舞台车车架有限元分析毕业设计说明书.docx
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舞台车车架有限元分析毕业设计说明书
毕业设计说明书（论文）
题目：
舞台车车架有限元分析
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
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学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
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日期：
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
毕业设计（论文）中文摘要
舞台车车架有限元分析
摘要
流动舞台车是一种用于方便流动演出的、可展开成为演出舞台的特种汽车。
它主要包括底盘部分和上装部分两大部分，上装部分由顶板侧板底板组成，而侧板和顶板分别由四个液压油缸控制展开即成舞台的台顶，底板由另外四个液压油缸控制展开成为舞台，省去了传统的搭台程序，不仅省时省力操作简便安全可靠，而且功能齐全外观美观。
本文以舞台车的车架作为研究目标，为工程实践提供技术支撑。
首先，利用绘图软件UG对车架进行建模，利用NASTRAN对车架进行有限元分析，分析主要包括静态特性分析、动态特性分析，得出其应力节点的应力以及在指定载荷下最大的最大变形量，与车架的技术要求进行对比，从而得出结论，即车架在指定工况下的安全性和稳定性。
关键词：
舞台车有限元分析NASTRANUG
毕业设计（论文）外文摘要
THEFINITEELEMENTANALYSISOFTHESTAGEVEHICLE
STRUCTURE
Abstract
CarFlowstagesaconvenientmobileperformance,canbecomeaperformancestagespecialcar.Itmainlyincludesthechassispartsandjacketoftwoparts,thetoppartiscomposedofroofsidepanelfloor,andthesidepanelandroofrespectivelybyfourhydraulicoilcylindercontrolinthestageoftabletop,bottomplateiscontrolledbyfourotherhydraulicoilcylinderexpansionstage,eliminatingthetraditionalplaysprocedure,notonlysafeandreliableoperationofthesaveLabourwhentheprovince,andcompletefunctionsandbeautifulappearance.
Carframebasedonthestageastheresearchtarget,providetechnicalsupportforengineeringpractice.Firstofall,theframetomakeuseofdrawingsoftwareUGmodeling,usingNASTRANfiniteelementanalysiswascarriedoutontheframe,theanalysismainlyincludesthestaticcharacteristicanalysis,dynamiccharacteristicsanalysis,itisconcludedthatthestressofthenode'sstressandmaximumofmaximumdeformationunderthespecifiedload,comparedwiththetechnicalrequirementsforframe,thuscometotheconclusionthattheframeunderspecifiedconditionsofsecurityandstability.
Keywords：
stagevehiclefiniteelementanalysisNASTRANUG
1引言
1.1课题背景
随着改革开放的推进，广大城乡人民群众的物质文化生活水平显著的提高，城乡人民对文化生活的追求愈来愈高，为了满足我国广大城乡人民群众越来越高的文化需求，所以党中央和国务院应时提出了文艺三下乡活动[1]。
但是从目前来看,农民看戏有三难：
一是剧团下乡难，剧团深入乡镇去演出，不可避免的是演出设备以及相应器材的运输困难，由此造成的高费用使剧团普遍不愿意下乡；二是搭建临时的舞台十分不易，因为村镇缺少搭建舞台的材料和从事搭台的专业的人员，即使能够搭出临时舞台，临时拼拼凑凑搭出的舞台往往也不规范、不安全,不可避免的影响演出的质量，更严重的会对演员的人身安全造成威胁；三是换点难，许许多多的村镇地处偏僻荒凉的地带，交通十分不便，大多数交通运输的车辆不能到达,因此造成舞台的转移耗时、耗财、耗力[2.3]。
因此，舞台车便在这样的背景下应运而生了，为剧团和人民群众送去了福音。
本文为舞台车车架有限元分析，进行车架有限元分析的目的是为工程实践提供技术的支持。
车架作为非承载式车身结构的主要承载部件，需要承担着采用非承载式车身汽车的绝大部分载荷，其性能的好坏直接影响到整车性能的好坏[2]。
在车架安装着发动机、转向系、传动系、悬架结构、驾驶室等相关部件和总成,由于车架工作状态比较复杂,所以根本无法用简单的数学或者物理方法对车架进行准确的分析计算,但是采用有限元方法就可以对车架的静态和动态特性进行较为准确的分析,从而使车架设计方法从经验设计步入到科学设计阶段[6]。
这是车架设计的一大步。
图1-1至1-5为国内的舞台车产品中一些较成功的产品
图1-1富园舞台车
图1-2大型舞台车
图1-3江淮小型舞台车
图1-4解放舞台车展开图
图1-5程力威舞台车
由于我国舞台车发展较晚，并且技术水品不高，这些已经算是矬子里面的将军了。
外形还算是美观吧，虽然没有太多的渲染，朴素整齐也是一种美吧。
同时功能已经算是基本满足户外演出的需要了，虽然没法与国外先进的相比，但是我们存在价格的优势，我们优越的性价比是我们生存发展的根本。
1.2现阶段研究状况
国外把有限元分析运用在车架上的研究已经有相当长的历史并已走向成熟。
早在1970年美国宇航局就将NASTRAN有限元分析的程序引入到对汽车结构的分析中,首先对车架结构进行了在不受力情况下静强度有限元分析,使车架的自重得以大量减轻,这是有记载的最早进行车架轻量化的分析[4]。
而我国大约是在七十年代末期才将有限元法应用在车架的结构设计分析中。
在使用有限元法对汽车车架的结构进行分析的过程中，在开始时多采用将梁单元结构离散化进行分析。
虽然分析的初步结果还是比较令人满意的，但由于梁单元自身的缺陷，如梁单元较大，所以就不能合适的描述那些结构较为复杂的车架结构，因此也就不能很好的反映车架横梁与纵梁接头处之间存在的应力分布，并且它还忽略了在扭转时截面会发生的扭转变形，因此对梁单元进行分析得出的结果是比较粗糙的，说服性不强。
而板单元恰恰克服了梁单元在应力分析时的局限性，基本上可以作为一种完全的强度预测手段[5]。
我国近期对车架进行有限元分析取得了些许小的成就。
如：
2002年马迅、盛勇生等针对车架的一些结构进行了优化设计,他们的目的是减轻车架质量,最后在弯曲、扭转和动态约束的约束下,取得了减重13.3%的骄人成果[6]。
在2003年10月李娜等人仔细分析了建模的方法,选择了使用板壳单元从而建立了有限元模型,最后对其进行优化,最后使其重量大量减轻了176.5Kg[7]。
2005年4月吉林大学的余传文教授带领团队利用板壳单元建立有限元模型,在充分符合车架结构的静、动态特性分析的前提下,得到了车架结构的优化结果,该结果是车架的质量明显减轻了[8]。
2007年,武汉理工大学的邓亚东教授对轻型载货汽车车架进行有目的优化设计,最终得出优化结果[4]。
由此可以见得，近十年以来，由于计算机软件与硬件的飞速发展，板单元也逐渐被应用于汽车车架的结构分析中，使分析精度大大提高，由过去的定性或者半定量的分析过渡到了定量阶段[6]。
随着人民物质文化生活水平的提高，对现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用到车架设计中已经成为必然的趋势，主要体现在[7]：
（1）运用有限元法对设计伊始的车架进行辅助分析将大大缩短车架开发、设计和制造的时间，提高车架的性能。
（2）在各种各样的复杂的载荷的作用下的车架，必然会发生例如弯曲、偏心扭转或者整体扭转等车架的物理变形。
传统车架的设计方法很难综合考虑到汽车的复杂受力以及变形情况，有限元法能够较简单的解决这一问题。
（3）利用有限元法对结构进行模态分析，可以得到车架结构静态、动态特性。
根据动静态特性从而在设计上遏制了车架出现共振的可能性。
由此可见，有限元分析法已经成为当今社会汽车设计的重要工具之一。
在汽车产品更新换代速度快，要求设计成本越来越低，对轻量化和舒适性要求越来越高的今天，使用有限元分析对提高汽车产品质量，降低汽车产品开发时间，减少生产和制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争力具有重要的意义。
可以大胆的说。
谁掌握了有限元分析的最先进的技术，谁就掌握了车架的发展命脉，也就掌握了汽车最基本但并不是不重要的技术。
1.3舞台车技术的现状和发展趋势
由于国外的专用汽车如流动舞台车起步较早,自动化程度较高质量也比国产车轻,车型也比较成熟。
在国外的普普通通的流动舞台车上，许多先进的技术都得到了施展余地,所以自然其价格昂贵,一般是70到100万元,这样昂贵的价格国内的基层剧团很难消费得起[9]。
所以逼迫我们要自主研发多功能流动舞台车。
多功能的流动舞台车需具备的基本功能首先是其机械部分安全可靠,能够自由的开启和关闭,同时机动性要强,整车整备质量要轻,舞台及其附属的道具符合演出要求,搭棚、拆棚方便快捷，舞台的展开与折叠实现自动化；;其次自带的灯光和音响设备要能满足大多数演出的要求;第三,车辆要带独立的液压系统和发电系统供给自身需求；第四,舞台折叠后应具有运输功能,能够运输舞台道具及其他组件[10.11]。
总之,流动舞台车的发展趋势将沿着以下趋势发展:
外形美观大方,舞台设备配置齐全,自重要轻，车架强度高,使用寿命长,安全性能高,维修方便便宜，通用件多等。
1.4课题目的
汽车作为目前我们国家的主要的城乡交通工具，在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。
对其进行刚度、强度、安全性能和轻量化的研究具有十分重要的意义[15]。
而有限元方法是目前在国际和国内使用最为普遍，也最有现实意义的手段之一[16]。
相关资料表明：
汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%-8%，排放可降低5%-6%[17]。
因此，在保证各项性能的前提下尽可能降低车架的质量就成为设计车架时的一个重要阶段。
利用有限元方法分析对车架的结构性能进行，并把先进的结构优化方法应用在设计流程中，可以协助人们找到性能更良好，结构更优秀，同时车架质量更轻的设计方案，经济而实用，这对于追求结构的性能和车架轻量化设计的今天具有举足轻重的意义[18]。
一些结构件长期工作在振动和冲击载荷下，工作条件十分恶劣。
寻找适用于这些结构件正确并且可靠的设计与计算方法,成为了提高汽车工作性能以及汽车可靠性的重要途径之一[19]。
车架作为非承载式车身的最主要的承载部件，承担着汽车的大部分的载荷，其性能好坏直接影响了车性能的好坏[16]。
在车架安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室等有关部件和总成,众多的部件与总成造就了车架复杂工作状态,所以无法直接用简单的数学方法对它进行准确而具体的分析计算,但是采用有限元方法就可以对车架的静态和动态特性进行相对准确的分析,从而使得车架的设计从经验设计跨越到科学设计阶段[4]。
拿有限元法与传统的分析方法做下比较，发现[20]:
（l）不管分析物体的CAD形状,都可以利用有限元法进行多单元描述,因此有限元法能够适合于多种多样的工程实践。
（2）在使用有限元法时,对于单元材料特性大可不必费心,因为材料属性可以的按照工件的实际情况而定，而且可以设置成不关联，所以不用考虑各结构件之间的关系和彼此的影响。
（3）在进行有限元分析时,可以根据对象的实际约束与载荷情况,对分析对象进行在不同工况下的分析,这样并不会比进行单一工况分析多费很多的功夫。
这样不仅会大大提高工程实践的效率,而且还可以从中发现约束与载荷之间的相互关系，一举多得。
（4）有限元的各个单元进行模拟计算时,因为单元各自的运算公式都是一样的,所以在计算时,模拟计算也就更加快速,同时方便在计算机上进行统一编程,有利于将程序编成模块结构，方便使用。
（5）有限元分析的最终的目的是将工程实践问题快速的解决,所以有限元分析需要在计算机中能够快速而方便的得出结论。
。
有限元分析的具体步骤是[21]:
（1）将模型离散化,即对其划分单元或网格;
（2）固定约束，施加载荷;
（3）计算各个单元在本工况下的刚度矩阵,以建立单元的平衡方程;
（4）对结构整体刚度矩阵进行求解,建立结构的整体平衡方程;
（5）对线性代数方程组求解,从而得出各个节点位移,由节点位移求出各个单元节点应力;
（6）显示运算处理计算结果，输出最终结果。
具体的有限元分析运算解决流程图参照图1-6
图1-6有限元分析流程图
本章介绍的是国内外舞台车研究的现状，主要的是国内的研究现状，因为国外的经济实力较好，舞台车都较贵，对于我国需要舞台车的地方根本负担不起，所以就稍加介绍.还有就是从近几年的发展趋势来看，今后舞台车的发展趋势，以及流动舞台车的舞台的一些技术要求。
最后也是最重要的就是本课题选题的意义所在，因为汽车在我们生活中越来越普遍，也正就说明了汽车对我们的日常生活越来越重要，虽说本课题为舞台车的有限元分析，但是说到底同样适用于其他特种车，我们不能只狭隘的看到一点，甚至适用于所有的汽车车架。
还有就是有限元分析与传统分析方法对比的特点，最后赘述的就是有限元分析的方法步骤，并附加了一张图片以更加简洁的说明。
这很适合初学者，图文并茂，言简意赅。
2.有限元分析
2.1有限元分析在车架分析的应用和发展
上世纪五六十年代，我国对于车架的设计和强度校核仍然是依靠传统的设计方法，即依靠的是经典材料力学、弹性力学、理论力学和结构力学的经验公式，将车架结构大量简化，而设计的结果需经过试验来验证，该法具有一定的可靠性和科学性[22]。
在求解工程技术领域的实际问题时，利用建立基本方程和边界条件的方法还是比较容易的，但是由于实际工件的几何形状、载荷和材料的不规则性，不容易得到解答。
因此，寻求近似解法也就成了必由之路[23]。
在多年的摸爬滚打之后，发现虽然近似算法有很多，但是最好用的还是有限元分析法，因此有限元法也就变成最常用的了。
在使用有限元法进行求解时，一般把求解区域看成为是由许许多多的小的单元在节点处相互连接的子域构成的。
由于可以单元分割成各种形状和根据情况分割成大小不一的尺寸，因此有限元法能很好地适用于解决复杂的几何形状、材料特性以及边界条件的情况，同时在成熟的各种大型辅助软件的支持下，它已变成非常受欢迎的、应用极其广范的计算方法[24]。
国外在车架的强度计算中使用有限元法比较早，而我国大约是在七十年代末才把有限元法应用于汽车车架的结构强度设计分析中。
近十年来，由于计算机软件与硬件的迅猛发展，有限元法逐渐被应用到特种汽车的车架结构分析中[25]。
2.2有限元分析软件的简介
我所应用的是TheMSC.SoftwareCorporation（简称MSC）有限元分析软件，其前后处理软件是MSC.PATRAN，有限元求解器是MSC.NASTRAN。
即分析软件是NASTRAN。
下面是求解器MSC.NASTRAN功能介绍：
1966年，为满足当时美国航空航天业对结构分析的急切需求，所以美国国家航天局NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）主持召开了大型通用有限元应用程序系统开发的公开招标工作，与此同时将该程序系统命名为NASTRAN。
介绍下中标的公司。
中标的是美国的MSC公司，其创办于1963年，其总部设在美国的洛杉矶。
在1966年，MSC公司参与了NASTRAN的开发招标工作，并一举中标，故参与了整个NASTRAN的研发过程。
于1969年，NASA推出了
NASTRAN的第一个版本，在1973年NASTRAN进行版本升级，Level15.5版本发布，同时MSC.公司被美国航空航天局指定为NASTRAN的特约且唯一维护商。
1971年，MSC.公司对初始的NASTRAN做了大量修改，采用了新的单元数据库，增加了程序的功能，对用户界面进行了人性化改进，提高了系统运算速度和效率，对硬件的要求降低。
特别对其矩阵方法做了许多重大改进，不久之后推出了公司自己的专利版本：
MSC.NASTRAN。
之后，MSC公司对其名下产品NASTRAN进行不断的改进与升级，在公司的不断努力下，NASTRAN的性能和适用性都有了根本上的飞跃。
NASTRAN软件的可靠性很高，品质卓越，得到了业界充分的肯定，所以众多大公司以及工业行业都把MSC.NASTRAN的最后结果作为标准以代替其他的质量规范。
同时MSC.NASTRAN具有的开放式的结构，组织结构实现了全模块化使其在拥有很强的分析功能的同时又保证了良好的灵活性，允许使用者可根据自己的实际工程问题和不同的需求进行独立的模块组合从而获取最佳的求解方式。
前后处理器MSC.NASTRAN的功能简介：
MSC.PATRAN诞生于20世纪80年代，它的诞生是美国航空航天局（NASA）的资助的产物，伴随着计算机的发展和其交互技术的发展，将其孕育成日益完善的最新一代计算机辅助分析前后处理系统。
它不仅把工程分析从业人员从繁重的数据处理工作中解脱出来，并且提供了与世界上绝大部分的有限元分享软件的无缝连接功能，还可以提供出漂亮的计算结果仿真，因此受到了世界各大公司的青睐。
目前己广泛应用到航空航天，汽车，国防、造船、装备机械等各大领域。
模型模块处理的智能化：
众多的公司为了节约有限的时间，减少重复建模运算，消除因重复带来的不必要的时间和金钱的浪费，MSC.PATRAN可以直接几何访问，即模型导入，能够使用户直接从一些别的CAD/CAM系统中导入几何模型，甚至参数和特征。
此外，MSC.PATRAN还提供了独立且完善的几何建模和编辑工具，辅助用户更加灵活的完成建模过程。
MSC.PATRAN还允许用户直接在几何模型上施加载荷、边界的条件、材料属性以及单元特性，并可把这些信息方便快捷地转换成对应的有限元信息，尽可能减少在设计过程中的时间消耗。
并且所有的分析结果均可以可视化。
自动化有限元建模：
MSC.PATRAN的新产品与时俱进，不断增加更灵活更方便的智能化工具，同时提供了自动划分网格功能及工业界内最先进最便捷的映射网格划分功能，该功能能使用户快速完成他们想做的工作。
于此同时也提供了用户自主建模和其它有限元建模方法，以满足不同用户的不同需求。
分析的集成：
MSC.PATRAN提供了许许多多的软件接口，能够将世界上绝大部分著名析软件和技术集合于一体，为用户提供一个公共安全的环境。
这样完全打消了用户使用不同软件之间存在兼容性问题的担心，也就是说在其它软件中建立的模型，导入后，在MSC.PATRAN中仍然可以完整的使用，非常方便。
同时用户还能够根据不同类型的仿真结果对产品的整体设计有正确的理解，从而做出正确的判断,进行相应的改进，有利于做出更好的产品。
自主开发新的功能：
用户可以将MSC.PATRAN作为自身前后置处理器,并利用其强大的PCL语言数据库和编程函数库把公司自主开发的应用程序和功能以及针对特殊客户的特殊要求所开发的内容直接镶嵌到MSC.PATRAN的框架系统,当然允许单独使用或者与其它分析系统联合使用。
这样，MSC.PATRAN又为用户二次开发提供了一个良好平台，在这个平台下为用户提供更强大和更专业的服务。
使得分析结果的可视化：
MSC.PATRAN强大的结果后处理功能使得用户用双眼直观的观察所有的分析结果,从而一针见血找出问题之所在，快速修改，为产品的开发赢得宝贵的时间，从而提高了市场的竞争力，在竞争日益激烈的今天赢得先机。
而且MSC.PATRAN能够提供包括图、表、文本、动画在内的多种形式的运算结果，使得结果形象
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