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山东交通学院本科生毕业论文

摘要

为深入分析某轻型汽车车桥的桥体静态振动强度和车桥振动响应特性,运用新型有限元矢量分析法对它车桥进行矢量数值分析模拟。

采用一种有限元特性分析计算工具利用ANSYS对三种不同工况下的车桥结构进行了三种静态运动强度的特性分析,并对它们的三种动态强度特性分别进行了自由模态的特性分析。

应用有限数值单元运算法对它的数值进行运算模拟。

即:

静力分析和动态分析中的网格可对局部进行加密,模态分析的数据良好，较为均匀，达到了理想程度。

从数据上看，静运动达到了合理水平，能够保证汽车车桥在设计时的性能要求。

通过数据分析实验结果明确表明,车桥主体结构的静运动特性和受力的变化特性基本都保证了车桥在设计中的一系列要求。

从而能够更好的设计车桥结构,并且让它具有好的静力特性和动态特性。

关键词:

ANSYS，车桥，有限元，模态分析

Abstract

Inordertodeeplyanalyzethestaticvibrationintensityandresponsecharacteristicsofalighttruckbridge,thenewfiniteelementvectoranalysismethodisusedtosimulateitsvehiclebridge.Inthispaper,afiniteelementanalysistoolisusedtoanalyzethecharacteristicsofthreekindsofstaticmotionstrengthofvehiclebridgestructureunderthreedifferentworkingconditionsbyANSYS,andthecharacteristicsofthreekindsofdynamicstrengthcharacteristicsofthemareanalyzedbyfreemode.Thefiniteelementmethodisusedtosimulateitsnumericalvalue.Thatistosay,themeshinstaticanalysisanddynamicanalysiscanencryptthelocalpart,andthedataofmodalanalysisisgoodandeven,reachingtheidealdegree.Fromthedatapointofview,thestaticmotionhasreachedareasonablelevel,whichcanensuretheperformancerequirementsoftheautomobileaxleinthedesign.Throughthedataanalysisandexperimentresults,itisclearthatthestaticanddynamiccharacteristicsofthemainstructureoftheaxleandthechangingcharacteristicsoftheforcebasicallyensureaseriesofrequirementsinthedesignoftheaxle.Soitcanbetterdesigntheaxlestructure,andmakeithavegoodstaticanddynamiccharacteristics.

Keywords：

ANSYS,bridge,finiteelement,modalanalysis

前言……………………………………………………………………………………………………1

1绪论……………………………………………………………………………………………………2

1.1概述……………………………………………………………………………………………2

1.1.1国内外发展的状况及现状的介绍………………………………………………………2

1.2车型简介………………………………………………………………………………………3

1.3有限元方法简介………………………………………………………………………………3

1.3.1有限元法的基本原理………………………………………………………………………3

1.4ANSYS简介……………………………………………………………………………………4

2车桥模型的建立………………………………………………………………………………………5

2.1车桥单元类型的选取…………………………………………………………………………5

2.2车桥模型的基本要求…………………………………………………………………………5

2.3有限元建模方法的选择………………………………………………………………………5

2.4模型简化………………………………………………………………………………………6

3车桥静态分析…………………………………………………………………………………………7

3.1静态分析的基础………………………………………………………………………………7

3.2静力分析关系装配处理方法…………………………………………………………………7

3.3操作台结构网格划分…………………………………………………………………………7

3.4边界条件与载荷的确定与施加………………………………………………………………8

3.4.1施加边界条件………………………………………………………………………………9

3.5分析和读取计算结果…………………………………………………………………………9

4车桥的模态分析………………………………………………………………………………………10

4.1模态分析简介…………………………………………………………………………………10

4.2模态的分析……………………………………………………………………………………10

结论………………………………………………………………………………………………………14

致谢………………………………………………………………………………………………………15

参考文献………………………………………………………………………………………………16

附录……………………………………………………………………………………………………17

前言

有限元分析法在国内以及国外的汽车数值分析技术方面的运用和研究状况:

有限元的单元运算法其实是一种很有效的汽车数值图形计算分析方法,它不仅能对帮助工程师在实际中发现几何体的形状不规则。

有限单元分析法应用还算广泛。

载荷和流体支承受力情况复杂的各种应力结构均可进行应力变形测量计算、应力设计分析和各种动态结构特性设计分析。

从而可以使我们不仅能够非常方便的用各种有限元结构模型方法来准确描述结构分析模型。

从目前看来，汽车有限元的分析方法在汽车行业当中依然存在着较为广泛的技术应用范围。

有限元分析方法不仅可以普遍用来作为分析已研发制成的各类汽车部件产品的整体性能,还可以作为应用于汽车产品开发设计过程中的对汽车的整体性能状况分析,为今后汽车产品设计开发提供理论依据和技术指导。

目的：

①建立车桥有限元分析的步骤，为了有限元分析技术用于车桥设计做好基础工作。

②通过运用ANSYS软件对车桥结构进行分析，可有效地为车桥设计人员提供参考。

③对研究的车桥结构进行静态受力分析，为车桥的设计提供理论支持。

④对车桥的结构优化开始进一步的探究讨论，为优化设计运用到车桥的设计上进行初步尝试。

意义：

如今，由于人们对于汽车设计的要求逐渐提高，所以把有限元分析法应用到汽车的车桥设计上显然已经成为必要的趋势。

有限元法的设计的原理：

有限元法的基本原理和一个基本概念主要是用比较简单的有限元问题公式来求解然后来代替复杂的问题，然后再进行求解的过程。

规模介绍：

有限元计算分析法主要是对于流体结构学动力学的元分析迅速推广发展应用的一种较现代化的分析方法。

支持桥的构造原理：

前置前桥四驱动型轿车的前置后桥为一种典型的主动支持式后桥。

汽车高速行驶时,后轮和两侧后桥梁的焊接轴承总成以弹性橡胶复合金属作为支撑轴承座垫作为焊接支点并互相对带动车身进行转动。

支持悬浮桥中桥的还有一种使用悬浮移动桥梁的形式。

悬浮悬索桥指的可能在以上下面是浮动的斜梁桥,结构跟普通式和支持式的桥基本相似,多了一个可推举升降的机构。

转向四轮驱动桥:

一种具有高速转向驱动功能的四轮驱动桥,轿车中比较常见,卡车一般在全轮都有驱动桥的车型中才可能会配备有。

1绪论

1.1概述

利用预测现代汽车cad各种技术手段进行现代汽车新技术产品的前期开发,是目前现代中国汽车制造企业前期开发各种新的现代汽车技术产品的重要技术之一。

利用这种有限元计算方法我们可以在电动汽车的三维车架设计阶段对产品车架的强度、刚度、疲劳使用寿命和高度动态变化特性因素进行准确的测量分析和数值预测,并对其进行二次优化,指导产品设计师和工程师对同一产品车架进行二次优化后的设计。

汽车在行驶的过程中,通常会需要临时改变汽车行驶时的方向,即使是所谓的快速转向,这时候就要求装备一套并且同时能够按照驾车司机一定意志转动使用的汽车快速转向的控制机构,它将按照司机意志转动汽车方向盘的一个动作直接转变成为转动车轮的一个偏转方向的动作。

汽车各个转向轮关系传动是一种保持或者同时改变驱动汽车正常行驶运转方向的传动机构,在驱动汽车各个转向系的行驶中,能够保证汽车各自的转向轮之间有协调的方向转角运动关系。

汽车在正常行驶中能保证按照对驾驶员的正确操纵要求,适当地自动改变汽车直线行驶方向,并能在汽车受到较大路面气流干扰时或偏离汽车直线行驶方向时,与自动行驶控制系统相配合,共同工作保持汽车稳定地沿着直线方向行驶。

转向控制系和汽车前桥对保证汽车正常行驶的运动操纵性、稳定性和行驶安全性都同样具有重要的指导意义。

通过对有关汽车驱动前桥齿轮转向传动系和汽车后桥齿轮驱动控制机构的总体设计分析可以帮助使在校学生初步掌握关于汽车驱动前桥齿轮转向传动系和汽车后桥齿轮驱动控制机构的总体结构设计的基本原则和操作方法。

培养运用理论知识联系工作实际的综合技能。

设计、工程应用材料和设计cad以及绘图等基础知识。

计、工程中的材料和设计cad以及绘图等基础知识。

1.1.1国内外的发展状况及现状的介绍

为适应不断完善特色社会主义法治市场经济管理体制的最新要求，推进轻型专用货车制品产业结构良性调整和转型升级,全面提高轻型专用货车制品产业的内国际市场竞争力,满足我国消费者对轻型专用货车工业产品需求日益增长的市场需求,促进轻型专用货车制品产业健康稳定发展,特别要制定轻型专用货车制品产业健康发展扶持政策。

通过该优惠政策的贯彻实施,使得了我国轻型专用货车制造产业在2010年前后的发展迅速成为我家国民经济的一大支柱产业,为加快实现全面融入建设小康社会的战略目标做出更大的社会贡献。

其对于轻型载货汽车的发展趋势中,有着很好的发展应用前途。

生产出来的轻型载货汽车将更加适合大多数普通消费者的使用要求，因为它质量好,操作简便,价格便宜。

在新经济政策《轻型货车产业发展政策》中,2010年前,我国就逐步成为一个世界主要轻型专用货车产品制造出口国,轻型专用货车相关产品就要满足国内货车市场大部分货车需求并批量生产进入境内国际货车市场；同时,在这个新的轻型通用货车制造产业政策重新描绘的发展蓝图中,还依然包含许多主要涉及货车产业综合素质不断提高和货车市场竞争环境日益改善的产业综合发展目标,着实令人鼓舞。

但是，不可否认的事实是,国内轻型专用货车制造产业的发展现状距离国家产业政策的明确目标其实还有相差一段距离。

1.2车型简介

轻型卡车是运载货物的汽车，也可以称为卡车。

这种类型的汽车的货物舱通常与驾驶室安装在同一框架上，并根据不同的运输要求安装制成各种形式。

卡车可分为三种：

轻型，中型和重型。

1.3有限元方法简介

有限元法也可以称为有限元解法或有限单元法。

基本的数学思想是指可以分解为任意形式的离散有限域解决方案以一定顺序相互连接的有限的单个元素或组合。

用于分析该问题的有限元矩阵方法主要基于有限结构矩阵方法总结了分析方法。

对杆系统的结构进行矩阵力学分析，始于1960年代，每个杆作为有限元进行连接，杆的整体结构为可以认为是一组相互连接的有限元（包括杆），在分析了每个有限元的机械和物理特性之后，将杆分组他们可以一起直接确定整个杆结构的机械性能方程，然后可以通过计算机求解。

1.3.1有限元法的基本原理

将持续的求出域离散变量为一组模块的组合体，用在每一个模块内假定的类似涵数来分块的表明求出域上待求的不明场函数，类似涵数一般是由不明场函数以及导函数在模块各连接点的标值插值法涵数来表明。

进而使一个持续的無限可玩性难题变为离散变量的比较有限可玩性难题。

1.4ANSYS简介

ANSYS软件是一款分析各种各样方式（例如静电场、电磁场等）的大中型工业生产通用性的有限元分析软件。

它是由有着世界最大的工业生产通用性有限元电子计算机分析系统软件程序包开发公司之一的英国ANSYS软件开发公司开发设计,它能与大部分的cad计算机技术集成化插口,完成工业产品设计数据信息的共享资源和数据传输,ANSYS有限元设计产品程序包是一个多工业生产主要用途的有限元法电子计算机设计产品程序运行,因而它的商品可广泛运用于下列的工业产品设计行业:

包含航天航空、汽车电子产品工业生产、生物医学工程、公路桥梁、工程建筑、电子设备、重型机械设备、微机电系统、健身运动医疗机械等。

2车桥模型的建立

2.1车桥单元类型的选取

模块种类是默认设置的，软件会依据模型必须默认设置模块种类，在workbench导进ANSYS后能够见到模块种类且模型不一样模块将会不一样。

2.2车桥模型基本要求

一是充足的承重抗压强度,保证车桥在可以承担到载重量力的作用下,可以合理地抵御永久性形变和破裂。

二是优良的大货车动态性特点。

在大货车动态性减震地应力的功效下,大货车将难以避免地造成很大的震动,因而,车桥要有极强的抵御振动工作能力和充足的可靠性,才可以充分运用轿车的特性。

文中讨论怎样选用有限元的方式对髙速车桥开展有效的设计方案,关键的流程一般包含:

最先对车桥开展有限元模型,次之就对这一有限元模型开展结构力学的分析,获得它的静力分析驱动力分析特点,随后对有限元模型开展必需的改动,为车桥的设计方案和提升的要求产生好的方位和理论基础。

2.3有限元建模方法的选择

ANSYSWorkbench软件有二种建立有限元模型的方式：

（1）立即在软件中建立实体线的几何图形模型，随后再区划网格图获得有限元模型。

（2）先在其他的CAD手机软件中建立好实体线模型，再根据api接口导进或是储存成通用性文档格式读取ANSYSWorkbench软件中，随后再区划网格图获得有限元模型。

第一种建模方法大部分适用简易的车桥实体线。

因为车桥的构造比较繁杂,而且无法立即在简易的ANSYS中开展模型。

因而文中在模拟仿真中选用了第二种车桥建模方法:

最先在一个技术专业的ansolidworks2018手机软件中立即绘图一个车桥三维的模型,随后另存ANSYS适用的图型数据传输手机软件格式,能够立即另存pariges和parasolid等适用的格式,在具体的模拟仿真中,由于ges和parasolid适用的格式能够合理这样能保证数据传输的全过程中不毁坏或遗失模型的数据信息,保证了车桥三维仿真试验結果的准确性和模拟仿真的实效性,文中在模拟仿真中采用了ges和parasolid适用的格式;最终将车桥三维模型的数据信息导到简易的ANSYSworkbench中,区划网格图获得了有限元车桥三维模型。

实际的操作步骤以下：

最先在Solidworks的File菜单中，另存parasolid格式，留意文件夹名称为英语或是数据；次之在Workbench中鼠标右键点一下Geometry单元格，挑选Import，就可以导进文档。

在Solidworks建立的三维模型如图2.3所示：

图2.3三维模型

2.4模型简化

因为车桥的构造非常复杂,若彻底依据具体的状况设计制作并创建有效的模型,则非常容易造成车桥的网格图不太好区划。

因而，以便能一切正常对操作台构造开展分析，并能得到能用的数值，不在危害分析精确度的前提条件下，对构造开展较为有效的简单化是很必需的。

文中在将Solidworks绘图的三维模型导进Workbench以后，并对其开展了有效的简单化。

简单化标准以下：

（1）去除开倒圆角、圆弧等一些加工工艺的特点;

（2）除去规格较小的孔，如精准定位孔、地脚螺栓孔等，只保存规格很大的孔；

（3）将小折射率斜面平面化；

（4）假如零件对动态性、静态数据特点危害不大，则能够忽略；

根据以上原则简化后的车桥三维模型如图2.4所示：

图2.4简化模型

3车桥静态分析

3.1静态分析的基础

静态数据电子计算机分析法是依据明确的经济发展外生变量值求取内生变量的一种经济发展分析方式,是对已产生的各种各样经济发展恶性事件和主题活动的成效,开展综合型的内生变量比照和分析的一种经济发展分析方式。

现阶段的静态数据电子计算机分析法关键广泛运用于科学研究静态数据的电子计算机人文科学、社会经济学、工程项目、结构力学、机械设备等好几个层面。

构造静态数据地应力基本原理即回应分析主要是运用于结构力学分析和设计方案明确健身运动载入物块构造的健身运动偏移、地应力、应变力和构造轴力。

这类惯性力分析方式忽视了系统软件惯性力和减振危害,假定全部构造的全自动载入即惯性力回应随构造载入延迟时间的变化转变十分迟缓,短暂性的载入時间内我们可以确立觉得全部构造沒有必需产生一切惯性力转变。

构造静力分析包含线形和离散系统静力分析，及其动态性静力分析。

这章所做的静力分析释放的是线形荷载，只包含车桥本身作用力和荷载。

静力分析方程组为：

[k]{u}={F}

在其中,[k]为车桥的刚度矩阵,{u}为位置矢量,{f}静力矢量素材为荷载。

另外若[k]是静力变量定义,求出的一般是线形静力组织抗压强度难题;另外若[k]是静力自变量,求出的一般是静力非线性结构抗压强度难题。

这章运用有限元分析方式开展静力分析，获得车桥的静力学特点，分析一定工作状况下车桥的构造抗压强度、应力应变、形变等难题，分析构造的最薄弱点，为事后的设计方案与提升出示方位和理论意义。

3.2静力分析关系装配处理方法

车桥是由好几个零件组成一个繁杂的安装系统软件，每个零件间融合面的弯曲刚度和减振特性对操作台总体特性有很大危害。

车桥基桩剖析是典型性的安装体基桩剖析，针对不产生相对速度的零部件安装一部分，应用布尔运算指令将它粘贴在一起的。

3.3操作台结构网格划分

ansysworkbench14.5的网格区划对策该服务平台选用的区划对策是：

"divideandconquer"的网格区划对策。

现有5种网格开展区划的方式:

（1）automatic:

全自动设置区划四个立体图形的网格法,若全自动区划后的几何图形网格体合乎标准,则全自动区划造成四面体；若立体图形不规律，没有办法扫掠，则造成六面体；

（2）Tetrahedrons：

四面体区划网格法；

图3.4网格划分

（3）sweptmeshing:

别称扫掠法,主要是造成六面体网格和棱柱体的网格；

（4）Multizone：

多域法，以区划六面体模块为关键作用；

（5）hexdominant:

实体模型外边将造成六面体的模块,只是在实体模型里边造成四面体的模块。

针对结构繁杂的三维车桥而言,其静力学和总数剖析对部分网格疏密度和总数的精确性规定较。

workbench随意网格区划的作用能够全自动依据车桥几何模型的样子自动控制系统车桥部分网格的总数和亲疏水平,因而文中提议采用随意区划部分网格法。

设定“DetailsofMesh”选择项，将“UseAdvancedSize”设置为“Off”，将“RelevanceCenter”设置为“Coarse”，将“Smoothing”设置为“Medium”，将“Transition”设置为“Fast”，将“SpanAngleCenter”设置为“Coarse”，可获得全自动区划的操作台实体模型。

共获得31356个节点，16204个模块，网格区划状况如图3.4所显示:

结成一个总体，特别注意的是布尔运算指令仅仅把分离的零件土体（固体颗粒间无联结或者有微弱联结，保持天然结构）在一起，并不是安装关联。

3.4边界条件和计算载荷的确定与施加

界限的标准,是一种特指在操纵方程求解给出地区内的界限上所必须求出的界限自变量或其导函数随時间和给出地址的变化趋势。

对初始条件的解决是使一个操纵方程组有明确是不是求出的基本和前提条件,针对一切的难题,都是有将会必须考虑到给出求出界限的标准。

对初始条件的妥善处理,立即地危害了难题的测算全过程和結果的精确性和精密度。

荷载:

在ansys中,荷载是包含有限元分析初始条件和外界或內部荷载作用力的有限元分析涵数。

对测算初始条件更改前的结构开展求出，以得到初始条件更改的连接点的可玩性解对所述结构释放管束和偏移，促使该管束对之前的数值沒有危害。

此流程本质上是对形变后的结构释放管束，好几个管束更改时仍然这般，如果是降低管束，这时应释放所得到的管束轴力。

3.4.1施加边界条件

上下两边车桥与轿车固定不动，释放全管束（FixedSupport），充分考虑车桥用以适用轿车的荷载，因而一是在2个支撑点盘处释放5kpa的荷载，在这里工作状况下开展基桩剖析，二是释放作用力，InsertStandardEarthGravity，方位为方位。

释放完初始条件以后刚开始测算。

3.5分析和读取计算结果

总的变形量如图3.6所示。

图3.6整体变形量

静力强度分析的试验结果表明:

此类车桥在三种符合经典基本结构设计工况下的最大屈服应力均远远都要小于车桥材料的最大屈服应力极限,且三种应力最大的固定位置均分别固定位于此种车桥的桥梁轴颈和车桥轴臂的肩连接处,说明此种车桥在桥梁轴颈和车桥轴臂的肩连接处均几乎能够完全满足国标的相关规定,说明此种同类型高架车桥的基本结构在这三种较为符合经典的结构工况下几乎均能能够满足静力和强度的基本结构设计性能要求。

典这三种特殊工况下的它均能完全满足静态高强度的基本工程设计性能要求。

4车桥的模态分析

4.1模态分析简介

用动态性有限元分析的方式特性剖析开展的动力学模型特性剖析的方式和静力学特性剖析的关键不同之处关键取决于地应力功效在结构上的荷载及其地应力和结构振动造成的偏移、应变力、地应力等,前面一种与造成的時间息息相关,而后面一种造成的時间与地应力不相干。

可是其创建有限元分析特性统计分析方法的流程依然是基础相近的,彼此之间不一样的地区便是动态性特性剖析务必根据地应力和结构振动的基础理论内在联系来创建有限元分析动力学模型的方程组,在这个基础上还必须求出产生矩阵的特征值的难题和静态数据动力学模型的回应特性难题。

依据流体力学结构均衡振动力和平衡理论,动力学模型结构剖析时流体力学结构的均衡振动力和均衡驱动力化学方程的界定公式计算为:

式中

为一个结构的质量值与特征矩