基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究.doc

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1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究 学生姓名 刘傲鹏 专业班级 机设06-5 学 号 200602010524 院 （系） 机电工程学院 指导教师 李育文（教授） 完成时间 2010 年 5 月 20 日 郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题 目 基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设06-5班 学 号 24号 姓 名 刘傲鹏 主要内容：1. 测绘得到一部车架的尺寸，在此基础上使用Pro/E建模。2. 将实体模型导入ANSYS，建立车架有限元模型。3. 通过对有限元模型的动静态分析，得出该车架的可靠

2、性参数。基本要求：建立正确的有限元模型对车架进行典型工况的静态和动态分析，并在此基础上进行可靠性分析，得出车架的可靠性参数。主要参考资料：1. 汽车可靠性工程基础2. ANSYS10.0有限元分析自学手册3. ANSYS8.0结构分析及实例解析4. 汽车现代设计制造完 成 期 限：2010.3.12010.6.10指导教师签章： 专业负责人签章： 2010年 03月 01日基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究摘 要本文以长春一汽轻型车厂生产的华凯牌CA5160CLXYK28L5BE3A型仓栅运输车车架为研究对象，对其进行了静力和模态分析，在此基础上研究了车架的可靠性。车架尺寸在河南名优汽配广

3、场测得，一些重要参数通过网络查得。车架实体模型在Pro/E中装配，然后通过接口导入ANSYS中。本文首先建立了以实体单元为基本单元的车架有限元模型，在此模型基础上进行弯曲和弯扭联合工况分析，得到了车架各工况下的应力分布，然后对车架进行模态分析，得到车架的各阶固有频率和固有振型，为以后的高级动应力分析做准备。最后，根据这些计算结果，找出车架最容易破坏的地方，通过这一部分的可靠度研究来分析整个车架的可靠性。目前人们对使用这种方法进行的车架分析已有很多研究，但是对使用这种方法进行车架分析的过程及一些注意问题研究的还很少，所以就会导致刚入门的一些工程人员使用这种方法进行分析时走很多弯路，甚至得到的结果

4、是错误的。本文通过对车架有限元结构分析来讲述分析的过程及注意事项，为有限元分析技术应用于车架设计提供了一种规范化的过程与步骤。关键词 Pro/E；ANSYS；静力分析；模态分析；可靠性Study on Reliability of Frame Based on ANSYSABSTRACTIn this paper, the static and modal of Changchun FAW Light Vehicle Production Huakai brand CA5160CLXYK28L5BE3A type truck frame is analyzed. Frame size is m

5、easured in Henan famous Auto Plaza, some important parameters through the network to look up. Frame solid model is assembled in Pro / E, and then imported into ANSYS. Frame FEM computation model taking solid as basic unit is established. Based on this model, firstly, static is analyzed and the stres

6、s distribution of frame under various static working condition is attained; secondly, modal analysis of frame is carried out and natural frequency and modes of this frame is received， the dynamic stress analysis of future high-level preparation. Finally, according to the results, identify the most e

7、asily damaged parts of the frame, and then to evaluate the reliability of this part of the reliability of the entire frame.Now people use this method of frame analysis has been a lot of research, however, the use of this method should be noted that very few people still study area, it will lead to a

8、 number of engineers has just started to use this method of analysis, taking many detours, and even the results obtained is wrong.Based on the frame finite element analysis to describe the process of analysis and attention are matters for the finite element analysis technology to provide a standardi

9、zed frame design process and steps.Keywords Pro / E; ANSYS; static analysis; modal analysis; reliability基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究目 录中文摘要英文摘要1 绪论11.1 课题的背景11.2 论文选题的意义与目的11.2.1 论文选题的意义11.2.2 论文选题的目的21.3 有限元法在车架结构设计中的应用现状及问题21.3.1 车架结构设计与分析的概述21.3.2 车架结构有限元模型的形式21.3.3 有限元法在车架结构分析中存在的问题31.4本文的主要研究内容32 ANSYS软

10、件的介绍42.1 ANSYS的主要功能42.2 ANSYS提供的分析类型42.3 ANSYS的典型分析步骤52.3.1 建立有限元模型52.3.2 加载求解62.3.3 查看求解结果72.4本章小结73 车架实体模型的建立83.1 车架总体介绍83.2 Pro/Engineer基本功能83.3 模型的简化93.5 Pro/E使用经验133.6 本章小结154 车架有限元模型的建立164.1 Pro/E和ANSYS的连接164.2 单位转换174.2.1 单位转换的原因174.2.2 单位制问题解决的办法174.3 模型的导入194.4 有限元模型的建立194.5 Booleans运算224.5

11、.1 未进行Booleans运算的分析结果224.5.2 Booleans运算命令的选择254.6干涉问题254.6.1 装配体中有零件干涉将会出现的问题264.6.2 装配体中零件间发生干涉后的解决方法294.7由于镜像命令而引起的模型损失问题314.7.1 模型损失问题的描述314.7.2 模型损失问题的解决办法324.8本章小结325 车架静力分析335.1车架结构有限元分析的类型335.2SOLID92单元简介335.3 汽车弯曲工况的分析345.3.1 求解345.3.2 后处理385.4 汽车弯扭联合工况的分析405.4.1 求解405.4.2 后处理425.5 车架ANSYS静力

12、分析经验435.5.1 对象选择问题435.5.2 施加面力问题445.5.3 重力的方向问题445.5.4 划分网格问题445.5.5 单独查看某个零件结果的难题455.6 本章小结466 车架模态分析476.1 模态分析的理论基础476.2 车架模态分析的类型486.3 两种状态时的结果对比分析526.3.1 两种状态时的固有频率526.3.2 两种状态下车架的前十阶振型对照图536.4 模态分析中的约束问题646.5 模态分析中要不要考虑重力656.7 本章小结667 可靠性分析677.1 可靠性概述677.1.1 可靠性发展简史677.1.2 现阶段可靠性工作的特点677.1.3 国内

13、可靠性研究现状677.2 常规设计与可靠性设计677.3 ANSYS可靠性分析功能687.3.1 蒙特卡罗法687.3.2 响应面法697.3.3 可靠性分析一般步骤707.4 车架可靠性707.4.1 该分析的假设707.4.2 变量的确定707.4.3 纵梁可靠性分析过程717.5 本章小节788 论文总结798.1 所做的工作798.2 需要进一步改进的地方79致 谢80参考文献8182基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究1 绪论计算机的出现给社会带来了深刻的变革，同时也为工程结构的设计、制造提供了强有力工具。汽车产业属于高科技产业，要设计生产出性能优越、安全可靠的汽车，不应用计算机进

14、行辅助设计分析是根本不可能实现的。因此，汽车的各个生产设计部门都非常重视在设计制造过程中采用计算机技术。其中，用于结构设计中的有限元法是近几十年发展起来的新的计算方法和技术，可以解决以往许多手工计算无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益1。1.1 课题的背景当十八世纪即将卸下帷幕的时候，出现了一种当时人们都不屑的交通工具。可是谁也没有想到它会发展的那么快，对现在人们的生活会有那么大的影响。这种交通工具就是汽车。而当时人们最热衷的马车却早已不见踪影。百年来的发展，现在的汽车已经超出了交通工具的范畴，正在朝着个性化的方向发展。虽然如此，汽车的可靠性还是不容忽视的，如最近丰田汽车（Toy

15、ota）发生的因制动脚踏板、电子制动主动系统所引发的召回门事件，在常人看来，一方面是由于“丰田”的扩张过快，所造成了企业在发展的速度上无暇顾及发展过后的稳妥质量把握问题；另一方面“丰田”的控制成本让世界感到惊讶。所以，在“丰田”汽车质量问题在北美东窗事发之际，汽车的可靠性，俨然已经成为令人注目的大问题。现代企业为了发展，在产品的开发设计上就必须短开发周期，进而降低开发成本，而利用有限元软件对产品进行分析正好满足企业的要求。特别是诞生于七十年代的ANSYS软件，由于其出色的功能和几乎完美的计算而席卷了有限元大半个市场。车架是汽车各总成的安装基体，它的功能是将发动机、底盘、车身等总成连成一辆完整的

16、汽车。在行驶中，它不但要承受汽车各总成的质量和有效载荷，而且还要承受行驶时所产生的各种静载荷和动载荷2。由于现在汽车不断向着高速化发展，为了保证安全行驶，所以车架设计的可靠性就显得非常重要了。利用ANSYS软件对汽车车架进行可靠性分析，可以在设计阶段判断车架的寿命薄弱位置，通过修改设计可以预先避免不合理的强度刚度分布。因此，它能够减少试验样机的数量，缩短产品的开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力。因此，正是基于以上情况，我选择了课题基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究作为自己的毕业设计。希望我的工作对今后使用ANSYS分析汽车车架可靠性并由此而进行的车架设计提供理论支持和数据参考。1.

17、2 论文选题的意义与目的1.2.1 论文选题的意义随着现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必然的趋势，主要体现在：(1) 运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设计、分析和制造的效能和车架的性能3。(2) 车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况，有限元法正好能够解决这一问题4。(3) 利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避免车架出现共振的现象。(4) 通过可靠性计算模块，能预测产品的可靠度，为产品的设计及投入市场提供依据。综上所述，有限元法已经

18、成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更新速度越来越快，设计成本越来越低和舒适性要求越来越高的今天，对于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争能力具有重要意义。1.2.2 论文选题的目的通过本文的研究，基本达到以下目的：(1) 建立车架结构有限元分析的规范化步骤，为将有限元技术应用于车架设计做好基础性工作。(2) 通过运用有限元软件对车架结构进行分析，可供车架设计有关人员提供参考。(3) 对所研究的车架进行结构的静、动态特性分析，为车架的设计提供理论支持。(4) 讲述分析的过程及注意是事项，提供实际的参考价值。1.3 有限元法在车架结构设计中的应用现状及

19、问题1.3.1 车架结构设计与分析的概述早期车架设计采用设计和试验交叉进行5-6，即在车架结构定型之前往往经过多轮设计，设计面对的对象是实物，需要经过样品制造试验修改再设计的往复，这种方式不可避免地导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和财力资源的严重浪费。那个时候车架结构性能计算是通过将车架简化成单根纵梁，进行弯曲强度校核，由于很多梁是变截面的，这样就不得不在变截面处使用多根梁来模拟，这种方法算得的结果误差很大。接着提出的车架结构扭转强度计算方法，但是只能计算纯扭转工况，不能考虑车架的实际工况，并且计算比较复杂，工作量大，在实际运用中存在着很大的困难。后来，人们将比较设计的思想应用于车架设计

20、中。这种设计方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计，由于这样的对照设计考虑的因素比较少并且设计出来的产品比较安全，所以目前依然是车架结构初步设计的主要方法，但是，这种方法可能造成车架各处强度不均匀，某些局部强度富裕较大，产生材料浪费等现象。20世纪60年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得了广泛应用7-12。有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度高。有限元法将具有无限个自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的问题。只要确定了单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求

21、解，使分析过程大为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问题。目前，有限元法已经成为求解数学、物理、力学以及工程问题的一种有效的数值方法13。1.3.2 车架结构有限元模型的形式有限元分析是用一组离散化的单元集合来代替连续体结构进行分析的，这种单元集合体称为有限元模型14。如果已知各个单元的刚度特性，就可以根据节点的变形连续条件和平衡条件推出结构的特性并研究其性能。由于有限元法是一种近似的数值方法，其计算结果是近似解，精度主要取决于离散化误差。因此，有限元模型的建立是进行有限元分析的关键性一步。根据采用的单元形式，车架有限元模型可以分为梁单元模型、板壳单元模型和实体单元模型。梁

22、单元模型将车架简化为一组两个节点的梁单元组成的框架结构，用梁单元的截面特性反映车架的实际结构特性。这种结构单元和节点数目少，计算速度快；但是计算精度低，而且不能处理应力集中问题。梁单元模型适用于车架结构的初步方案设计。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，用板壳单元的厚度描述零件的厚度。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，需要计算机内存大，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。实体单元模型能够很好地分析车架纵梁和横梁连接处的应力变化情况，但是

23、用作模态分析时，往往存在刚性过大现象3。1.3.3 有限元法在车架结构分析中存在的问题(1) 采用适当的有限元模型，对汽车车架结构进行静力分析和模态分析正在成为一种常用的分析手段，但对汽车车架结构进行有限元动力响应分析的研究目前还很不成熟。15(2) 可靠性要求已经成为现代汽车设计的重要任务。如何在设计阶段估算车架的可靠性已成为急需解决的问题。(3) 采用实体单元建立的车架有限元模型，板壳之间的铆钉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，如何建立这种连接方式是一个值得探讨的问题。(4) 近些年来，大多数国内汽车厂家已花巨资购买了各种与有限元分析相关的商业化软件。这些软件功能

24、完备，精度高，以及通用性和可靠性好，如何学习、消化与吸收花巨资引进的软件，为我所用，是实际工作必须面对的问题，对于汽车车架结构有限元分析更是如此15。1.4 本文的主要研究内容ANSYS是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国外大多数汽车公司所采用。本文将基于ANSYS建立车架结构的有限元模型，对汽车车架结构进行静力和动力分析。首先，对ANSYS进行了简要的介绍，为车架结构的有限元分析做好准备工作；然后，以长春一汽轻型车厂生产的华凯牌CA5160CLXYK28L5BE3A型仓栅运输车车架结构为研究对象，利用Pro/E建立了车架结构实体单元模型

25、，然后导入ANSYS对结构的静、动态特性进行深入研究，对车架进行可靠性评价，并给出一些分析步骤和一些实用技巧及注意事项。2 ANSYS软件的介绍ANSYS公司是由美国著名力学专家美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士于1970年创建并发展起来的，是目前世界CAE行业中最大的公司。经过30多年的发展，ANSYS软件不断发展提高，目前已发展到12.0版本14。在汽车行业中，ANSYS广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件以及整车的通过性和平顺性的分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力工具之一。2.1 ANSYS的主要功能ANSYS有

26、限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。分析计算模块分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互

27、作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了200种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。2.2 ANSYS提供的分析类型ANSYS软件提供的分析类型如下：结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析

28、结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和

29、辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流

30、管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。2.3 ANSYS的典型分析步骤2.3.1 建立有限元模型2.3.1.1指定工作文件名和工作标题该项工作并

31、不是必须要求做的，但是做对多个工程问题进行分析时推荐使用工作文件名和工作标题。文件名是用来识别ANSYS作业的，通过为分析的工程指定文件名，可以确保文件不被覆盖。如果用户在分析开始没有定义工作文件名，则所有的文件名都被默认地设置为file。ANSYS的工作文件名可以通过如下方式进行改写：一是进入ANSYS时通过入口选项进行修改；二是进入ANSYS后，可以通过以下命令或菜单方式进行修改：Command:FILNAMEGUI:Main Menu-File-Change Jobname2.3.1.2定义工作标题用下列命令或菜单方式定义工作标题：command:TITLEGUI:Utility Men

32、u-File-Change Tile2.3.1.3定义单元类型和单元关键字ANSYS提供了将近200种不同的单元类型，每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名，如PLANE182、SOLID90、SHELL208等；单元关键字定义了单元的不同特性，如轴对称，平面应力等，用户需根据需要选择相应的单元类型，并设置其关键字。随着版本的不断升级，有些老的单元被停用和新的单元被添加。用下列命令或菜单方式定义单元类型：Command:ETGUI:Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete用下列命令或菜单方式定义单元关键字：Command:KE

33、YOPTGUI:Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete2.3.1.4定义单元实常数实常数指某一单元的补充几何特征，如单元的厚度、梁的横截面积和惯性矩等，指定了单元类型之后，应根据单元类型指定相应的实常数。用下列命令或菜单方式定义单元实常数：Command:RGUI:Main Menu-Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delte2.3.1.5定义材料属性在所有的分析中都要输入材料属性，材料属性根据分析问题的物理环境不同而不同。如在结构分析中必须输入材料的弹性摸量、泊松比；在热结构耦合分析中必

34、须输入材料的热导、线膨胀系数；如果在分析工程中需要考虑重力、惯性力，则必须要输入材料的密度。用下列命令或菜单方式定义材料属性：Command:MP、TBGUI:Main Menu-Preprocessor-Material PropsANSYS定义了上百种材料模型，用户只需要按照模型格式输入相关数据即可定义常用材料和某些特定材料的材料属性。除了磁场分析之外，在输入数据时用户不需要指定ANSYS所用的单位，但要注意确保所输入量的单位必须保持统一。2.3.1.6创建几何模型ANSYS提供了下列生成模型的方法：用ANAYS直接创建实体模型和输入在计算机辅助设计系统创建的模型，本文采用第二种方法，在P

35、ro/E中创建模型。然后导入。采用实体建模有自底向上建模和自顶向下建模两种方法。所谓自底向上建模是指先定义关键点，然后利用关键点定义较高级的实体图元（即线、面和体）；而自顶向下建模是指生成体素，属于该体素的较低级图元会由ANSYS自动生成。在实体建模的过程中，这两种建模技术可以自由组合。2.3.1.7进行有限元网格划分有限元模型是将几何模型划分为有限个单元，单元间通过节点相连接，在每个单元和节点上求解物理问题的近似解。2.3.2 加载求解在有限元模型建立之后，可以运用SOLUTION处理器定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载荷步长，进行求解。具体步骤如下：2.3.2.1定义分析类型和分析选

36、项ANSYS的分析类型包括：静态、瞬态、调谐、模态、谱分析、挠度和子结构分析等，用户可以根据需要解决的工程问题进行选择。2.3.2.2加载ANSYS的载荷可分为六大类：位移约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷。这些载荷大部分可以施加到集合模型上，包括关键点、线和面；也可以施加到有限元模型上，包括单元和节点。2.3.2.3指定载荷步选项载荷步选项的功能是对载荷步进行修改和控制，包括对子步数、步长和输出控制等。2.3.2.4求解初始化该项的主要功能是在ANSYS程序数据库中获得模型和载荷信息，进行计算求解，并将结果数据写入到结果文件（Jobname.RST、Jobname.RTH

37、、Jobname.RMG和Jobname.RFL）和数据库中。2.3.3 查看求解结果程序计算完成之后，可以通过通用后处理POST1和时间历程后处理POST26查看求解结果。POST1用于查看整个模型或部分模型在某一时间步的计算结果，POST26后处理器用于查看模型的特定点在所有时间步内的计算结果。2.4 本章小结对有限元分析软件ANSYS的发展过程、特点及功能进行了简要的概述，并对ANSYS的典型分析步骤做了介绍，为以后应用该软件做好了准备。3 车架实体模型的建立由于ANSYS对复杂模型的创建十分困难，所以在做本课题时采用在Pro/E中装配车架实体模型，然后导入ANSYS通过前处理模块的操作

38、使实体模型成为有限元模型。该车架的尺寸在河南名优汽配广场测得。3.1 车架总体介绍该车架是典型的边梁式结构，主要由4根纵梁及八根横梁组成。整个车架前后等宽，车架长8241mm，宽870mm。车架的材料为16Mn。纵梁和横梁之间为铆钉连接。第4、5、6、7根横梁和内纵梁通过厚5mm的加强板铆接。该车架的实物图如图3.1。图3.1华凯牌CA5160CLXYK28L5BE3A型仓栅运输车车架实物图3.2 Pro/Engineer基本功能Pro/Engineer，简称Pro/E，是由美国PTC公司开发的大型三维CAD/CAE/CAM一体化产品造型系统。Pro/E能够完成特征建模、参数化设计、零件实体造

39、型及装配造型、完整工程图产生等工作。通过标准数据交换格式，Pro/E可以输出三维或二维图形用于其它应用软件。使用Pro/E配置的开发模块或利用C语言，用户也可以扩展与增强Pro/E的功能。Pro/E的基本功能是：(1) 特征建模在Pro/E中，特征是组成模型的基本单位，如：凸台、槽、倒角、腔、壳等特征。模型创建过程就是按照一定顺序以“搭积木”的方式添加各类特征的过程，通过构建不同的特征建立几何模型。(2) 参数化设计参数化设计是指设计者只需抓住图形的某一个典型特点绘出图形的大致形状，通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生即可获得需要的图形。(3) 支持大型

40、、复杂组合件的设计Pro/E支持大型、复杂组合件的构造和管理，可以利用一些直观的命令，如“啮合”、“插入”、“对齐”等，将基本零件装配起来，形成组合件。(4) 整个设计环节的数据完全相关在整个设计过程，Pro/E各个模块共享模型的数据库文件，在产品开发过程中某一处数据修改了，整个设计中的所有相关数据也随之自动修改16。3.3 模型的简化车架是一个大型复杂的装配体，如果不做一些优化就进行整体分析，不但实体建模费时，而且在ANSYS的环境下划分网格就更困难，求解也要耗费更多的时间，这样得到的结果显然不经济，甚至就求解不了，因为未经简化的模型结构比较复杂，越是复杂就越容易出现的错误。如果结构经过合理

41、简化，不需要耗太多工夫而得到的结果同样很准确。做本课题时简化的构件有：(1) 忽略所有的倒角。比如纵梁和横梁等上的所有圆角过渡。如图3.2 。图3.2 车架纵梁和横梁断面形状的处理(2) 忽略纵梁和横梁上所有直径较小的孔。这些孔有些是装配孔，有些是防止应力集中的孔等。(3) 忽略所有的螺栓和铆钉。这些小部件在ANSYS中分网极其困难，并且需要很多单元来模拟，如果不是专门进行这些连接处分析，则不值得建这些零部件。(4) 去掉一些不影响整体车架性能的零部件。比如备胎和油箱的支架、横梁上传动轴的支架等车架附属件，如果对悬架使用弹簧和刚性杆单元模拟或者是通过指定位移模拟，则可忽略减震器的建模(5) 简

42、化一些零件的建模。比如前后钢板弹簧支架的建模，由于这些零部件都是铸造的，形状很复杂，我们只需根据其受力特点建出简化模型即可。3.4 建模过程根据实地测量的华凯牌CA5160CLXYK28L5BE3A型仓栅运输车车架的各个零件的尺寸，创建各个零件。表1.1为该车的一些参数。表3.1 CA5160整车的一些重要参数名称数值车辆外形长 (mm)8980车辆外形宽 (mm)2490车辆外形高 (mm)3740货厢长 (mm)6700货厢宽 (mm)2300货厢高 (mm)600整备质量 （Kg）6310总质量 （Kg）15505额定载质量 (kg)：9000轴荷：5610(前) 9895（后）发动机功

43、率(kw)： 105 发动机排量： 4752 发动机功率(kw)： 105 轴数：2根据3.3节的简化处理思路，共创建36个零件，各零件的名称列于表3.2 。表3.2 简化后的车架零件和零件的数量名称数量左外纵梁1右外纵梁1左内纵梁1右内纵梁1第一根横梁1第二根横梁1第三根横梁（发动机后悬置梁）1第四根横梁1第四根横梁与纵梁槽型连接板2第五根横梁1第五根横梁与纵梁槽型连接板2第六根横梁1第六根横梁与纵梁槽型连接板2第七根横梁1第七根横梁与纵梁槽型连接板2第八根横梁1前钢板弹簧滑板端支架2前钢板弹簧固定端支架2后钢板弹簧滑板端支架2后钢板弹簧固定端支架2后副钢板弹簧支架4车厢紧固角钢4将这36个

44、零件在Pro/E的组件环境下装配成如图3.3和3.4的车架实体模型。图3.3 车架的整体视图图3.4 车架的三维实体模型因为发动机后悬置梁和外纵梁的建模过程有一些非常简单的过程，所以这里简要说明一下。(1) 发动机后悬置梁的建模过程 插入扫描伸出项，绘制如图3.5的扫描轨迹。图3.5 发动机后悬置梁的草绘轨迹 然后画出截面形状，最后得到发动机后悬置梁的实体模型，如图3.6 。图3.6 发动机后悬置梁的实体模型可见只要一个扫描命令即可建成发动机后悬置梁的实体模型，如果使用拉伸命令则会很麻烦，所以在建模前不要盲目下手，先思考模型的特点，这样反而会节省很多时间。(2) 左外纵梁的建模过程 使用拉伸命

45、令创建如图3.7所示的实体图3.7 使用拉伸命令创建的左外纵梁 然后使用抽壳命令一步生成左外纵梁，注意抽壳时在参照里把三个不要的面全部选中，这样才能抽成图3.8的样子。图3.8 左外纵梁模型的局部视图3.5 Pro/E使用经验(1) Pro/E的启动速度很慢，为了加快启动速度，可选择：工具定制屏幕 浏览器，改为不选，或则干脆让浏览器打开空页面，设置方法为在配置文件config.pro中设置：web_browser_homepage :BLANK (2) 设置一个启动目录。这虽然是一个常识问题，但还是很多人没有注意到。启动目录是启动Pro/E后软件默认的工作目录所在的位置，如果不进行修改的话，那么设计的文件都将会缺省保存在这个位置，很不方便查找和保存。(3) 要养成经常拭除不显示的文件。如果使用Pro/E时间比较长，就会发现电脑运行速度很慢，原来关闭窗口后，以前所有的文件还在内存中，这是要我们手动释放这些内存的。有时我们发现修改一个零件后并没有保存，但是打开这个零件后发现是修改后的样子，原来Pro/E使用的是暂存在内存中最后修改的文件，这样非常容易造成当我们再次打开电脑时发现有些零件还是修改前的样子，所以一定要养成经常拭除不显示的文件，一方面为了Pro/E的速度，另一方面为了减少出错的机会。(4) Pro/E