輕型貨車車架設(shè)計(jì)及有限元分析

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1、 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 輕型貨車車架設(shè)計(jì)及有限元分析 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級(jí)：

2、 車輛工程 B05-17班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 助理實(shí)驗(yàn)師 / The Graduation Design for Bachelors Degree Light Truck Frame Design and Finite Element Analysis Candidate：WangWenxin Specialty：Vehic

3、le Engineering Class： B05-17 Supervisor：Assistant Experimentalist. SunYuantao Heilongjiang Institute of Technology 2009-06HarBin 27 / 33文檔可自由編輯打印 摘 要 車架作為汽車的承載集體，安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向系、懸架、駕駛室、貨廂等有關(guān)部件和總成，承受著傳遞給它的各種力和力矩。車架工作狀態(tài)十分復(fù)雜，根本無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算,而采用有限元方法

4、可以對(duì)車架的靜態(tài)特征進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，從而經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)入到科學(xué)設(shè)計(jì)階段。 本文對(duì)該輕型貨車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用有限元方法對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析。 首先通過計(jì)算，對(duì)車架的材料、主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行選擇，并根據(jù)車架的主要技術(shù)參數(shù)，計(jì)算車架的剛度、撓度、扭轉(zhuǎn)角等。其次，針對(duì)該車架運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行有限元模型的建立。在忠于主要力學(xué)特性的前提下，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。建立有限元模型時(shí)考慮了若干問題，比如：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的處理，單元的選取，單元數(shù)量的控制，單元質(zhì)量的檢查，網(wǎng)格的布局，還有連接方式的模擬等。對(duì)車架有限元模型進(jìn)行靜態(tài)分析，并從中得出結(jié)論。 文中闡述了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法及建立車架有

5、限元模型的基本原則。通過對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析，從而使車架的承載能力提高，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。 關(guān)鍵詞：車架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；Pro/E；有限元模型；有限元分析 ABSTRACT The frame ,as a most important part of carrier car,supports some accessories such as engine,drive line,running geer,body,and withstands all kinds of force.In addition ,the

6、work condition of carrier car is extremely bad,and stress condition is also complex ,it is unable to use simple mathermatical method for accurate analysis of the calculation，and the finite element method can be used to analyse the staic and dynamic performance of the frame more accurately,so that th

7、e design of frame will go from the experience design into the scientific design stage. This article carries on the structural design to this pickup truck frame, and carries on the static analysis using the finite element method to it. First the computation that it is in order to complete the f

8、rame material, the main parameter, the structural style which carry on the choice, and according to the frame main technical parameter, calculates the frame the rigidity, the amount of deflection, the angle of torsion and so on.Next, carries on the finite element model in view of this frame using th

9、e Pro/E software the establishment.In is loyal to under the main mechanics characteristic premise, carries on the essential simplification to the frame structure.When establishment finite element model has considered certain questions, for instance: The structure simplifies processing, unit selectio

10、n, unit quantity control, unit quality inspection, grid layout, but also has the connection way simulation and so on.Carries on the static analysis to the frame finite element model, and draws the conclusion. At last the paper introduced the basic method of frame structure design and finite elemen

11、t model is established the basic principles of the frame. Through the frame structure design and finite element analysis, so as to improve the bearing capacity of the frame structure, realize the lightweight. Key words: Frame；Physical design；Pro/E；Finite element model；Finite element analysis

12、 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 貨車研究的目的和意義 1 1.3 車架國(guó)內(nèi)外研究狀況 2 1.4 主要研究?jī)?nèi)容 3 第2章 輕型貨車的車架設(shè)計(jì) 4 2.1 車架概述 4 2.1.1 車架的設(shè)計(jì)要求 4 2.1.2 車架的類型 4 2.1.3 車架的制造工藝及材料 7 2.2 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 2.2.1 車架的撓度計(jì)算 9 2.2.2 車架的彎矩及彎應(yīng)力計(jì)算 10 2.2.3 車架的扭矩及扭轉(zhuǎn)角計(jì)算 12 2.3 本章小結(jié) 13 第3章 車架三維模型的建立 14 3.1 Pro

13、/E軟件介紹 14 3.2 三維模型的建立 15 3.3 本章小結(jié) 20 第4章 車架有限元分析 21 4.1 ANSYS軟件介紹 21 4.2 輕型貨車有限元模型的處理 26 4.2.1 車架幾何數(shù)據(jù)處理 27 4.2.2 網(wǎng)格劃分的基本原則 27 4.2.3 網(wǎng)格的質(zhì)量控制 27 4.3 車架彎曲工況分析 29 4.3.1 彎曲工況下的約束與載荷 29 4.3.2 彎曲工況結(jié)果分析 29 4.4 車架扭轉(zhuǎn)工況分析 31 4.4.1 扭轉(zhuǎn)工況下約束與載荷 31 4.4.2 扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果分析 31 4.5 車架制動(dòng)工況分析 32 4.5.1 車架制動(dòng)工況下約束與

14、載荷 32 4.5.2 制動(dòng)工況結(jié)果分析 32 4.6 本章小結(jié) 33 結(jié)論 34 參考文獻(xiàn) 35 致謝 36 附錄 37 第1章 緒 論 1.1 研究背景 汽車作為交通運(yùn)輸工具之一,發(fā)揮著非常重要的作用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展,因此要求提供更多更好的結(jié)構(gòu)輕、性能好、質(zhì)量高、用途廣、安全可靠的汽車。車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級(jí)和高級(jí)轎車所采用，支承著發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩[1]。因而,車架的強(qiáng)度和剛度在汽車總體設(shè)計(jì)中顯得非常重要

15、。 但同時(shí)也應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)： （1）機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置及車身變形； （2）可靠性和使用壽命； （3）振動(dòng)和噪聲； （4）乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和通過性[2]。 車架工作狀態(tài)十分復(fù)雜，根本無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算，以往設(shè)計(jì)時(shí)大多采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)算,不能準(zhǔn)確地計(jì)算出車架各個(gè)部件的應(yīng)力和變形,而以樣車進(jìn)行試驗(yàn)并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正成本較高。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與飛速發(fā)展，車架作為一個(gè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行有限元分析計(jì)算已廣為應(yīng)用。有限元法的基本思路就是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)視為由簡(jiǎn)單的基本的有限元單元所組成，是一種離散化數(shù)值計(jì)算方法，借助于矩陣方法與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，可以進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)

16、力分析[3]。現(xiàn)今階段多采用Pro/E軟件進(jìn)行模型建立，再通過ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行分析，這樣大大的節(jié)省了車架設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間，方便了車架設(shè)計(jì)者。 采用有限元方法可以對(duì)車架靜態(tài)特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，因而使車架設(shè)計(jì)提升到了一個(gè)新的高度，從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)入到科學(xué)設(shè)計(jì)階段。 1.2 貨車研究的目的和意義 車架是一種復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)。車架不僅要承擔(dān)安裝在其上面的部件和運(yùn)載貨物的載荷，而且還要承受行駛時(shí)路面不平帶來(lái)的隨機(jī)激勵(lì)，以及動(dòng)力傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響，這給車架的結(jié)構(gòu)分析帶來(lái)很大的困難。而對(duì)于載貨汽車來(lái)說(shuō)，增大車輛承載能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，提高車輛的使用壽命，是載貨車輛設(shè)計(jì)的首要任務(wù)[4]。車架作

17、為整個(gè)車輛的核心總成，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)車輛的整體性能有著很大的影響。 早在五六十年代，車架剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，即利用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)簡(jiǎn)化的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。這種根據(jù)組合梁的剛強(qiáng)度理論來(lái)實(shí)現(xiàn)的方法簡(jiǎn)單易行但是對(duì)結(jié)構(gòu)做了大量的簡(jiǎn)化。因此不可避免的會(huì)造成車架各部分強(qiáng)度不合理的現(xiàn)象。 隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在： （1）運(yùn)用有限元法對(duì)初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車架的性能； （2）車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)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜

18、合考慮汽車的復(fù)雜受力及變形情況，有限元法能夠很好的解決這一問題； （3）通過對(duì)車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對(duì)降低車架的成本具有重要的意義[5]。 綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本低、輕量化和舒適性要求越來(lái)越高的今天，對(duì)于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力具有重要意義[6]。 1.3 車架國(guó)內(nèi)外研究狀況 在國(guó)外，從60年代起就開始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。1970年美國(guó)宇航局將NASTRAN有限元分析程序引入汽

19、車結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進(jìn)行車架輕量化的分析。當(dāng)前，國(guó)外各大汽車公司利用有限元軟件進(jìn)行車架結(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)行車的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析[7]。 國(guó)外將有限元法引入到車架強(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)汽車車架結(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

20、為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車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谲嚰芙：蛻?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)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段[8]。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。 綜合分析這些文獻(xiàn)可知，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于

21、對(duì)車架或車架結(jié)構(gòu)在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分布，并對(duì)其進(jìn)行了局部的修改，由于軟硬件對(duì)計(jì)算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計(jì)算結(jié)果多用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。 1.4 主要研究?jī)?nèi)容 結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)和實(shí)際設(shè)計(jì)要求，再參考以往的研究成果以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）針對(duì)輕型貨車車架為研究對(duì)象，進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及剛度、撓度、扭轉(zhuǎn)角等校核計(jì)算； （2）研究應(yīng)用有限元法靜態(tài)分析所用軟件基礎(chǔ)； （3）以該輕型貨車車架為研究對(duì)象利用Pro/E軟

22、件建立車架有限元模型； （4）以該車架有限元模型為研究對(duì)象導(dǎo)入ANSYS，利用ANSYS軟件對(duì)車架有限元模型進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。 第2章 輕型貨車的車架設(shè)計(jì) 2.1 車架概述 車架是汽車各總成的安裝基體，它將發(fā)動(dòng)機(jī)和車身等總成連成一個(gè)有機(jī)的整體，即將各總成組成一輛完整的汽車。同時(shí)，還承受汽車各總成的質(zhì)量和有效載荷，并承受汽車行駛時(shí)所產(chǎn)生的各種力和力矩，以及各種靜載荷和動(dòng)載荷[4]。 2.1.1 車架的設(shè)計(jì)要求 （1）有足夠的強(qiáng)度。保證在各種復(fù)雜受力的情況下車架不受破壞。要求有足夠的疲勞強(qiáng)度，保證汽車大修里程內(nèi)，不至于有嚴(yán)重的疲

23、勞損傷； （2）有足夠的彎曲剛度。保證汽車在各種復(fù)雜受力的使用條件下，固定在車架上的各總成不至因?yàn)樽冃味缙趽p壞或失去正常的工作能力； （3）有適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)剛度。當(dāng)汽車行駛于不平路面時(shí)，為了保證汽車對(duì)路面的不平度的適應(yīng)性，提高汽車的平順性和通過能力，要求具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度。通常要求車架兩端的扭轉(zhuǎn)剛度大些，而中間部分的扭轉(zhuǎn)剛度適當(dāng)小些； （4）盡量減輕質(zhì)量。由于車架較重，對(duì)于鋼板的消耗量相當(dāng)大。因此，車架應(yīng)該按照等強(qiáng)度的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減輕汽車的自重和降低材料消耗量。在保證強(qiáng)度的條件下，盡量減輕車架的質(zhì)量。 2.1.2 車架的類型 車架是按照結(jié)構(gòu)的不同來(lái)分類的，主要結(jié)構(gòu)型式有框式、脊梁式

24、和綜合式。其中框式又可分為周邊式、x形和邊梁式。 1、周邊式車架 這種車架是從邊梁式車架派生出來(lái)的，前后兩端縱梁變窄，中部縱梁加寬。中部寬度取決于車門檻梁的內(nèi)壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉(zhuǎn)角；后端寬度則由后輪距確定。左右相關(guān)縱梁由橫梁連接。其最大特點(diǎn)是前后兩段縱梁系經(jīng)所謂的緩沖臂或抗扭盒與中部縱梁焊接相連。前緩沖臂位于車廂前圍板下部?jī)A斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。其結(jié)構(gòu)形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可吸收來(lái)自不平路面的沖擊和降低車內(nèi)噪聲。此外車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又減短了車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長(zhǎng)度。在前后車輪縱梁向上彎曲以讓出前后獨(dú)立懸架或非斷開式后橋的

25、運(yùn)動(dòng)空間。采用這種車架時(shí)車身地板上的傳動(dòng)軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬，因此多用于中級(jí)以上的轎車。 2、X形車架 這種車架為一些轎車所采用。車架的中部位于汽車縱向?qū)ΨQ平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成X形狀。前端的叉形梁用于支承動(dòng)力-傳動(dòng)總成，而后端則用于安裝后橋。傳動(dòng)軸經(jīng)過中部管梁向后方。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度很大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后這還用于加強(qiáng)前、后懸架的支承。管梁部分位于乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側(cè)的車身地板的降低，但地板中間有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大。 3、邊梁式車架 又稱梯形車架，是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組

26、成。其彎曲剛度較大，而當(dāng)承受扭矩時(shí)，各部分同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，其特點(diǎn)是便于安裝車身、車箱和布置其他總成，易于汽車的改裝和變形，因此被廣泛應(yīng)用在載貨汽車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車上。 載貨汽車梯形車架有兩根相互平行開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長(zhǎng)不變或局部降低，而兩端的下表面則可根據(jù)應(yīng)力情況，適當(dāng)?shù)南蛏鲜湛s。即縱梁中部相當(dāng)長(zhǎng)的范圍內(nèi)具有最大高度和寬度，而兩端可根據(jù)應(yīng)力情況相應(yīng)的縮小。車架寬度多為全長(zhǎng)等寬。 4、脊梁式車架 這種車架主要由一根位于中央且貫穿汽車全長(zhǎng)的較粗縱梁和若干根懸伸托架組成。中央縱梁可以是圓管狀，

27、也可以是箱形斷面。這種車架的扭轉(zhuǎn)剛度合適，容許車輪跳動(dòng)的空間大，適合采用獨(dú)立懸架，但制造工藝復(fù)雜。 (a) 周邊式車架 （b）X形車架 (c) 梯形車架 圖2.1 車架 圖2.2 載貨汽車的梯形車架 5、綜合式車架 這種車架的前后部分相似于邊梁

28、式車架，以便分別安裝發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋，中部為一短脊梁管，傳動(dòng)軸從短管內(nèi)通過。是邊梁式和脊梁式[9]的綜合，中部的抗扭剛度合適，但中部地板凸包較大，制造工藝復(fù)雜。 圖2.3 脊梁式車架 圖2.4 綜合式車架 2.1.3 車架的制造工藝及材料 車架縱橫梁的其他零件的制造，多采用鋼板的冷沖壓工藝在大型壓力機(jī)上沖孔及成型，也有采用槽鋼、工字鋼、管料等型材制造的。貨車車架的組裝多采用冷鉚工藝，必要時(shí)也可采用特制的防松

29、螺栓連接。為保證車架的裝配尺寸，組裝時(shí)必須有可靠的定位和夾緊，特別應(yīng)保證有關(guān)總成在車架上的定位尺寸及支承點(diǎn)的相對(duì)位置的精度。 車架材料應(yīng)具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應(yīng)力集中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳低合金鋼能滿足這些要求。車架材料與所選定的制造工藝密切相關(guān)。拉伸尺寸較大或形狀復(fù)雜的沖壓件需采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼08，09MnL，09MnREL等鋼板制造；拉伸尺寸不大、形狀又不復(fù)雜的沖壓件常采用強(qiáng)度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等鋼板制造。強(qiáng)度更高的鋼板在冷沖壓時(shí)易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。有的重型貨車、自卸車、越野車為了提高

30、車架強(qiáng)度，減小質(zhì)量而采用中碳合金鋼熱壓成形，再經(jīng)熱處理，例如采用30Ti鋼板的縱梁經(jīng)正火后抗拉強(qiáng)度即由450Mpa(HBl56)提高到480～620Mpa(HBl70)。用30Ti鋼板制造縱橫梁也可采用冷沖壓工藝。 鋼板經(jīng)冷沖成形后，其疲勞強(qiáng)度要降低，靜強(qiáng)度高、延伸率小的材料的降低幅度更大。常用的車架材料在成形后的疲勞強(qiáng)度約為140～160Mpa。 貨車根據(jù)其裝載質(zhì)量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為5．0～7．0mm，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為7．0～9．0mm。槽型斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的35％～40％。 2.2 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車架應(yīng)有足夠的彎曲剛

31、度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最?。卉嚰芤矐?yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性與壽命，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂[10]?？v梁作為車架的主要承載元件，也是車架中最大的加工件，其形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單。其中載貨汽車的車架縱梁延全長(zhǎng)多取平直且斷面也不變或少變，以簡(jiǎn)化工藝。因此載貨汽車的斷面多采用開口朝內(nèi)的槽形，槽形斷面梁的彎曲剛度大、強(qiáng)度高、工藝性好，零件的安裝與緊固方便。同時(shí)由若干根橫梁將左右縱梁聯(lián)在一起，構(gòu)成一完整的車架，其中橫梁起支承某些總成，保證車架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，限制其變形和降低某些部位的應(yīng)力的作用[11]。 （1）垂直載荷

32、 車身、車架的自重、裝在車架上個(gè)總成的載重和有效載荷（乘員和貨物），該載荷使車架產(chǎn)生彎曲變形。 （2）對(duì)稱垂直動(dòng)載荷 車輛在水平道路上高速行使時(shí)產(chǎn)生，其值取決于垂直靜載荷和加速度，使車架產(chǎn)生彎曲變形。 （3）斜對(duì)稱動(dòng)載荷 在不平道路上行使時(shí)產(chǎn)生的。前后車輪不在同一平面上，車架和車身一起歪斜，使車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。其大小與道路情況，車身、車架及車架的剛度有關(guān)。 因此這些因素都應(yīng)該考慮在內(nèi)，盡量使其都滿足條件。 根據(jù)前面部分所述，選擇等寬的梯形車架，車架寬度主要由前后輪距確定的，確定車架寬度按以下原則進(jìn)行： （1）車架前部寬度主要考慮前輪的最大轉(zhuǎn)角，選用成型的發(fā)動(dòng)

33、機(jī)要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝，有時(shí)結(jié)合駕駛室的安裝統(tǒng)一考慮； （2）車架中部的寬度要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)附件（排氣管、變速操縱桿）的安裝； （3）為考慮高速車的穩(wěn)定性，希望增加車架后部寬度，以便能加大后簧托距； （4）對(duì)雙胎車，車架后部寬度取決于輪胎、板簧、車架三者的間隙； （5）從簡(jiǎn)化工藝的角度看，最好做成前后等寬，對(duì)低價(jià)位的產(chǎn)品，這一點(diǎn)很重要； （6）考慮標(biāo)準(zhǔn)的要求，我國(guó)汽車專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輕型載貨車邊梁式車架的寬度為7405m。 因此確定車架寬度為740mm，并根據(jù)現(xiàn)有資料參考確定軸距3800mm，車架長(zhǎng)度 為6200mm，縱梁采用槽型鋼結(jié)構(gòu)，槽型鋼型號(hào)：12 *（），橫梁鋼板厚度都采用

34、5.5mm，車架材料采用DL510。 根據(jù)現(xiàn)有資料參考確定車架第一橫梁的位置，選取槽型鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)所選取的發(fā)動(dòng)機(jī)（云內(nèi)4100QBZL）的外型尺寸及同類車型的參考，確定發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔位置。同時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置到油底殼的距離確定車架第二橫梁的位置，第二橫梁下凹，鋼板厚度5.5mm。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)（長(zhǎng)800mm）、離合器（長(zhǎng)230mm）和變速器（GC520T24長(zhǎng)300mm）外型尺寸以及傳動(dòng)軸長(zhǎng)度和駕駛室外型尺寸確定車架第三橫梁的位置和車架第四橫梁的位置，為了便于變速器安裝及各種總成的布置，第三和第四橫梁采用帽型結(jié)構(gòu)（上凸），寬度200mm，其中傳動(dòng)軸采用兩根。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置及現(xiàn)有資料，

35、確定前橋鋼板彈簧位置，再根據(jù)軸距（3800mm）和備胎安裝位置（第六橫梁中部）及尺寸（外徑810mm），確定后驅(qū)動(dòng)橋和鋼板彈簧位置，繼而確定車架第五和第六橫梁的位置，第五和第六橫梁采用槽型鋼結(jié)構(gòu)。第七橫梁位于車架末端，采用槽型鋼結(jié)構(gòu)。所有槽型鋼結(jié)構(gòu)的橫梁寬度均為53mm。油箱位置位于車架左側(cè)第三橫梁稍后一點(diǎn)，油箱支架型號(hào)JYTJ-1101080，尺寸（油箱代號(hào)：1101R271-010，尺寸）。蓄電池位于車架右側(cè)第三橫梁稍后一點(diǎn)，蓄電池安裝架尺寸（蓄電池型號(hào)：6-QA-100，尺寸）。 由于條件和自身水平的限制，根據(jù)前面確定的車架的具體結(jié)構(gòu)如下：

36、 圖2.5 車架結(jié)構(gòu)圖 2.2.1 車架的撓度計(jì)算 為了保證整車及有關(guān)機(jī)機(jī)件的正常工作，對(duì)縱梁的最大撓度應(yīng)予以限制。這就要求對(duì)縱梁的彎曲剛度進(jìn)行校核。如果把縱梁看成支承跨度為軸距的簡(jiǎn)支梁，根據(jù)材料力學(xué)給出的截面極慣性矩的簡(jiǎn)支梁在其跨度的中間承受集中載荷時(shí)，撓度與剛度的關(guān)系式如下： （2.1） 可知 （2.2） 根據(jù)德國(guó)對(duì)各種汽

37、車車架的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)軸距的單位為m，的單位為cm4，為使縱梁在滿載時(shí)的撓度在容許值以內(nèi)，則應(yīng)使，或應(yīng)使。大多數(shù)汽車的值在20-30間，日本一些4t平頭載貨汽車甚至達(dá)到58.3。 由此，取值為30 ，已知汽車整備質(zhì)量3300kg,滿載質(zhì)量6000kg，載貨重量2500kg，軸距為3730mm，彈性模量為Mpa。 因此跨度的中間承受的集中載荷如下： （2.3） =48020N 由公式2.1得

38、 同時(shí)得知 cm4 2.2.2 車架的彎矩及彎應(yīng)力計(jì)算 作用在貨車梯形車架上的彎曲力矩主要由車架縱梁承受。由于條件限制，為了計(jì)算彎曲力矩，將車架縱梁承受載荷簡(jiǎn)化為均布載荷，當(dāng)車架縱梁承受的是均布載荷（見圖2.6）時(shí)，車架的簡(jiǎn)化計(jì)算可按下述進(jìn)行，但需要一定的假設(shè)。即認(rèn)為縱梁為支承在前、后軸上的簡(jiǎn)支梁；空車是簧上負(fù)荷(貨車可取，為汽車整備質(zhì)量)均布在左、右縱梁的全長(zhǎng)上，滿載時(shí)有效載荷則均布在車廂長(zhǎng)度范圍內(nèi)的縱梁上；忽略不計(jì)局部扭矩的影響。 圖2.6 貨車車架

39、上均布載荷的分布情況 已知=5020mm，=2950mm,=2070mm,=700mm,6200mm,3730mm， 1770mm. 將其簡(jiǎn)化為均布載荷簡(jiǎn)化計(jì)算如下： =N （2.4） N 在圖2.6中，為一根縱梁的前支承反力，由該圖可求的： （2.5） N 在駕駛室的長(zhǎng)度范圍內(nèi)這一段縱梁的彎矩為 （2.6） 駕駛室后端至后周這一段縱梁的彎矩為： （2.7） 顯然，最大彎矩就發(fā)生在這一段縱梁內(nèi)，可用對(duì)上式中求導(dǎo)數(shù)并令其

40、為零的方法求出最大彎矩發(fā)生的位置，即， 由此求得： （2.8） =m 將上式代入公式（2.7），即可求出縱梁承受的最大彎矩。 =N 如果考慮到動(dòng)載荷系數(shù)及疲勞安全系數(shù)，并將它們代入式（2.9），（2.10），則可求出縱梁的最大彎應(yīng)力。 （2.9） （2.10） 其中縱梁在計(jì)算斷面

41、處的彎曲截面系數(shù)，對(duì)于槽型斷面系數(shù)，對(duì)于槽型斷面縱梁 （2.11） 式中：—槽型斷面的腹板高； —翼緣寬； —梁斷面的厚度。 m3 因此最大彎應(yīng)力為： N/m2161.48Mpa< 2.2.3 車架的扭矩及扭轉(zhuǎn)角計(jì)算 車架所受最大扭矩的最大扭矩： （2.12） 式中：橫梁數(shù) 兩橫梁之間的縱梁區(qū)間數(shù) 車架寬 即 由于扭轉(zhuǎn)角與扭矩、扭轉(zhuǎn)剛度存在下述關(guān)系： （2.13） 式中：車架元件所受的扭矩，； 車架元件的長(zhǎng)度

42、，mm； 材料的剪切彈性模量[12]，Mpa； 車架元件的橫斷面的極慣性矩，mm4。 其中 （注：） （2.14） 即MPa 將前面幾節(jié)得出的數(shù)據(jù)帶入式2.13得， 2.3 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了汽車車架的設(shè)計(jì)要求，車架的具體類型，通過分析，綜合考慮確定車架具體結(jié)構(gòu)。并通過對(duì)其校核計(jì)算，進(jìn)一步檢驗(yàn)車架設(shè)計(jì)合乎要求與否。為以后的章節(jié)進(jìn)行有限元模型的建立和有限元分析打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 第3章 車架三維模型的建立 3.1 Pro/E軟件介紹 隨

43、著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為有限元等數(shù)值計(jì)算方法在工程實(shí)際中的應(yīng)用提供了條件。涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的CAD/CAE專業(yè)軟件，本文中采用的軟件主要是Pro/ENGINEER，下面介紹一下該軟件的基本情況。 Pro/ENGINEER軟件自1988年推出以來(lái)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、加工制造及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理等領(lǐng)域。該軟件由于強(qiáng)大的功能，很快被廣大用戶所接受，目前該軟件已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的，CAD/CAE/CAM軟件之一。 Pro/ENGINEER軟件的功能非常強(qiáng)大，它可以完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的全程，為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了完整的解決方案。該軟件主要包括三維實(shí)體建模、裝配

44、模擬、加工仿真、NC自動(dòng)編程、有限元分析等常用功能模塊，還包括模具設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、電路布線、裝配管路設(shè)計(jì)等專用模塊。 Pro/ENGINEER也是最先基于特征、全參數(shù)化、全相關(guān)、單一數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)再利用等概念改變了傳統(tǒng)MDA(機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化MechanicalDesignAutomation)觀念。這種全新的已成觀念為當(dāng)今世界機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，并指明了機(jī)械CAD／CAE／CAM軟件的發(fā)展趨勢(shì)。 利用此概念開發(fā)的Pro/ENGINEER軟件實(shí)行了并行工程，能夠讓多用戶同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造。這大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、產(chǎn)品測(cè)試等環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本。 Pro/

45、ENGINEER軟件的主要技術(shù)特點(diǎn)如下： （1）基于特征的參數(shù)化造型 將一些具有代表性的幾何形體定義為特征，并將其所有尺寸作為可變參數(shù)，例如倒圓角特征、倒直角特征等，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行更為復(fù)雜的幾何形體構(gòu)造。產(chǎn)品的生成過程其實(shí)就是多個(gè)特征的疊加過程。 （2）全相關(guān)特性 Pro/ENGINEER軟件的所有模塊都是全相關(guān)的，使用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品開發(fā)過程中在任何一個(gè)模塊中進(jìn)行的修改，都會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)過程，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新所有的相關(guān)文檔，這大大縮短了修改的時(shí)間。 （3）全尺寸約束 將特征的形狀與尺寸結(jié)合起來(lái)，通過尺寸約束實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制，造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，不能欠約束，也不

46、能過約束。 （4）尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改 通過修改尺寸參數(shù)可以很容易地進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 3.2 三維模型的建立 車架三維模型，主要采用拉伸命令，通過在各面上的草繪，繪制出截面形狀并標(biāo)記尺寸，進(jìn)而一步步拉伸得到所需要的模型。 建立模型之前首先要了解其結(jié)構(gòu)，第一、第五、第六、第七橫梁都采用槽型結(jié)構(gòu)，第二橫梁為凹梁，第三、第四橫梁為凸梁，并根據(jù)其相應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行三維模型的建立。 （1）在FRONT面上根據(jù)縱梁的尺寸草繪出縱梁槽型結(jié)構(gòu)并進(jìn)行拉伸，拉伸長(zhǎng)度為6200mm。（見圖3.1） 圖3.1拉伸車架縱梁 （2）根

47、據(jù)第一橫梁位置及尺寸，拉伸出半個(gè)第一橫梁，長(zhǎng)度為370mm。（見圖3.2） 圖3.2拉伸半個(gè)第一橫梁 （3）創(chuàng)建基準(zhǔn)面DTM1，在該面上根據(jù)第二橫梁的尺寸和位置拉伸出半個(gè)（凹梁）第二橫梁。（見圖3.3） 圖3.3拉伸半個(gè)第二橫梁 （4）創(chuàng)建基準(zhǔn)面DTM3，在該面上根據(jù)第三橫梁尺寸及位置拉伸出半個(gè)（凸梁）第三橫梁。（見圖3.4） 圖3.4拉伸半個(gè)第三橫梁 （5）創(chuàng)建基準(zhǔn)面DTM4，在該面上根據(jù)第四橫梁位置及尺寸草繪并拉伸出半個(gè)第四橫梁。（見圖3.5）

48、 圖3.5拉伸半個(gè)第四橫梁 （6）根據(jù)第七橫梁尺寸及位置，拉伸半個(gè)第七橫梁，長(zhǎng)度為370mm。（見圖3.6） 圖3.6拉伸半個(gè)第七橫梁 （7）根據(jù)第六橫梁尺寸及位置，拉伸半個(gè)第六橫梁，長(zhǎng)度為370mm。（見圖3.7） 圖3.7拉伸半個(gè)第六橫梁 （8）根據(jù)第五橫梁尺寸及位置，拉伸半個(gè)第五橫梁，長(zhǎng)度為370mm。（見圖3.8） 圖3.8拉伸半個(gè)第五橫梁 （9）建立基準(zhǔn)平面DTM5，并以DTM5平面為基準(zhǔn)面將畫好各橫梁和縱梁的半個(gè)車架模型做鏡像，得到整個(gè)成形的車架。（見圖3.9） 圖3.9半個(gè)車架進(jìn)行鏡像 （10）根據(jù)所確定的發(fā)動(dòng)

49、機(jī)安裝位置，打發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔，孔的直徑為20mm。（見圖3.10） 圖3.10在發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)縱梁上打發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔 （11）將2個(gè)左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔鏡像到右側(cè)，得到完整的4個(gè)發(fā)動(dòng)安裝孔，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置一目了然。（見圖3.11） 圖3.11發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔鏡像 （12）根據(jù)鋼板彈簧支承的位置，拉伸出4個(gè)鋼板彈簧支承，長(zhǎng)度為76mm。（見圖3.12） 圖3.12拉伸左側(cè)鋼板彈簧支承 （13）以DTM5為基準(zhǔn)平面，將左面4個(gè)鋼板彈簧支承鏡像。（見圖3.13） 圖3.13鋼板彈簧支承鏡像 （14）根據(jù)油箱支架尺寸位置和尺寸（）拉伸出油箱支架。（見圖3.14）

50、 圖3.14拉伸油箱支架 （15）根據(jù)蓄電池支架位置和尺寸（）拉伸出蓄電池支架。（見圖3.15） 圖3.15拉伸蓄電池支架 （16）根據(jù)備胎安裝位置，在第六橫梁中間處打孔，孔的直徑20mm。（見圖3.16） 圖3.16打備胎安裝孔 該模型真實(shí)有效地反映了已經(jīng)確定的車架的結(jié)構(gòu)，使其一目了然，突出了車架的特點(diǎn)。但該模型本身也存在一些不足，為了方便后面的有限元分析，應(yīng)省略掉部分結(jié)構(gòu)，便于提高后面有限元分析的質(zhì)量，太復(fù)雜的模型會(huì)對(duì)結(jié)果有一定影響。 3.3 本章小結(jié) 本章介紹了Pro/E軟件的發(fā)展、功能、特點(diǎn)，并運(yùn)用Pro/E軟件

51、通過草繪、拉伸、打孔、鏡像等操作進(jìn)行車架三維模型的建立，并與實(shí)際情況相比較從而完善模型得到可信的結(jié)果，為下一步有限元模型的建立打下了良好的基礎(chǔ)。  第4章 車架有限元分析 4.1 ANSYS軟件介紹 ANSYS由世界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。 ANSYS軟件提供了一個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、

52、大應(yīng)變有限轉(zhuǎn)動(dòng)功能，以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能。基于Motif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶使用ANSYS提供“導(dǎo)航”。 ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日常家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可用在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中進(jìn)行，從PC到工作站再到巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。ANSYS多物理耦合的功能，允許

53、在同一模型上進(jìn)行各種各樣的耦合計(jì)算成本，如熱結(jié)構(gòu)耦合、磁結(jié)構(gòu)耦合、以及電-磁-流體-熱耦合，在PC上生成的模型同樣可運(yùn)行于巨型機(jī)上，這樣就確保了ANSYS對(duì)多領(lǐng)域多變工程問題的求解。 ANSYS包括以下主要功能模塊： ．結(jié)構(gòu)分析 ．熱分析 ．電磁分析 ．流體分析（CFD） ．耦合場(chǎng)分析—多物理場(chǎng) 結(jié)構(gòu)分析包括以下類型。 （1）靜力分析—用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為。例如，大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化接觸、塑性、超彈性及蠕變等。 （2）模態(tài)分析—計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形，譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算

54、由隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變（也叫做響應(yīng)譜或PSD )。 （3）諧響應(yīng)分析—確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng)。 （4）瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析—確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng)?？梢钥紤]與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為。 （5）特征屈曲分析—用于計(jì)算線性屈曲載荷，并確定屈曲模態(tài)形狀（結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析）。 （6）專項(xiàng)分析—斷裂分析、復(fù)合材料分析、疲勞分析。 專項(xiàng)分析用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為。 它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法。 今天

55、ANSYS軟件更加趨于完善，功能更加強(qiáng)大，使用更加便捷。ANSYS公司最新版本的工程仿真軟件ANSYS 11.0，將ANSYS與WORKBENCH整合在一起，同時(shí)引入了新的工具和技術(shù)，幫助用戶更高效地完成工作，有效地將基于仿真的設(shè)計(jì)推到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這個(gè)版本在CAE功能上引領(lǐng)現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)科技，涉及的內(nèi)容包括高級(jí)分析、網(wǎng)格劃分、優(yōu)化、多物理場(chǎng)和多體動(dòng)力學(xué)。 立足于擁有世界上最多的用戶，ANSYS 11.0不僅為當(dāng)前的商業(yè)應(yīng)用提供了新技術(shù)，而且在以下方面取得了顯著進(jìn)步。 （1）繼續(xù)開發(fā)和提供世界一流的求解器技術(shù)； （2) 提供了針對(duì)復(fù)雜仿真的多物理場(chǎng)耦合解決方法；

56、 （3）整合了ANSYS的網(wǎng)格技術(shù)并產(chǎn)生統(tǒng)一的網(wǎng)格環(huán)境； （4）通過對(duì)先進(jìn)的軟硬件平臺(tái)的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模問題的高效求解； （5）繼續(xù)改進(jìn)最好的CAE集成環(huán)境-ANSYS WORKBENCH； （6）繼續(xù)融合先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)。 ANSYS軟件開發(fā)的核心目標(biāo)就是提供給用戶最高級(jí)和最可靠的適用于各行各業(yè)的仿真解決方案。下面的亮點(diǎn)展示了ANSYS 11.0的某些關(guān)鍵新技術(shù)，可以提高用戶的效率，幫助各大企業(yè)用戶繼續(xù)拓展仿真在產(chǎn)品開發(fā)過程中的角色。 （1）加速多步求解 ANSYSVT加速器，基于ANSYS變分技術(shù)，是通過減少迭代總步數(shù)以加速多步分析

57、的數(shù)學(xué)方法。這包括了收斂迭代和時(shí)間步迭代或二者的綜合。收斂迭代的例子是非線性靜態(tài)分析，不涉及接觸或塑性，而時(shí)間步迭代指的是線性瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析，二者組合的例子有非線性結(jié)構(gòu)瞬態(tài)或熱瞬態(tài)分析。 ANSYSVT加速器提供了2-10X的加速比，允許用戶快速重新運(yùn)行模型。具體的加速比受到硬件、模型和分析類型的影響。而且，這個(gè)工具在非線性或瞬態(tài)分析的參數(shù)研究中可以獲得5-30X的加速。在使用ANSYS VT加速器之前，用戶可以進(jìn)行下列類型的改進(jìn)。 ① 修改、增加或移除載荷（約束不能更改，但是數(shù)值可以修改）； ② 材料和材料模型； ③ 截面常數(shù)和實(shí)常數(shù)。 ANS

58、YS VT加速器軟件，使用ANSYS MECHANICAL HPC[13]的授權(quán)，可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)循環(huán)對(duì)稱模態(tài)分析，以及高頻電磁諧分析。ANSYS VT加速器可以結(jié)合ANSYS DESIGNXPLORER VT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更快速的參數(shù)化研究。 （2）網(wǎng)格變形和優(yōu)化 對(duì)于很多單位，進(jìn)行優(yōu)化分析的最大障礙是CAD模型不能重新生成，特征參數(shù)不能反映那些修改研究的幾何改變。通過與ANSYS WORKBENCH的結(jié)合，ANSYS MESH MORPHER（FE-MODELER的新增加模塊）可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，甚至更多。 通過網(wǎng)格操作而不是實(shí)體模型，ANSYS MESH MORPHE

59、R對(duì)于來(lái)自于CAD的非參數(shù)幾何數(shù)據(jù)，如IGES或STEP，以及來(lái)自于ANSYS CDB文件的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了模型參數(shù)化。將網(wǎng)格讀入FEMODELER，并且產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該網(wǎng)格的“綜合幾何”的初次配置。在ANSYS 11.0中，ANSYS MESH MORPHER提供了4種不同的轉(zhuǎn)換：面平移、面偏置、邊平移和邊偏置。更多樣的配置可以通過以上轉(zhuǎn)換的組合實(shí)現(xiàn)。例如，一個(gè)圓柱表面的面偏置就等效于變更其半徑。 這些轉(zhuǎn)換決定了目標(biāo)配置并自動(dòng)定義轉(zhuǎn)換參數(shù)。一旦確定，這些轉(zhuǎn)換參數(shù)可以通過ANSYS DESIGNXPLORER VT[14]擬合方法來(lái)擬合，如KRIGING算法、非參數(shù)化退火算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算

60、法等。一旦擬合完成，可以使用 ANSYS DESIGNXPLORER VT中的能量?jī)?yōu)化技術(shù)找到最優(yōu)值或者執(zhí)行6 SIGMA分析設(shè)計(jì)。ANSYS MESH MORPHER為仿真驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品開發(fā)打破了優(yōu)化障礙。 （3）流固耦合 在ANSYS WORKBENCH中，ANSYS和ANSYSCFX技術(shù)的集成取得了更大的進(jìn)步。在ANSYS 11.0的ANSYS WORKBENCH環(huán)境中，用戶可以完整地建立、求解和后處理雙向流固禍合仿真。最新的版本也提供了單一后處理工具，可以用更少的時(shí)間解決更復(fù)雜的物理問題，并且擴(kuò)展了仿真的應(yīng)用領(lǐng)域。 利用ANSYS CFX軟件的統(tǒng)一網(wǎng)格接口可以在ANS

61、YS和ANSYS CFX之間傳遞FSI載荷，所有流固耦合問題的結(jié)果的魯棒性和精度都獲得了改進(jìn)。界面載荷傳遞技術(shù)的突破，很明顯的好處就在于讓同一團(tuán)隊(duì)的FEA和CFD專家共享信息更方便。在ANSYS 11.0中流固禍合的領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展。 （4）渦輪系統(tǒng)一體化解決方案 ANSYS WORKBENCH環(huán)境提供了旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)過程所需的幾何設(shè)計(jì)和分析的集成系統(tǒng)。ANSYS WORKBENCH作為高級(jí)物理問題的集成平臺(tái)，能夠讓設(shè)計(jì)人員建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械的模型，如水泵、壓縮機(jī)、風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)、渦輪、膨脹器、渦輪增壓器和鼓風(fēng)機(jī)。ANSYS解決方案集成到設(shè)計(jì)過程中，從而消除了中性文件傳輸、結(jié)果變換和重分析，使

62、得CAE過程幾周內(nèi)就可完成了。 渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)過程的第一步就是使用初始尺寸以獲得概要設(shè)計(jì)，指定性能準(zhǔn)則和尺寸約束。在ANSYS 11.0中，ANSYSBLADEMODELER中集成了PCA工程有限公司的專用于離心壓縮機(jī)和水泵的初始尺寸軟件。VISTA-CC是一個(gè)快速主干設(shè)計(jì)程序，它只需要壓縮機(jī)的質(zhì)量流量、壓力比和幾何約束，就可以獲得壓縮機(jī)草圖、葉片和出口角度、速度三角形。它也提供了無(wú)量綱的性能參數(shù)，如設(shè)計(jì)決策所依賴的額定轉(zhuǎn)速和額定流率。 1-D尺寸工具、自動(dòng)網(wǎng)格、流線工具和自動(dòng)報(bào)告生成器的引入，可幫助用戶開發(fā)更好的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。 ANSYS承諾將持續(xù)為特定工業(yè)需求開發(fā)更

63、強(qiáng)大的解決方案，以上的具體集成就是一個(gè)例子。 （5）統(tǒng)一網(wǎng)格技術(shù) ANSYS 11.0提供給用戶新的統(tǒng)一分網(wǎng)環(huán)境，幫助用戶實(shí)現(xiàn)基于物理的網(wǎng)格劃分解決方案，如機(jī)械、電磁、CFD或顯式仿真。來(lái)自于ANSYS、ANSYS ICEM CFD和ANSYS CFX的一流網(wǎng)格幾乎已經(jīng)延伸到ANSYS WORKBENCH中，綜合多種算法的優(yōu)勢(shì)，提供一個(gè)智能、靈活且魯棒的網(wǎng)格劃分能力。 基于預(yù)定義的物理過濾器，各種控制自動(dòng)定義了，如網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格過渡、網(wǎng)格均勻性、劃分速度、網(wǎng)格質(zhì)量和曲率的細(xì)化控制等。如果必要，高級(jí)用戶控制選項(xiàng)可用來(lái)使用。劃網(wǎng)的智能特性提供了靈活的附加控制，幫助初級(jí)用

64、戶為了改進(jìn)求解速度或精度而得到適合于物理問題的良好網(wǎng)格。多重網(wǎng)格控制方法及高級(jí)選項(xiàng)，提供了備份網(wǎng)格劃分方法；以改善網(wǎng)格劃分的整體魯棒性。 在ANSYS 11.0中，共同網(wǎng)格對(duì)象已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了為多個(gè)應(yīng)用之間的交互提供附加的靈活性，這為求解器（FSI、隱式／顯式等）之間的交互提供了增強(qiáng)的雙向通信，同時(shí)也提供了網(wǎng)格劃分的統(tǒng)一方法。這個(gè)共同網(wǎng)格對(duì)象保證了在ANSYS WORKBENCH框架中集成第三方的劃網(wǎng)功能。 ANSYS ICEM CFD和AI ENVIRONMENT 11.0中的創(chuàng)新在于多區(qū)域體網(wǎng)格劃分工具，它可用于空氣動(dòng)力學(xué)中。新的網(wǎng)格劃分方法提供了對(duì)塊（結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法）的靈活控

65、制，是易于使用的自動(dòng)（非結(jié)構(gòu)化）網(wǎng)格方法。半自動(dòng)多區(qū)網(wǎng)格算法允許用戶在面和體上對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行總體控制，邊界上通過映射或掃描塊提供了純六面體網(wǎng)格，而內(nèi)部過渡到四面體或六面體為主的網(wǎng)格。映射、掃描和自由劃分技術(shù)為模型中最重要區(qū)域的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分提供了自由，可以保證用較少的精力得到高質(zhì)量的自動(dòng)化網(wǎng)格。 ANSYS ICEM CFD和AI ENVIRONMENT 11.0產(chǎn)品也回答了古老的問題：“我應(yīng)該用四面體劃網(wǎng)還是花更多的時(shí)間用六面體劃網(wǎng)”。相對(duì)于傳統(tǒng)的四面體網(wǎng)格算法，新的體一擬合笛卡兒劃網(wǎng)方法可以用更少的時(shí)間劃分純六面體網(wǎng)格。包含四面體和金字塔形狀的混合網(wǎng)格劃分方法減少了限制，并且提

66、供了更容易的方法編輯網(wǎng)格。這個(gè)方法產(chǎn)生的六面體網(wǎng)格的統(tǒng)一性更適合于顯式碰撞分析，或者任何六面體網(wǎng)格更適合的分析。 （6）線性和非線性動(dòng)力學(xué) 在ANSYS 11.0中，ANSYS鞏固了它的高級(jí)動(dòng)力學(xué)分析能力，并擴(kuò)展到ANSYS WORKBENCH中。線性和非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和應(yīng)力分析，現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)縫地集成到了ANSYS WORKBENCH仿真環(huán)境中，使得剛體和柔體的頻率響應(yīng)和時(shí)間歷程動(dòng)力學(xué)集成在了一起。在一次設(shè)置中，用戶現(xiàn)在能夠選擇一系列的力學(xué)行為，如線性、高級(jí)非線性、完全剛體和完全柔體，以及它們的組合。其他特征包括支持簡(jiǎn)單和復(fù)雜的連接和約束，基于幾何的自動(dòng)連接偵測(cè)，非線性材料和接觸、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以及與CAD系統(tǒng)的相關(guān)性。擴(kuò)展的ANSYS動(dòng)力學(xué)使得以下分析更為理想。 ① 交互式的零件和裝配體連接的定義和驗(yàn)證； ② 純剛體假設(shè)下的裝配體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)； ③ 純剛體假設(shè)的潛在缺陷的識(shí)別。 （7）顯式動(dòng)力學(xué) ANSYSAUTODYN軟件是與眾不同的通用顯式分析工具，適合于固體、流體和氣體及其交互的非線性動(dòng)力學(xué)模擬。在ANSYS 11.0中，ANS