中型载货汽车车架有限元静力学分析讲课讲稿.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。中型载货汽车车架有限元静力学分析-二九年六月TheGraduationDesignforBachelorsDegreeTheFiniteElementsStaticAnalysisofMid-dutyTrucksFrameStructureCandidate：FengWenyanSpecialty：VehicleEngineeringClass：B05-17Supervisor：AssociateProf.ShiMeiyuHeilongjiangInstituteofTechnology2009-06H

2、arbin-摘要车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的各种载荷最终都传递给车架。因此，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计的成败。汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路和装载的各种复杂载荷作用，而且汽车上许多重要总成部件都是以车架为载体。所以，车架的强度和刚度在汽车总体设计中起到了十分重要的作用。本设计是基于Pro/E软件建立了车架结构的实体模型，利用ANSYS有限元分析软件对该车架在弯曲工况、扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况下进行了静力学分析。分析结果表明，该车架受到的最大应力值小于材料的强度极限，满足设计的要求。同时说明有限元法和ANSYS软件为车架结构的计算分析软件，可以更加

3、全面的得出车架的应力分布状况，为车架的下一步设计过程提供了依据和理论支持，而且降低了制造成本，提高了市场竞争力。关键词：载货汽车；车架；Pro/E；有限元；静力分析ABSTRACTFrameisanimportantassemblybearingloadsofanautomobile.Allkindsofloadswillpasstoit.Sotheperformanceofframestructureaffectswhethertheautomobiledesignissuccessfulornot.Asapartofthetruck,theframesupportsallkindsofco

4、mplicatedloadscomingfromtheroadandfreight.Andmanyassemblyofthetruckarebuiltintheframe.Sotheintensityandthestrongoftheframeplayaveryimportantroleinthedesignoftrucks.AmodeloftheframeisestablishedbyusingPro/Einthispaper.Thestaticintensityoftheframeisanalyzedinthesituationofbending,torsion,brakingandswe

5、rvebyANSYS.Theresultindicatesthatthestressoftheframeislessthantheutmostintension.Andtheframeissatisfiedwiththedesign.TheresultofthispaperindicatesthattheresearchofFEAandANSYSsoftwareofferedasetofbasictheoryandmethodfortheframestructureandsimulationofdynamiccharacteristic.Atlast,thematerialoftheframe

6、issaved,anditisstrongerinthemarket.Keywords:Truck;Frame;Pro/E;Finiteelement;Staticanalysis目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1选题目的与意义11.2车架的设计理论发展过程和发展状况21.3本设计研究的内容4第2章有限元法及ANSYS软件的介绍62.1有限元法简介62.1.1有限元法的基本思想62.1.2有限元法的特点72.1.3有限元法分析的一般步骤82.2车架有限元模型建立的原则82.3ANSYS软件的介绍82.3.1ANSYS的发展92.3.2ANSYS软件的特点92.3.3ANSYS软件

7、的功能92.3.4ANSYS软件的程序结构112.3.5ANSYS软件分析的基本过程122.4本章小结13第3章有限元模型建立143.1车架几何模型建立143.1.1车架尺寸的确定143.1.2确定建立模型参考平面143.1.3利用Pro/E软件建立几何模型153.2车架有限元模型的建立173.2.1车架几何模型导入到ANSYS软件173.2.2shell单元的定义183.2.3设置材料参数和属性223.2.4进行网格划分223.3本章小结23第4章车架的静力学分析244.1静力学分析基本概念和过程244.2车架的载荷及处理244.2.1车架受到的载荷244.2.2载荷的处理254.3车架的刚

8、度理论基础264.3.1车架的弯曲刚度264.3.2车架的扭转刚度264.4车架的工况分析及约束的处理274.4.1车架的满载弯曲工况274.4.2车架的满载扭转工况334.4.3车架的紧急刹车工况364.4.4车架的紧急转弯工况374.5本章小结39结论40参考文献41致谢43附录44附录A外文文献中英文翻译44附录B静力学分析命令流54第1章绪论在人们的日常生活中，汽车作为主要的交通运输工具之一，发挥着非常重要的作用。因此，要求汽车制造厂提供更多更好的结构轻、性能好、质量高、用途广、安全性可靠的汽车。汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路及各种复杂载荷的作用，而且汽车上许多重要的总成

9、部件都是以车架为载体的。因而，车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得非常重要。计算机的出现给社会发展带来了深刻的变革，同时也为工程结构的设计、制造提供了强有力的工具。汽车工业属于高技术产业,要设计生产出性能优越、安全可靠的汽车，不应用计算机进行辅助设计分析是根本无法实现的。因此，目前各生产设计部门都非常重视在设计制造过程中采用先进的计算机技术。在汽车结构设计中采用的有限元强度分析，是近几十年来发展起来的新的计算方法和技术,它可以解决许多以往手工计算根本无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益1。1.1选题目的与意义汽车工业属于高技术产业，要设计出性能优越，安全可靠的汽车，不利用计算机辅

10、助设计分析是根本无法实现的。我国汽车工业采用CAD技术，从无到有，已经有近30年的历史了。尽管大多数的厂家采用一定的CAD技术应用于车架设计，如常见的AUTOCAD等辅助设计软件，但是这些软件一般并不具有结构分析的功能。所以，利用有限元法进行汽车车架的静、动态特性分析已成为一种趋势。早期由于有限元法所要求解的问题计算规模比较大，而计算机的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性。但随着有限元技术的成熟和调整计算机的出现，各种通用程序、专用程序的求解功能都很齐全，前后处理也很方便，汽车结构中绝大部分部件甚至整车的有限元静、动态分析和固有特性分析等都可应用这些通用程序或专用程序来分析计算。

11、利用有限元法进行分析，可以更好地知道应力分布情况，进而设计出符合要求的车架结构，提高市场竞争力。随着科学技术的发展，汽车的设计和开发日益向环保化、安全化、智能化、轻污染、低排放及结构设计轻量化的方向发展。产品的类型和结构也越来越复杂，对汽车的产品开发的要求也越来越高。同时，对产品可靠性，安全性的要求也越来越高。汽车作为目前我们国家的主要城乡交通工具，对其刚度、强度，安全性能的研究具有重要意义。1.2车架的设计理论发展过程和发展状况车架作为汽车的承载体，被货车、客车和轿车所应用，支撑着发动机、驾驶室、底盘总成和货箱等机件，承受传给它的各种力和力矩。因此，车架应该有足够的弯曲刚度，以使得安装在其上

12、的相关部件之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并且使得车身的变形量降低到最小；同时汽车车架应该有足够的刚度，保证汽车车架有足够的寿命和良好的可靠性，纵梁等主要部件在使用过程中不应该有严重的变形和开裂。车架的刚度不足会引起振动和噪声，也会使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性和某些的可靠性下降，货车车架的最大弯曲挠度应该小于10mm。但车架扭转刚度又不宜过大，否则将使得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。通常在使用中其轴间扭角约为1/m。在保证强度、刚度的前提下车架的自身质量应该尽可能小些，以减小整车质量。货车车架的质量一般约为整车整备质量的1/10。从被动安全性考虑，乘用

13、车车架应该具有吸收撞击能量的特点。此外，车架设计时还应该考虑车型系列化及改装车等方面的要求2。早在上世纪五十年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元方法，并能较好地模拟、分析车架动态特性。随着有限元模拟方法的不断完善和发展，欧、美、日、韩等国家的汽车生产周期不断缩短，一种新车型从概念到批量生产由6年，5年，4年发展到目前的2年甚至更短的时间，而且产品性能越来越高。随着计算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限元系统，如ANSYS、NASTRAN、I-DESA等，使得车架静态分析、动态分析等成了可能。国外已经能够用有限元对结构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了重大成果。经过三十多年

14、的积累和发展，国外许多大公司建立了高性能的车架计算机辅助工程系统，形成了完整和设计、分析方法和实验程序。目前，国外车型开发周期已经缩短到24至36个月，这与采用现代车架结构分析设计方法是分不开的。现代车架结构设计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。国内起步较晚，在80年代才开始有限元方面的研究，但经过众多学者的研究和探索，已经积累了大量的经验。长春汽车研究所的谷安淘和常国振首先采用杆系有限元法求解了车架结构分析问题。他们将汽车车架结构简化为一组离散单元的集合体，这些单元通过各自的端点连接起来，用以代替真实的车架。随后，吉林大学的黄金陵进一步研究和完善了

15、汽车车架杆系有限元法在车架静力学方面的计算理论。后来，应用有限元法对车架结构分析的研究越来越多，运用有限元法对车架结构分析的计算不再局限于静力学分析，还开始考虑动态特性分析。同时，随着大量有限元软件的引进，车架的有限元法不仅由杆系理论上升到连续体的理论，而且计算模型的建立也越来越复杂，相应的计算精度也越来越高。目前，采用有限元法对汽车的车架结构进行分析正在成为车架设计的主流手段。今后，可以预计运用有限元法对汽车的车架结构进行仿真计算将成为设计的主流。目前国内对重型车架的分析一般仅限于强度和刚度的静态分析，在动态分析上起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算软、硬件的制约，另一方面车架建模过程涉

16、及因素多而且结构复杂，还有待于进一步的研究和探索。上世纪五六十年代，我国对于车架的设计都是依据传统的经验和方法进行的，即依靠材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对车架的结构进行大量的简化设计，设计的结果由试验来验证，该方法有一定的可靠性和科学性。传统设计方法，具有简单易行的优点，目前在我国车辆设计计算中仍然直到一定的作用。但是，该方法有明显不足的地方，主要体现在以下二个方面：1、由于经验设计带有盲目性，每次车架设计过程中不会有明显的突破。使得其整体的强度、刚度都得不到合理的解决。而且设计周期长，不断产品的更新，使得产品的更新换代速度比较慢，降低了市场竞争力。2、传统的设计，不能对车架结构的

17、应力分布及刚度进行定量分析。因此，设计过程中会出现不合理的现象。导致整个车架的成本过高，同时存在某些地方不足，易出现事故；某些地方的强度又过于富裕，造成了浪费。由于传统设计有不足之处，同时随着计算机的发展及结构强度分析和结构优化程序的使用，取代了高强度的手工劳动，结构分析，设计速度大大提高。有限元就是其中的一种方法。目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限元单元法(亦称有限元法FiniteElementMethod，FEM)、边界法(BoundaryElementMethod，BEM)和有限差分法(FiniteDifferenceMethod，FDM)等，但就其实用性和应用的广泛性而言

18、，主要还是有限元法。作为一种离散化的数值解法，有限单元法首先应用在结构分析中，然后又在其他领域中得到了广泛的应用。其应用软件已发展到几百种。比较著名的有：NASTRAN(大型综合有限元软件)，ASKA(大型通用有限元软件)，MARC(大型综合非线性有限元软件)，GTSTRUDL(大型综合土木建筑结构分析的有限元软件)，SAP(线性有限元软件)，ADINA(非线性结构分析通用有限元软件)，ANSYS(有限元分析系统)，ALGORFEAS(大型结构分析通用有限元软件)等3。有限元分析的基本思想，是用一组离散化的单元组集，来代替连续体机构进行分析，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

19、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，大量工作是由电子计算机来完成，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。如果结离散化恰当，单元位移函数选取合理，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有如下二种：梁单元模型和组合模型是等。梁单元模型是将车架结构

20、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，计算机计算速度快，而且模型前处理工作量小，适合初选方案。其缺点是：无法仔细分析车架应力集中问题，因而不能为车架纵、横梁连接提供实用的帮助。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，由于车架是一由系列薄壁件组成的结构，且形状复杂，宜离散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的支撑，巨大的前处理工作量绝大部分可由计算机来完成，也不是制约板壳模型实际运

21、用的困难了。这种模型使得对车架分析计算更为准确，能为车架设计提供更为有利的帮助4。有限元法为车架结构分析设计提供重要的基础，同时也促进车架结构的分析和设计的发展。但随着对车辆的运动性能要求的不断提高，车辆的工作环境愈来愈复杂。就车架而言，仍把满足静强度的要求作为结构的主要乃至唯一的依据，显然不能符合实际情况。但进行力学分析是不可或缺的设计过程，同时对于某些车辆的车架，在重载、高速行驶时其振动问题日益突出。车架的强烈振动一方面会影响人们乘坐舒适性，另一方面会影响汽车零部件的安全使用。因此，车架的动态分析就日益显得重要了，但在进行动态分析前的步骤是做静态分析，亦是做车架的静力学分析。所以，为了能够

22、在车架的设计初期就对车架的静态性能有较全面的了解，提高车架的设计效率，很有必要在这方面作一些工作，即对其进行静力学分析，进而更加合理的设计出符合设计要求车架。1.3本设计研究的内容本设计研究的是某中型载货汽车车架，运用PRO/E软件建立实体模型，利用有限元软件对车架进行四种工况的静力学分析，得到它的应力分布图和变形图，根据各部分所受的应力情况进行分析，进而为后续工作做准备。具体步骤如下：建立车架的实体模型。利用PRO/E软件建立车架实体模型。安装PRO/E与ANSYS软件转换接口。进行网格划分。设置参数、属性，进行网格划分。假定在汽车满载的情况下，对车架在弯曲、扭转、紧急刹车、急转弯四种工况下

23、的受力和变形情况进行静力学分析。结合应力图和变形图进行分析。最终得出结论。第2章有限元法及ANSYS软件的介绍2.1有限元法简介自从20世纪60年代Clough第一次提出“有限单元法(或称有限元法)”这个名称以来，经过40多年的发展，它如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法之一。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术和飞速发展，有限单元法现已为计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分。有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法。可用有限元方法解决的有关工程和数学领域内的典型问题包括结构分析、热传导、液体流动、质量传输和电磁电位

24、等。对于大多数的工程技术问题，由于物体的结构形状复杂或者某些特征是非线性的，很少有解析解。这类问题的求解方法通常有两种，一是引入简化假设；二是人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，利用计算机技术和数值分析技术来获得满足工程技术要求的数值解。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。由于汽车的机械结构复杂，用有限元法不但能完成车身、车架等结构静力学分析，而且还能进行动力学分析，因此是汽车设计计算的重要工具。尤其是近些年，伴随着计算机技术的发展，有限元法在汽车及总成部件设计制造中所起到的作用越来越

25、明显。2.1.1有限元法的基本思想有限元法的基本思想是将一个复杂的结构拆分成“有限”个“单元”,对这些单元分别进行分析,建立其位移内力之间的关系,以变分原理为工具,将微分方程化为代数方程,再将单元组装成结构,形成整体结构的刚度方程。KU=Q(2.1)式中:K结构的整体刚度矩阵；U节点位移列阵；Q节点载荷列阵。在工程或物理问题的数学模型(基本变量、基本方程、求解域和边界条件)确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思想可简单概括以下三点：将一个表示结构或连续体的求解域离散成为若干个子域(单元)，并通过它们边界上的节点相互联结为一个组合体。用每个单元内所假设的近似函数来分片表示全求解

26、域内待求解的未知场变量，而每个单元内的近似函数未知场函数(或未知导数)在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表示。由于在联结相邻单元的节点上，场函数具有相同的数值，因此将它们作为数值求解的基本未知量。这样一来，求解原待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。通过和原问题数学模型(如基本方程、边界条件等)等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量(场函数节点值)的代数方程组或常微分方程组。此方程组成为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式，接着用相应的数值方法求解该方程，从而得到原问题的解答。2.1.2有限元法的特点有限元法之所以能有如此广泛的用途，是因为它

27、有其自身的特点，概括如下：对于各种物理问题的适用性由于单元内近似函数分片的表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须有相同的形式，因此它适用于各种物理问题，例如线弹性问题、弹塑性问题、粘弹性问题、动力问题、屈曲问题、流体力学问题、热传导问题、声学问题、电磁场问题等，而且还可以用于各种物理现象相互耦合的问题。对复杂几何模型的适应性由于单元在空间可以是一维、二维或三维的。而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元可以采用不同的连接方式，所以，工程实际中遇到的非常复杂的结构或构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。建立于严格理论基础上的可靠性因

28、为用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学上已证明是微分方程和边界条件的等效积分形式，所以只要原问题的数学模型是正确的，同时用来求解有限元方程的数值算法是稳定可靠的，则随着单元数目的增加（即单元尺寸的缩小）或者是随着单元自由度数的增加（即插值函数阶次的提高），有限元解的近似程度不断被改进。如果单元是满足收敛准则的，则近似解最后收敛于原数学函数模型的精确解。适合计算机实现的高效性由于有限元分析的各个步骤可以表示成规范化的矩阵形式，所以最后求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和执行。随着计算机硬件技术的高速发展以及新的数值算法的不断出现，大型复杂问题的有限元分析已成为工

29、程技术领域的常规工作5。2.1.3有限元法分析的一般步骤有限元法分析的一般步骤可归纳如下：离散和选择单元类型。在有限元分析中，单元类型的选择取决于实际受载条件下物体的物理构成，也取决于分析者所期望的对实际行为的近似程度。必须考虑选择一维、二维或三维进行理想化是否适当。选择位移函数。定义应变位移和应力应变关系。推导单元刚度矩阵和方程。组装单元方程得出总体方程并引进边界条件。解未知自由度(或广义位移)。求解单元应变和应力。解释结果。2.2车架有限元模型建立的原则在建立车架有限元分析模型时，本文主要考虑了以下几个方面的问题:车架有限元分析模型尽可能逼近车架真实结构，尤其是从动力学特性上进行逼近。在进

30、行网格划分时，保证任意一板壳单元的顶点同时也是其相邻单元的顶点；尽可能的使单元形状规则，以避免单元的某个边过长或者过短以及某个内角太大或太小。对一些很小的或者不重要的地方，如过渡圆角，在建模时候进行简化处理。为了提高计算精度，建模时根据车架的结构特点和载荷分布特点，在可能产生应力集中或者应力包剧变化的部位网格划分比其它部分细密。2.3ANSYS软件的介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于机械工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物制药、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。

31、该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC到工作站再到巨型计算机，ANSYS文件在其所在的产品系列和工作平台均兼容。ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算成本，如热耦合、磁结构耦合，以及电磁液体热耦合，在PC上生成的模型同样可运行在巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解5。2.3.1ANSYS的发展ANSYS由世界上著名的有限元分析软件公司ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。2.3.2AN

32、SYS软件的特点ANSYS是一个功能强大的设计分析及优化软件。与其它有限元分析软件相比，它有如下特点：唯一能够实现多场耦合分析功能的软件，可以进行结构、热、流体流动、电磁等的单独研究或者它们之间相互影响的研究。有强大的非线性分析功能。唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元软件。多种求解器分别适合于不同问题及不同的硬件配置。多种自动网格划分技术。支持异种、异构平台的网格浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容。支持从微机、工作站到巨型机，以及所有平台间的并行计算。可与大多数CAE软件集成并有接口。有良好的用户开发环境，

33、综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入、图形化输出等多种方式，使应用更加方便。2.3.3ANSYS软件的功能ANSYS软件包括以下主要功能模块：1、结构分析结构分析包括以下类型。静力分析用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为。例如，大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变。模态分析计算线性结构的自振频率及振形，谱分析是模态分析的扩展，胜于计算机由随机振动引起的结构应力和应变(也叫做响应谱或PSD)。谐响应分析确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。瞬态动力学分析确定结构对随着时间正弦任意变化的载荷的响应。可以考虑与静力学分析相同的结构非线性行为。特征屈曲分析用于计算线

34、性屈曲载荷，并确定屈曲模态形状(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析)。专项分析断裂分析、复合材料分析、疲劳分析。专项分析用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为。它的显示方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法。2、ANSYS热分析热分析一般不是单独的，其后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析包括以下类型：相变(熔化及凝固)全属合金在温度变化时的相变，如铁合金中马氏休体与奥氏体的转变。内热源(电阻发热等)存在热源问题，如加热炉中对试件进行加热。热传导热传递的一种方式，当相接触的两物体存在温度差时发生。热对流热传递的

35、一种方式，当存在流体、气体和产、温度差时发生。热辐射热传递的一种方式，只要存在温度差时就会发生，可以在真空中进行。3、ANSYS电磁分析电磁分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、耗能及磁通量泄漏等。静磁场分析计算直流电(DC)或永磁体产生的磁场。交变磁场分析计算由于交流电(AC)产生的磁场。瞬态磁场分析计算随着时间随机变化的电流或外界引起的磁场。电场分析用于计算电阻或电容系统的电场。典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。高频电磁场分析用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析。4、ANSYS流体分析流体分析主要用于确定流体的流动及热

36、行为。流体分析包括以下几种类型:CFD(CouplingFluidDynamic耦合流体动力)ANSYS/FLOTRAN提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组份流等。声学分析考虑流体介质与周围固体的相互作用，进行声波传递或水下结构的动力学分析等。容器内流体分析考虑容器内的非流动流体的影响。可以确定由于晃动引起的静力压力。流体动力学耦合分析在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构力学分析中使用流体耦合单元。5、ANSYS耦合场分析耦合专场分析主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因

37、此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如，在电压分析中，需要同时求解电压分布(电场分析)和应变(结构分析)。2.3.4ANSYS软件的程序结构ANSYS系统把各个分析过程分为一些模块进行操作，一个问题的分析主要可以经过这些模块的分步操作实现，各个模块组成了程序的结构。处理器。在ANSYS中，一般用到的处理器有：前处理器、求解器、通用后处理器、时间历程后处理器、拓扑优化和优化设计文件格式。在ANSYS中涉及的主要文件的类型及格式如表2.1。表2.1文件的类型及格式文件的类型文件的名称文件的格式日志文件Jobname.LOG文本错误文件Jobname.ERR文本输出文件Jobnam

38、e.OUT文本数据文件Jobname.DB二进制结果文件结构或其耦合热磁场流体Jobname.xxxJobname.RSTJobname.RTHJobname.RMGJobname.RFL二进制载荷步文件Jobname.Sn文本图形文件Jobname.GRPH文件(特殊格式)单元矩阵文件Jobname.EMAT二进制输入方式。主要包括交互式运行ANSYS和命令方式运行ANSYS。输出文件类型。一般来说不同的分析类型有不同的文件类型，除了上面列出的文件外，表2.2列出了ANSYS分析时产生的临时文件类型。表2.2临时文件类型文件名称文件格式文件内容ANO文本图形窗口的命令BAT文本从batch文

39、件中输入的数据DOn文本Do-loop命令中的计数值DSCR二进制模态分析中的Scratch文件EROT二进制单元旋转矩阵LSCR二进制高级模态分析中的Scratch文件LV二进制在子结构中产生并随多个载荷矢量传递的Scratch文件LNxx二进制从sqarse求解器产生的Scratch文件MASS二进制模态分析中的压缩质量矩阵MMX二进制模态分析中的工作矩阵PAGE二进制ANSYS虚拟内存的页面文件PCS文本从PCG求解器产生的Scratch文件PCn二进制从PCG求解器产生的Scratch文件(n=110)SCR二进制从雅可比梯度求解器产生Scratch文件SSCR二进制从子结构求解器产生

40、的Scratch文件2.3.5ANSYS软件分析的基本过程该软件主要包括三个部分前处理、加载并求解和后处理。前处理前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括创建实体模型、定义单元属性、划分有限元网格、修正模型等几项内容。现今大部分的有限元模型都是用实体模型建模，然后在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方施加载荷，但是实体模型并不参与有限元分析，所以施加在几何实体边界上的载荷或约束最终传递到有限元模型上(单元或节点)进行求解，这个过程通常是ANSYS程序自动完成的。加载与求解在前处理阶段完成建模后，进入求解阶段，求解阶段通过求解器获得分析结果。在该阶段用户可以定义分析类型、分析选项、载荷

41、数据和载荷步选项等，然后进行有限元求解。后处理该模块的主要任务是进行结构分析。ANSYS提供了两种后处理器：通用后处理器(POST1)用来观看整个模型在某一时刻的结果。时间历程后处理器(POST2)用来观看模型在不同时间段或者载荷步的结果，常用于处理瞬态分析和动力分析的结果4。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等5。2.4本章小结本章通过对有限元和ANSYS的基础知识和基本理论的介绍，了解了有限元法的基本思想、特点、分析的过程步骤及ANSYS

42、软件基础知识的简介，对有限元法和ANSYS软件建立一个感性的认识，同时明确有限元模型建立的基本原则，为后面的具体展开学习和应用进行了必要的铺垫。第3章有限元模型建立汽车车架结构的有限元模型可以采用梁单元、板壳单元建立。梁单元模型将结构简化为一组两节点梁单元组成的结构，以梁单元的截面特性反映车架的结构特性，这种模型的优点是单元和节点数目少，前处理工作量少，计算量较小，计算速度快，但是无法分析车架应力集中问题，计算精度较低。板壳单元模型则与实际结构基本吻合，计算精度较高，但是由于单元与节点的数量庞大，前处理工作量大，计算量大。为了减少前处理的工作量，缩短建立模型的时间。所以，本章将采用Pro/E和

43、ANSYS软件完成车架的几何模型和有限元模型的建立。3.1车架几何模型建立3.1.1车架尺寸的确定根据刘惟信汽车设计可知，车架的长度大致接近整车长度，约为轴距的1.41.7倍。本设计中选取的轴距为4700mm，则汽车的纵梁长取为6600mm。载货汽车一般有46根横梁，其分布与有关总成、驾驶室、货箱和车身的支承位置有关。参照东风140车架，确定其横梁位置。汽车车架的结构是典型的载货车车架结构，由两根纵梁及五根横梁铆接而成，前后等宽，宽度为870mm。纵梁由16Mn钢板冲压而成。其最大剖面尺寸为：235758mm(高宽厚)，如图3.1所示。图3.1纵梁截面形状其中：d=8mm，h=235-8=22

44、7mm，b=75-8/2=71mm。3.1.2确定建立模型参考平面为了在导入ANSYS软件后，便于调整好车架的位置，利于观察。选择以RIGHT面及以它为参考面DTM1、DTM2进行拉伸建模，即YOZ为左右对称面，XOY为纵梁的对称面，XOZ为车架纵梁的中间平面，其中X轴指向车架前进方向的左侧，Y轴指向车架上方，Z轴指向车架前进方向。3.1.3利用Pro/E软件建立几何模型利用Pro/E软件，按照车架主要参数和尺寸进行建立三维实体的几何模型，具体步骤如下：建立基准面DTM1，如图3.2所示。图3.2建立基准面DTM1图3.3拉伸纵梁利用拉伸命令拉伸纵梁，如图3.3所示。建立基准面DTM2，如图3

45、.4所示。图3.4建立基准参考平面DTM2按确定位置拉伸横梁，如图3.5所示。图3.5拉伸横梁拉伸出示意钢板弹簧位置的螺栓，如图3.6所示。图3.6拉伸示意钢板弹簧位置的螺栓利用镜像命令，得到车架的三维实体模型，如图3.7所示。图3.7车架几何模型3.2车架有限元模型的建立3.2.1车架几何模型导入到ANSYS软件由于ANSYS软件不能直接应用Pro/E软件形成的*prt文件,所以车架的几何模型完成后，进行安装转换接口。安装Pro/E与ANSYS软件转换接口。首先，鼠标点击“开始程序ANSYS10.0UtilitiesANS_ADMIN”,出现如下图的对话框,选择configurationop

46、tionsOK,接下来的对话框顺序选取。ConfigurationConnectionforPro/EOK，ANSYSMultiphysics&WIN32OK。完成后ANSYS提示已在自己的安装目录中成功生成config.anscon文件，如下图所示，记下config.anscon的路径。在接下来出现的对话框中“Pro/EngireerInstallationpath”选项后输入Pro/E的起始安装路径如“C:/ProgramFiles/proeWildfire3.0”，“LanguageusedwithPro/Engineer”选项用默认的usascii，点击OK。出现对话框提示在Pro/E目录下建立了一个protk.dat文件。点击确定完成配置,运行Pro/E，工具菜单后面出现了ANSYS10.0，说明连接成功了。运行Pro/E打开某零件三维模型图，点击ANSYS10.0下的ANSYSGeom按钮(如下图所示)，则模型自动导入到ANSYS中，此时ANSYS10.0软件自动打开，点击Plot下的Volume，则模型导入成功。导入到ANSYS软件中的车架图如图3.8所示。图3.8车架在ANSYS中的几何模型3.2