基于ansys的汽車車架可靠性研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 帶來了深刻的變革，同時也為工程結構的設計、制造提供了強有力工具。汽車產業屬于高科技產業，要設計生產出性能優越、安全可靠的汽車，不應用計算機進行輔助設計分析是根本不可能實現的。因此，汽車的各個生產設計部門都非常重視在設計制造過程中采用計算機技術。其中，用于結構設計中的有限元法是近幾十年發展起來的新的計算方法和技術，可以解決以往許多手工計算無法解決的問題，為企業帶來巨大的經濟效益和社會效益 [1]。 課題的背景當十八世紀即將卸下帷幕的時候，出現了一種當時人們都不屑的交通工具。可是誰也沒有想到它會發展的那么快，對現在人們的生活會有那么大的影響。這種交通工具就是汽車。而當時人們最熱衷的馬車卻早已不見蹤影。百年來的發展，現在的汽車已經超出了交通工具的范疇，正在朝著個性化的方向發展。雖然如此，汽車的可靠性還是不容忽視的，如最近豐田汽車（Toyota）發生的因制動腳踏板、電子制動主動系統所引發的召回門事件，在常人看來，一方面是由于“豐田”的擴張過快，所造成了企業在發展的速度上無暇顧及發展過后的穩妥質量把握問題；另一方面“豐田”的控制成本讓世界感到驚訝。所以，在“豐田”汽車質量問題在北美東窗事發之際，汽車的可靠性，儼然已經成為令人注目的大問題。現代企業為了發展，在產品的開發設計上就必須短開發周期，進而降低開發成本，而利用有限元軟件對產品進行分析正好滿足企業的要求。特別是誕生于七十年代的 ANSYS 軟件，由于其出色的功能和幾乎完美的計算而席卷了有限元大半個市場。車架是汽車各總成的安裝基體，它的功能是將發動機、底盤、車身等總成連成一輛完整的汽車。在行駛中，它不但要承受汽車各總成的質量和有效載荷，而且還要承受行駛時所產生的各種靜載荷和動載荷 [2]。由于現在汽車不斷向著高速化發展，為了保證安全行駛，所以車架設計的可靠性就顯得非常重要了。利用 ANSYS 軟件對汽車車架進行可靠性分析，可以在設計階段判斷車架的壽命薄弱位置，通過修改設計可以預先避免不合理的強度剛度分布。因此，它能夠減少試驗樣機的數量，縮短產品的開發周期，進而降低開發成本，提高市場競爭力。因此，正是基于以上情況，我選擇了課題《基于 ANSYS 的汽車車架可靠性分析研究》作為自己的畢業設計。希望我的工作對今后使用 ANSYS 分析汽車車架可靠性并由此而進行的車架設計提供理論支持和數據參考。 論文選題的意義與目的 論文選題的意義隨著現代汽車設計要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經成為必然的趨勢，主要體現在：(1) 運用有限元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架開發、設計、分析和制造的效能和車架的性能 [3]。(2) 車架在各種載荷作用下，將發生彎曲、偏心扭轉和整體扭轉等變形。傳統的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題 [4]。(3) 利用有限元法進行結構模態分析，可以得到車架結構的動態特性。從設計上避免車架出現共振的現象。(4) 通過可靠性計算模塊，能預測產品的可靠度，為產品的設計及投入市場提供依據。綜上所述，有限元法已經成為現代汽車設計的重要工具之一，在汽車產品更新速度越來越快，設計成本越來越低和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產品的質量、降低產品開發與生產制造成本，提高汽車產品在市場上的競爭能力具有重要意義。 論文選題的目的通過本文的研究，基本達到以下目的：(1) 建立車架結構有限元分析的規范化步驟，為將有限元技術應用于車架設計做好基礎性工作。(2) 通過運用有限元軟件對車架結構進行分析，可供車架設計有關人員提供參考。(3) 對所研究的車架進行結構的靜、動態特性分析，為車架的設計提供理論支持。(4) 講述分析的過程及注意是事項，提供實際的參考價值。 有限元法在車架結構設計中的應用現狀及問題 車架結構設計與分析的概述早期車架設計采用設計和試驗交叉進行 [56]，即在車架結構定型之前往往經過多輪設計，設計面對的對象是實物，需要經過樣品制造—試驗—修改—再設計的往復，這種方式不可避免地導致整個設計過程周期長，以及人力、物力和財力資源的嚴重浪費。那個時候車架結構性能計算是通過將車架簡化成單根縱梁，進行彎曲強度校核，由于很多梁是變截面的，這樣就不得不在變截面處使用多根梁來模擬，這種方法算得的結果誤差很大。接著提出的車架結構扭轉強度計算方法，但是只能計算純扭轉工況，不能考慮車架的實際工況，并且計算比較復雜，工作量大，在實際運用中存在著很大的困難。后來，人們將比較設計的思想應用于車架設計中。這種設計方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進行車架的設計，由于這樣的對照設計考慮的因素比較少并且設計出來的產品比較安全，所以目前依然是車架結構初步設計的主要方法，但是，這種方法可能造成車架各處強度不均勻，某些局部強度富裕較大，產生材料浪費等現象。20 世紀 60 年代以來，由于電子計算機的迅速發展，有限元法在工程上獲得了廣泛應用 [712]。有限元法不需要對所分析的結構進行嚴格的簡化，既可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度高。有限元法將具有無限個自由度的連續體離散為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數值解法的問題。只要確定了單元的力學特性，就可以按照結構分析的方法求解，使分析過程大為簡化，配以計算機就可以解決許多解析法無法解決的復雜工程問題。目前，有限元法已經成為求解數學、物理、力學以及工程問題的一種有效的數值方法 [13]。 車架結構有限元模型的形式有限元分析是用一組離散化的單元集合來代替連續體結構進行分析的，這種單元集合體稱為有限元模型 [14]。如果已知各個單元的剛度特性，就可以根據節點的變形連續條件和平衡條件推出結構的特性并研究其性能。由于有限元法是一種近似的數值方法，其計算結果是近似解，精度主要取決于離散化誤差。因此，有限元模型的建立是進行有限元分析的關鍵性一步。根據采用的單元形式，車架有限元模型可以分為梁單元模型、板殼單元模型和實體單元模型。梁單元模型將車架簡化為一組兩個節點的梁單元組成的框架結構，用梁單元的截面特性反映車架的實際結構特性。這種結構單元和節點數目少，計算速度快；但是計算精度低，而且不能處理應力集中問題。梁單元模型適用于車架結構的初步方案設計。板殼單元模型用板殼單元將車架的縱、橫梁及連接板進行離散化，用板殼單元的厚度描述零件的厚度。這種結構單元準確的描述了形狀復雜的車架結構，大大提高了有限元分析的精度，能夠處理連接部位的應力問題；但是這種模型單元與節點數目眾多，前處理工作量大，需要計算機內存大，計算速度慢。板殼單元模型適用于對車架分析精度要求較高的場合。實體單元模型能夠很好地分析車架縱梁和橫梁連接處的應力變化情況，但是用作模態分析時，往往存在剛性過大現象 [3]。 有限元法在車架結構分析中存在的問題(1) 采用適當的有限元模型，對汽車車架結構進行靜力分析和模態分析正在成為一種常用的分析手段，但對汽車車架結構進行有限元動力響應分析的研究目前還很不成熟。 [15](2) 可靠性要求已經成為現代汽車設計的重要任務。如何在設計階段估算車架的可靠性已成為急需解決的問題。(3) 采用實體單元建立的車架有限元模型，板殼之間的鉚釘及螺栓連接的模擬形式對于汽車車架結構的分析結果有較大的影響，如何建立這種連接方式是一個值得探討的問題。(4) 近些年來，大多數國內汽車廠家已花巨資購買了各種與有限元分析相關的商業化軟件。這些軟件功能完備，精度高，以及通用性和可靠性好，如何學習、消化與吸收花巨資引進的軟件，為我所用，是實際工作必須面對的問題，對于汽車車架結構有限元分析更是如此 [15]。 本文的主要研究內容ANSYS 是大型的通用有限元軟件，其功能強大，可靠性好，具有強大的結構分析能力和優化設計模塊，因而被國外大多數汽車公司所采用。本文將基于 ANSYS建立車架結構的有限元模型，對汽車車架結構進行靜力和動力分析。首先，對ANSYS 進行了簡要的介紹，為車架結構的有限元分析做好準備工作；然后，以長春一汽輕型車廠生產的華凱牌 CA5160CLXYK28L5BE3A 型倉柵運輸車車架結構為研究對象，利用 Pro/E 建立了車架結構實體單元模型，然后導入 ANSYS 對結構的靜、動態特性進行深入研究，對車架進行可靠性評價，并給出一些分析步驟和一些實用技巧及注意事項。2 ANSYS 軟件的介紹ANSYS 公司是由美國著名力學專家美國匹茲堡大學力學系教授 John Swanson博士于 1970 年創建并發展起來的，是目前世界 CAE 行業中最大的公司。經過 30 多年的發展，ANSYS 軟件不斷發展提高，目前已發展到 版本 [14]。在汽車行業中，ANSYS 廣泛應用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及整車的通過性和平順性的分析，大大提高了汽車的設計水平，正在成為設計計算的強有力工具之一。 ANSYS 的主要功能ANSYS 有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業領域：航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。ANSYS 的前處理模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。分析計算模塊分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、流體動力學分析、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的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力。后處理模塊后處理模塊可將計算結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（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 200 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。 ANSYS 提供的分析類型ANSYS 軟件提供的分析類型如下：結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。結構動力學分析結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態動力學分析、模態分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。結構非線性分析結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序可求解靜態和瞬態非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動力學分析ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩態和瞬態、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構應力之間的熱－結構耦合分析能力。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、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調節器、發電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。流體動力學分析ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態或穩態。分析結果可以是每個節點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產生壓力、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單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。聲場分析程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。壓電分析用于分析二維或三維結構對 AC（交流） 、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態性能分析。可進行四種類型的分析：靜態分析、模態分析、諧波響應分析、瞬態響應分析。 ANSYS 的典型分析步驟 建立有限元模型 指定工作文件名和工作標題該項工作并不是必須要求做的，但是做對多個工程問題進行分析時推薦使用工作文件名和工作標題。文件名是用來識別 ANSYS 作業的，通過為分析的工程指定文件名，可以確保文件不被覆蓋。如果用戶在分析開始沒有定義工作文件名，則所有的文件名都被默認地設置為 file。ANSYS 的工作文件名可以通過如下方式進行改寫：一是進入 ANSYS 時通過入口選項進行修改；二是進入 ANSYS 后，可以通過以下命令或菜單方式進行修改：Command:FILNAMEGUI:Main MenuFileChange Jobname 定義工作標題用下列命令或菜單方式定義工作標題：mand:TITLEGUI:Utility MenuFileChange Tile 定義單元類型和單元關鍵字ANSYS 提供了將近 200 種不同的單元類型，每一種單元類型都有自己特定的編號和單元類型名，如 PLANE18SOLID90、SHELL208 等；單元