限多个参数来描述它的力学特性,而整个连续弹性体的力学特性,可认为是这些小单元体力学特性的总和,从而建立起连续体的力的平衡关系。

2.1 有限元法分析过程

有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。

有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地将其描绘为:“有限元法=Rayleigh-Ritz法+分片函数”,即有限元法是Rayleigh-Ritz法的一种局部化情况。不同于求解(往往是困难的)满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh-Ritz法,有限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数),且不考虑整个定义域的复杂边界条件,这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。

对于不同物理性质和数学模型的问题,有限元求解法的基本步骤是相同的,只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为:

第一步:问题及求解域定义

根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

第二步:求解域离散化

将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域,习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好,计算结果也越精确,但计算量及误差都将增大,因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

第三步:确定状态变量及控制方法

一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示,为适合有限元求解,通常将微分方程化为等价的泛函形式。

第四步:单元推导

对单元构造一个适合的近似解,即推导有限单元的列式,其中包括选择合理的单元坐标系,建立单元试函数,以某种方法给出单元各状态变量的离散关系,从而形成单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。

为保证问题求解的收敛性,单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言,重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如,单元形状应以规则为好,畸形时不仅精度低,而且有缺秩的危险,将导致无法求解。

第五步:总装求解

将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组),反映对近似求解域的离散域的要求,即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行,状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。

第六步:联立方程组求解和结果解释

有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量,将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。

简言之,有限元分析可分成三个阶段,前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型,完成单元网格划分;后处理则是采集处理分析结果,使用户能简便提取信息,了解计算结果

2.2 有限元法的程序实现

从使用有限元程序的角度来讲,有限元分析可分为前处理、计算和后处理三大步。

前处理是对计算对象网格划分、形成计算模型的过程。包括单元类型的选择,结构的材料特征参数的确定,实体建模,节点和单元网格的确定,边界条件或约束条件及载荷的移置等。许多商用有限元软件不仅提供了与主流CAD系统的接口,自己本身也又很好的实体建模性能,有限元软件都提供了一种以上的网格划分方法,以供使用者根据计算要求进行选择。计算是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到节点位移的过程。由于商用软件已经针对多种模型进行过验证运算,因此只需要按照提示输入各种条件,包括收敛的方法(在软件中,这常被称为求解器)等,计算机就可以进行计算,得到计算结果。

后处理是对计算结果(应力、应变或振型等)的整理,形成等应力线、变形图、振型图等,以及结果的输出。

3 建模和有限元软件的选择

在本文的研究中,使用的是目前国际上最为通用的商用绘图软件Unigraphics Solutions(简称UGS)绘图软件和UGS的内部高级仿真模块NX. Nastran.

3.1 UG的CAD功能简介

本课题应用的是Unigraphics Solutions(简称UGS)绘图软件和 The MSC.Software Corporation(简称 MSC)有限元分析软件。

美国Unigraphics Solutions公司(简称UGS )的产品主要有为机械制造企业提供包括设计、分析到制造应用的Unigraphics(简称UG )软件,基于Windows的设计与制图产品solidedge,集团级产品数据管理系统iMAN、产品可视化技术ProductVision以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心parasolid在内的产品。

UG软件在航空航天,汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。多年来,UGS公司一直在支持美国通用汽午公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目,同时UG也是日木著名汽车零部件制造商DFNSO公司的计算机应用标准,并在全球汽车行业得到了应用,如Navistar,底特律柴油机厂、Winnebago和Rorbert Bosch AG等。

UGS公司的产品同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费品等行业,如3M, Will-Pemco, Biomes. Zirnmer、飞利浦公司、吉列公司、Timex, Eureka和Arctic Cat}等。

UGS公司进入中国已经有16个年头了,在中国的业务有了很大的发展,中国己成为远东业务增长最快的国家。2000年来UGS公司在中国的用户已超过800家,装机量达到3500多台。

随着我国计算机二维绘图技术的逐步普及,以三维实体建模为基础的计算机辅助零件设计、装配设计、运动分析、有限元分析、数控加工仿真与编程等方面的需求正在快速增长,很多工程设计人员已开始从使用二维CAD系统转向使用三维CAD系统。可以相信,三维CAD系统必将逐步取代二维CAD系统而成为计算机辅助设计与分析的工具,掌握这一主流工具将迅速成为对工程设计人员的基本要求之一。

UG为最好的工业设计软件包括一个灵活的复合建模模块以及功能强大的逼真照相的渲染,动画和快速的原型工具,复合建模让用用户可在建模方法中选择;创建实体(Solid ),曲面 (surface )、线框(Wireframe)及其于特征的参数化建模。

在本次建模中,主要用到的是实体建模部分,即Solid Modeling,下面概述实体建模部分(Solid Modeling)的基本功能

实体建模 (Solid Modeling)

UG/Solid Modeling是所有其它几何建模产品的基础。

u 实体操作

1.利用实体体素∶块,圆柱,圆锥,球;

2.布尔操作∶求和,求差,求交;

3.显示的面编辑命令∶移动,旋转,删除,偏置,代替几何体;

4.从拉伸和旋转草图外形生成实体;

5.为高级的相关定位的基准平面和基准轴。

u 片体和实体集成

1.缝合片体到实体;

2.分割和修剪实体允许转换片体形状到实体;

3.从实体表面抽取片体。

u 特征编辑

1.编辑和删除特征∶参数化编辑和重定位;

2.特征抑制,特征重排序,特征插入。

u 特征建模 (Feature Modeling)

特征建模设计可以以工程特征术语定义,而不是低水平的CAD几何体。特征被参数化定义为基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑, 主要特征:

1.面向工程的成形特征-键槽,孔,凸垫,凸台、腔-捕捉设计意图和增加生产率;

2.特征引用阵列-矩形和圆形阵列-在阵列中,个别的和所有特征是与主特征相关的。

u 倒圆和倒角

1.固定和可变的半径倒圆;

2.能够倒角任一边缘;

3.设计的徒峭边缘倒圆不适合完全的倒圆半径但仍然需要倒圆。

u 高级建模操作

1.轮廓可以被扫描,拉伸或旋转形成实体;

2.高级的挖空体命令在几秒钟内使实体变成薄壁设计。如果需要,内壁拓扑将不同于外壁;

3.对共同的设计元素的用户定义特征User- Defined Features。

u 自由形状建模

UG/Freeform Modeling用于设计高级的自由形状外形,或直接在实体上,或作为一独立的片体,除了它们不必闭合空间体积外,类似于实体。

片体建模完全与实体建模集成并允许自由形状独立建立之后作用到实体设计。许多自由形状建模操作可以直接产生或修改实体。自由形状片体和实体与它们定义的几何体相关,允许重访早期设计决策及自动更新下游工作。

1.自由形状构造

功能强大的构造方法组∶直纹,扫描,过曲线,网格曲面,点,偏置曲面;自由形状可以定义以光顺通过多于外形;定义外形尖形拐角并可以包含不同数量的曲线, 外形可以由线框, 实体边缘, 或也可以是草图, 结果是参数化的自由形状;二次锥曲面与圆角;固定与可变半径圆角曲面。

2.操纵自由形状

可以编辑定义的参数;数学参数(如rho或公差)及构造几何体可以重定义;通过下列任一方式直接操纵自由形状∶控制多边形、改变曲面阶数、曲面上点、边缘[23]。

3. 2 UG5.0 高级仿真模块介绍

高级仿真是一种综合性的有限元建模和结果可视化的产品,旨在满足资深分析员的需要。高级仿真包括一整套预处理和后处理工具,并支持多种产品性能评估解法。

高级仿真提供对许多业界标准解算器的无缝、透明支持,这样的解算器包括 NX Nastran、MSC Nastran、ANSYS 和 ABAQUS。例如,如果您在高级仿真中创建网格或解法,则指定您将要用于解算模型的解算器和您要执行的分析类型。本软件然后使用该解算器的术语或“语言”及分析类型来展示所有网格划分、边界条件和解法选项。另外,您还可以解算您的模型并直接在高级仿真中查看结果;不必首先导出解算器文件或导入结果。

高级仿真提供设计仿真中可用的所有功能,还支持高级分析流程的众多其它功能。

* 高级仿真的数据结构很有特色,例如具有独立的仿真文件和 FEM 文件,这有利于在分布式工作环境中开发 FE 模型。这些数据结构还允许分析员轻松地共享 FE 数据,以执行多种分析。

* 高级仿真提供世界级的网格划分功能。本软件旨在使用经济的单元计数来产生高质量网格。高级仿真支持补充完整的单元类型(1D、2D 和 3D)。另外,高级仿真使分析员能够控制特定网格公差,这些公差控制着(例如)软件如何对复杂几何体(例如圆角)划分网格。

* 高级仿真包括许多几何体抽取工具,使分析员能够根据其分析需要来量身定制 CAD 几何体。例如,分析员可以使用这些工具提高其网格的整体质量,方法是消除有问题的几何体(例如微小的边)。

* 高级仿真中专门包含有新的 NX 热解算器和 NX 流解算器。

o NX 热解算器是一种完全集成的有限偏差解算器。它允许热工程师预测承受热载荷的系统中的热流和温度。

o NX 流解算器是一种计算流体动力学(CFD)解算器。它允许分析员执行稳态、不可压缩的流分析,并对系统中的流体运动预测流率和压力梯度。

您可以使用 NX 热和 NX 流一起执行耦合热/流分析。

3.3 求解器MSC.NASTRAN功能简介

作为世界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件,MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工业应用领域,并为用户提供了方便的模块化功能选项,MSC.NASTRAN的主要功能模块有:基本分析模块(含静力,模态,屈曲,热应力,流固耦合及数据库管理等),动力学分析模块,热传导模块,非线性分析模块,气动弹性分析模块,DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。除模块化外MSC.NASTRAN还按解题规模分成1000节点到无限节点,用户引进时可根据自身的经费状况和功能需要灵活的选择不同的模块和不同的解题规模,以最小的经济投入取得最大效益。MSC.NASTRAN及MSC的相关产品拥有统一的数据库管理,一旦用户需要可方便地进行模块或解题规模扩充,不必有任何其他的担心。下面就是MSC.NASTRAN不同的分析方法、加载方法、数据类型等功能做进一步的介绍:

1.静力分析

静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段,主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷(如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等)作用下的响应,并得出所需节点的位移、节力点、约束(反)力、单元内力、单元应力和应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。MSC.NASTRAN支持全范围的材料模式,包括:均质各向同性材料,下交各向异性材料,各向异性材料,随温度变化的材料,方便的载荷与工况组合单元上的点、线和面载荷、热载荷、强迫位移、各种载荷的加权组合,在前后处理程序MSC.PATPAN中定义时,可把载荷直接施加于几何体上。

a.具有惯性释放的静力分析

此分析考虑结构的惯性作用,可计算无约束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生准静态响应。

b.非线性静力分析

在静力分析中除线性外,MSC.NASTRAN还可处理一系列具有非线性属性的静力问题,主要分为几何非线性,材料非线性及考虑接触状态的非线性如塑性、蠕变、大变形、大应变和接触问题等。

2.屈曲分析

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷,MSC.NASTRAN中屈曲分析包括:线性屈曲和非线性屈曲分析。线弹性屈曲分析又称特征值屈曲分析;线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷,也可以用惯性释放;非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析,弹塑性失稳分析,非线性后屈曲(Snap-through)分析。在算法上,MSC.NASTRAN特征值抽取算法可精确地判别出相应地失稳临界点。该方法较其它有限元软件中所使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可靠性。

3.动力学分析

结构动力学分析是MSC.NASTRAN的主要强项之一,它具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。结构动力分析不同于静力分析,常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响,同时还可以考虑阻尼及惯性效应的作用。

全面的MSC.NASTRAN动力学分析功能包括:正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。针对于中小及超大型问题不同的解题规模,用户可选择MSC.NASTRAN不同的动力学方法以求解。

4.非线性分析

实际工程问题中,很多结构响应与所受的外载荷并不成比例。由于材料的非线性,在结构中可能会产生大的位移、大转动,或多个零件在载荷作用下时而接触时而分离。要想更精确地仿真实际问题,就必需考虑材料和几何、边境和单元等非线性因素。MSC.NASTRAN强大的非线性分析功能为设计人员有效地设计产品、减少额外投资提供了一个十分有用的工具。

很多材料在达到初始屈服极限时往往还有很大潜力可挖,通过非线性分析工程师可充分利用材料的塑性和韧性。薄壳结构或橡胶一类超弹性体零件在小变形时受到小阻力,当变形增加时阻力也会随之增大,所有这些如果用线性分析就不能得到有效的结果。类似地,非线性分析还可解决蠕变问题,这点对于高聚合塑性和高温环境下的结构件尤为有用。接触分析也是非线性分析一个很重要的应用方面,如轮胎与道路的接触、齿轮、垫片或衬套等都用到接触分析。

MSC.NASTRAN非线性分析功能包括:几何非线性分析、材料非线性分析、非线性边界(接触问题)、非线性瞬态分析等。

5.热传导分析

热传导分析通常用来校验零件在热边界条件或热环境下的产品特性,利用MSC.NASTRAN可以计算出结构内的热分布状况,并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。用户可通过改变发热元件的位置、提高散热手段、或绝热处理或用其它方法优化产品的热性能。

MSC.NASTRAN提供广泛的温度相关的热传导分析支持能力。基于一维、二维、三维热分析单元,MSC.NASTRAN可以模拟包括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内所有的热传导现象,并真实地仿真各类边界条件,构造各种复杂的材料和几何模型,模拟热控系统,进行热—结构耦合分析。

6.空气动力弹性及颤振分析

气动弹性问题是应用力学的分支,涉及气动、惯性及结构力间的相互作用,在MSC.NASTRAN中提供了多种有效的解决方法。众所周知的飞机、直升机、导弹、斜拉桥及至高耸的电视发射塔、烟囱等需要气动弹性方面的计算。

MSC.NASTRAN的气动弹性分析功能主要包括:静态和动态气弹响应分析、颤振分析及气弹优化。

7.流—固耦合分析

流-固耦合分析主要用于解决流体(含气体)与结构之间的相互作用效应。MSC.NASTRAN中拥有多种方法求解完全的流—固耦合分析问题,包括:流—固耦合法、水弹性流体单元法、虚质量法。

8.多级超单元分析

超单元分析主要是通过把整体结构分化成很多小的子部件来进行分析,即将结构的特征矩阵(刚度、传导率、质量、比热、阻尼等)压缩成一组主自由度类似于子结构方法,但较其相比具有更强的功能且更易于使用。子结构可使问题表达简单、计算效率提高、计算机的存储量降低。超单元分析则在子结构的基础上增加了重复和镜像映射和多层子结构功能,不仅可单独运算而且可与整体模型混合使用,结构中的非线性与线性部分分开处理可以减小非线性问题的规模。应用超单元工程师仅需对那些所关心的受影响大的超单元部分进行重新计算,从而使分析过程更经济、更高效,避免了总体模型的修改和对整个结构的重新计算。

多级超单元分析是MSC.NASTRAN的主要强项之一,适用于所有的分析类型,如线性静力分析、刚体静力分析、正则模态分析、几何和材料非线性分析、响彻云霄应谱分析、直接特征值、频率响应、瞬态响应分析、模态综合分析(混合边界方法和自由边界方法)、设计灵敏度分析、稳态、非稳态、线性、非线性传热分析等。

9.高级对称分析

针对结构的对称、反对称、轴对称或循环对称等不同的几何特点,MSC.NASTRAN提供了不同的算法。类似超单元分析,高级对称分析可大大压缩大型结构分析问题的规模,提高计算效果。

10.设计优化分析

11.复合材料分析

12.P单元及H、H—P自适应

13.MSC.NASTRAN的高级求解方法

MSC.NASTRAN能有效地求解大模型,其稀疏矩阵算法速度快而且占有磁盘空间少,内节点自动排序以减小半带宽,再启动能利用以前计算的结果。

并行计算以及线性静力,正则模态分析,模态及直接频率响应分析的分布式并行计算极大地提高分析速度,复特征值问题速度提高3倍以上,虚拟质量计算速度提高2倍以上,静力气弹分析(SOL144)速度提高30%以上

44 车架三维模型的建立

车架的模型是用CAD绘图软件UG建立的。具体步骤如下:

4.1 绘制纵梁

纵梁我是采用沿引导线扫略这个功能完成的。由于给定了二维图形,故在建模模式下,用草图功能,在草图xc - yc , yc - zc平面上分别画出车架纵梁的某一条外沿线在主视图和俯视图的投影,然后完成草图,在建模(Modeling)中拉伸成片体,并使两个片体相交,求交线,由此得到车架纵梁的轮廓线外沿线,并用相同的方法得到车架纵梁的四条外沿线。画出截面形状,再进行扫掠,这样车架前端纵梁的绘制,最后将内外槽钢布尔运算加和,形成一体。如图:

由于采用的是三位投影的逆向操作的到的交线,即纵梁的外沿线,生成的空间曲线有两个片体相交的到,则该曲线必然连贯。又由于曲线的生成是完全按照设计图纸的到的,得到的纵梁即为设计师要求达到的理想形状。

4.2 绘制支架

建立基准平面,再该基准平面上用草图功能画出支架的平面形状。退出草图,使用建模的拉伸功能,拉出实体模型。然后再用边倒角导出形状,支架的形状便出来了。最后进行布尔运算求和,使之与车架纵梁连为一体。如图:

图2.3 纵梁上的支架

4.3 绘制横梁

圆柱形的横梁用软管功能即可实现。先做出引导线,即圆柱形横梁的中心线,在用软管功能生成圆柱体横梁,再与纵梁托架布尔运算加和,形成一体。结构较复杂的横梁,则需要在钣金状态下做出草图,形成薄板。再充分利用折弯,冲孔和展开功能。对于空间曲面则还要用扫略来做出。弯边后还要进行钣金裁减,比较复杂。

图2.4 横梁托架

4.4 完成模型

把所有绘图中使用的曲线和平面都移到一个不用的图层,并将之隐藏。最后得到一个完整的模型

图2.6 车架模型

5 车架的静态分析5.1 力学模型的选择

有限元分析的基本思想,是用一组离散化的单元组集,来代替连续体结构进行分析,这种单元组集体称之为结构的力学模型;如果已知各个单元体的力和位移(单元的刚度特性),只需根据节点的变形连续条件与节点的平衡条件,来推导集成结构的特性并研究其性能。有限元的特点是始终以矩阵形式来作为数学表达式,便于程序设计,大量工作是由电于计算机来完成,只要计算机容量足够,单元的剖分可以是任意的,对于任何复杂的几何形状,多样化的载荷和任意的边界条件都能适应。然而,由于有限元是一种数值分析方法,计算结果是近似解,其精度主要取决于离散化误差。如果结构离散化得恰当,单元位移因数选取得合理,随着单元逐步缩小,近似解将收敛于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析工作的第一步。

目前采用有限元分析模型一般有如下两种:梁单元模型和组合模型等。梁单元模型是将车架结构简化为由一组两节点的梁单元组成的框架结构.以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性。其优点是:划分的单元数目和节点数目少,计算速度快而且模型前处理工作量不大,适合初选方案。其缺点是:无法仔细分析车架应力集中间题,因而不能为车架纵、横梁连接方案提供实用的帮助。组合单元模型则是既采用梁单元也采用板壳单元进行离散。在实际工程运用中,由于车架是由一系列薄壁件组成的结构,且形状复杂,宜离散为许多板壳单元的组集,其缺点是前处理工作量大,计算时间长,然而随着计算机技术的不断发展,这个问题已得到了较好的解决,而且由于有大型有限元软件支撑,巨大的前处理工作量绝大部分可由计算机完成,也不是制约板壳元模型实际运用的因难了。这种模型使得对车架的分析计算更为精确,能为车架设计提供更为有利的帮助。

5.2 车架的计算方法

汽车车架的主要结构形式为边梁式车架,货车车架纵梁截面多为槽形,横梁截面可为槽形、闭口矩形或圆管。纵梁和横梁的联结方式有焊接、铆接和螺栓联结等。其联结接头几何形状各异,应力分布复杂。根据是否考虑接头的真实形状,边粱式车架的结构计算方法可分为两大类:

1)不考虑接头形状

有最小变形能法、Erz法、传递矩阵法和空间梁有限元法。其不足之处于下列几点:

忽略了接头的柔度.而它对车架变形和杆端力矩的计算却很有影响;

无法确切计算接头区域的应力分布.而这对于车架的设计和优化却很重要;

只用梁单元,不能反映设计的修改,如接头形状和连接形式的改变。

2)考虑接头形状

有完全法和混合法。完全法用板壳单元来离散整个车架,可用于纵梁并不均匀平直的刚架,缺点是用的单元和自由度数目庞大。且计算的前后处理工作量大;混合法是交替使用了有限元和矩阵立法。

5.3 等效载荷的简化

计算结果的真实值与可信性程度如何与模型的建立、载荷的简化有直接的关系。早期的车架强度计算是将车架简化为简支梁,只做弯曲强度的校核。随着有限元的发展和推广,国内汽车行业已将有限元法应用于车架的强度计算,但货箱与车架相连的部分,应力的计算值与货箱和车架之间等效载荷和相互刚度关系简化模型有关,直接影响计算结果。通过分析可得出以下几点结论:

1)乘员和车架,货箱和车架之间的作用力是以集中力的形式传递的;

2)货箱和车架共同承受弯曲载荷,货箱承受能力与货箱刚度有关。因此在车架应力的有限元计算中考虑货箱的刚度贡献,

66 车架结构有限元分析

车架用UG高级仿真模块进行有限元分析的前期处理工作,用MSC.NASTRAN求解器对车架进行求解。

6.1 计算模型

由于车轮轴通过前、后钢板弹簧装在车架上,车架上面承受着发动机、驾驶室、车箱及货物等一系列垂直于框架平面的载荷,所以车架实际上可视作空间板架结构。

有限元板壳元模型就是将车架离散为一系列板单元,各单元只在节点处相联,节点选在各单元的角点处,相邻单元之间通过节点可以传递力和力矩。为使薄板离散体系能较好地反映真实车架的变形情态,其相邻单元各节点应满足变形连续条件。因此,在任一节点处,须考虑6个节点位移分量。计算过程中采用3D四面体单元对车架的几何模型进行网格划分,并利用刚性单元将力施加到各相应节点上。模型中共包括37377个节点,72215个单元。

6.2 边界条件的处理

由于轮胎刚度很大,可将它看成是刚性的,忽略它对结构分析的影响。对于钢板弹簧,将模拟前后板簧的弹簧元下端点分别固连在相应的刚性单元上。

有限元分析过程中,要有足够的约束条件,以消除车架的整体刚性位移,求出车架结构因变形而引起的各结点位移。为消除空间运动的六个自由度,将约束刚性单元在前后轮中心线位置的节点,作为整车约束。

按照以上约束条件得到的部分单元的车架有限元模型和全部单元的车架有限元模型如图6.1和图6.2所示。

图6.1车架有限元模型(部分单元)

图6.2车架有限元模型(全部单元)

6.3 对车架进行应变测量实验

汽车的使用条件非常复杂,对整车和总成的性能要求也很高,即使在设计和制造时对某些问题考虑非常周密也不能保证性能的完备性,还必须以试验来检验.试验是帮助我们深入了解整车及其总成在实际使用中各种现象的本质及其规律,并推动其技术进步的一种极为重要的方法.它是保证试验对象的性能,提高产品质量和市场竞争力的重要手段.

汽车试验按照试验对象分类,包括:

1)整车试验试验的目的是考核评定整车的主要技术性能,测出其各项技术性能指标,如动力性、经济性、平顺性、制动性和通过性等。整车基本参数的测定也包括在整车试验范围内。

2)机构及总成试验这类试验主要考核机构及总成的工作性能和耐久性,如发动机功率、变速器效率、悬挂装置的特性以及他们的结构强度疲劳寿命和耐久性等。

3)零部件试验该试验主要考核其设计和工艺的合理性,测试其刚度、强度、磨损和疲劳寿命,研究材料的选择是否合理。

本课题中所做的车架试验即为其中的机构及总成试验。

试验原理及方法

应变片工作原理:

电阻应变片简称为电阻片或应变片。它是一种将应变转化为电阻变化的置换元件。应变片不仅能够测量应变,而且对于任何物理量,如力、转矩、压强、位移、温度及加速度,只要能够设法变为应变的相应变化,都可以利用对应的应变片进行测量,所以它在测试中应用特别广泛。应变片由敏感元件、基底、盖片和引线组成,其中的敏感元件用黏合剂粘在其底和盖片之间,引线焊接在线栅的两端。

将应变片用黏合剂贴在试件上,试件受力产生变形时,应变片也同时发生变形,其电阻随之改变,即产生应变片的应变效应。各应变片分别用导线接出,通过预调平衡箱与静态电阻应变仪相联。其中预调平衡箱对每片应变片进行预平衡处理,消除非车架变形产生的应变,进而通过静态电阻应变仪,读出应变片在车架变形作用下的应变[27]。

1.实验目的

对该车车架进行抗弯静载强度测试,以根据实验结果修正有限元计算模型。

2.实验方法

1)实验中采用应变片测试技术。根据测点受力状况,按应变片粘贴技术要求粘贴电阻应变片,经固化检验(阻值变化,绝缘)后,连接导线及应变仪。

2)为保证测量精度,采用单片测量方法(另设补偿片)。补偿片贴在相同材料、相同温度、不受力的材料上。

3)根据应变仪所读出的测点实际应变值,利用公式即可获得测点的应力值。其中,为材料的弹性模量,对于钢材其值为2.06GPa。

应变仪型号:YJD——1型(具有灵敏系数补偿功能),上海华东电子仪表厂生产

平衡箱型号:P20R-1型,上海华东电子仪表厂生产

(5)感应式标准应变发生仪:DBYM——1型,广东省科学院试验仪器厂

4.实验载荷

动力总成质量(不包括车架):220Kg;

车身重量:650Kg;

乘员重量:325Kg;

货箱重量:300Kg;

6.4 实验结果与计算结果的对比

为验证有限元模型的正确性,对车架进行了静态弯曲强度测试。实验中过程中采用YJD-1型应变仪测量车架的应变,然后根据实验中测量的各点应变和材料的特性计算出相应的应力值。实验工况为整车原地加载,加载过程中将300kg的重物均布在货厢底板上,同时在车身前部驾驶室内座椅上按照实际工况布置225kg的重物。测点布于车架纵梁的上方。如图6.3红色代表应变片的位置,表1和表2分别列出了在弯曲和弯扭工况下计算值和实验值。

图6.3应变片的位置

比较点	1	2	3	4	5	6	7	8
计算值	105	129	120	98	130	102	122	142
实验值	96	121.1	123.2	102.4	137.9	109.7	128.9	143.3

表1弯曲工况下实验值和计算值的应力比较

比较点	1	2	3	4	5	6	7	8
计算值	220	125	145	195	145	155	160	195
实验值	202	103	133	188	141	149	157	187

表2弯扭工况下实验值和计算值的应力比较

由于有限元分析方法是一种近似数值求解方法,因此对工程实际问题进行计算时很难求得精确解。有限元分析过程中的误差包括模型误差和计算误差。模型误差是将实际问题抽象为有限元模型时产生的,它包括离散误差,单元形状误差、模型误差,而计算误差是采用数值方法对模型计算产生的误差,其性质是舍入误差和截断误差。上述误差都可以造成有限元理论计算结果与实测结果之间的差异。例如,有限元模型中假定材料为各向同性,但由于制造过程中加工和热处理的影响会导致实际结构材料特性的不均匀性。虽然在实验过程中为避免这些因素的影响,将应变片尽量远离这些区域,但是影响仍然会存在。建立的模型和实际车架有一点的差别,建模中忽略了一些小的特征;车架的实际受力与模型上的力的加载肯定存在着误差等等因素导致了应力和应变的差别。

基于上述考虑,有限元计算结果与实验结果之间不可避免地存在有误差。由上图可以看出,与实验结果相比,计算结果的误差在基本±10%之内。由于计算误差基本可以满足求解工程问题的需要,因此可以利用计算模型对结构的设计进行评价并为结构的修改提供计算依据。

1.载荷的处理

满载时作用于车身结构的载荷分别处理为:结构自重、各装备重量、乘客重量。座位上的乘客与座椅载荷分配到相近的节点上;发动机、变速器等载荷则各自分配到相应的支承节点上。计算过程中各部分载荷重量如下:

(1)动力总成质量(不包括车架):220Kg;

(2)车身质量:650Kg;

(3)货箱质量:300Kg;

(4)乘员质量:325Kg;

2.计算工况的选择

车辆的使用工况虽然很复杂、但直接关系到车身结构强度的主要是弯曲和满载扭转(即弯扭)两种工况。

(1)弯曲工况:在满载情况下,研究车架的抗弯强度。

(2)弯扭工况:车架遭受较剧烈的扭转工况、一般是当汽车以低速通过崎岖不平路面时发生的。此种扭转工况下的动载,在时间上变化得很缓慢,其扭转特性可以近似地看作是静态的,许多试验结果也都证实了这一点,即静扭试验下的骨架强度可以反映出实际强度。因此,在满载情况下,一个前〔后〕轮悬空时施加在前(后)桥上的扭矩的作用,应认为是最严重的扭转工况。

6.5 计算结果及分析

1.弯曲工况

车架在满载、静态状态下,纵梁上的应力基本上在70Mpa左右。此外,在一些支架与纵梁连接处应力较大,分别位于以下各点:

后钢板弹簧前支撑处:166Mpa;

前钢板弹簧后支撑与纵梁相交处:127Mpa;

第一支架与纵梁连接处:88.2Mpa;

弯曲工况的相关图示如下:

2.5.4弯曲工况下车架位移约束条件

图2.5.5弯曲工况——车身载荷分布

图静载荷弯曲工况——车架位移分布云图

2.弯扭工况

车架在满载、静态、单轮悬空其他三轮水平状态下,此时车架会承受较大的扭转力矩。这种情况下,较大应力的位置分别位于以下各点:

结论

车架作为汽车的重要组成部分,它的强度关系到整车的安全性和使用寿命,因此, 使用有限元分析方法对该田野汽车车架强度进行校核,其重要意义就在于提高整车安全性,提高车辆的使用寿命,从而进一步提高整车质量。

主要任务就是针对于该车车架通过MSC.NASTRAN大型结构分析通用有限元软件对其进行静态强度分析。

对有限元分析方法进行了较细致的阐述。介绍了有限单元的形成,有限元法的基本思路,有限元法的计算步骤和有限元基本原理及公式。并重点对空间梁的有限元分析进行了解释,建立了车架有限元平衡方程并予以求解。本论文阐明了建立有限元模型的基本原则,即保证计算精度和控制模型规模。介绍了建立有限元模型的一般方法,包括有限元建模一般要考虑的问题,建立计算模型的几个策略和方法。最后简单介绍了有限元法的应用。

针对所使用的MSC.NASTRAN大型结构分析通用有限元软件,论文给予了详细介绍,包括前后处理器MSC.PATRAN的功能,如直接CAD几何访问,有限元分析定义等。还有求解器MSC.NASTRAN的功能介绍。

综述了车架有限元分析技术的概况,介绍了车架的功用和要求,车架的类型和构造,并重点阐述了车架的静态分析,包括力学模型的选择,车架的计算方法,等效载荷的简化。

首先采用应变片测试技术对车架进行了应变测量实验,得到了实际的数据。为车架强度的有限元分析打下了良好的基础。

其次,建立了车架的有限元模型。由于车架通过前、后钢板弹簧装在车轮轴上,上面承受着发动机、驾驶室、车箱及货物等一系列垂直于框架平面的载荷,所以车架实际上是空间板架结构。因此用板壳单元对该车架进行离散, 建立有限元模型。模型中共包括37377个节点,72215个单元,以及459个刚性单元。另外,车架上的钢板弹簧通过弹簧单元模拟。

再者,对该车架进行有限元分析。对于边界条件的处理,由于轮胎刚度很大,可忽略它对结构分析的影响,将它看成是刚性的。对于钢板弹簧,将模拟前后板簧的弹簧元下端点分别固连在相应的刚性单元上。

对于载荷的处理,在满载时作用于车身结构的载荷分别处理为:结构自重、各装备重量、乘客重量。座位上的乘客与座椅载荷分配到相近的节点上;发动机、变速器等载荷则各自分配到相应的支承节点上。

经过边界条件的处理和载荷的处理之后,确定了计算工况,选择弯曲和满载扭转(即弯扭)两种工况进行了处理。

最后进行计算并得到了强度分析应力云图。

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