ANSYS對輕型汽車車架的有限元分析

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

車架作為非承載式車身結構的主要承載部件,要承擔汽車的大部分載荷,其性直接關系到整車性能的好壞。車架的性能主要取決于車架在靜態載荷和動態載荷下的響應情況,因此對車架進行靜、動態響應分析不僅可以評價車架自身的性能,而且還可以作為整車的行駛平順性等性能的評價指標。其結果還可以為車架的優化設計和結構改進提供理論依據。本文運用UG軟件建立農用三輪車車架零部件及總成三維模型,并運用UG或相關軟件對車架進行有限元的強度分析。車架的靜態特性和動態特性方面作了如下研究:

對車架及其載荷進行了適當簡化,在繪圖軟件UG中建立了車架的三維模型,利用UG的高級仿真模塊將三維模型導入,進行了有限元網格的劃分。對應車架在扭轉和彎曲兩種工況,施加相應的邊界條件和載荷條件,進行了靜態響應分析,找出了車架結構中的薄弱部位。在計算得到的車架模態的基礎上,研究了車架在路面上動態響應情況,選取了車架上的駕駛室安裝點、發動機支架點和貨箱支撐點等關鍵點作為響應輸出,得出了個關鍵點的動態應力分布和動態位移情況。

本文的研究結果為研究整車振動、疲勞和噪聲等問題奠定了基礎,并可對廠家的生產實踐具有指導意義。

1 緒論1.1 概述

目前國內外汽車市場的競爭日益激烈,使得汽車產品的開發周期由原來的幾年縮短到十幾個月,這對于設計階段準確的進行汽車各種性能預測提出了很大挑戰。利用現代CAD/CAE技術進行汽車新產品的開發,是現代汽車企業開發新的汽車產品的重要手段之一,它可以在新產品的開發設計階段預測、評估汽車的各種性能,為產品的開發成功提供了一定的保障。利用有限元方法可以在汽車的三維設計階段對車架的強度、剛度、疲勞壽命和動態特性進行準確的分析和預測,并進行優化,指導設計工程師對產品進行優化設計。汽車車架作為汽車總成的一部分,承受著來自道路及裝載的各種復雜載荷作用,而且汽車上許多重要總成件都是以車架為載體,因而,車架的強度和剛度在汽車總體設計中顯得非常重要。基于此,本論文建立了車架的有限元模型,對車架的強度、剛度、疲勞壽命等進行了分析,由于車架實際結構復雜,通常建立有限元模型時需要對實際車架結構進行各種簡化,然而如果假設不當,就會造成分析結果不能滿足工程實際的需要,因此對車架結構分析的要求特別高。本論文建立了可信賴的車架的有限元模型,然后利用車架的有限元模型對車架進行了模態分析、靜態強度分析,剛度分析,疲勞強度分析和碰撞分析,最后進行拓撲優化,使車架的設計滿足使用要求。

1.2 有限元法在國內、外汽車分析方面的應用和發展概況

有限單元法是一種很有效的數值計算方法,它能對工程實際中幾何形狀不規則,載荷和支承情況復雜的各種結構進行變形計算、應力分析和動態特性分析。有限單元法的基本思想是:把一個連續的彈性體化分成有限多個彼此只在有限個節點處相互連接的、有限大小的單元組合體來研究。也就是用一個離散結構來代替原來的結構,作為真實結構的近似力學模型。以后所有的分析計算就在這個離散的結構上進行。有限元法之所以能夠求解結構任意復雜的問題,并且計算結果可靠、精度高,其中原因之一在于它有豐富的單元集,能夠適應各種結構的簡化。對于結構分析而言,常見的結構類型包括梁單元、板單元、曲殼單元、管單元、彈簧單元等,從而使我們能夠非常方便的用有限元模型來描述分析模型。2“有限元法”這一名稱是1960年美國的Clough R W在一篇名為“平面應力分析的有限元法”論文中首先使用的。40年來,有限元法的應用已由彈性力學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、粘彈性和復合材料等,從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等領域。由于計算機的飛速發展,使得有限元法在工程中得到了廣泛的應用。特別是從80年代開始,隨著我國計算機技術的快速發展,國外先進的計算軟件也開始引進我國,我國的有限元分析已經進入實用階段,有限元法的應用己經從彈性力學平面問題擴展到了空間問題、板殼問題;從靜力平衡問題擴展到了塑性、粘性、粘塑性和復合材料問題等;從固體力學擴展到了流體力學、傳熱學、電磁學、聲學、振動學等連續介質領域。

實際上,有限元法發展到了今天,已發展的較為完善,它已經被認為是工程分析中最強有力而又最通用的計算方法,其應用范圍很廣,并且由于實踐性強而具有強大的生命力。利用有限元法進行結構分析,實質上也是一種“計算機的數值實驗”,它不僅使過去無法進行運算的課題獲得數值解,而且逐漸代替某些成本高、時間長的常規試驗。有限元分析法在汽車中的應用非常廣泛,概括起來主要有以下幾個方面:汽車結構的強度、剛度計算;結構的模態分析;汽車整車性能分析;傳熱分析;汽車動力學分析;汽車結構噪聲分析;汽車被動安全分析等。因此有限元分析方法在汽車中有著廣泛的應用范圍,它不僅可以用來分析已經成型的汽車產品的性能,也可以應用于產品開發過程中汽車的性能分析,為汽車設計提供依據和指導。

車架是汽車的承載體,不僅承擔發動機、底盤和牽引貨物的質量,而且還要承受汽車行駛過程中所產生的各種力和力矩。因此,其強度不僅關系到整車能否正常行駛,而且還關系到整車安全性。對車架設計的要求是:在保證足夠的強度、剛度和穩定性下,盡可能達到質量輕、形狀合理,并最大限度地減緩過渡區的應力集中。

近年來,國內外學者對車架的有限元分析進行了大量的研究,取得了大量的研究成果。Ao, Kazuo等人對利用有限元靜態強度分析結果指導車架設計過程進行了詳細的介紹。鄭兆昌等人應用大型結構軟件SAP.SP對車車架進行了動態分析。提出了利用車架模態分析結果直接對結構動態特性進行評價的方法。早期的車架有限元模型多把車架簡化為簡支梁,但對于一些低合金鋼板沖壓成型或槽鋼,工字鋼等制作的車架,這種模擬方法存在許多不足之處,無法反映車架縱梁和橫梁的連接情況,難以準確計算車架構建結合部的應力,計算結果只是各節點的應力情況,且計算精度較低。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,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,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,采用板殼單元建立的車架有限元模型板殼之間的焊接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,如何處理焊點模擬與螺栓連接是很關鍵的問題。

汽車車架結構參數優化設計是汽車工業近些年的重要研究領域。汽車車架是汽車結構件中結構與載荷都很復雜的重要部件,也是人們首先開展結構分析和結構優化設計研究的對象。吉林工業大學的黃金陵曾在對影響車架結構強度和剛度的因素進行了理論分析基礎上,運用懲罰函數法尋得了汽車車架各梁截面參數的最佳值,但是由于影響汽車車架結構強度和剛度的因素很多,如縱梁及橫梁的布置;各梁所采用的截面形狀和尺寸;縱、橫梁聯接接頭的型式等等。再者,車架結構和載荷都比較復雜,難以形成較好的數學模型,因此該文作者并未對車架進行全面分析,這勢必影響結果的可靠性。河北工學院的馮國勝曾經在有限元分析的基礎上,采用復合形法和懲罰函數法對汽車車架結構參數進行了實例優化計算,優化的設計變量也只涉及到了截面的參數,并未考慮到同樣比較重要的布置參數。

1.3 本文研究的主要內容

車架作為汽車的承載基體,支撐著發動機、離合器、變速器、轉向器、貨廂等所有簧上質量的有關機件,承受著傳給它的各種力和力矩。為此,車架應有足夠的彎曲剛度,以使裝在其上的有關機構之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最小;車架也應有足夠的強度,以保證其有足夠的可靠性和壽命,縱梁等主要零件在使用期內不應有嚴重變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲,也使汽車的乘座舒適性、操縱穩定性及某些機件的可靠性下降。但車架的扭轉剛度又不宜過大,否則將使車架和懸架系統的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差,使通過性變壞。考慮到客車在國內的具體使用情況在可能的情況下,車架的設計還應考慮易于吸收撞擊的結構。

車架作為汽車的基礎部件,受力狀態、結構較復雜,無法用簡單的數學方法對其各部分的應力狀態進行分析計算,而采用有限元分析即可對車架的靜強度、振動模態進行較為準確的分析,從而使車架設計從經驗設計進入到科學設計階段。

本課題就是有限元分析方法在汽車車架改進設計方面的具體應用,主要目的就是掌握UG繪圖軟件的使用,并對該車車架進行抗彎靜載強度測試,以根據實驗結果修正有限元計算模型。利用有限元分析軟件對車架的強度進行計算分析,為車架的計算機設計及結構修改提供依據。UG軟件建立車架的幾何模型,并且針對于該車車架,通過NX.NASTRAN大型結構分析通用有限元軟件對該車車架進行靜態、模態分析。主要通過以下步驟完成:

1) 通過UG等軟件建立輕型汽車車架總成的三維幾何數學模型

2) 劃分有限元單元

3) 設定約束條件和承載情況

4) 對不同工況下車架的強度和剛度進行計算

5) 根據計算結果進行分析,提出改進意見

在以上步驟中,第2,3,4步是核心步驟,第1步是最重要的準備工作。

2 有限元的基本理論

有限元方法是結構分析的一種數值計算方法,它在 50 年代初期隨著計算機的發展應運而生,并得到廣泛應用。這一方法的理論基礎牢靠,物理概念清晰,解題效率高,適用性強,目前已成為機械產品動、靜、熱特性分析的重要手段,它的程序包是機械產品計算機輔助設計常用方法庫中不可缺少的內容之一在當前科學技術及生產技術發展日新月異的情況下,市場的需求是瞬息多變的,機械產品以多品種、小批量生產為主,這就要求新產品設計、制造周期短,質量高,成本低,具有較強的競爭能力。傳統的設計方法已越來越適應不了發展的需要。因此,近 20 年來,由于計算機的應用,正在設計領域中進行著一場深刻的革新,如用理論設計代替經驗設計,用精確設計代替近似設計;用優化設計代替一般設計,用動態分析代替靜態分析等等,而有限元方法為在設計階段掌握產品性能提供了強有力的工具。可以認為有限元計算是利用計算機對機械產品動、靜、熱特性進行了模擬試驗。隨著計算機及計算技術的發展,機械產品設計必然進入到一個新的階段。國外機械產品設計已進入計算機輔助設計及自動設計時代,目前它正以有限元—優化設計為中心不斷地向前發展。有限元方法是數值計算中的—種離散化方法,用數學術語來說,就是從變分原理出發,通過分區插值把二次泛函(能量積分)的極值問題化為一組多元線性代數方程來求解。人們知道,直接從一個微分方程推導出它的泛函,常常是很復雜的,有時甚至是不可能的,所以在求泛函時常借助于所研究問題的物理特性。諸如金屬切削機床這類機械產品的剛性問題,屬于小變形彈性問題,因而彈性力學中的最小位能原理提供了極大的方便。從物理或幾何概念來說,有限元方法是結構分析的一種計算方法,是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的發展和應用,其基本思路是將彈性連續體劃分成有限數量的小單元體,它們在有限多個節點上相互連結。在一定精度要求下,對每個單元用有限多個參數來描述它的力學特性,而整個連續彈性體的力學特性,可認為是這些小單元體力學特性的總和,從而建立起連續體的力的平衡關系。

2.1 有限元法分析過程

有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成,對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解,然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件),從而得到問題的解。這個解不是準確解,而是近似解,因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解,而有限元不僅計算精度高,而且能適應各種復雜形狀,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際連續域的離散單元。

有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀60年代初首次提出結構力學計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”,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)滿足整個定義域邊界條件的允許函數的Rayleigh-Ritz法,有限元法將函數定義在簡單幾何形狀(如二維問題中的三角形或任意四邊形)的單元域上(分片函數),且不考慮整個定義域的復雜邊界條件,這是有限元法優于其他近似方法的原因之一。

對于不同物理性質和數學模型的問題,有限元求解法的基本步驟是相同的,只是具體公式推導和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為:

第一步:問題及求解域定義

根據實際問題近似確定求解域的物理性質和幾何區域。

第二步:求解域離散化

將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域,習慣上稱為有限元網絡劃分。顯然單元越小(網絡越細)則離散域的近似程度越好,計算結果也越精確,但計算量及誤差都將增大,因此求解域的離散化是有限元法的核心技術之一。

第三步:確定狀態變量及控制方法

一個具體的物理問題通常可以用一組包含問題狀態變量邊界條件的微分方程式表示,為適合有限元求解,通常將微分方程化為等價的泛函形式。

第四步:單元推導

對單元構造一個適合的近似解,即推導有限單元的列式,其中包括選擇合理的單元坐標系,建立單元試函數,以某種方法給出單元各狀態變量的離散關系,從而形成單元矩陣(結構力學中稱剛度陣或柔度陣)。

為保證問題求解的收斂性,單元推導有許多原則要遵循。對工程應用而言,重要的是應注意每一種單元的解題性能與約束。例如,單元形狀應以規則為好,畸形時不僅精度低,而且有缺秩的危險,將導致無法求解。

第五步:總裝求解

將單元總裝形成離散域的總矩陣方程(聯合方程組),反映對近似求解域的離散域的要求,即單元函數的連續性要滿足一定的連續條件。總裝是在相鄰單元結點進行,狀態變量及其導數(可能的話)連續性建立在結點處。

第六步:聯立方程組求解和結果解釋

有限元法最終導致聯立方程組。聯立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機法。求解結果是單元結點處狀態變量的近似值。對于計算結果的質量,將通過與設計準則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復計算。

簡言之,有限元分析可分成三個階段,前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型,完成單元網格劃分;后處理則是采集處理分析結果,使用戶能簡便提取信息,了解計算結果

2.2 有限元法的程序實現

從使用有限元程序的角度來講,有限元分析可分為前處理、計算和后處理三大步。

前處理是對計算對象網格劃分、形成計算模型的過程。包括單元類型的選擇,結構的材料特征參數的確定,實體建模,節點和單元網格的確定,邊界條件或約束條件及載荷的移置等。許多商用有限元軟件不僅提供了與主流CAD系統的接口,自己本身也又很好的實體建模性能,有限元軟件都提供了一種以上的網格劃分方法,以供使用者根據計算要求進行選擇。計算是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯立方程組、最終得到節點位移的過程。由于商用軟件已經針對多種模型進行過驗證運算,因此只需要按照提示輸入各種條件,包括收斂的方法(在軟件中,這常被稱為求解器)等,計算機就可以進行計算,得到計算結果。

后處理是對計算結果(應力、應變或振型等)的整理,形成等應力線、變形圖、振型圖等,以及結果的輸出。

3 建模和有限元軟件的選擇

在本文的研究中,使用的是目前國際上最為通用的商用繪圖軟件Unigraphics Solutions(簡稱UGS)繪圖軟件和UGS的內部高級仿真模塊NX. Nastran.

3.1 UG的CAD功能簡介

本課題應用的是Unigraphics Solutions(簡稱UGS)繪圖軟件和 The MSC.Software Corporation(簡稱 MSC)有限元分析軟件。

美國Unigraphics Solutions公司(簡稱UGS )的產品主要有為機械制造企業提供包括設計、分析到制造應用的Unigraphics(簡稱UG )軟件,基于Windows的設計與制圖產品solidedge,集團級產品數據管理系統iMAN、產品可視化技術ProductVision以及被業界廣泛使用的高精度邊界表示的實體建模核心parasolid在內的產品。

UG軟件在航空航天,汽車、通用機械、工業設備、醫療器械以及高科技應用領域的機械設計和模具加工自動化的市場上得到了廣泛的應用。多年來,UGS公司一直在支持美國通用汽午公司實施目前全球最大的虛擬產品開發項目,同時UG也是日木著名汽車零部件制造商DFNSO公司的計算機應用標準,并在全球汽車行業得到了應用,如Navistar,底特律柴油機廠、Winnebago和Rorbert Bosch AG等。

UGS公司的產品同時還遍布通用機械、醫療器械、電子、高技術以及日用消費品等行業,如3M, Will-Pemco, Biomes. Zirnmer、飛利浦公司、吉列公司、Timex, Eureka和Arctic Cat}等。

UGS公司進入中國已經有16個年頭了,在中國的業務有了很大的發展,中國己成為遠東業務增長最快的國家。2000年來UGS公司在中國的用戶已超過800家,裝機量達到3500多臺。

隨著我國計算機二維繪圖技術的逐步普及,以三維實體建模為基礎的計算機輔助零件設計、裝配設計、運動分析、有限元分析、數控加工仿真與編程等方面的需求正在快速增長,很多工程設計人員已開始從使用二維CAD系統轉向使用三維CAD系統。可以相信,三維CAD系統必將逐步取代二維CAD系統而成為計算機輔助設計與分析的工具,掌握這一主流工具將迅速成為對工程設計人員的基本要求之一。

UG為最好的工業設計軟件包括一個靈活的復合建模模塊以及功能強大的逼真照相的渲染,動畫和快速的原型工具,復合建模讓用用戶可在建模方法中選擇;創建實體(Solid ),曲面 (surface )、線框(Wireframe)及其于特征的參數化建模。

在本次建模中,主要用到的是實體建模部分,即Solid Modeling,下面概述實體建模部分(Solid Modeling)的基本功能

實體建模 (Solid Modeling)

UG/Solid Modeling是所有其它幾何建模產品的基礎。

u 實體操作

1.利用實體體素∶塊,圓柱,圓錐,球;

2.布爾操作∶求和,求差,求交;

3.顯示的面編輯命令∶移動,旋轉,刪除,偏置,代替幾何體;

4.從拉伸和旋轉草圖外形生成實體;

5.為高級的相關定位的基準平面和基準軸。

u 片體和實體集成

1.縫合片體到實體;

2.分割和修剪實體允許轉換片體形狀到實體;

3.從實體表面抽取片體。

u 特征編輯

1.編輯和刪除特征∶參數化編輯和重定位;

2.特征抑制,特征重排序,特征插入。

u 特征建模 (Feature Modeling)

特征建模設計可以以工程特征術語定義,而不是低水平的CAD幾何體。特征被參數化定義為基于尺寸和位置的尺寸驅動編輯, 主要特征:

1.面向工程的成形特征-鍵槽,孔,凸墊,凸臺、腔-捕捉設計意圖和增加生產率;

2.特征引用陣列-矩形和圓形陣列-在陣列中,個別的和所有特征是與主特征相關的。

u 倒圓和倒角

1.固定和可變的半徑倒圓;

2.能夠倒角任一邊緣;

3.設計的徒峭邊緣倒圓不適合完全的倒圓半徑但仍然需要倒圓。

u 高級建模操作

1.輪廓可以被掃描,拉伸或旋轉形成實體;

2.高級的挖空體命令在幾秒鐘內使實體變成薄壁設計。如果需要,內壁拓撲將不同于外壁;

3.對共同的設計元素的用戶定義特征User- Defined Features。

u 自由形狀建模

UG/Freeform Modeling用于設計高級的自由形狀外形,或直接在實體上,或作為一獨立的片體,除了它們不必閉合空間體積外,類似于實體。

片體建模完全與實體建模集成并允許自由形狀獨立建立之后作用到實體設計。許多自由形狀建模操作可以直接產生或修改實體。自由形狀片體和實體與它們定義的幾何體相關,允許重訪早期設計決策及自動更新下游工作。

1.自由形狀構造

功能強大的構造方法組∶直紋,掃描,過曲線,網格曲面,點,偏置曲面;自由形狀可以定義以光順通過多于外形;定義外形尖形拐角并可以包含不同數量的曲線, 外形可以由線框, 實體邊緣, 或也可以是草圖, 結果是參數化的自由形狀;二次錐曲面與圓角;固定與可變半徑圓角曲面。

2.操縱自由形狀

可以編輯定義的參數;數學參數(如rho或公差)及構造幾何體可以重定義;通過下列任一方式直接操縱自由形狀∶控制多邊形、改變曲面階數、曲面上點、邊緣[23]。

3. 2 UG5.0 高級仿真模塊介紹

高級仿真是一種綜合性的有限元建模和結果可視化的產品,旨在滿足資深分析員的需要。高級仿真包括一整套預處理和后處理工具,并支持多種產品性能評估解法。

高級仿真提供對許多業界標準解算器的無縫、透明支持,這樣的解算器包括 NX Nastran、MSC Nastran、ANSYS 和 ABAQUS。例如,如果您在高級仿真中創建網格或解法,則指定您將要用于解算模型的解算器和您要執行的分析類型。本軟件然后使用該解算器的術語或“語言”及分析類型來展示所有網格劃分、邊界條件和解法選項。另外,您還可以解算您的模型并直接在高級仿真中查看結果;不必首先導出解算器文件或導入結果。

高級仿真提供設計仿真中可用的所有功能,還支持高級分析流程的眾多其它功能。

* 高級仿真的數據結構很有特色,例如具有獨立的仿真文件和 FEM 文件,這有利于在分布式工作環境中開發 FE 模型。這些數據結構還允許分析員輕松地共享 FE 數據,以執行多種分析。

* 高級仿真提供世界級的網格劃分功能。本軟件旨在使用經濟的單元計數來產生高質量網格。高級仿真支持補充完整的單元類型(1D、2D 和 3D)。另外,高級仿真使分析員能夠控制特定網格公差,這些公差控制著(例如)軟件如何對復雜幾何體(例如圓角)劃分網格。

* 高級仿真包括許多幾何體抽取工具,使分析員能夠根據其分析需要來量身定制 CAD 幾何體。例如,分析員可以使用這些工具提高其網格的整體質量,方法是消除有問題的幾何體(例如微小的邊)。

* 高級仿真中專門包含有新的 NX 熱解算器和 NX 流解算器。

o NX 熱解算器是一種完全集成的有限偏差解算器。它允許熱工程師預測承受熱載荷的系統中的熱流和溫度。

o NX 流解算器是一種計算流體動力學(CFD)解算器。它允許分析員執行穩態、不可壓縮的流分析,并對系統中的流體運動預測流率和壓力梯度。

您可以使用 NX 熱和 NX 流一起執行耦合熱/流分析。

3.3 求解器MSC.NASTRAN功能簡介

作為世界CAE工業標準及最流行的大型通用結構有限元分析軟件,MSC.NASTRAN的分析功能覆蓋了絕大多數工業應用領域,并為用戶提供了方便的模塊化功能選項,MSC.NASTRAN的主要功能模塊有:基本分析模塊(含靜力,模態,屈曲,熱應力,流固耦合及數據庫管理等),動力學分析模塊,熱傳導模塊,非線性分析模塊,氣動彈性分析模塊,DMAP用戶開發工具模塊及高級對稱分析模塊。除模塊化外MSC.NASTRAN還按解題規模分成1000節點到無限節點,用戶引進時可根據自身的經費狀況和功能需要靈活的選擇不同的模塊和不同的解題規模,以最小的經濟投入取得最大效益。MSC.NASTRAN及MSC的相關產品擁有統一的數據庫管理,一旦用戶需要可方便地進行模塊或解題規模擴充,不必有任何其他的擔心。下面就是MSC.NASTRAN不同的分析方法、加載方法、數據類型等功能做進一步的介紹:

1.靜力分析

靜力分析是工程結構設計人員使用最為頻繁的分析手段,主要用來求解結構在與時間無關或時間作用效果可忽略的靜力載荷(如集中/分布靜力、溫度載荷、強制位移、慣性力等)作用下的響應,并得出所需節點的位移、節力點、約束(反)力、單元內力、單元應力和應變能等。該分析同時還提供結構的重量和重心數據。MSC.NASTRAN支持全范圍的材料模式,包括:均質各向同性材料,下交各向異性材料,各向異性材料,隨溫度變化的材料,方便的載荷與工況組合單元上的點、線和面載荷、熱載荷、強迫位移、各種載荷的加權組合,在前后處理程序MSC.PATPAN中定義時,可把載荷直接施加于幾何體上。

a.具有慣性釋放的靜力分析

此分析考慮結構的慣性作用,可計算無約束自由結構在靜力載荷和加速度作用下產生準靜態響應。

b.非線性靜力分析

在靜力分析中除線性外,MSC.NASTRAN還可處理一系列具有非線性屬性的靜力問題,主要分為幾何非線性,材料非線性及考慮接觸狀態的非線性如塑性、蠕變、大變形、大應變和接觸問題等。

2.屈曲分析

屈曲分析主要用于研究結構在特定載荷下的穩定性以及確定結構失穩的臨界載荷,MSC.NASTRAN中屈曲分析包括:線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性屈曲分析又稱特征值屈曲分析;線性屈曲分析可以考慮固定的預載荷,也可以用慣性釋放;非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩分析,彈塑性失穩分析,非線性后屈曲(Snap-through)分析。在算法上,MSC.NASTRAN特征值抽取算法可精確地判別出相應地失穩臨界點。該方法較其它有限元軟件中所使用的限定載荷量級法具有更高的精確度和可靠性。

3.動力學分析

結構動力學分析是MSC.NASTRAN的主要強項之一,它具有其它有限元分析軟件所無法比擬的強大分析功能。結構動力分析不同于靜力分析,常用來確定時變載荷對整個結構或部件的影響,同時還可以考慮阻尼及慣性效應的作用。

全面的MSC.NASTRAN動力學分析功能包括:正則模態及復特征值分析、頻率及瞬態響應分析、(噪)聲學分析、隨機響應分析、響應及沖擊譜分析、動力靈敏度分析等。針對于中小及超大型問題不同的解題規模,用戶可選擇MSC.NASTRAN不同的動力學方法以求解。

4.非線性分析

實際工程問題中,很多結構響應與所受的外載荷并不成比例。由于材料的非線性,在結構中可能會產生大的位移、大轉動,或多個零件在載荷作用下時而接觸時而分離。要想更精確地仿真實際問題,就必需考慮材料和幾何、邊境和單元等非線性因素。MSC.NASTRAN強大的非線性分析功能為設計人員有效地設計產品、減少額外投資提供了一個十分有用的工具。

很多材料在達到初始屈服極限時往往還有很大潛力可挖,通過非線性分析工程師可充分利用材料的塑性和韌性。薄殼結構或橡膠一類超彈性體零件在小變形時受到小阻力,當變形增加時阻力也會隨之增大,所有這些如果用線性分析就不能得到有效的結果。類似地,非線性分析還可解決蠕變問題,這點對于高聚合塑性和高溫環境下的結構件尤為有用。接觸分析也是非線性分析一個很重要的應用方面,如輪胎與道路的接觸、齒輪、墊片或襯套等都用到接觸分析。

MSC.NASTRAN非線性分析功能包括:幾何非線性分析、材料非線性分析、非線性邊界(接觸問題)、非線性瞬態分析等。

5.熱傳導分析

熱傳導分析通常用來校驗零件在熱邊界條件或熱環境下的產品特性,利用MSC.NASTRAN可以計算出結構內的熱分布狀況,并直觀地看到結構內潛熱、熱點位置及分布。用戶可通過改變發熱元件的位置、提高散熱手段、或絕熱處理或用其它方法優化產品的熱性能。

MSC.NASTRAN提供廣泛的溫度相關的熱傳導分析支持能力。基于一維、二維、三維熱分析單元,MSC.NASTRAN可以模擬包括傳導、對流、輻射、相變、熱控系統在內所有的熱傳導現象,并真實地仿真各類邊界條件,構造各種復雜的材料和幾何模型,模擬熱控系統,進行熱—結構耦合分析。

6.空氣動力彈性及顫振分析

氣動彈性問題是應用力學的分支,涉及氣動、慣性及結構力間的相互作用,在MSC.NASTRAN中提供了多種有效的解決方法。眾所周知的飛機、直升機、導彈、斜拉橋及至高聳的電視發射塔、煙囪等需要氣動彈性方面的計算。

MSC.NASTRAN的氣動彈性分析功能主要包括:靜態和動態氣彈響應分析、顫振分析及氣彈優化。

7.流—固耦合分析

流-固耦合分析主要用于解決流體(含氣體)與結構之間的相互作用效應。MSC.NASTRAN中擁有多種方法求解完全的流—固耦合分析問題,包括:流—固耦合法、水彈性流體單元法、虛質量法。

8.多級超單元分析

超單元分析主要是通過把整體結構分化成很多小的子部件來進行分析,即將結構的特征矩陣(剛度、傳導率、質量、比熱、阻尼等)壓縮成一組主自由度類似于子結構方法,但較其相比具有更強的功能且更易于使用。子結構可使問題表達簡單、計算效率提高、計算機的存儲量降低。超單元分析則在子結構的基礎上增加了重復和鏡像映射和多層子結構功能,不僅可單獨運算而且可與整體模型混合使用,結構中的非線性與線性部分分開處理可以減小非線性問題的規模。應用超單元工程師僅需對那些所關心的受影響大的超單元部分進行重新計算,從而使分析過程更經濟、更高效,避免了總體模型的修改和對整個結構的重新計算。

多級超單元分析是MSC.NASTRAN的主要強項之一,適用于所有的分析類型,如線性靜力分析、剛體靜力分析、正則模態分析、幾何和材料非線性分析、響徹云霄應譜分析、直接特征值、頻率響應、瞬態響應分析、模態綜合分析(混合邊界方法和自由邊界方法)、設計靈敏度分析、穩態、非穩態、線性、非線性傳熱分析等。

9.高級對稱分析

針對結構的對稱、反對稱、軸對稱或循環對稱等不同的幾何特點,MSC.NASTRAN提供了不同的算法。類似超單元分析,高級對稱分析可大大壓縮大型結構分析問題的規模,提高計算效果。

10.設計優化分析

11.復合材料分析

12.P單元及H、H—P自適應

13.MSC.NASTRAN的高級求解方法

MSC.NASTRAN能有效地求解大模型,其稀疏矩陣算法速度快而且占有磁盤空間少,內節點自動排序以減小半帶寬,再啟動能利用以前計算的結果。

并行計算以及線性靜力,正則模態分析,模態及直接頻率響應分析的分布式并行計算極大地提高分析速度,復特征值問題速度提高3倍以上,虛擬質量計算速度提高2倍以上,靜力氣彈分析(SOL144)速度提高30%以上

44 車架三維模型的建立

車架的模型是用CAD繪圖軟件UG建立的。具體步驟如下:

4.1 繪制縱梁

縱梁我是采用沿引導線掃略這個功能完成的。由于給定了二維圖形,故在建模模式下,用草圖功能,在草圖xc - yc , yc - zc平面上分別畫出車架縱梁的某一條外沿線在主視圖和俯視圖的投影,然后完成草圖,在建模(Modeling)中拉伸成片體,并使兩個片體相交,求交線,由此得到車架縱梁的輪廓線外沿線,并用相同的方法得到車架縱梁的四條外沿線。畫出截面形狀,再進行掃掠,這樣車架前端縱梁的繪制,最后將內外槽鋼布爾運算加和,形成一體。如圖:

由于采用的是三位投影的逆向操作的到的交線,即縱梁的外沿線,生成的空間曲線有兩個片體相交的到,則該曲線必然連貫。又由于曲線的生成是完全按照設計圖紙的到的,得到的縱梁即為設計師要求達到的理想形狀。

4.2 繪制支架

建立基準平面,再該基準平面上用草圖功能畫出支架的平面形狀。退出草圖,使用建模的拉伸功能,拉出實體模型。然后再用邊倒角導出形狀,支架的形狀便出來了。最后進行布爾運算求和,使之與車架縱梁連為一體。如圖:

圖2.3 縱梁上的支架

4.3 繪制橫梁

圓柱形的橫梁用軟管功能即可實現。先做出引導線,即圓柱形橫梁的中心線,在用軟管功能生成圓柱體橫梁,再與縱梁托架布爾運算加和,形成一體。結構較復雜的橫梁,則需要在鈑金狀態下做出草圖,形成薄板。再充分利用折彎,沖孔和展開功能。對于空間曲面則還要用掃略來做出。彎邊后還要進行鈑金裁減,比較復雜。

圖2.4 橫梁托架

4.4 完成模型

把所有繪圖中使用的曲線和平面都移到一個不用的圖層,并將之隱藏。最后得到一個完整的模型

圖2.6 車架模型

5 車架的靜態分析5.1 力學模型的選擇

有限元分析的基本思想,是用一組離散化的單元組集,來代替連續體結構進行分析,這種單元組集體稱之為結構的力學模型;如果已知各個單元體的力和位移(單元的剛度特性),只需根據節點的變形連續條件與節點的平衡條件,來推導集成結構的特性并研究其性能。有限元的特點是始終以矩陣形式來作為數學表達式,便于程序設計,大量工作是由電于計算機來完成,只要計算機容量足夠,單元的剖分可以是任意的,對于任何復雜的幾何形狀,多樣化的載荷和任意的邊界條件都能適應。然而,由于有限元是一種數值分析方法,計算結果是近似解,其精度主要取決于離散化誤差。如果結構離散化得恰當,單元位移因數選取得合理,隨著單元逐步縮小,近似解將收斂于精確解。因此,正確建立結構的力學模型,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兩種:梁單元模型和組合模型等。梁單元模型是將車架結構簡化為由一組兩節點的梁單元組成的框架結構.以梁單元的截面特性來反映車架的實際結構特性。其優點是:劃分的單元數目和節點數目少,計算速度快而且模型前處理工作量不大,適合初選方案。其缺點是:無法仔細分析車架應力集中間題,因而不能為車架縱、橫梁連接方案提供實用的幫助。組合單元模型則是既采用梁單元也采用板殼單元進行離散。在實際工程運用中,由于車架是由一系列薄壁件組成的結構,且形狀復雜,宜離散為許多板殼單元的組集,其缺點是前處理工作量大,計算時間長,然而隨著計算機技術的不斷發展,這個問題已得到了較好的解決,而且由于有大型有限元軟件支撐,巨大的前處理工作量絕大部分可由計算機完成,也不是制約板殼元模型實際運用的因難了。這種模型使得對車架的分析計算更為精確,能為車架設計提供更為有利的幫助。

5.2 車架的計算方法

汽車車架的主要結構形式為邊梁式車架,貨車車架縱梁截面多為槽形,橫梁截面可為槽形、閉口矩形或圓管。縱梁和橫梁的聯結方式有焊接、鉚接和螺栓聯結等。其聯結接頭幾何形狀各異,應力分布復雜。根據是否考慮接頭的真實形狀,邊粱式車架的結構計算方法可分為兩大類:

1)不考慮接頭形狀

有最小變形能法、Erz法、傳遞矩陣法和空間梁有限元法。其不足之處于下列幾點:

忽略了接頭的柔度.而它對車架變形和桿端力矩的計算卻很有影響;

無法確切計算接頭區域的應力分布.而這對于車架的設計和優化卻很重要;

只用梁單元,不能反映設計的修改,如接頭形狀和連接形式的改變。

2)考慮接頭形狀

有完全法和混合法。完全法用板殼單元來離散整個車架,可用于縱梁并不均勻平直的剛架,缺點是用的單元和自由度數目龐大。且計算的前后處理工作量大;混合法是交替使用了有限元和矩陣立法。

5.3 等效載荷的簡化

計算結果的真實值與可信性程度如何與模型的建立、載荷的簡化有直接的關系。早期的車架強度計算是將車架簡化為簡支梁,只做彎曲強度的校核。隨著有限元的發展和推廣,國內汽車行業已將有限元法應用于車架的強度計算,但貨箱與車架相連的部分,應力的計算值與貨箱和車架之間等效載荷和相互剛度關系簡化模型有關,直接影響計算結果。通過分析可得出以下幾點結論:

1)乘員和車架,貨箱和車架之間的作用力是以集中力的形式傳遞的;

2)貨箱和車架共同承受彎曲載荷,貨箱承受能力與貨箱剛度有關。因此在車架應力的有限元計算中考慮貨箱的剛度貢獻,

66 車架結構有限元分析

車架用UG高級仿真模塊進行有限元分析的前期處理工作,用MSC.NASTRAN求解器對車架進行求解。

6.1 計算模型

由于車輪軸通過前、后鋼板彈簧裝在車架上,車架上面承受著發動機、駕駛室、車箱及貨物等一系列垂直于框架平面的載荷,所以車架實際上可視作空間板架結構。

有限元板殼元模型就是將車架離散為一系列板單元,各單元只在節點處相聯,節點選在各單元的角點處,相鄰單元之間通過節點可以傳遞力和力矩。為使薄板離散體系能較好地反映真實車架的變形情態,其相鄰單元各節點應滿足變形連續條件。因此,在任一節點處,須考慮6個節點位移分量。計算過程中采用3D四面體單元對車架的幾何模型進行網格劃分,并利用剛性單元將力施加到各相應節點上。模型中共包括37377個節點,72215個單元。

6.2 邊界條件的處理

由于輪胎剛度很大,可將它看成是剛性的,忽略它對結構分析的影響。對于鋼板彈簧,將模擬前后板簧的彈簧元下端點分別固連在相應的剛性單元上。

有限元分析過程中,要有足夠的約束條件,以消除車架的整體剛性位移,求出車架結構因變形而引起的各結點位移。為消除空間運動的六個自由度,將約束剛性單元在前后輪中心線位置的節點,作為整車約束。

按照以上約束條件得到的部分單元的車架有限元模型和全部單元的車架有限元模型如圖6.1和圖6.2所示。

圖6.1車架有限元模型(部分單元)

圖6.2車架有限元模型(全部單元)

6.3 對車架進行應變測量實驗

汽車的使用條件非常復雜,對整車和總成的性能要求也很高,即使在設計和制造時對某些問題考慮非常周密也不能保證性能的完備性,還必須以試驗來檢驗.試驗是幫助我們深入了解整車及其總成在實際使用中各種現象的本質及其規律,并推動其技術進步的一種極為重要的方法.它是保證試驗對象的性能,提高產品質量和市場競爭力的重要手段.

汽車試驗按照試驗對象分類,包括:

1)整車試驗試驗的目的是考核評定整車的主要技術性能,測出其各項技術性能指標,如動力性、經濟性、平順性、制動性和通過性等。整車基本參數的測定也包括在整車試驗范圍內。

2)機構及總成試驗這類試驗主要考核機構及總成的工作性能和耐久性,如發動機功率、變速器效率、懸掛裝置的特性以及他們的結構強度疲勞壽命和耐久性等。

3)零部件試驗該試驗主要考核其設計和工藝的合理性,測試其剛度、強度、磨損和疲勞壽命,研究材料的選擇是否合理。

本課題中所做的車架試驗即為其中的機構及總成試驗。

試驗原理及方法

應變片工作原理:

電阻應變片簡稱為電阻片或應變片。它是一種將應變轉化為電阻變化的置換元件。應變片不僅能夠測量應變,而且對于任何物理量,如力、轉矩、壓強、位移、溫度及加速度,只要能夠設法變為應變的相應變化,都可以利用對應的應變片進行測量,所以它在測試中應用特別廣泛。應變片由敏感元件、基底、蓋片和引線組成,其中的敏感元件用黏合劑粘在其底和蓋片之間,引線焊接在線柵的兩端。

將應變片用黏合劑貼在試件上,試件受力產生變形時,應變片也同時發生變形,其電阻隨之改變,即產生應變片的應變效應。各應變片分別用導線接出,通過預調平衡箱與靜態電阻應變儀相聯。其中預調平衡箱對每片應變片進行預平衡處理,消除非車架變形產生的應變,進而通過靜態電阻應變儀,讀出應變片在車架變形作用下的應變[27]。

1.實驗目的

對該車車架進行抗彎靜載強度測試,以根據實驗結果修正有限元計算模型。

2.實驗方法

1)實驗中采用應變片測試技術。根據測點受力狀況,按應變片粘貼技術要求粘貼電阻應變片,經固化檢驗(阻值變化,絕緣)后,連接導線及應變儀。

2)為保證測量精度,采用單片測量方法(另設補償片)。補償片貼在相同材料、相同溫度、不受力的材料上。

3)根據應變儀所讀出的測點實際應變值,利用公式即可獲得測點的應力值。其中,為材料的彈性模量,對于鋼材其值為2.06GPa。

應變儀型號:YJD——1型(具有靈敏系數補償功能),上海華東電子儀表廠生產

平衡箱型號:P20R-1型,上海華東電子儀表廠生產

(5)感應式標準應變發生儀:DBYM——1型,廣東省科學院試驗儀器廠

4.實驗載荷

動力總成質量(不包括車架):220Kg;

車身重量:650Kg;

乘員重量:325Kg;

貨箱重量:300Kg;

6.4 實驗結果與計算結果的對比

為驗證有限元模型的正確性,對車架進行了靜態彎曲強度測試。實驗中過程中采用YJD-1型應變儀測量車架的應變,然后根據實驗中測量的各點應變和材料的特性計算出相應的應力值。實驗工況為整車原地加載,加載過程中將300kg的重物均布在貨廂底板上,同時在車身前部駕駛室內座椅上按照實際工況布置225kg的重物。測點布于車架縱梁的上方。如圖6.3紅色代表應變片的位置,表1和表2分別列出了在彎曲和彎扭工況下計算值和實驗值。

圖6.3應變片的位置

比較點	1	2	3	4	5	6	7	8
計算值	105	129	120	98	130	102	122	142
實驗值	96	121.1	123.2	102.4	137.9	109.7	128.9	143.3

表1彎曲工況下實驗值和計算值的應力比較

比較點	1	2	3	4	5	6	7	8
計算值	220	125	145	195	145	155	160	195
實驗值	202	103	133	188	141	149	157	187

表2彎扭工況下實驗值和計算值的應力比較

由于有限元分析方法是一種近似數值求解方法,因此對工程實際問題進行計算時很難求得精確解。有限元分析過程中的誤差包括模型誤差和計算誤差。模型誤差是將實際問題抽象為有限元模型時產生的,它包括離散誤差,單元形狀誤差、模型誤差,而計算誤差是采用數值方法對模型計算產生的誤差,其性質是舍入誤差和截斷誤差。上述誤差都可以造成有限元理論計算結果與實測結果之間的差異。例如,有限元模型中假定材料為各向同性,但由于制造過程中加工和熱處理的影響會導致實際結構材料特性的不均勻性。雖然在實驗過程中為避免這些因素的影響,將應變片盡量遠離這些區域,但是影響仍然會存在。建立的模型和實際車架有一點的差別,建模中忽略了一些小的特征;車架的實際受力與模型上的力的加載肯定存在著誤差等等因素導致了應力和應變的差別。

基于上述考慮,有限元計算結果與實驗結果之間不可避免地存在有誤差。由上圖可以看出,與實驗結果相比,計算結果的誤差在基本±10%之內。由于計算誤差基本可以滿足求解工程問題的需要,因此可以利用計算模型對結構的設計進行評價并為結構的修改提供計算依據。

1.載荷的處理

滿載時作用于車身結構的載荷分別處理為:結構自重、各裝備重量、乘客重量。座位上的乘客與座椅載荷分配到相近的節點上;發動機、變速器等載荷則各自分配到相應的支承節點上。計算過程中各部分載荷重量如下:

(1)動力總成質量(不包括車架):220Kg;

(2)車身質量:650Kg;

(3)貨箱質量:300Kg;

(4)乘員質量:325Kg;

2.計算工況的選擇

車輛的使用工況雖然很復雜、但直接關系到車身結構強度的主要是彎曲和滿載扭轉(即彎扭)兩種工況。

(1)彎曲工況:在滿載情況下,研究車架的抗彎強度。

(2)彎扭工況:車架遭受較劇烈的扭轉工況、一般是當汽車以低速通過崎嶇不平路面時發生的。此種扭轉工況下的動載,在時間上變化得很緩慢,其扭轉特性可以近似地看作是靜態的,許多試驗結果也都證實了這一點,即靜扭試驗下的骨架強度可以反映出實際強度。因此,在滿載情況下,一個前〔后〕輪懸空時施加在前(后)橋上的扭矩的作用,應認為是最嚴重的扭轉工況。

6.5 計算結果及分析

1.彎曲工況

車架在滿載、靜態狀態下,縱梁上的應力基本上在70Mpa左右。此外,在一些支架與縱梁連接處應力較大,分別位于以下各點:

后鋼板彈簧前支撐處:166Mpa;

前鋼板彈簧后支撐與縱梁相交處:127Mpa;

第一支架與縱梁連接處:88.2Mpa;

彎曲工況的相關圖示如下:

2.5.4彎曲工況下車架位移約束條件

圖2.5.5彎曲工況——車身載荷分布

圖靜載荷彎曲工況——車架位移分布云圖

2.彎扭工況

車架在滿載、靜態、單輪懸空其他三輪水平狀態下,此時車架會承受較大的扭轉力矩。這種情況下,較大應力的位置分別位于以下各點:

結論

車架作為汽車的重要組成部分,它的強度關系到整車的安全性和使用壽命,因此, 使用有限元分析方法對該田野汽車車架強度進行校核,其重要意義就在于提高整車安全性,提高車輛的使用壽命,從而進一步提高整車質量。

主要任務就是針對于該車車架通過MSC.NASTRAN大型結構分析通用有限元軟件對其進行靜態強度分析。

對有限元分析方法進行了較細致的闡述。介紹了有限單元的形成,有限元法的基本思路,有限元法的計算步驟和有限元基本原理及公式。并重點對空間梁的有限元分析進行了解釋,建立了車架有限元平衡方程并予以求解。本論文闡明了建立有限元模型的基本原則,即保證計算精度和控制模型規模。介紹了建立有限元模型的一般方法,包括有限元建模一般要考慮的問題,建立計算模型的幾個策略和方法。最后簡單介紹了有限元法的應用。

針對所使用的MSC.NASTRAN大型結構分析通用有限元軟件,論文給予了詳細介紹,包括前后處理器MSC.PATRAN的功能,如直接CAD幾何訪問,有限元分析定義等。還有求解器MSC.NASTRAN的功能介紹。

綜述了車架有限元分析技術的概況,介紹了車架的功用和要求,車架的類型和構造,并重點闡述了車架的靜態分析,包括力學模型的選擇,車架的計算方法,等效載荷的簡化。

首先采用應變片測試技術對車架進行了應變測量實驗,得到了實際的數據。為車架強度的有限元分析打下了良好的基礎。

其次,建立了車架的有限元模型。由于車架通過前、后鋼板彈簧裝在車輪軸上,上面承受著發動機、駕駛室、車箱及貨物等一系列垂直于框架平面的載荷,所以車架實際上是空間板架結構。因此用板殼單元對該車架進行離散, 建立有限元模型。模型中共包括37377個節點,72215個單元,以及459個剛性單元。另外,車架上的鋼板彈簧通過彈簧單元模擬。

再者,對該車架進行有限元分析。對于邊界條件的處理,由于輪胎剛度很大,可忽略它對結構分析的影響,將它看成是剛性的。對于鋼板彈簧,將模擬前后板簧的彈簧元下端點分別固連在相應的剛性單元上。

對于載荷的處理,在滿載時作用于車身結構的載荷分別處理為:結構自重、各裝備重量、乘客重量。座位上的乘客與座椅載荷分配到相近的節點上;發動機、變速器等載荷則各自分配到相應的支承節點上。

經過邊界條件的處理和載荷的處理之后,確定了計算工況,選擇彎曲和滿載扭轉(即彎扭)兩種工況進行了處理。

最后進行計算并得到了強度分析應力云圖。

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才