基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究.docx
《基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究.docx（96页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究
题目基于ANSYS的汽车车架可靠性分析研究
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
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
StudyonReliabilityofFrameBasedonANSYS
Abstract
Inthispaper,thestaticandmodalofChangchunFAWLightVehicleProductionHuakaibrandCA5160CLXYK28L5BE3Atypetruckframeisanalyzed.FramesizeismeasuredinHenanfamousAutoPlaza,someimportantparametersthroughthenetworktolookup.FramesolidmodelisassembledinPro/E,andthenimportedintoANSYS.
FrameFEMcomputationmodeltakingsolidasbasicunitisestablished.Basedonthismodel,firstly,staticisanalyzedandthestressdistributionofframeundervariousstaticworkingconditionisattained;secondly,modalanalysisofframeiscarriedoutandnaturalfrequencyandmodesofthisframeisreceived，thedynamicstressanalysisoffuturehigh-levelpreparation.Finally,accordingtotheresults,identifythemosteasilydamagedpartsoftheframe,andthentoevaluatethereliabilityofthispartofthereliabilityoftheentireframe.
Nowpeopleusethismethodofframeanalysishasbeenalotofresearch,however,theuseofthismethodshouldbenotedthatveryfewpeoplestillstudyarea,itwillleadtoanumberofengineershasjuststartedtousethismethodofanalysis,takingmanydetours,andeventheresultsobtainediswrong.
Basedontheframefiniteelementanalysistodescribetheprocessofanalysisandattentionaremattersforthefiniteelementanalysistechnologytoprovideastandardizedframedesignprocessandsteps.
KeywordsPro/E;ANSYS;staticanalysis;modalanalysis;reliability
目录
中文摘要
英文摘要
1绪论1
1.1课题的背景1
1.2论文选题的意义与目的1
1.2.1论文选题的意义1
1.2.2论文选题的目的2
1.3有限元法在车架结构设计中的应用现状及问题2
1.3.1车架结构设计与分析的概述2
1.3.2车架结构有限元模型的形式2
1.3.3有限元法在车架结构分析中存在的问题3
1.4本文的主要研究内容3
2ANSYS软件的介绍4
2.1ANSYS的主要功能4
2.2ANSYS提供的分析类型4
2.3ANSYS的典型分析步骤5
2.3.1建立有限元模型5
2.3.2加载求解6
2.3.3查看求解结果7
2.4本章小结7
3车架实体模型的建立8
3.1车架总体介绍8
3.2Pro/Engineer基本功能8
3.3模型的简化9
3.5Pro/E使用经验13
3.6本章小结15
4车架有限元模型的建立16
4.1Pro/E和ANSYS的连接16
4.2单位转换17
4.2.1单位转换的原因17
4.2.2单位制问题解决的办法17
4.3模型的导入19
4.4有限元模型的建立19
4.5Booleans运算22
4.5.1未进行Booleans运算的分析结果22
4.5.2Booleans运算命令的选择25
4.6干涉问题25
4.6.1装配体中有零件干涉将会出现的问题26
4.6.2装配体中零件间发生干涉后的解决方法29
4.7由于镜像命令而引起的模型损失问题31
4.7.1模型损失问题的描述31
4.7.2模型损失问题的解决办法32
4.8本章小结32
5车架静力分析33
5.1车架结构有限元分析的类型33
5.2SOLID92单元简介33
5.3汽车弯曲工况的分析34
5.3.1求解34
5.3.2后处理38
5.4汽车弯扭联合工况的分析40
5.4.1求解40
5.4.2后处理42
5.5车架ANSYS静力分析经验43
5.5.1对象选择问题43
5.5.2施加面力问题44
5.5.3重力的方向问题44
5.5.4划分网格问题44
5.5.5单独查看某个零件结果的难题45
5.6本章小结46
6车架模态分析47
6.1模态分析的理论基础47
6.2车架模态分析的类型48
6.3两种状态时的结果对比分析52
6.3.1两种状态时的固有频率52
6.3.2两种状态下车架的前十阶振型对照图53
6.4模态分析中的约束问题64
6.5模态分析中要不要考虑重力65
6.7本章小结66
7可靠性分析67
7.1可靠性概述67
7.1.1可靠性发展简史67
7.1.2现阶段可靠性工作的特点67
7.1.3国内可靠性研究现状67
7.2常规设计与可靠性设计67
7.3ANSYS可靠性分析功能68
7.3.1蒙特卡罗法68
7.3.2响应面法69
7.3.3可靠性分析一般步骤70
7.4车架可靠性70
7.4.1该分析的假设70
7.4.2变量的确定70
7.4.3纵梁可靠性分析过程71
7.5本章小节78
8论文总结79
8.1所做的工作79
8.2需要进一步改进的地方79
致谢80
参考文献81
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（Toyota）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。
1.2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，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。
2ANSYS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JohnSwanson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。
2.1ANSYS的主要功能
ANSYS有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。
2.2ANSYS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
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。
2.3ANSYS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:
FILNAME
GUI:
MainMenu-File-ChangeJobname
2.3.1.2定义工作标题
用下列命令或菜单方式定义工作标题：
command:
TITLE
GUI:
UtilityMenu-File-ChangeTile
2.3.1.3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:
ET
GUI:
MainMenu-Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete
用下列命令或菜单方式定义单元关键字：
Command:
KEYOPT
GUI:
MainMenu-Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete
2.3.1.4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
升级会员 