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SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
王作銘
系部
汽車工程系
專業(yè)、班級(jí)
車輛工程B05-18
指導(dǎo)教師姓名
王瑛璞
職稱
高級(jí)實(shí)驗(yàn)師
從事
專業(yè)
汽車運(yùn)用工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
豐田戴那汽車前橋有限元結(jié)構(gòu)分析
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1、研究現(xiàn)狀
汽車前軸作為汽車的重要承載零部件之一，是連接車身與懸架的重要部件，用于在車架和懸架之間傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力，同時(shí)前軸還要承受由懸架傳遞而來(lái)的制動(dòng)力矩，,對(duì)其剛度和強(qiáng)度、抗沖擊性、疲勞可靠性方面都有很高的要求。因此，對(duì)汽車前軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析也就顯得十分重要。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分心可以借助于有限單元法和模態(tài)試驗(yàn)來(lái)完成。
有限元分析最基本的研究方法就是“結(jié)構(gòu)離散→單元分析→整體求解”的過(guò)程。經(jīng)過(guò)近50 年的發(fā)展，有限元法的理論日趨完善；有限單元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題、波動(dòng)問(wèn)題。分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的應(yīng)用己從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合。
目前國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究及趨勢(shì)，均以提高前橋性能的可靠性、安全性為目標(biāo)，采用理論有限元分析的研究方法，利用先進(jìn)的測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)，在當(dāng)前先進(jìn)軟件平臺(tái)上，對(duì)汽車前橋的靜、動(dòng)態(tài)性能開(kāi)展試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及CAE研究，為產(chǎn)品的改進(jìn)和優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。
2、 目的、依據(jù)和意義
汽車前橋是幾何形狀與組成、加工工藝與工序等都比較復(fù)雜的機(jī)械零、部件,在它們的制造過(guò)程中,為保證一些關(guān)鍵工藝的質(zhì)量(如沖壓質(zhì)量、焊接質(zhì)量等),往往規(guī)定要定期從生產(chǎn)線中隨機(jī)抽取樣品進(jìn)行實(shí)物的垂直彎曲剛度、彎曲靜強(qiáng)度、疲勞等一系列試驗(yàn)。根據(jù)各種試驗(yàn)中出現(xiàn)的應(yīng)力集中位置、疲勞裂紋位置、長(zhǎng)度來(lái)判別、認(rèn)可其制造質(zhì)量。這是一個(gè)反復(fù)修改和調(diào)整的過(guò)程,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果在檢測(cè)過(guò)程中,建立前橋的有限元模型,在計(jì)算機(jī)上模擬相關(guān)試驗(yàn),再通過(guò)小部分抽樣實(shí)驗(yàn),則會(huì)使設(shè)計(jì)和檢測(cè)過(guò)程縮短,減少抽樣數(shù)目,降低生產(chǎn)成本,產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。為此選擇豐田戴那汽車的一系列改進(jìn)型的前橋進(jìn)行有限元分析。
通過(guò)設(shè)計(jì)可以使學(xué)生掌握汽車驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)的有限元分析原則和方法。培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)。使學(xué)生對(duì)汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計(jì)、Pro／E軟件、有限元分析軟件等知識(shí)綜合運(yùn)用。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
1、研究的基本內(nèi)容
（1）利用Pro/E軟件建立前橋的三維實(shí)體模型；
（2）運(yùn)用ANSYS分析軟件,完成有限元分析；
（3）根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施；
（4）完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
2、擬解決的主要問(wèn)題
（1）運(yùn)用ANSYS分析軟件,完成有限元分析；
1)導(dǎo)入利用Pro/E建立的前橋模型；
2）利用ANSYS添加參數(shù)、約束和載荷；
3）運(yùn)行、分析；
（2）得出分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施；
（3）完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
三、技術(shù)路線（研究方法）
調(diào)查研究
數(shù)據(jù)采集、分析、處理
擬定設(shè)計(jì)思路
學(xué)習(xí)使用Pro/E,Ansys等需要使用的軟件
利用Pro/E建立模型
導(dǎo)入Ansys添加參數(shù)，約束
基于Ansys進(jìn)行分析
形成研究成果
4、 進(jìn)度安排
（1）資料收集、調(diào)研，完成開(kāi)題報(bào)告 第1~2周（3月2日~3月15日）
（2）調(diào)研，學(xué)習(xí)掌握Pro／E軟件和有限元分析軟件 第3周（3月16日~3月22日）
（3）利用Pro／E建模 第4~5周（3月23日~4月5日）
（4）完成結(jié)構(gòu)分析，完成說(shuō)明書(shū) 第6~12周（4月6日~5月24日）
（5）完善計(jì)算分析過(guò)程，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施 第13~14周（5月25日~6月7日
（6）設(shè)計(jì)審核、修改、答辯準(zhǔn)備 第15~16周（6月8日～6月21日）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第17周（6月22日～6月28日）
5、 參考文獻(xiàn)
[1] 陳良玉等．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2000．
[2] 劉惟信．汽車車橋設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．
[3] 黃國(guó)權(quán)．ANSYS有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．
[4] 黃忠耀等．Pro/E2001基礎(chǔ)訓(xùn)練教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002．
[5] 朱 帥,錢立軍.基于ANSYS的前橋強(qiáng)度分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用.2007,20(2):44-51.
[6] 周一平,朱海林.某轎車前后橋有限元模型分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].計(jì)算機(jī)輔助工程.2006,15:225- 229．
[7] 房俊喜.汽車后橋靜、動(dòng)態(tài)特性的分析與研究[D].山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.
[8] 余成龍,董益亮.雜交系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的有限元法——汽車后橋有限元建模與分析[J].中國(guó)機(jī)
械工程,2003,14(2):93-95
[9] 鄭燕萍,羊玢.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼臺(tái)架試驗(yàn)的有限元模擬[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),
2004(4):47-50.
[10] 田應(yīng)剛. 轎車前懸架的有限元分析[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào), 2001(41).
[11] 吳瑞明,周曉軍,等.汽車驅(qū)動(dòng)橋的疲勞檢測(cè)分析[J].汽車工程, 2003(3): 283-286.
[12] 趙經(jīng)文,王宏鈕.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:科學(xué)出版社，2001.
[13] 劉新田,黃虎,劉長(zhǎng)虹,等.基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).2007,21(2):112-116
[14] Bart Peeters,Antonio Vechio,Thierry Olberchts.Vibration Testing and Modal An alysis of Air planes.Proceeding of the SAE World Aviation Congress,Reno(NV),USA 2 004.11
[15] Chen J.C.Galileo Spacecraft Modal Test and Evaluation of Testing Techniques,J.P .L.California Institute of Technology.
六、備注
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
豐田戴那汽車前橋有限元結(jié)構(gòu)分析
系部名稱： 汽車工程系
專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 B05-18班
學(xué)生姓名： 王作銘
指導(dǎo)教師： 王瑛璞
職 稱： 高級(jí)實(shí)驗(yàn)師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○○九年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Analysis of Automotive Maebashi
Finite element
Candidate：Wang Zuoming
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B05-18
Supervisor: Senior experimentalist
Wang Yingpu
Heilongjiang Institute of Technology
2009-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
作為汽車的重要承載部件，前橋傳遞著車架與路面之間各個(gè)方向的作用力，其靜態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響整車的安全性、平穩(wěn)性及舒適性。因此，研究汽車前橋的靜態(tài)特性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，為設(shè)計(jì)具有最佳性能的前橋提供數(shù)據(jù)支持，在汽車設(shè)計(jì)中占有重要的地位，具有重大的經(jīng)濟(jì)、安全意義。
本文利用Pro/E建立了豐田戴那汽車前橋的實(shí)體模型,利用ANSYS對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析,揭示了其在靜態(tài)滿載工況下的應(yīng)力和應(yīng)變分布狀況，從分析的結(jié)果可以得出應(yīng)力集中分布在轉(zhuǎn)向節(jié)短軸與轉(zhuǎn)向節(jié)連接處。本設(shè)計(jì)的結(jié)果表明該車前橋滿足實(shí)際的強(qiáng)度和剛度要求。在符合強(qiáng)度和剛度要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了改進(jìn)措施。本文研究對(duì)于提高前橋的安全性,減少企業(yè)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本具有重要的意義.
關(guān)鍵詞:前軸；有限元分析；安全性；強(qiáng)度；ANSYS
ABSTRACT
As an important bearing part of vehicle, the front axle transfers the loads of all directions between suspension and road. And its dynamic character affects the safety and comfortably character and stability of the whole vehicle. So, it is necessary to research the dynamic character of the front axle for the economic and safe reasons.
The finite element model which used Pro/E of the Toyota Dana type vehicle’s front axle was established, simulated the static and dynamic condition about its structure and obtained its stress and strain in the various conditions. This analysis which used ANSYS method and the conclusion can be guidance for this kind of front axle's intensity and rigidity and the ant vibration design. The results from the analysis of the distribution of stress concentration can be drawn in the steering knuckle and the steering knuckle short junction. The results show that the design of the car before the bridge to meet the actual requirements of strength and stiffness. In line with the requirements of strength and stiffness based on the further measures proposed to improve It also can be significant to enhancing front axle's security, reducing enterprise’s design and the experiment cost.
Key words: Front axle; Finite element analysis; Security; Strength; ANSYS
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章緒論 1
1.1課題研究背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) 2
1.3課題的主要內(nèi)容、研究方法 3
1.3.1課題研究的主要內(nèi)容 3
1.3.2研究方法 4
第2章有限元法的基本理論與分析軟件 5
2.1有限元法的基本理論 5
2.1.1有限元法的基本思想 5
2.1.2有限元法特點(diǎn) 6
2.1.3有限元法分析過(guò)程 7
2.2有限元法的發(fā)展 9
2.3 ANSYS軟件的應(yīng)用 12
2.4本章小節(jié) 14
第3章利用Pro/E建立汽車前橋模型 15
3.1豐田戴那汽車前橋總成參數(shù) 15
3.2運(yùn)用Pro/E實(shí)體建模 15
3.2.1豐田戴那汽車前橋的簡(jiǎn)化 15
3.2.2運(yùn)用Pro/E實(shí)體建模 15
3.3本章小結(jié) 24
第4章有限元分析及改進(jìn)措施 25
4.1 Pro/E模型的簡(jiǎn)化 25
4.2幾何模型的導(dǎo)入 25
4.3選擇單元類型 27
4.4定義材料屬性和網(wǎng)格劃分 28
4.5靜力分析 32
4.5.1施加載荷 32
4.5.2對(duì)模型施加約束 32
4.6分析計(jì)算與分析結(jié)果 33
4.7改進(jìn)措施 35
4.8本章小結(jié) 37
結(jié) 論 38
參考文獻(xiàn) 39
致 謝 40
附 錄 41
第1章 緒 論
1．1 課題研究背景及意義
隨著我國(guó)汽車工業(yè)的不斷發(fā)展與完善，市場(chǎng)要求具有最佳工作性能的整車及汽車零部件出現(xiàn)，以適應(yīng)現(xiàn)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。前橋作為汽車的重要承載部件，傳遞著車架與路面之間各個(gè)方向的作用力，其動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響整車的安全性、舒適性及平穩(wěn)性。因此，研究汽車前橋的特性，設(shè)計(jì)具有最佳性能的前橋是國(guó)內(nèi)各大汽車廠商的重要研究任務(wù)之一。
汽車車橋可分為轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和支持橋四種。整體式轉(zhuǎn)向橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、應(yīng)用性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在各種載重卡車上[1]。但在使用過(guò)程中，由于受到各種多變負(fù)荷激勵(lì)，該前橋經(jīng)常出現(xiàn)前梁斷裂、大變形等故障，導(dǎo)致汽車失去承載能力，甚至出現(xiàn)傷亡事故。廠家針對(duì)這類故障進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通常是采用增加全部或局部橋厚度的方式來(lái)增大橋身的強(qiáng)度，抵抗結(jié)構(gòu)大變形[2]。但這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法存在缺陷，它不能完全揭示前橋工作狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，也沒(méi)考慮振動(dòng)因素對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響，因此不能準(zhǔn)確確定橋身的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)往往是無(wú)的放矢，無(wú)法從根本上對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本過(guò)高、材料浪費(fèi)，質(zhì)量還難以保證，嚴(yán)重制約著產(chǎn)品性能的提高，也進(jìn)一步影響了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能分析是結(jié)構(gòu)靜態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，也是靜結(jié)構(gòu)態(tài)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能分析可以從根本上了解結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷作用下的靜態(tài)特性，掌握結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)的故障診斷和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)設(shè)計(jì)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。靜態(tài)特性研究可以借助于有限單元法來(lái)完成。有限單元法是目前工程中最常用的一種數(shù)值求解方法，對(duì)結(jié)構(gòu)、相關(guān)邊界條件，約束等復(fù)雜的工程問(wèn)題可以精確模擬，而且應(yīng)用范圍極為廣泛。
本課題采用Pro/E與ANSYS軟件作有限元分析相結(jié)合的方法。其中，Pro/E系統(tǒng)是用來(lái)建立實(shí)體模型的，ANSYS系統(tǒng)是有限元結(jié)構(gòu)分析分析系統(tǒng)，可以精確識(shí)別結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性參數(shù)。鑒于目前汽車超載、路面狀況、結(jié)構(gòu)特性等復(fù)雜條件對(duì)前橋造成的嚴(yán)重破壞，為配合交通運(yùn)輸管理，減少因前橋造成的事故和損失，對(duì)前橋進(jìn)行靜態(tài)性能分析和優(yōu)化，有的放矢解決上述問(wèn)題已迫在眉睫。因此，進(jìn)行汽車前橋靜態(tài)特性的研究，改善汽車的整體性能，可以避免因前梁斷裂、彎曲大變形造成的車毀人亡嚴(yán)重事故的發(fā)生，具有重大的經(jīng)濟(jì)、安全意義。
1．2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
有限單元法的工程應(yīng)用己有悠久的歷史，早在1943年，Gourant采用分片插值的思想，利用最小勢(shì)能原理對(duì)圣維南的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析。后來(lái)，Turner, Clough, Martin等人就開(kāi)始使用離散的思想，將平面連續(xù)結(jié)構(gòu)劃分成很多三角形單元，單元內(nèi)部位移由二個(gè)定點(diǎn)的位移插值得到，在此基礎(chǔ)上建立了合理的單元特性公式，并用直接剛度法組成單元集合體。有限單元法由此誕生，1960年，Clough將它命名為有限單元法。由于有限單元法是通過(guò)分片插值建立整個(gè)求解域的分片連續(xù)函數(shù)，所以具有廣泛的適用性，迅速被推廣到各個(gè)工程領(lǐng)域。20 世紀(jì) 7 0年代以來(lái)，許多歐美國(guó)家就己經(jīng)開(kāi)始利用有限單元法進(jìn)行機(jī)械工程和汽車工程中各種結(jié)構(gòu)件和傳動(dòng)件的計(jì)算分析，并能夠很好的模擬、分析零部件的靜、動(dòng)態(tài)特性[3]。隨著有限單元法的不斷發(fā)展和完善，汽車技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車生產(chǎn)周期不斷縮短，一種新車從概念到批量生產(chǎn)，從以前的6年縮短到現(xiàn)在的2年，甚至更短，而且產(chǎn)品性能也越來(lái)越好。計(jì)算機(jī)軟、硬件的不斷發(fā)展，也為計(jì)算機(jī)輔助造型(CAS)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)及計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（VR)提供了廣闊發(fā)展的空間，并不斷涌現(xiàn)出各種大型工程通用軟件，如ANSYS, NASTRAN,UG, I-DEAS等，使得各種結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等成為可能，國(guó)內(nèi)、外均己經(jīng)能夠使用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)、材料和形狀參數(shù)的靈敏度分析。40年來(lái)，有限單元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題、波動(dòng)問(wèn)題。分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的應(yīng)用己從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合。
國(guó)內(nèi)對(duì)有限元理論的研究早在上世紀(jì)六十年代，著名力學(xué)專家如錢偉長(zhǎng)、徐芝綸、黃茂光等就開(kāi)始對(duì)簡(jiǎn)支、固支邊界的板殼有限元理論進(jìn)行研究，并取得了很大進(jìn)展，但由于歷史原因，我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展較晚，阻礙了我國(guó)有限元軟件的發(fā)展，也嚴(yán)重影響了有限單元法歷史應(yīng)用，使得我過(guò)的有限元應(yīng)用水平與世界水平有很大差距。直到上世紀(jì)80年代，美國(guó)的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析程序向國(guó)內(nèi)引進(jìn)移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來(lái)分析計(jì)算工程問(wèn)題的高潮。這個(gè)高潮一直持續(xù)到1981年ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進(jìn)，許多一直無(wú)法解決的工程難題都迎刃而解。大家開(kāi)始認(rèn)識(shí)到有限元分析程序的確是工程師應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的重要工具。但是當(dāng)時(shí)限于國(guó)內(nèi)大中型計(jì)算機(jī)很少，只有杭州汽輪機(jī)廠的Siemens 7738和沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠的IBM 4310安裝有上述程序，所以用戶算題非常不方便，而且費(fèi)用昂貴。隨著PC機(jī)的普及，國(guó)產(chǎn)有限元分析軟件開(kāi)始出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)比較成功并擁有較多用戶(100家以上)的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的JIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國(guó)農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的MFEP4.0等[3]。對(duì)于有限單元法的應(yīng)用局限在結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)，大型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化仍處在初級(jí)探索階段，高等院校對(duì)CAD、 CAE先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的探索與研究，并在院企合作、培養(yǎng)人才方面做出了積極的努力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、振動(dòng)理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論的發(fā)展，結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性的研究也進(jìn)入了一個(gè)以計(jì)算機(jī)輔助分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的定量研究的階段。相信未來(lái)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)將取代現(xiàn)有的普通的、傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
1．3 課題的主要內(nèi)容、研究方法
1.3.1 課題研究的主要內(nèi)容
豐田戴那汽車前橋?yàn)檎w式前橋，其承載大，地位重要，是汽車的關(guān)鍵組成零部件之一，也是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。橫梁在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)受到側(cè)向力、扭矩及剪切載荷，在制動(dòng)時(shí)也會(huì)受到相應(yīng)的扭矩和剪切載荷[6]。
在國(guó)內(nèi)，研究結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)性能大多采用利用有限元工具進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)兩種方法中的一種。本課題的研究則綜合考慮了目前國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，以提高前橋性能的可靠性、安全性為目標(biāo)，采用理論有限元分析研究方法，在當(dāng)前先進(jìn)軟件平臺(tái)上，對(duì)汽車前橋的靜、動(dòng)態(tài)性能開(kāi)展試驗(yàn)CAE研究，為產(chǎn)品的改進(jìn)和優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。本課題采用功能強(qiáng)大的有限元分析軟件——ANSYS，對(duì)前橋進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)后橋結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)分析的結(jié)果，提出了提高前橋強(qiáng)度的改進(jìn)措施，對(duì)前橋的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。主要內(nèi)容如下：
（1）有限元分析的基本思路，有限元法在前橋分析中的應(yīng)用；
（2）利用Pro/E軟件建立前橋的三維實(shí)體模型；
（3）導(dǎo)入ANSYS，運(yùn)用ANSYS分析軟件,完成有限元分析；
（4）根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施。
1.3.2 研究方法
運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模。Pro/E軟件是專業(yè)的三維建模，全中文操作，功能強(qiáng)大,可以導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行靜力分析。
運(yùn)用ANSYS進(jìn)行三維建?？梢灾苯釉贏NSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,靜力分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)等操作，方便后續(xù)操作。但是ANSYS是全英文操作界面，而且三維建模功能較差,操作不方便，建模周期較長(zhǎng)。
綜上，對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)，選用Pro/E進(jìn)行三維建模，這樣可以更好的建立實(shí)體模型。
1、利用軟件建立前橋
在有限元分析時(shí)，模型建立得是否合理十分重要。一方面要建立起與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符的模型，另一方面為簡(jiǎn)化計(jì)算，將對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的細(xì)小結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡(jiǎn)化。同時(shí)要求建模時(shí)操作簡(jiǎn)單，便于修改。本文用Pro/E軟件通過(guò)實(shí)體測(cè)量，建立前橋幾何實(shí)體模型。
2、有限元模型的建立
通過(guò)將在Pro/E軟件中建立的模型導(dǎo)入ANSYS中，然后確定單元類型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格的劃分對(duì)有限元分析的計(jì)算量和計(jì)算精度影響很大，一般情況下，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算精度越高，所需的計(jì)算機(jī)資源、計(jì)算時(shí)間也越多。在劃分時(shí)，應(yīng)在保證計(jì)算精度的同時(shí)，盡量減少網(wǎng)格數(shù)量。
3、根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施
確定約束和施加載荷后，利用有限元分析軟件對(duì)該前橋進(jìn)行靜應(yīng)力分析，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核，并對(duì)一些重要部位進(jìn)行重點(diǎn)分析，找出前橋前梁，轉(zhuǎn)向節(jié)及主銷接觸面積與所承受最大應(yīng)力的關(guān)系。根據(jù)前橋的應(yīng)力云圖進(jìn)而提出改進(jìn)措施。
第2章 有限元法的基本理論與分析軟件
2．1 有限元法的基本理論
2.1.1 有限元法的基本思想
有限元是數(shù)學(xué)、力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)，是現(xiàn)代科學(xué)和工程計(jì)算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其基本思想是將一個(gè)連續(xù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)彈性連續(xù)劃分為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體進(jìn)行研究。這些單元僅在節(jié)點(diǎn)處連接，單元之間的載荷也僅由節(jié)點(diǎn)傳遞。這個(gè)把連續(xù)體劃分為離散結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱為有限元的離散化，也叫單元?jiǎng)澐?。有限個(gè)的單元稱為有限單元，簡(jiǎn)稱單元。利用離散而成的有限元集合體代替原來(lái)的彈性連續(xù)體，建立近似的力學(xué)模型，對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)對(duì)這些單元分別進(jìn)行分析，建立其位移與內(nèi)力之間的關(guān)系，以變分原理為工具，將微分方程化為代數(shù)方程，再將單元組裝成結(jié)構(gòu)，形成整體結(jié)構(gòu)的剛度方程。
離散后單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)和數(shù)目應(yīng)根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)、描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定(一般情況下，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量也越大)。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式連結(jié)成的離散物體。這樣做的結(jié)果造成用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只能是近似的。離散化是有限元方法的基礎(chǔ)，必須依據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，決定單元的類型、數(shù)目、形狀、大小以及排列方式。這樣做的目的是:將結(jié)構(gòu)分割成足夠小的單元，使得簡(jiǎn)單位移模型能足夠近似地表示精確解，同時(shí)又不能太小，否則計(jì)算量很大。
分析過(guò)程中首先從單元分析入手，確定單元內(nèi)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力模式，并確定單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，建立單元?jiǎng)偠染仃?根據(jù)離散化結(jié)構(gòu)的聯(lián)接方式，將各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行組集，得到反映整體結(jié)構(gòu)位移與載荷關(guān)系的總體剛度方程。通過(guò)求解該剛度方程可以得出各個(gè)單元的位移，再利用單元分析得到的關(guān)系可以求出單元應(yīng)力及其應(yīng)變?？梢?jiàn)，有限元分析的主要內(nèi)容是:單元離散化、單元分析、整體分析。
有限元法與傳統(tǒng)的力學(xué)方法有很大差別，正是這種差別，使得它能夠把許多難以求解的問(wèn)題變的容易處理：
（1）由于可任選單元體的形狀和尺寸，故可以“組拼”出形狀復(fù)雜的機(jī)械零件。在作應(yīng)力分析時(shí)，無(wú)需對(duì)零件的幾何形狀作過(guò)多的簡(jiǎn)化，從而提高了解題精度，大了可解的范圍；
（2）對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)可以減小單元體尺寸來(lái)細(xì)加考察；
（3）對(duì)于各種復(fù)雜類型的外載荷都可以采取適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵浞峙渲凉?jié)點(diǎn)處來(lái)計(jì)算；
（4）易于解決有初應(yīng)力、熱應(yīng)力的問(wèn)題；
（5）易于處理材料的不均勻性，對(duì)各向異性材料也可求解；
（6）可以解決材料的非線性和結(jié)構(gòu)的非線性問(wèn)題；
（7）采用大型的通用有限元程序，可一次計(jì)算大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、振動(dòng)和穩(wěn)定性。
由于計(jì)算機(jī)的求解方程組的能力非常強(qiáng)大，構(gòu)造模型又非常準(zhǔn)確，因而有限元法在計(jì)算機(jī)上使用極為普遍。有限元方法計(jì)算精度高，速度快，可縮短設(shè)計(jì)試制周期和降低成本。目前，優(yōu)秀的繪圖系統(tǒng)軟件都配有有限元分析程序窗口。當(dāng)圖形繪制完畢，可立即進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。通過(guò)不斷修改圖形和反復(fù)計(jì)算，能夠使設(shè)計(jì)質(zhì)量大幅度提高。有限元法可用于各種模擬和分析方法中，在固體力學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械工程、土木工程、電氣工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于其所涉及問(wèn)題和算法基本上都是來(lái)源于工程實(shí)際，應(yīng)用于工程中，其解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力愈來(lái)愈強(qiáng)。在汽車領(lǐng)域，有限元法可用于建立汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)模型，還可以用于設(shè)計(jì)的剛度與變形分析、設(shè)計(jì)的應(yīng)力與疲勞分析、碰撞模擬和塑性變形分析等[4]。
2.1.2 有限元法特點(diǎn)
有限元能夠得到迅速的發(fā)展與越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，除了電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了充分有利的條件外，還與有限元法所具有的優(yōu)越性是分不開(kāi)的，綜合來(lái)說(shuō)，有限元法的優(yōu)點(diǎn)有：
（1）有限元法能夠完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析，它利用離散化將無(wú)限自由度的連續(xù)體力學(xué)問(wèn)題變?yōu)橛邢迒卧?jié)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算，并將整個(gè)系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程，從而可以用多種方法對(duì)其求解，雖然它的解是近似的，但適當(dāng)選擇單元的形狀于大小，可使近似解達(dá)到滿意的精度；
（2）引入邊界條件的方法簡(jiǎn)單，邊界條件不進(jìn)入單個(gè)有限元單元的方程，而是在得到整體代數(shù)方程后再引入邊界條件，這樣內(nèi)部和邊界上的單元都能夠采用相同的場(chǎng)變量模型。而且當(dāng)邊界條件改變時(shí)，內(nèi)部場(chǎng)變量模型不需要改變；
（3）有限元法不僅適應(yīng)與復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處理各種復(fù)雜的材料性質(zhì)問(wèn)題，另外還可解決非均值連續(xù)介質(zhì)的問(wèn)題；
（4）有限元法考慮了物體的多維連續(xù)性，不僅在離散過(guò)程中把物體看成是連續(xù)的，而且不需要用分別的插值過(guò)程把近似解推廣到連續(xù)體中的每一點(diǎn)；
（5）有限元法通常采用矩陣表達(dá)形式，非常便于編制計(jì)算機(jī)程序，從而適應(yīng)于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算工作；
（6）該方法能夠在不同層面上得到闡釋或理解。對(duì)有較深數(shù)學(xué)知識(shí)的人來(lái)說(shuō)，完全可以用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述，并獲得嚴(yán)格推理。而對(duì)一般人來(lái)說(shuō)，可以只從物理層面上得到理解。但有限元法也有不足，主要體現(xiàn)在：
①在輸入的數(shù)據(jù)中，如有差錯(cuò)，沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，而且往往較難發(fā)現(xiàn)，帶來(lái)不少麻煩；
②有限元計(jì)算，尤其是在對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的分析上，所耗費(fèi)的計(jì)算資源是相當(dāng)驚人的，計(jì)算資源包括計(jì)算時(shí)間、內(nèi)存和磁盤空間；
③對(duì)無(wú)限區(qū)域問(wèn)題，有限元法較難處理；
④盡管現(xiàn)在的有限元軟件提供了自動(dòng)劃分網(wǎng)格的技術(shù)，但到底采用什么樣的單元、網(wǎng)格的密度多大才合適等問(wèn)題完全依賴于經(jīng)驗(yàn)；
⑤有限元分析所得結(jié)果不是計(jì)算機(jī)輔助工程的全部，而且一個(gè)完整的機(jī)械設(shè)計(jì)不能單獨(dú)依靠有限元分析來(lái)完成，必須結(jié)合其他分析和工程實(shí)踐才能完成整個(gè)工程設(shè)計(jì)。
2.1.3 有限元法分析過(guò)程
應(yīng)用有限元法求解彈塑性問(wèn)題的分析過(guò)程，概括起來(lái)可以分為以下幾個(gè)步驟：
1、結(jié)構(gòu)的離散化
有限元法把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連，節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上，節(jié)點(diǎn)的位移分量作為基本未知量，組成了有限單元集合體并引進(jìn)了等效節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)約束條件，就成為有限元自由度的有限元計(jì)算模型，替代了原來(lái)無(wú)限多自由度的連續(xù)體。有限元法的實(shí)質(zhì)是把無(wú)限多個(gè)自由度的彈性連續(xù)體，理想化為有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化，適合數(shù)值求解。結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基礎(chǔ)。
對(duì)于每個(gè)具體問(wèn)題，離散化的具體內(nèi)容是選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋?、決定單元尺寸和數(shù)量、單元的布局以及節(jié)點(diǎn)連接的方式。單元的形狀原則上是任意的，不管單元取什么樣的形狀，在一般情況下，單元的邊界總是不可能與求解區(qū)域的真實(shí)邊界完全吻合，這就帶來(lái)了有限元的一個(gè)基本近似性——幾何近似。單元尺寸足夠小，才能保證計(jì)算的精度，單元尺寸足夠大才能減少計(jì)算過(guò)程的工作量，理論上說(shuō)，單元?jiǎng)澐值脑郊?xì)，節(jié)點(diǎn)布置得越多，計(jì)算結(jié)果就越精確，在計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，計(jì)算機(jī)的容量和運(yùn)算速度已經(jīng)不是主要矛盾，但是分析比較證明節(jié)點(diǎn)和單元的數(shù)量達(dá)到一定值后，再加密網(wǎng)格對(duì)于提高計(jì)算精度效果就不是很高了。
劃分單元的一般原則是：關(guān)鍵部位要盡可能使用小單元和高精度單元，應(yīng)力和位移變化平緩的部位可以采用大單元和低精度單元:在邊界曲折、應(yīng)力集中、應(yīng)變梯度大的地方，如集中載荷處、分布載荷突變的地方，單元應(yīng)劃分得細(xì)一些；任何單元的節(jié)點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)；材料變化的地方應(yīng)當(dāng)劃分新的單元[5]。
2、單元分析
（1）選擇位移模式
位移模式是表示單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移隨位置變化的函數(shù)式，由于所采用的函數(shù)是一種近似的試函數(shù)，一般不能精確地反映單元中真實(shí)的位移分布，這就帶來(lái)了有限元法的另一種基本近似性。采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后，就可把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示。這是可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法中我們將為一函數(shù)表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)，如,其中是待定系數(shù)，碑是與坐標(biāo)有關(guān)的某種函數(shù)。
（2）建立單元?jiǎng)偠确匠?
選定單元的類型和位移模式后，就可以按虛功原理或最小勢(shì)能原理建立單元?jiǎng)偠确匠蹋鼘?shí)際上是單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)的平衡方程，其系數(shù)矩陣稱為單元?jiǎng)偠染仃嚒?
（2.1）
式中：——單元編號(hào)；
——單元?jiǎng)偠染仃嚕?
——單元的節(jié)點(diǎn)位移；
——單元的節(jié)點(diǎn)力向量。
根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃嚒?
（3）計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力
物體離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體。力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界的表面力、體積力或集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)替代所有作用在單元上的力。
3、整體分析
集合所有單元的剛度矩陣，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程，從而形成總體剛度矩陣。整體剛度矩陣反映的是結(jié)構(gòu)整體力的向量與整體位移向量之間的關(guān)系，所以組成整體剛度矩陣時(shí)，可以按照整體位移向量的順序?qū)卧獎(jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行運(yùn)算。即
(2.2)
式中：——整體結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣；
——整體結(jié)節(jié)點(diǎn)位移列矩陣；
——整體結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷列矩陣。
4、求解方程，得出節(jié)點(diǎn)位移
解有限元方程式(2.2)得出位移。
5、由節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算單元的應(yīng)力與應(yīng)變
解出節(jié)點(diǎn)位移后，根據(jù)需要，可由彈性力學(xué)的幾何方程和彈性方程來(lái)計(jì)算應(yīng)力與應(yīng)變；
6、分析計(jì)算結(jié)果。
2．2 有限元法的發(fā)展
現(xiàn)代有限元方法的起源可以追溯到20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)有一些研究人員利用等價(jià)彈性桿來(lái)近似模擬連續(xù)的彈性體。然而，人們公認(rèn)Courant(1943)是有限元方法的奠基人。在20世紀(jì)40年代，Courant發(fā)表了一篇論文，他第一次嘗試用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合的方法來(lái)研究扭轉(zhuǎn)問(wèn)題[3]。
在20世紀(jì)50年代，Boeing及其后來(lái)者采用了三角形應(yīng)力單元來(lái)建立飛機(jī)機(jī)翼的模型，極大地推動(dòng)了有限元法的發(fā)展.之后，一些應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師由于各種原因都涉足過(guò)有限元的概念.然而，直到1960年美國(guó)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程師Clough RW才在一篇名為“平面應(yīng)力分析的有限元法”的論文中首先使用“有限元法”。它是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用。由于當(dāng)時(shí)理論尚處于初級(jí)階段，計(jì)算機(jī)的硬件及軟件也無(wú)法滿足需求，有限元法和有限元程序無(wú)法在工程上普及。直到1963年Melosh R J在論文中提出有限元法的基礎(chǔ)是變分原理，它是基于變分原理的一種新型Ritz法(采用分區(qū)插值方案的新型Ritz法)。這樣就使數(shù)學(xué)界與工程界得到了溝通，獲得了共識(shí)，從而使有限元法被公認(rèn)為既有嚴(yán)密理論基礎(chǔ)又有普通應(yīng)用價(jià)值的一種數(shù)值方法[6]。到20世紀(jì)60年代末70年代初，出現(xiàn)了大型通用有限元程序，它們以功能強(qiáng)、用戶使用方便、計(jì)算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品，成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)有力的分析工具。40多年來(lái)，有限元法的應(yīng)用己由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題，分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。迄今為止；有限元法除了發(fā)展其自身的理論和方法外，還外延到其它領(lǐng)域，如隨機(jī)有限元法等。由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，使得有限元法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。
有限元分析理論的逐步成熟主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，上世紀(jì)60年代的探索發(fā)展期，七八十年代的獨(dú)立發(fā)展、專家應(yīng)用期和90年代與CAD相輔相成的共同發(fā)展、推廣使用時(shí)期。隨著有限元分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，有限元的應(yīng)用領(lǐng)域得到極大的擴(kuò)展。當(dāng)今國(guó)際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢(shì)特征：
（1）由單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問(wèn)題有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來(lái)，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析。實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法，而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對(duì)象的單元足夠小，所得的解，就可以足夠通近精確值。所以近年來(lái)有限元法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算，進(jìn)而發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。
（2）由求解線性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線性問(wèn)題
現(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問(wèn)題的有限元方法和軟件己經(jīng)比較成熟，發(fā)展的方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和混合場(chǎng)問(wèn)題的求解。眾所周知，非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問(wèn)題和運(yùn)算技巧，一般工程技術(shù)人員很難掌握。為此，近年來(lái)國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資，開(kāi)發(fā)出諸如MARC,ABQUS和ADINA等求解非線性問(wèn)題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫(kù)。由于有限元的應(yīng)用越來(lái)越深入，人們關(guān)注的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，有些問(wèn)題需要幾種場(chǎng)合(如對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)和流場(chǎng))的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，故混合場(chǎng)的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。
（3）程序面向用戶的開(kāi)放性
隨著商業(yè)化的提高，各軟件開(kāi)發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費(fèi)了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬(wàn)別，不管他們?cè)鯓优σ膊豢赡軡M足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定義材料本構(gòu)(結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu))、用戶自定義流場(chǎng)邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等。
（4）與CAD軟件的無(wú)縫集成
當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是與通用CAD軟件的集成使用，即:在用CAD軟件完成零部件的造型設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算。如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求、可以重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿足要求為止，這極大地提高了設(shè)計(jì)的水平和效率。所以，當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元軟件商都開(kāi)發(fā)了與著名的CAD軟件的接口，例如Pro/E, UG, Solid Works, I-DEAS和AutoCAD
（5） 更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力
由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的正確與否，近年來(lái)各軟件開(kāi)發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒(méi)有得到改進(jìn)，如對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個(gè)別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒(méi)有此功能.自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分是指對(duì)三維實(shí)體模型程序能自動(dòng)的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則模型適用，對(duì)于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元.對(duì)于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問(wèn)題中將會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果使用中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)引起求解時(shí)間、收斂速度等方面的一系列問(wèn)題，因此人們迫切的希望自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果估計(jì)計(jì)算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計(jì)算的一個(gè)循環(huán)過(guò)程。對(duì)于許多工程實(shí)際問(wèn)題，在整個(gè)求解過(guò)程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問(wèn)題如裂紋擴(kuò)展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要條件。
2．3 ANSYS軟件的應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較成熟的有限元軟件有ANSYS, I-DEAS, AL,GOR, ABACUS,MARC等，其中ANSYS以其自身的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。近些年己開(kāi)始逐漸被引入到機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析計(jì)算和設(shè)計(jì)上來(lái)。
1、在有限元軟件中的地位
在世界各地的各行業(yè)，ANSYS獲得了廣泛應(yīng)用，并取得了成功。波音公司的747客機(jī)、Kid's Toys公司的兒童滑梯、Motorola公司的StarITAC手機(jī)、殼牌潤(rùn)滑油油桶、阿爾斯通的高速列車、各大汽車公司的各類汽車，甚至Wilson公司的INVEX高爾夫球桿、FMC公司的通心粉生產(chǎn)線、Black及Decker公司的蒸汽電熨斗等等，都有ANSYS立下的汗馬功勞。ANSYS全球有5900多個(gè)商業(yè)客戶，如英特爾、微軟、可口可樂(lè)、奔馳等，有3萬(wàn)多用戶裝機(jī)量，學(xué)校用戶有10萬(wàn)多個(gè)。
多年來(lái)，ANSYS一直在有限元分析(FEA)軟件中排名第一，它是第一個(gè)通過(guò)IS09001質(zhì)量認(rèn)證分析設(shè)計(jì)類軟件，也是通過(guò)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)、美國(guó)核安全局及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。ANSYS在中國(guó)也得到了日益廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。它是唯一被中國(guó)鐵路機(jī)車車輛總公司選定的有限元軟件，在各廠所中廣泛應(yīng)用于機(jī)車提速及高速機(jī)車的研制，它是第一個(gè)通過(guò)中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在全國(guó)壓力容器行業(yè)推廣使用的分析軟件。目前，中國(guó)有100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，而且ANSYS公司也為院校免費(fèi)提供教育版軟件，廣泛提供有限元學(xué)習(xí)、研究、應(yīng)用的交流和咨詢。
2、ANSYS的發(fā)展
1970年，John Swanson博士在美國(guó)賓夕法亞洲的匹茲堡創(chuàng)建了ANSYS公司，并與1971年推出ANSYS的第一個(gè)版本2.0。這與現(xiàn)在應(yīng)用于微機(jī)上的版本相比已有了很大的不同，它僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，只是一個(gè)批處理程序，且只能在大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。在20世紀(jì)70年代初期，ANSYS程序中加入了許多新的技術(shù)，如非線性、子結(jié)構(gòu)及更多的單元類型，從而使程序具有更強(qiáng)的通用性。20世紀(jì)70年代后期，交互方式的加入大大簡(jiǎn)化了模型生成和結(jié)果評(píng)價(jià)。在進(jìn)行分析之前，可用交互式圖形來(lái)驗(yàn)證模型的幾何形狀、材料及邊界條件。在分析完成之后立即可用交互式圖形來(lái)分析檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。
現(xiàn)在，ANSYS程序的功能更加強(qiáng)大和完善，使用也更加的便利。同時(shí)，還提供了強(qiáng)大和完整的聯(lián)機(jī)說(shuō)明和系統(tǒng)詳細(xì)的聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng)，是用戶能夠不斷的深入學(xué)習(xí)并完成一些深入的課題。
3、ANSYS的特點(diǎn)
ANSYS的基本特點(diǎn)可以概括為3個(gè)“強(qiáng)大”:強(qiáng)大的前處理能力、強(qiáng)大的加載求解能力和強(qiáng)大的后處理能力。另外，良好的開(kāi)放性使得用戶能夠在ANSYS系統(tǒng)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展新的功能。
（1）強(qiáng)大的前處理能力
強(qiáng)大的前處理能力主要包括強(qiáng)大的幾何建模能力、強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力、強(qiáng)大的參數(shù)設(shè)置功能和與CAD軟件的無(wú)縫集成能力。在幾何建模上，ANSYS不僅具有依次生成點(diǎn)、線、面和體的自底向上建模方式，還具有通過(guò)幾何體素和采用布爾運(yùn)算而生成幾何模型的自項(xiàng)向下建模方式。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，ANSYS主要有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種方式。針對(duì)不同的幾何體，ANASY還有拖拉網(wǎng)格、層網(wǎng)格劃分、局部細(xì)化等方法。
此外，ANSYS開(kāi)發(fā)了與CAD軟件(如Pro/E, UG, Solid Works. AutoCAD等)的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向交換，從而實(shí)現(xiàn)了ANSYS與這些軟件的無(wú)縫集成。
（2）強(qiáng)大的加載求解能力
在ANSYS中，包括位移、力、溫度等在內(nèi)的任何載荷均可直接施加在任意幾何實(shí)體或者有限元實(shí)體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與時(shí)間或者是坐標(biāo)有關(guān)的任意函數(shù)。求解時(shí)有多種求解器可供選擇。
（3）強(qiáng)大的后處理能力
利用ANSYS可以獲得任何節(jié)點(diǎn)、單元的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動(dòng)畫(huà)模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外時(shí)間歷程分析功能可以對(duì)載荷進(jìn)行疊加分析計(jì)算。
（4）良好的開(kāi)放性
ANSYS為了從根本上滿足用戶的需求，給了用戶一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，這個(gè)開(kāi)放的環(huán)境允許用戶自定義邊界條件、材料本構(gòu)、結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)等。并且ANSYS的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境還可以滿足不同類型用戶的需求[7]。
ANSYS軟件把有限元數(shù)值分析技術(shù)和CAD，CAE，CAM和圖像處理等有機(jī)地結(jié)合在一起，除發(fā)展了多種與CAD直接轉(zhuǎn)換的接口外，同時(shí)使自己的輸出文件格式通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，自帶的編程語(yǔ)言APDL可供用戶以ANSYS為平臺(tái)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。用戶既可以在CAD中建模，然后通過(guò)ANSYS和CAD的接口傳入模型進(jìn)行計(jì)算，也可以在ANSYS中以用戶界面方式利用菜單建模，輸入初始數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算和查看計(jì)算結(jié)果。用戶還可以運(yùn)用ANSYS的APDL語(yǔ)言，用命令流的方式進(jìn)行建模、計(jì)算和查看結(jié)果[6]。
ANSYS軟件發(fā)展至今己經(jīng)成為能夠緊跟計(jì)算機(jī)硬、軟件發(fā)展的最新水平、功能豐富、用戶界面友好、前后處理和圖形功能完備、使用高效的有限元軟件系統(tǒng)。它所擁有的豐富而完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器，保證了它能夠高效的求解各類結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、線性和非線性問(wèn)題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析以及熱-結(jié)構(gòu)混合問(wèn)題，靜態(tài)和時(shí)變電磁場(chǎng)問(wèn)題，壓縮與不可壓縮的流體力學(xué)問(wèn)題，以及多場(chǎng)混合問(wèn)題。ANSYS軟件的友好圖形用戶界面和程序結(jié)構(gòu)使得用戶易于學(xué)習(xí)和掌握，它的完全交互式前后處理和建模軟件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型以及分析和評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果的工作量，其統(tǒng)一和集中式的數(shù)據(jù)庫(kù)保證系統(tǒng)各模塊之間能可靠而又靈活的集成，由于ANSYS軟件公司的不懈努力，己經(jīng)使得該軟件成為當(dāng)代CAD、CAE的主流產(chǎn)品之一。
4、ANSYS軟件的分析步驟
ANSYS分析過(guò)程中包含三個(gè)主要的步驟：
（1）創(chuàng)建有限元模型，其中包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格；
（2）施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件并求解；
（3）察看分析結(jié)果及檢驗(yàn)結(jié)果。
2．4 本章小節(jié)
本章主要介紹了本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的輔助設(shè)計(jì)軟件——有限元分析軟件ANSYS以及ANSYS軟件的具體應(yīng)用。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用有限元分析的方法，著重介紹了有限元法的概況，發(fā)展過(guò)程，特點(diǎn)，應(yīng)用及發(fā)展。
第3章 利用Pro/E建立汽車前橋模型
3．1 豐田戴那汽車前橋總成參數(shù)
豐田戴那前橋?yàn)榉仟?dú)立懸掛的整體前橋，它是由轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向節(jié)，主銷與工字型截面鋼質(zhì)梁組成。前梁由一根10mm厚、1650mm長(zhǎng)的工字型橫梁、支承板、轉(zhuǎn)向節(jié)、前輪支承短軸等組成。轉(zhuǎn)向拉桿在工字型梁左側(cè)，鋼板彈簧起消振和緩沖作用。前橋體不僅承受汽車重量，而且承擔(dān)轉(zhuǎn)向的任務(wù)。如圖3.1所示。
圖3.1豐田戴那汽車前橋
1—轉(zhuǎn)向節(jié)，2—轉(zhuǎn)向節(jié)固定螺栓，3—轉(zhuǎn)向節(jié)固定器，4—前軸，5—主銷固定螺栓，6—螺塞，7—主銷，8—襯套。
3.2運(yùn)用Pro/E實(shí)體建模
3.2.1豐田戴那汽車前橋的簡(jiǎn)化
建立轉(zhuǎn)向橋幾何模型的目的是為了給有限元模型的建立提供三維模型，在保證分析結(jié)果精度的前提下，為了提高有限元網(wǎng)格劃分質(zhì)量，減小模型規(guī)模，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，去除一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的倒圓角及一些附屬件。
1、轉(zhuǎn)向拉桿不承受汽車重力，故忽略。
2、對(duì)一些基本不影響分析結(jié)果精度的小孔和凸臺(tái)，如螺栓孔等，建模時(shí)忽略;
3.2.2運(yùn)用Pro/E實(shí)體建模
1、用拉伸做工型橫梁
（1）畫(huà)一個(gè)工字型側(cè)面，長(zhǎng)580mm，寬60mm如圖3.1所示;
圖3.1豐田戴那汽車前梁工型橫梁側(cè)面
（2）拉伸60mm,如圖3.2所示;
圖3.2 豐田戴那汽車前橋工型橫梁
2、利用拉伸減材料
（1）利用拉伸削減橫梁的一側(cè),
草繪一個(gè)比外廓小10的前梁側(cè)面圖，如圖3.3所示
圖3.3豐田戴那汽車前梁工字型橫梁側(cè)面
拉伸尺寸為5mm，如圖3.4所示
圖3.4豐田戴那汽車前梁工字型橫梁
（2）利用拉伸削減橫梁的另一側(cè)
草繪一個(gè)比外廓小10mm的前梁側(cè)面圖，如圖3.5所示;
圖3.5豐田戴那汽車前梁工型橫梁側(cè)面
拉伸尺寸為5mm，如圖3.6所示
圖3.6豐田戴那汽車前梁工型字橫梁
3、利用拉伸制作前梁與轉(zhuǎn)向節(jié)主銷連接處
建立一個(gè)直徑為60mm的圓，并拉伸。如圖3.7所示;
(a)
(b)
圖3.7豐田戴那汽車前梁工字型橫梁
4、利用拉伸制作橫梁支撐板
(1)拉伸制作支撐板,建立一個(gè)長(zhǎng)140mm，寬130mm的長(zhǎng)8所示方形。如圖3.8所示
圖3.8豐田戴那汽車前梁工字型橫梁
（2）在鋼板彈簧支撐版上打孔,孔的直徑為20mm，如圖3.9所示;
圖3.9豐田戴那汽車前梁工字型橫梁
5、利用拉伸繼續(xù)削減工字型橫梁兩側(cè)
（1）利用拉伸削減橫梁的一側(cè)
草繪一個(gè)比外廓尺寸小10mm的圖形，具體圖形如圖3.10所示
圖3.10豐田戴那汽車前梁工字型橫梁側(cè)面
拉伸尺寸為20mm，如圖3.11所示
圖3.11豐田戴那汽車前梁工字型橫梁
(3)利用拉伸削減橫梁的另一側(cè)
拉伸尺寸為20mm，如圖3.12所示;
圖3.12豐田戴那汽車前梁工字型橫梁
6、導(dǎo)圓角
圓角尺寸為5.00mm,如圖3.13所示
3.13豐田戴那汽車前梁工字型橫梁
7、利用拉伸制作轉(zhuǎn)向節(jié),如圖3.14所示;
圖3.14豐田戴那汽車前橋轉(zhuǎn)向節(jié)
鏡象處理，如圖3.15所示
圖3.15豐田戴那汽車前橋轉(zhuǎn)向節(jié)
8、利用旋轉(zhuǎn)繪制輪轂短軸
圖3.16豐田戴那汽車輪轂短軸
9、裝配各零件
裝備前梁，轉(zhuǎn)向節(jié)及主銷，如圖3.17所示
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.17 豐田戴那汽車前橋裝配圖
3．3本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容是針對(duì)豐田戴那汽車前橋的具體結(jié)構(gòu)，通過(guò)查閱汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)和實(shí)體測(cè)量對(duì)豐田戴那汽車進(jìn)行三維前橋建模。其中，前橋三維建模運(yùn)用Pro/E軟件。并詳細(xì)描述了三維建模的過(guò)程，包括簡(jiǎn)化，建立模型和裝配。
第4章 有限元分析及改進(jìn)措施
4．1 Pro/E模型的簡(jiǎn)化
由于單元?jiǎng)澐值迷郊?xì)，節(jié)點(diǎn)越多，計(jì)算精度越高，但隨之而來(lái)的是計(jì)算時(shí)間和計(jì)算內(nèi)存的增加，所以要綜合考慮各種因索來(lái)確定單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。在滿足工程精度要求的前提下，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)盡量少一些[7]。為了更加有效的利用計(jì)算機(jī)資源，在不影響分析的精度下，應(yīng)對(duì)Pro/E三維模型進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化。考慮到計(jì)算結(jié)果的精度,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,去除一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的倒圓角及一些附屬件。
1、前橋的前梁與轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷的摩擦力小，對(duì)前橋的工作性能影響很小，摩擦力可忽略不計(jì)。因此在導(dǎo)入ANSYS時(shí)可不考慮內(nèi)部的轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷之間的力；
2、為了避免計(jì)算資源的浪費(fèi)，提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)一些基本不影響分析結(jié)果精度的小孔和凸臺(tái)，如輸油孔、螺栓孔等，建模時(shí)忽略；
3、略去倒圓角，以倒斜角取代倒圓角；
4、固定連接的強(qiáng)度等于鍛造件的強(qiáng)度；
簡(jiǎn)化后的前橋模型如圖4.1,圖4.2所示
圖4.1 豐田戴那汽車前橋簡(jiǎn)化圖
圖4.2 豐田戴那汽車前橋簡(jiǎn)化圖
4．2 幾何模型的導(dǎo)入
將Pro/E中所建立的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中的方法主要由以下三個(gè)：
1、方法一：將ANSYS直接集成在Pro/E中
（1）設(shè)置ANSYS與Pro/E的接口。選擇“程序” ANSYSRelease10.0—Utilities—ANS_ ADMIN，打開(kāi)ANSYS管理器，點(diǎn)擊“OK”確定，在配置選項(xiàng)對(duì)話框中選擇與Pro/E的連接.確定后在隨之打開(kāi)的對(duì)話框中將圖形顯示設(shè)備設(shè)置為“3D”。最后在Pro/E安裝信息對(duì)話框中輸入Pro/E在本計(jì)算機(jī)中的安裝路徑，點(diǎn)擊“OK”完成ANSYS與Pro/E的接口設(shè)置；
（2）打開(kāi)Pro/E，在其菜單管理器中多出了兩個(gè)選項(xiàng)“ANSYS Comfit”和“ANSYS Geom.”，這表明已經(jīng)將ANSYS集成在Pro/E之中了；
（3）在Pro/E中完成建模后直接點(diǎn)擊“ANSYS Geom.”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將ANSYS打開(kāi)，將當(dāng)前模型導(dǎo)入到ANSYS中去，只要使用“Plot”，菜單中的“Volumes”，選項(xiàng)，就可將實(shí)體模型顯示出來(lái)。值得一提的是，由于導(dǎo)入的是實(shí)體模型而非有限元模型，“Plot”,菜單下的“Elements”，選項(xiàng)不可用；
（4）在ANSYS中設(shè)置模型材料、選擇單元、網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷，最后進(jìn)行分析和顯示分析結(jié)果。由于方法一是將ANSYS直接集成在Pro/E之中，所以模型的整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程可以在不脫離Pro/E和ANSYS這兩個(gè)軟件的情況下進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫連接，真正做到了CAD/CAE一體化。另外，在模型從Pro/ E導(dǎo)入ANSYS的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在Pro/E的工作目錄下生成一個(gè)與模型同名的.as游式的圖形轉(zhuǎn)換文件，該文件包含了模型的所有信息，將該文件復(fù)制到ANSYS工作目錄下。使用ANSYS 中的“Read Input from”選項(xiàng)，同樣也可以導(dǎo)入該模型(同樣是實(shí)體模型)。
2、方法二：ANSYS環(huán)境中直接導(dǎo)入Pro/E的模型文件
(1)按照方法一將ANSYS和Pro/E的接口設(shè)置好；
(2)用Pro/E完成建模后，直接將模型文件復(fù)制到ANSYS的工作目錄下。使用
ANSYS中的“Input”-“Pro/E”，選項(xiàng)導(dǎo)入該模型文件，并使用“Plot” 菜單中的“Volumes”選項(xiàng)顯示實(shí)體模型;通過(guò)這種方法導(dǎo)入ANSYS的同樣是實(shí)體模型。由于沒(méi)有使用“ANSYS Geom”，選項(xiàng)來(lái)啟動(dòng)ANSYS，所以不會(huì)產(chǎn)生方法一中出現(xiàn)的。模型轉(zhuǎn)換文件，從而可以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源；
3、方法三：以IGES形式將Pro/E建立的模型導(dǎo)入
IGES是一種通用格式，它可以在各建模軟件和分析軟件之間轉(zhuǎn)換，首先在Pro/E中建立模型，出現(xiàn)Import IGES File對(duì)話框，點(diǎn)擊OK進(jìn)入下一個(gè)對(duì)話框，指定IGES論文基于ANSYS的桑塔納汽車后橋有限元結(jié)構(gòu)分析件保存的工作路徑，打開(kāi)。Pro/E模型將會(huì)以IGES導(dǎo)入到ANSYS中.但是，對(duì)于利用IGES形式將Pro/E模型導(dǎo)人ANSYS時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜曲面發(fā)生曲面丟失或者變形的情況。本文采用上述的第一種方法將模型導(dǎo)ANSYS，比較導(dǎo)入前后的模型可見(jiàn)，模型沒(méi)有發(fā)生扭曲、丟面、多面等現(xiàn)象，確保了信息的完整。
本文采用的是方法一，將豐田戴那汽車前橋?qū)嶓w模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，導(dǎo)入結(jié)果如圖4.3,圖4.4所示；
圖4.3豐田戴那汽車前橋?qū)雸D
圖4.4豐田戴那汽車前橋?qū)雸D
4．3 選擇單元類型
在生成節(jié)點(diǎn)和劃分網(wǎng)格之前，通常都要指定所分析對(duì)象的特征，即定義單元類型。主要包括3個(gè)基本類型的常數(shù)定義:單元類型定義(Element Type)，實(shí)常數(shù)定義(Real
Constant)，以及材料屬性定義(Material Attributes)。為了定義單元類型首先要建立一些單元屬性表，內(nèi)容即包括上述的基本常數(shù)的定義。ANSYS提供了大約200種單元用于工程分析。包括線單元、梁?jiǎn)卧?、桿單元、彈筑單元、殼單元和體單元等[9]。在以往的汽車后橋有限元靜態(tài)分析中，認(rèn)為汽車前橋受力基本上是承受壓力所以選用有限元中的梁、板殼單元，或者用板、梁、塊體元的組合來(lái)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。因此即使在選擇同一種單元時(shí)，也必須設(shè)置不同的實(shí)常數(shù)來(lái)定義板厚、梁?jiǎn)卧慕孛娉叽?、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。若設(shè)置參數(shù)較少，必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)作較大的簡(jiǎn)化。若參數(shù)設(shè)置較多，又給網(wǎng)格的劃分增加了計(jì)算量和復(fù)雜程度。同時(shí)，由于板梁等不同單元的節(jié)點(diǎn)自由度數(shù)是不同的，必須考慮不同類型單元之間連接時(shí)位移的連續(xù)性問(wèn)題，使不同單元的接觸結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，為此需人工進(jìn)行調(diào)整。若人工干預(yù)太大，會(huì)引起單元畸變，所以用板、梁等單元建立的有限元模型，必將帶來(lái)一定的計(jì)算誤差。所以選用中單元類型的SOLID95單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4.5所示。該單元是一個(gè)20節(jié)點(diǎn)的四面體單元，用于仿真3D實(shí)體結(jié)構(gòu)，具有較高的精度。這個(gè)單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿x，y，z方向的三個(gè)平移自由度。它可用于分析塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、屈服、大變形和大應(yīng)變等問(wèn)題。
圖4.5 單元類型的選擇
4．4 定義材料屬性和網(wǎng)格劃分
1、定義材料屬性
在劃分網(wǎng)格之前需要對(duì)材料的屬性進(jìn)行定義,本設(shè)計(jì)豐田戴那汽車前橋的材料為30Cr，主要針對(duì)其彈性模量，泊松比和密度。定義材料屬性如圖4.6和4.7所示：
圖4.6 定義材料彈性模量和泊松比
圖4.7 定義材料密度
2、網(wǎng)格劃分
為了具體的網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備，滿足找到合適的節(jié)點(diǎn)的要求，應(yīng)先將豐田戴那汽車前橋劃分幾個(gè)部分。具體方法步驟如下所示：
(1)旋轉(zhuǎn)工作坐標(biāo)，沿XZ軸旋轉(zhuǎn)90度。如圖4.8所示
(1)
圖4.8 旋轉(zhuǎn)工作坐標(biāo)
(2)將工作坐標(biāo)左平移273mm，如圖4.9所示
圖4.9 平移工作坐標(biāo)
(3)根據(jù)工作坐標(biāo)劃分體
操作方法如圖4.10所示
圖4.10 根據(jù)工作坐標(biāo)劃分體
共劃分了4次，其余3次的操作方法與本次均相同。劃分后如圖4.11所示
圖4.11 根據(jù)工作坐標(biāo)劃分體
將前橋加成一個(gè)體如圖4.12所示：
圖4.12 所有的體相加
接下來(lái)需要將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元單元網(wǎng)格，為施加邊界條件、載荷和求解做好準(zhǔn)備，具體劃分單元時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）單元?jiǎng)澐謶?yīng)盡量避免畸形，如對(duì)于三角單元，不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)大的鈍角或過(guò)小的銳角；對(duì)于四邊形單元，長(zhǎng)度和寬度不能相差太大，否則將引起結(jié)構(gòu)剛度矩陣病態(tài)，大大影響計(jì)算精度；
（2）單元?jiǎng)澐忠m度，對(duì)于結(jié)構(gòu)受力比較大的部位，單元的網(wǎng)格盡量密一些：對(duì)于受力比較平緩的部位，單元?jiǎng)澐挚赡艽笠恍?。為了不使單元邊相差太大，則單元應(yīng)由小到大逐漸過(guò)渡；
（3）單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目要適當(dāng)。單元?jiǎng)澐值迷郊?xì)，節(jié)點(diǎn)越多，計(jì)算精度越高，但隨之而來(lái)的是計(jì)算時(shí)間和計(jì)算內(nèi)存的增加，所以要綜合考慮各種因索來(lái)確定單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。在滿足工程精度要求的前提下，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)盡量少一些。
網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小.如果網(wǎng)格過(guò)于粗糙，那么結(jié)果可能包含嚴(yán)重的錯(cuò)誤。如果網(wǎng)格過(guò)于精細(xì)，計(jì)算精度會(huì)有所提