基于hyperworks汽车车架有限元分析论文.doc

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1、北华航天工业学院毕业论文报告(论文)题目： 基于Hyperworks汽车 车架有限元分析 摘 要有限元方法是最近三四十年随着计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析的数值计算方法。如今有限元方法几乎在所有工程问题上得到了发展和应用，已成为一个广为接受的工程分析工具。汽车车架在整个汽车结构中，不论就重量而言还是就成本而言，在整车中占有相当大的比重，同时它的制造工装设备和模具成本都很高，改型比较困难。传统的车架设计方法存在设计周期过长、重复工作量大和资金浪费等缺点。运用有限元法对汽车车架进行分析和模拟仿真，可以大大缩短设计周期，降低制造成本。因而，有限元方法在车架领域的应用具有极大潜力。本文利用有

2、限元分析技术，以Hyperworks软件为分析平台，针对具体的科研项目，对某公司在产品改进设计中的车架进行有限元建模以及扭转刚度分析计算。在有限元模型上进行了模态的分析计算，通过对模态值的分析计算，检验和修正有限元模型。通过对刚度值的分析计算，检验和修正有限元模型。论文介绍了车架设计的特点以及CAE 方法在车架设计中的应用，同时分析了车架模态和扭转刚度对整车耐久性的影响。论文论述了车架的有限元建模方法，对车架进行模态仿真计算和结果进行分析对比。本课题是CAE在工程中的实际应用，对车架改进设计有较大的现实意义。关 键 词：车架 Hyperworks 有限元 模态 扭转刚度AbstractAs a

3、 solution method for mechanics analysis, finite element method (FEM) develops from the improvement of computer since thirty or forty years. Now FEM has almost been applied on every fields of engineering, and has become a reliable tool of solution analysis. Which has been accepted by most engineers.

4、However, the domestic application of FEM drops behind overseas greatly, and we havent taken full advantages of FEM in most fields. Body plays a significant role in whole automobile from both weight and cost. In the same time, hard revision of forms, high cost of manufacture and mould give some chall

5、enge to designers the traditional body design method has some shortcomings such as too long design circle, repeated work and money wasting. There would be shorten at the design and be reduced at the cost when we are application finite element method (FEM) to analyze simulate the body of the car. The

6、re would have great potential for applying finite element method (FEM) on the body field.The dissertation is application of use FEM to analyze body, It is a based on the HYPERWORKS program to analysis engineering and body of some company, which builds up the FEM model. and has a solution on stiffnes

7、s and mode. According to the differences between solution result and experiment result, the FEM model should be revised. According to the result of FEM mode, check and modify the FEM mode. And also according to the FEM and according to the real instance, we put forward design improved.First, this di

8、ssertation is a presentation about the characteristic of mini car body, and the method about application of CAE at designing car body. Also introducing the infection of rigidity and intensity to enduring of the body.This dissertations subject is about engineering application of CAE，We will have more

9、 investigation at the body design and analysis in future , It will bring a practical meaning to advancing level of body design and body structure analysis.The question is the application of CAE at practice engineering. It would be practicality meaning at improving designing to body of car and level

10、of analysis.Key Words: Vehicle frame Hyperworks Finite element Modal analysis Torsion stiffness II北华航天工业学院毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 引言11.2 有限元分析理论概念及意义21.2.1 有限元分析的概念21.2.2 有限元分析的意义31.3 国内外有限元方法的发展状况31.4 有限元方法分析的目71.5 Hyperworks的发展概况71.6 本课题的研究内容91.7 本章小结9第2章 有限元方法在车架结构设计中的应用112.1 概述112.2 有限元方

11、法的基本理论112.2.1 有限元方法的基本概念112.2.2 有限元方法的基本步骤112.3 结构静力学分析中的有限元方法132.3.1 单元特性的导出方法132.3.2 位移函数17 2.4 结构动力学分析中的有限元方法172.4.1 结构的动力学方程172.4.2 系统的动力学响应182.5 有限元方法在车架结构设计中的应用192.6 有限元方法分析流程202.7 本章小结20第3章 车架有限元模型的建立213.1 车架有限元模型的建立213.1.1三维模型的导入213.1.2 车架网络划分213.1.3 网格分圆画法223.1.4 装配零件网格模型连接的处理方法233.2 本章小结24

12、第4章 车架的模态分析254.1 车架模态分析过程254.2 模态分析结果304.3 本章小结32第5章 车架的刚度计算335.1按设计要求进行约束和施加载荷335.2CAE仿真结果分析335.3 本章小结37第6章 结论38致 谢39参考文献40 北华航天工业学院毕业论文第1章 绪论1.1 引言Hyperworks是美国Altair公司推出的通用有限元分析与优化软件，它集成了设计与分析所需的工具，具有良好的开放性、灵活性和友好的用户界面，能够完成线性静态、模态、屈曲等有限元分析。Altair Hyperworks 企业的产品创新解决方案。TM Hyperworks基于设计优化、性能数据管理和

13、流程自动化，为企业提供了实现快速设计开发和决策的全面的仿真解决方案。作为业内最全面的开放架构的CAE解决方案，Hyperworks包含了第一流的建模、分析、可视化和数据管理方案，其应用则涵盖了线性、非线性、结构优化、流固耦合和多体动力学仿真。Altair Hyperworks将坚持对开放系统理念的承诺，并将继续以最广泛的交互性引领PLM市场的商业化CAD和CAE协同解决方案。CAE 是计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering)的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。在产品开

14、发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。 有限元分析在CAE中运用最广，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。 (CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要环节。CAE从20世纪60

15、年代初开始在工程上应用到今天，已经历了40多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAPP/CAM/CAE）的重要环节。Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它

16、集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在CAE领域, Hypermesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。一般来说，CAE分析工程师80的时间都花费在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。1.2 有限元分析理论概念及意义1.2.1 有限元分析的概念有限元分析（FEA，Finite Element Analysis

17、）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。1.2.2 有限元分析的原理及学科内涵有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而

18、被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种

19、局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然

20、单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与

21、约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有

22、限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。1.2.2 有限元分析的意义有限元分析的意义主要有以下几点： 增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题；经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；缩短产品投向市场的时间；模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。1.3 国内外有限元方法的发展状况1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对

23、离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/

24、ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来

25、各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方

26、面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时

27、考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证

28、明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题，需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE

29、软件的发展方向。程序面向用户的开放性随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根

30、本之道。在当前的工程技术领域中，有越来越多的复杂结构，包括复杂的几何形状、复杂的载荷作用、复杂的支撑约束等，需要去分析研究。这些工程实际问题，由于复杂以致很少甚至没有解析解，但是仍然需要去分析研究。克服这些困难有多种途径，一般可归结为两类：一种是对复杂问题做种种简化，提出许多假设和简化，回避一些难点，最终简化为一个能够处理的问题。这种方法有时是可行的，但是由于过多的简化和假设通常将导致极不准确甚至错误的解答。另一种可供选择的方法是尽可能的保留问题的实际情况，尝试寻求近似数值解也可以满足工程实际需要。在众多的近似分析方法中，有限元方法是运用最为成功、最为广泛的一种。有限元法是近三四十年随着计算机

31、的发展而发展起来的用于各种结构分析的数值计算方法，它运用离散概念把弹性连续体划分为一个由若干个有限元组成的集合体，通过单元分析和组合，得到一组联立代数方程组，最后求解得数值解。从而可以求解结构形状和边界条件都相当任意的力学问题。理论证明，模态参数（固有频率、阻尼系数、模态振型）可以完整的描述系统的动力学特性。解析法是通过结构模型的几何形状、边界条件和材料特性，用结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵导出模态参数。有限元方法最先应用于航空工程，现已迅速推广到机械与汽车、造船、建筑等各种工程技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁学、振动等各学科。近些年来随着计算机工业的迅速崛起，计算机及计算机技术

32、的迅猛发展，有限元方法几乎在所有的工程问题上得到了发展和应用。有限元方法已成为一个基础稳固并为大家所接受的工程分析工具。 目前国外有限元方法在汽车分析中得到了广泛的使用，有限元分析除了汽车结构的强度、刚度计算外，还在车架结构的模态分析、操纵稳定性分析、整车振动分析、传热分析、空气动力分析、结构噪声分析等方面发挥着重要的作用。由于有限元方法只有一种数值求解方法，因此它的应用还牵涉到各行各业的专业知识，例如用有限元方法进行空气动力学分析，就必须掌握空气动力学的知识及其在程序中的处理实现方式。国外大型汽车企业集团及有关车架研究机构为了提高车架的耐久度和安全性，早在70 年代就对车架的结构进行了深入细

33、致的研究，取得了大量成果，为车型开发起到了较好的指导作用。而在国内，有限元方面的研究和应用远不如国外成熟。我国有限元分析实际起步时间很短，目前汽车行业还只停留在强度、刚度和模态分析的初级阶段，而且积累的经验有限，没有真正发挥有限元方法辅助设计的作用。国内只有少数汽车公司具有开发能力，当然有一些国内大型汽车企业的汽车科研部门对车架结构研究有一定的基础，但大多数厂家仅仅局限于对整体车架模态、刚度和部分部件总成刚度的研究。车架的开发设计大多数以参考样车的结构为主要依据，多采用模仿和凭经验为主的设计方式，没有真正发挥计算机辅助设计的作用，离现代科学设计相差甚远，车架重量偏大、刚性不足和不均、有局部开裂

34、等现象发生。目前国外的现代汽车结构分析技术已经比较成熟，现在汽车结构分析的发展已经十分精细，应用有限元方法可以十分精确的分析汽车结构的静态和动态特性，NVH 特性，碰撞特性等。现代汽车结构分析技术已经在现代汽车的设计领域占据了重要位置，成为汽车计算机辅助设计必不可少的重要组成部分。而国内的汽车结构分析技术还有较长的路要走。 传统的经验设计不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析，因此设计中不可避免的造成车架各部分强度分配不合理的现象，这样使得整个车架设计的成本提高，而且某些部位强度不够容易引起事故，某些部位强度又过于富裕造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目的。 汽车车架结构固有模态是指

35、车身结构振动特性，包括固有频率和振型。汽车行使在颠簸的路面上时，由于各个零件在路面激振力的作用下会产生各种形式的振动，振动不仅会产生很大的噪声，而且可能会造成汽车结构的疲劳破坏。车架的模念分析能够用来预测车身与其它系统如悬挂系统、路面、发动机及传动系之间的动态干扰的可能性，通过合理的结构设计，则可以避开共振频率范围，防止上述情况的出现.目前国外的现代汽车结构分析技术已经比较成熟，现在汽车结构分析的发展已经十分精细，应用有限元方法可以十分精确的分析汽车结构的静态和动态特性，NVH 特性，碰撞特性等。现代汽车结构分析技术已经在现代汽车的设计领域占据了重要位置，成为汽车计算机辅助设计必不可少的重要组

36、成部分。而国内的汽车结构分析技术还有较长的路要走。与国外相比，国内研究起步较晚，自90年代中后期，有限元也得到了快速的发展和推广，有不少企业和科研院所在此领域内开展了研发工作。近年来随着国内计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。然而，和国外相比，我国仍有很大的差距。1.4 有限元方法分析

37、的目应用有限元方法对汽车结构进行分析是一项综合性的工作，它包括从结构的物理学模型抽象为有限元计算的数学模型、在计算机上的实施，以及计算前后大量信息数据的处理等这样一个全过程，这个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、应变分布、结构的固有特性和动态特性。利用这些数据就可以对所研究的结构进行分析。分析的目的包括：在进行汽车的结构设计时，可以通过对可能的结构方案进行有限元方法计算分析，根据计算结果的分析和比较，按强度、刚度和稳定性的要求，对原方案进行修改补充，以便得到较合理的应力、应变分布，并且经济性又较好，从而得到较好的结构设计方案。分析结构损坏原因，寻找改进途径。当结构件在工作中发生故障如裂

38、纹、断裂、磨损过大等情况时可应用有限元方法进行计算，研究结构破坏的原因，找出危险区域和部位，提出改进设计的方案，并进行相应的计算分析，直到找到合理的结构为止研究表明，各种汽车的结构件都可应用有限元方法进行静态分析、固有特性分析和动态分析。并且已从原来对工程实际问题的静态分析为主转到要求以模态分析和动态分析为主，甚至根据工程实际结构的特点要求进行非线形分析。1.5 Hyperworks的发展概况 Hypermesh软件界面如图1-1所示：图1-1 软件界面示意图Altair HyperWorks是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活

39、性和友好的用户界面。HyperWorks包括以下模块： Altair HyperMesh 高性能、开放式有限单元前后处理器，让您在一个高度交互和可视化的环境下验证及分析多种设计情况。 Altair MotionView 通用多体系统动力学仿真及工程数据前后处理器，它在一个直观的用户界面中结合了交互式三维动画和强大无比的曲线图绘制功能。 Altair HyperGraph 强大的数据分析和图表绘制工具，具有多种流行的工程文件格式接口、强大的数据分析和图表绘制功能、以及先进的定制能力和高质量的报告生成器。 Altair HyperForm 集成HyperMesh强大的功能和金属成型单步求解器，是一

40、个使用逆向逼近方法的金属板材成型仿真有限元软件。 Altair HyperOpt 使用各种分析软件进行参数研究和模型调整的非线性优化工具。 Altair OptiStruct 世界领先的基于有限元的优化工具，使用拓扑优化方法进行概念设计。 Altair OptiStruct/FEA 基本线性静态、特征值分析模块。 无论是单机版还是网络版，HyperWorks 许可单位（HWUs）都是平行的，所以不管你运行多少个HyperWorks模块，只有需要HWUs最多的模块才占用HWUs数。 Altair HyperMesh 是一个高性能有限单元前后处理器，让工程师在高度交互及可视化的环境下验证各种设计条

41、件。HyperMesh的图形用户界面易于学习，并且支持直接输入CAD几何模型和已有的有限元模型，减少重复性的工作。先进的后处理工具保证形象地表现复杂的仿真结果。HyperMesh具有无比的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。 HyperMesh特点：通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期；直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率；直接输入CAD几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用；高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程；在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使用适用的求解器；极高的性价比

42、使您的软件投资得到最好的回报；高度可定制性更进一步提高效率。 HyperMesh具有工业界主要的CAD数据格式接口。它包含一系列工具，用于整理和改进输入的几何模型。输入的几何模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些会妨碍高质量网格的自动划分。通过消除缺损和孔，以及压缩相邻曲面的边界等，您可以在模型内更大、更合理的区域划分网格，从而提高网格划分的总体速度和质量。同时具有云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方便的工具，及时检查并改进网格质量。 在建立和编辑模型方面，HyperMesh提供用户一整套高度先进、完善的、易于使用的工具包。对于2D和3D建模，用户可以使用各种网格生成模板以及强大的自动网格划分模

43、块。 HyperMesh的自动网格划分模块提供用户一个智能的网格生成工具，同时可以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度，单元长度变化趋势，网格划分算法等等。 HyperMesh支持很多不同的求解器输入输出格式。HyperMesh同时具有完善的输出模板语言和C函数库，用于开发输入转换器，从而提供对其他求解器的支持。 Altair OptiStruct 是用于概念设计和改进设计、基于有限元的结构分析及优化软件。OptiStruct应用拓扑、外形和形状优化技术，具有强大的功能，帮您设计优化出基于各种约束条件下的具有最小重量和最大性能的结构。 OptiStruct内部包含一个快速、准确的有

44、限元求解器，它帮助工程师使用标准的单元库和类型广泛的边界条件来优化线性静力和固有频率问题。OptiStruct包含在Altair HyperMesh完善的图形用户界面内，可以让用户轻松、快速地进行复杂问题的模型建立、提交求解及后处理。 HyperMesh特点： 通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期。 直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率。 直接输入CAD几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用。 高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程。 在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使用适用的求解器。 极高

45、的性价比使您的软件投资得到最好的回报。 高度可定制性更进一步提高效率。 1.6 本课题的研究内容 本课题研究内容主要是：用hyperworks搭建车架有限元模型。运用电脑用Nastran对车架有限元模型进行模态分析和扭转刚度计算。研究目标通过计算得出车架的固有频率、振型结果、扭转刚度值、应变能云图和位移变形图。1.7 本章小结本章首先介绍了有限元分析基本概念和理论，有限元分结构及学科内涵、有限元分析的意义及特点进行了系统总结，分析了有限元分析在工业领域中的应用及有限元分析的关键技术，回顾了有限元分析在国内外的研究、发展、应用状况，最后说明了本课题所作的主要研究工作，研究目标和研究内容。第2章

46、有限元方法在车架结构设计中的应用2.1 概述现代汽车工业的发展对汽车产品开发水平的要求越来越高，它要求整车和车架零部件具有足够强度和刚度及良好的振动特性。车架的设计并不满足于静态刚度计算，实际上车架的强度更加依赖车架的振动以及更复杂的随机载荷的响应，只有进行动态刚度的分析，才能进一步提高车架结构刚度的设计水平。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，它是五十年代首先在连续体力学领域飞机结构、动态特性分析中应用起来的一种有效的数值计算方法。2.2 有限元方法的基本理论2.2.1 有限元方法的基本概念所谓有限元（Finite Element method）就是关于连续体（连续结构）的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路是：假想地将连续体（连续结构）划分为有限个单元，这些单元都是由具有一定自由度的节点相互连接而成。这样，原来的连续体（连续结构）就变成为由有限个单元装配而成的离散结构，原有的连续体的无限个自由度的问题就变为离散结构的有限个自由度的问题。结构的有限元法一般选择简单的函数近似的表达单