（光学工程专业论文）客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文以d d 6 9 9 1 国产客车为对象，使用a n s y s 大型有限元分析软件在二维图纸的 基础上，建立了整车车身骨架结构的几何模型。然后利用b e a m 4 梁单元建立了供刚度 强度和振动特性计算的有限元简化模型，在有限元建模过程中，合理地处理了边界条件 和作用在车身骨架上的载荷，并对客车在实际运行中的水平匀速行驶，极限扭转f 单轮 悬空或路面不平引起的扭转) ，紧急制动及急转弯四种典型工况下的刚度强度进行了详 尽的分析计算，对客车车身的固有振动特性进行了分析计算，并在此分析计算的基础上 从客车后车门边框提出菜连接节点进彳亍了疲劳寿命分析。通过分析计算找出了车身原有 结构中存在的薄弱环节，总结了车身应力应变在各工况下的变化规律，找出了接点连接 形式对疲劳寿命影响的一般规律。所得的结果可以作为该型客车改进设计的依据和参 考。 关键词： 车身：有限元：结构分析：振动特性：连接节点：疲劳寿命 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h eb u sf r a m e w o r ka n dt h ei n f l u e n c et o t h ef a t i g u el i f eb yt h ef o r mo ft h ej o i n to ft h eb u sf r a m e w o r k a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rt a k eab u sa sa l le x a m p l e , o nt h eb a s i so f t w o - d i m e n s i o n a lp r o j e c t d r a w i n g s ，t h ea u t h o rf i r s t l ye s t a b l i s h e dag e o m e t r ym o d e lo ft h ef u l ls c a l eb u ss k e l e t o n u t i l i z i n ga n s y s b yu s i n gb e a m 4e l e m e n t ，t h ef i n i t ed e m e n tm o d e lf o rs t r e n g t haa n a l y s i s w a s s e t u p a n d s i m p l i f i e d t h e f e mm o d e la l s oi n v o l v e st r e a t m e n t si f b o u n d a r y c o n m t i o n s s i m p l i f i e dt r e a t m e n to fs o m es k e l e t o np a r t sa n dd e a l s w i t ht h e 矗x e dw e i g h ta n d l o a d i n gt h a ti sp u t 0 1 1t h es t r u c t u r e c o n s i d e r i n gf o u rt y p i c a lo p e r a t i o ns i t u a t i o n , s u c ha st h eb u s r u n n i n gw i t ht h eu n i f o u mv e l o c i t y ；, o n eo f t h ew h e e l sh a n gi nt h ea i rw h e n t h eb u sr u n n i n g0 n a nu n e v e nr o a d ；t h eb u s b r a k e s s u d d c n l ya n dt h eb u ss t e e r sq u i c k l y t h ec a l c u l a t i o no fs t r e n g t h o f b u sb o d y ss t r u g t u r ea r ee x p a t i a t e d t h e nt h er e s e a r c hc a l c u l a t e st h ef l e ev i b r a t i o nm o d e so f t h eb u ss k e l e t o n t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sp r o v e st h a tt h ef i n i t ed e m e n tm o d e le s t a b l i s h e di nt h e t e x ti sr a t i o n a l ，t h ea n a l y s i si sc o r r e c t , a n dt h er e s u l t sc o u l dd k e c f l yh e l pt oe v a l u a t ea n d i m p r o v e 也ed e s i g no f t h ep a s s e n g e rc a r r e s e a r c ht h er u l e so ft h ef a t i g u el i f eo ft h ej o i n tw i t ht h ef o r mo ft h ej o i n tc h a n g i n g t o p r o 、，i d et h eu s e f u lt h e o r e t i c a lp r i n c i p l ea n dg a i np f a c t i c a le x p e f i c ef o rt h ep h y s i c a ls a f e t y d e s i g no ft h ep a s s e n g 盯t r a i n i tc o m p u t e da n da n a l y s e dt h ef a t i g u el i f eo ft h ej o i n tb d o n gt o t h er e a rd o o ro f t h e p a s s c n g e r c a r k e yw o r d s ：b o d y w o r k ；f e m ；s t r u c t u r ea n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ；j o i n t ；f a t i g u el i f e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：一黧尘墓日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位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连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名笋 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着计算机技术和数值计算方法的发展，大型复杂工程问题可以采用适当的数值计 算方法并借助计算机技术求得满足工程要求的数值解。有限元方法作为工程分析的一个 重要的数值计算方法，从2 0 世纪4 0 年代至今，经过6 0 多年的发展和完善，其理论已经相 当成熟。有限元法是在当今工程分析中获得应用最为广泛的数值计算方法。由于它的通 用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。有限元软件是使用有限元方法解决各种科 学和工程问题的关键，它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力， 使之发挥了巨大的经济和社会效益。 结构分析是工程分析的重要内容，它包括结构强度、刚度分析和结构优化设计。结 构强度、刚度设计是基于使用安全性考虑，主要包括结构线性分析( 分析惯性阻尼对结构 影响不显著的线性或准静态问题) 、结构非线性分析( 包括几何非线性、材料非线性和状态 非线性等) 以及结构动力学分析( 模态分析、谐波响应分析、瞬态动力学分析、谱分析、随 机振动分析等) 。本文就客车骨架结构静力分析和动力学分析的模态分析部分进行了探 讨。 结构疲劳寿命研究也越来越引起人们的重视。目前，确定结构疲劳寿命的方法有实 验法和科学寿命分析法。估算结构疲劳寿命的方法有名义应力法、局部应力应变法、断 裂力学法和可靠度法等等，本文选用了基于疲劳累积损伤理论的名义应力法来分析客车 接点的疲劳寿命。 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 1 绪论 1 1 课题的国内外研究概况 1 1 1 客车车身有限元分析研究概况 ( 1 ) 目前国内汽车结构件的设计与研究已从主要依靠经验设计发展到应用有限元法进 行强度计算模态分析和子结构优化设计阶段。应用有限元软件进行结构分析和优化已经 成为各大公司普遍采用的一种手段。 ( 2 ) 有限元技术不断丰富和完善，使计算力学模型的建模从最初的几十几百个简单的 单元发展到了如今的几万甚至几十万个单元。分析对象也由静态应力发展到动态响应、 噪声、碰撞、被动安全性和动力学仿真的研究，但这些研究仍处于发展阶段。 ( 3 ) 以下几个方面目前国内需要有进一步的研究的工作。 1 ) 用壳单元进行大客车车身整体骨架建模，国内研究很少，甚至没有全板壳模型进 行静动态的分析，有的也只是混合单元，而且单元的数量还不够细密，所以这方面还可 以向前发展，计算结果表明精度还可以继续提高。 2 ) 基于全板壳单元的客车车身骨架模型，进行客车结构的优化计算的分析和研究还 没有，有的只是基于杆系单元模型的研究分析，或者是局部改进设计，而全板壳单元的 优化计算效果会更符合实际。以上这两点一定程度上受计算机计算时间制约。 3 ) 基于全板壳单元客车车身骨架模型的二次细化分析还没有，或者是局部的予结构 进行细化分析还没有。 4 ) 基于全板壳单元客车车身骨架模型，同时考虑客车蒙皮对车身骨架静态和动态的 分析还没有，在全板壳单元模型和杆系单元模型下分析这个问题结果应该是有差别的。 5 ) 还没有用板壳单元和三维梁单元组成的混合单元对客车骨架建模( 整体骨架用板 壳单元建模，结果精度要求高的局部采用三维梁单元建模) 进行实际分析仿真计算的研 究，而这种模型和实际情况最相似，结果精度最高，但需要的计算机资源也最大。 1 5 1 1 2 疲劳寿命计算研究的概况 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支。材料疲劳的真正机理对其科学的描述尚未得 到很好的解决。 大连理工大学硕士学位论文 金属疲劳研究始于1 8 2 9 年左右，1 9 5 2 年一1 8 6 9 年，德国工程师沃勒( w o h l e r ) 提出了 利用疲劳寿命曲线( s n 曲线) 来描述疲劳行为的方法，揭开了疲劳研究的序幕。第二次世 界大战期间，疲劳累积损伤理论发展起来，其中，米勒( m i n e r ) 重新提出了最简单和应用最 广的米勒线性累积损伤准则( 也叫帕尔姆格雷一米勒准则) 。之后，又先后出现了很多不同 的疲劳损伤模型，其中包括( 1 ) 双线性疲劳累积损伤理论；( 2 ) 损伤曲线方法；( 3 ) 改进双 线性损伤累积准则；( 4 ) 双损伤曲线方法。另处还有建立在塑性应变能或总应变能基础上 的疲劳损伤理论以及建立在连续损伤力学基础上的疲劳损伤理论。 目前，确定结构疲劳寿命的方法主要有两类：实验法和科学寿命分析。确定疲劳寿命 的最传统的方法是完全依赖于试验的试验法。它直接通过与实际情况相同或相似的试验 来获取所需要的疲劳数据。确定疲劳寿命的分析法是依据材料的疲劳性能，对照结构所受 到的载荷历程，按分析模型来确定结构的疲劳寿命。 任何一个疲劳寿命分析方法都包含有三个部分：材料疲劳行为的描述，循环载荷下结 构的响应，疲劳累积损伤法则。迄今为止，在疲劳寿命估算方面己经先后提出了名义应力 法、局部应力应变法、断裂力学法( 裂纹扩展计算法) 、可靠度法。名义应力法计算寿命 直到断裂，是建立在损伤累积理论之上的其抗力和受力都是通过名义应力来描述的，它以 构件的s - _ n 曲线为基础，在预测应力谱基础上计算寿命。局部应力应变法计算寿命直到 技术起裂，对表面裂纹来说仅为0 5 脚深。断裂力学法计算寿命从起裂到断裂。近半个世 纪以来，人们常应用线性断裂力学理论研究疲劳问题。与常用的疲劳方法相比，依据断裂 力学方法只需确定材料的常数值和模拟以后的受载来确定结构的寿命。 1 7 目前国内对客车车身架疲劳寿命计算的研究还处于起步发展阶段。 1 2 课题的研究内容和意义 1 2 1 课题研究的内容 本课题来源于辽宁黄海汽车( 集团) 公司客车制造公司，目的是研究该公司d d 6 9 9 1 中型城市客车车身骨架的静动态特性问题。该车采用纵梁式车架，半承载式车身结构， 前置发动机，两乘客门一个置于前轴之前，一个位于车身中部。 本文首先介绍了有限元的概念、原理及分析的基本思路，说明了有限元法在车身结 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 构分析中的应用，然后以d d 6 9 9 1 型客车为具体分析对象，讨论了利用a n s y s 软件建立客车 车身骨架几何模型的方法，以及如何将几何模型转化成可供分析计算的有限元模型：并对 分析中涉及到的粱单元作了详细的介绍接着采用有限元软件a n s y s ，结合客车在实际运 行中可能出现的多种典型工况，如直线匀速行驶，路面高低不平出现单轮瞬间悬空，紧 急制动及急速转弯等工况，研究了相应载荷及边界约束条件施加的实现方法，分析了车 身结构强度、刚度并在此基础上对整车车身进行了较全面的自由振动模态分析，并根据 有限元分析的结果对该客车的车身骨架进行评估，最后提取后车门立柱上的一接点进行 了疲劳寿命的分析计算，找到了接点形式对疲劳寿命的影响规律，为车身结构设计的改 进提供了较准确可靠的理论依据。 本课题拟采用的研究方法： ( 1 ) 研究分析d d 6 9 9 1 客车的结构特点，利用a n s y s 的建模功能，在二维工程图纸的基 础上，建立车身骨架的三维几何模型。 ( 2 ) 形成有限元计算模型：依托大型有限元分析软件a n s y s i o 0 ，根据客车车身骨架 的特点，确定单元类型，同时确定支承及边界条件，注意模型中各种支承、连接关系与 实际结构要相符，形成计算所需的有限元模型。 ( 3 ) 确定需要计算的各种工况。以及载荷如何选取和加载，选择有限元软a n s y s l 0 0 作为分析计算的工具，上机进行试算并判断模型的准确性。 ( 4 ) 修改计算模型：当结果与经验值或实测值相差过大时，说明误差较大，就应重新 修改甚至更新模型修改模型可以从单元类型、节点与单元的划分和边界条件着手，再次 上机进行试算。 ( 5 ) 进行正式计算及结果整理，给出对研究对象结构设计方案的评估结论。 ( 6 ) 提取后车门立柱上一接点进行疲劳寿命计算。在计算中改变结构参数得到不同的 寿命值，然后根据计算结果，分析总结结构参数变化的影响规律。 1 2 2 课题的意义 随着科学技术的发展，汽车的设计和开发也日益向智能化、环保化、低排放、轻污 染、安全化以及结构设计轻量化的方向发展。产品的类型和结构也越来越复杂，对汽车 的产品开发的要求也越来越高，同时对产品的可靠性、安全性的要求也越来越高。客车 大连理工大学硕士学位论文 作为目前我们国家的主要的城乡交通工具，对其的强度安全性能的研究具有重要的意义。 国内过去客车设计主要采用的手段是使用传统的样车和旧车型参考的模式。这种方 法不仅费用大，试制周期长，经验多于实践缺乏科学性，而且也不可能对多种方案进行 评价。车身车架是一个十分复杂的结构，用经典力学方法不可能得到精确的解答。特别 是在设计初期又不可能有实测数据，因此以往的设计基本上是依赖于经验和类比，缺乏 建立在力学特性( 强度刚度等) 分析基础上的科学判据，设计法有待提高。而有限元设 计方法是目前在国外使用最为普遍也最具有实际意义的一种有效手段之一。 近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法为解决复杂 的工程分析计算问题提供了有效的途径。我国在九五计划期间大力推广c a d 技术，机械 行业大中型企业c a d 的普及率从1 9 8 5 年的2 0 高到目前的7 0 ，随着企业c a d 应用的普及， 工程技术人员己逐步甩掉图板，而将主要精力投身如何优化设计提高工程和产品质量上 来。于是计算机辅助工程分析c a e 的方法和软件将成为关键的技术要素。在工程实践中 有限元分析软件c a e 软件与c a d 软件系统的集成应用，使设计水平发生了质的飞跃主要 表现在以下几个方面： ( 1 ) 增加设计功能减少设计成本 ( 2 ) 缩短设计和分析的循环周期 ( 3 ) 增加产品和工程的可靠性 ( 4 ) 采用优化设计降低材料的消耗或成本 ( 5 ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题 ( 6 ) 模拟各种试验方案减少试验时间和经费 ( 7 ) 进行机械事故分析查找事故原因 在大力推广c a d 技术的今天从自行车到航天飞机所有的设计制造都离不开有限元分 析计算。有限元技术运用在汽车结构分析及优化中已经成为一种趋势，并成为其产品设计 链中必须的常规。实践证明，在应力近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功，最为有 效的数值计算方法。f e a 在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。 此外，金属、塑料、木材、混凝土、玻璃、橡胶和复合材料等各种结构材料及其加 工而成的结构或设备，在载荷反复作用下，都会发生疲劳问题。在工程结构和机械设备 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 中，疲劳破坏的现象极为广泛。材料在低于拉伸强度极限的交变应力( 或应变) 的反复作 用下，发生裂纹萌生和扩展导致突然断裂的失效方式，称为疲劳破坏。疲劳破坏由于没 有明显的客观塑性变形，破坏十分突然，往往造成灾难性事故，引起巨大的经济损失。 据调查5 0 9 6 9 0 9 6 机械失效破坏是由疲劳造成的。目前对客车车身骨架的疲劳寿命计算的 研究还相当少，因此对这个领域进行探索研究，找出引起客车车身骨架疲劳破坏的规律 和较准确估算其疲劳寿命的方法，为客车车身优化设计方法提出建设性的建议都是很有 意义的。 1 3a n s y s 及a n s y sw o r k b e n c h 软件简介 a n s y s 软件是集结构、热、液体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析 软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造 船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般 工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统运行，从p c 机到工作站直至巨型 计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容；该软件基于m o t i f 的 菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，大大 方便了用户使用a n s y s 软件能与大多数c a d 软件实现数据共享和交换，如 p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a i _ l ) g o r ，i - d e a s ，a u t o c a d 等等，它是现代产品 设计中高级的c a d 、c a e 软件之一。 a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，是由美国匹兹堡大学的j o h ns w a n s o n 博士创建的， 其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，目前是世界c a e 行业最大的公司。3 0 余年来， a n s y s 公司一直致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导 着世界有限元技术的发展。目前的最新版本为a n s y s l 0 0 ，新版本的功能更加强大，使 用更加便利。 1 3 1a n s y s 的组成及主要技术特点 a n s y s 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。分 析计算模块包括结构分析、热分析、流体动力学分析等等多种分析，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；后处理模块可将计算结果以彩色等值 大连理工大学硕士学位论文 线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图 形方式显示出来，用来模拟工程中的各种结构和材料。 a n s y s 的基本功能包括结构静力学分析、结构动力学分析和结构非线性分析等。 结构静力分析 用来分析外载荷引起的位移、应力和应变。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。a n s y s 程序中的静力分析不但可以进行线性分析，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 结构动力学用来分析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， 动力学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。a n s y s 可进行的结 构动力学分析包括：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。a n s y s 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。 1 3 2 用a n s y s 进行有限元分析的过程 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域，绝大多数a n s y s 单元类型都可 用于结构分析。有限元法的分析过程非常程式化，整个分析过程均可由计算机实现，它 的一般过程是： ( 1 ) 明确分析对象和分析目的：有限元分析必须明确分析的对象和分析目的，必须抓住 主要矛盾以及计算分析目的。一个分析对象有多个分析目的时，要以分成几个计算进行。 ( 2 ) 确定模型化方案：在建立模型之前，需要依据分析对象和分析目的，确定建模方案， 并对实际问题做出合理的简化，选择合适的单元类型，确定单元大小和数量，建立几何 和计算模型。还要对计算费用( c p u 时间) 和计算结果的精度进行平衡考虑。 ( 3 ) 确定载荷及边界条件：载荷及边界条件的确定是计算模型的一个重要部分，而且是 技术上比较难的工作，可能影响计算结果的成败。必须把握的原则是计算模型的力和边 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 界条件要符合分析对象的工作条件，当不可能明确时建议使用实验、计算相互结合的办 法加以确定。 ( 4 ) 在a n s y s 中建模、加载、计算求解，选择合理的求解方法进行求解 ( 5 ) 结果处理和分析并撰写分析报告。 进行结构有限元分析时应注意的问题： ( 1 ) 材料特性的处理：典型的材料特性包括弹性模量、密度和泊松比等。在分析过程 中应注意材料特性即单元特性及其本构关系。 ( 2 ) 载荷特性的处理：针对不同的结构特性，对其载荷和结构特点进行分析，找到其主 要的影响因素，才能得到正确的分析结果。 。 ( 3 ) 边界条件的处理：根据不同的结构，引入特定的约束和载荷条件，分析求解。 a n s y s 的典型分析过程由前处理、求解计算和后处理三个部分组成： ( 1 ) 前处理： 首选需要定义工作文件名并设置分析模块，然后进行必要的定义，包括定义单元类 型和选项、定义实常数和材料属性( 弹性模量、泊松比) 等，接着就可以建立分析几何模型， 定义横截面和单元坐标系，对模型进行网格划分，形成有限元单元、节点，得到有限元 分析模型，然后施加荷载及约束。 ( 2 ) 求解计算： a n s y s 的求解就是解方程。通过各类求解器，求解由有限元方法建立的联立方程组， 其结果是得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。用户可以选择求解类型并进行求 解选项设定。 ( 3 ) 后处理： 后处理指的是检查a n s y s 的计算分析结果，从某种意义上讲，可能是整个分析过程 中最重要的个环节。通过后处理，可以读入原有的数据文件和恢复其他数据项，也可 以通过后处理器，以多种方式显示分析结果，这有助于用户查看所加载荷在所建模型上 产生的影响。a n s y s 向用户提供了两种后处理工具查看计算结果，通用后处理器p o s t l 和时间历程后处理器p o s t 2 6 。前者用来查看模型在某一特定时刻( 或某一载荷步、频率) 的结果，如轮廓线显示、变形形状，以及分析结果的列表。p o s t l 还提供了其它的功能， 大连理工大学硕士学位论文 如误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作。后者则是用来查看模型的指 定点的特定结果相对于时间、频率或其它结果项的变化。其功能包括简单的图形显示和 列表，微分和响应频谱生成的复杂操作。但其最典型的用途是在瞬态分析中以图形表示 产生的结果项与时间的关系或在非线性分析中以图表表示作用力与变形的关系。 2 0 1 1 3 3a n s y sw o r k b e n c h 8 0 的组成及主要技术特点 a n s y s 经过3 0 多年的发展，经典的a n s y s 界面已经不能满足广大的各种层次用户 的需要。因此，a n s y s 开发了新一代的c a e 仿真平台a n s y sw o r k b e n c h 8 1 ，简称 a w e 。a n s y sw o r k b e n c h 作为新一代的仿真模拟环境，有w i n d o w s 网格的优化易 用的界面，直接参数化尺寸驱动的c a d 接口，能直接读入所有常用的c a d 格式，其易 用性、灵活性和强大的功能都达到了分析软件的一个新高度。a n s y sw o r k b e n c h 主 要由四个部分组成：c a d 参数化建模工具d e s i g n m o d e l e r 、c a e 分析工具 d e s i g n s p a c e 、a w e 环境、优化技术d e s i g n ) l o r e r a w e 的主要特点有： 可靠的几何输入功能； 强劲的网格划分功能； 省时的双向c a d 链接； 参数管理驱动的d o e 优化和变分技术 1 3 4 用a n s y sw o r k b e n c h 进行有限元分析的过程 输入c a d 模型；a w e 能直接读入所有的常用c a d 格式。 用d e s i g n m o d e l e r 建立设计模拟的模型。在这个过程可以完成以下功能：( 1 ) 进 行特殊的几何修改功能，如焊接；分割表面；表面模型的提取；梁模型的创立。( 2 ) 参数 化的建模功能如带有尺寸和约束的2 d 草图等等。 用d e s i g ns i m u l a t i o n 执行有限元模拟。在这过程将要完成对模型的网格划分， 材料参数的设置，边界约束条件的设定，仿真方法的选取以及完成分析计算等等 使用d e s i g n x p l o r e r 或d e s i n g x p l o r e r 进行设计优化。 将选定设计返回给原来模型。 2 3 】 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 2 有限元分析的基本理论和方法 2 1 有限元技术的发展 有限元法始于本世纪四十年代初期，当时数学家r ，c o u r a n t 用三角形单元计算棱杆的 扭转问题，m j t u r n e r 将这一方法运用到工程设计中并加以推广，在五十年代中期，他们 用平面分析法求解了复杂的飞机结构闯题。他们得到的有限元方程属于以节点位移为未 知量的矩阵位移法。m j t u r n e r 的顾问r c o u r a n t 把这种新的工程计算方法拓广到土木工 d 程上，并在一篇题为“平面分析的有限单元法”论文中首先使用“有限元法”( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 这个名称。初期的有限元都是以单一的位移场作为未知量，它在单元间 边界上满足协调条件，故称之为位移元或协调元。位移元有列式简单、计算量小、易于 在计算机上实施的优点。当然也有其缺陷，对于平板弯曲问题与薄壳问题，在引用变分 法时，位移元要求挠度及其导数都连续，这样很难建立单元内插值形函数。另外，位移 元对于奇异性闯题效率较低，对不可压缩材料存在“自锁”现象。 六十年代中期，美国麻省理工学院卞学瑛教授提出了一种新的有限元模型。最初， 这种模型基于最小余能列式，在单元内部假设应力，同时独立的在单元边界上假设位移。 由于不需要单元内部位移，所以前面提到的问题都不存在了。1 9 7 6 年，卞学瑛教授将这 一模型取名为“杂交应力模型”。1 9 6 8 年，卞学瑛和董平提出在单元邻界上为了保持单 元间面力平衡，约束条件要由一个新的独立变量即单元邻界上的协调位移作为拉氏乘子 引入，于是得到修正的余能原理。由此以后，借助于单元边界上的拉氏乘子建立起来的 有限元都称之为“杂交元”。杂交元避免了“自锁”问题，但对非线性问题如弹塑性问 题或蠕变问题，杂交应力元的精度相对位移元来说，也有需要改进的地方。例如，假设 应力时，往往有许多可能，而应力与位移搭配不当，就会出现多余机动模式。 七十年代初，e l w i l s o n 等人提出了非协调单元，即在单元位移插值中附加内部节 点的位移项，使插值函数中的二次项趋于完备，从而改进了位移等单元的计算精度，但 它对任意形状的单元不能通过补片试验。r l t a y l o ：给出了通过补片试验的补救方法， 即用等参座标原点处的雅可比值来代替雅可比矩阵。 八十年代初，唐立民，陈万吉等人提出了拟协调元，它通过对几何方程的加权积分 大连理工大学硕士学位论文 进行离散来得到假设的应力参数与节点位移的关系。这里应力与应变有相同的插值函数。 从变分法来看，拟协调元是基于h u - w a s h i z u 广义变分原理，以位移场、应力场、应变场 为变量的多交量有限元。到现在，基于有限元技术的大型通用程序已发展得非常完善， 广泛的应用于各个工程领域。 2 2 有限元技术简介 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对 象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的 数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只 要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元 方法的基本理论要用到数学、力学方面的各种知识。对于一个应用工程师来说，它的目 的是应用有限元方法去求解各种工程问题，目前市场上各种功能强大的有限元程序包很 多，这些程序包使用方便，也不需要对有限元法进行很深入的了解，即可应用这些程序 求解工程问题。因此，对于一般的工程技术人员来说，只需要花很少的时间了解一些有 限元的基本知识即可，不需要对它的理论背景作更深入的研究。用有限元法进行工程分 析的一般工作流程如图2 1 所示。在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象 的不同，采用的单元类型也不同，常见的有以下几种单元： ( 1 ) 杆、梁单元，这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由沿轴线的坐 标确定。 ( 2 ) 板单元，这类单元内任意点的变形和应力由x y 两个坐标确定，这是应用最广泛的 基本单元，有三角形单元和矩形板单元。 ( 3 ) 多面体单元，它可分为四面体单元和六面体单元。 ( 4 ) 薄壳单元，这是由曲面组成的壳单元。 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 图2 1 有隈元法工程分析的一般流程 应用有限元法解题的具体步骤如下： ( 1 ) 、单元剖分和插值函数的确定 根据构件的几何特性、载荷情况及所要求的变形点，建立由各种单元组成的计算模 型。再按单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数u ( x ，y ，z ) ，v ( x ，y ， z ) ，w ( x ，y ，z ) 或d = s ( x ，y ，z ) a 。利用节点处的边界条件，写出以a 表示的节点位移 q 。= u l ，v l ，w l ，u 2 ，v 2 ，w 2 并写成 q 。= c a( 卜1 ) 求c 1 ，及a - c - 1q 。了，并代入d = s a ，得 d = sc q 。= nq ( 1 2 ) 它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 单元特性分析 根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应变为 e = bq 。( 1 3 ) 式中b 一应变矩阵相应的变分为 6 = b6q 。( 卜4 ) 由物理关系，得应交与应力的关系式为 口= de ：dbr( 卜5 ) 式中，d 是弹性矩阵。 自虚位移原理，。6 1a d v = 6 ( q 。) ，可得单元节点力与位移之间的关系式为 ，= rq 。 ( 卜6 ) 式中，r 是单元特性，即刚度矩阵，并可写成 k e = ，。b 1d b d v ( 卜7 ) ( 3 ) 单元组集 把各单元按节点组集成与原结构相似的整体结构，力与节点位移的关系式，即整体结构 平衡方程组 f = k q ( 1 8 ) 式中k 一整体结构的刚度矩阵： 卜总的载荷矩阵： q 一整体结构所有节点的位移矩阵 对于结构静力分析载荷矩阵，可包括 j 2j ，+ 5 m + s 。 式中f ，= ，n 1p td v ( 体积力转移) ，l = j 。旷p td s ( 表面力转移) ，l = n p ( 集中力转 移) 。 ( 4 ) 解有限元方程 可采用不同的计算方法解有限元方程，得出各节点的位移。在解题之前，必须对结 构平衡方程组进行边界条件处理，然后再解出节点位移q 。 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 ( 5 ) 计算应力 若要求计算应力，则在计算出各单元的节点位移q 。后，自= bq 。和 = d = dbq 即可求出相应的节点应力。 5 2 3 有限元技术的应用 从6 0 年代起，我国著名数学家冯康等人就开始了这方面的理论研究，8 0 年代这一领 域的工程化应用才渐渐在国内开始，先后出现了s a p 、a d i n a 等有限元软件。现今尚属发 展阶段，但应用前景十分广阔，它不仅在工业界各个领域的产品设计中占有举足轻重的 地位，近来在日用消费品设计方面的优势也已显现。 现在，设计人员可以通过有限元分析软件把一个大型工程设计分为无数小块，再通 过计算机的高速计算，求得每个小方块中的最佳数值，综合分析后即可得到产品的最优 化设计方案。这样不仅节省了产品的开发时间，降低了产品的设计费用，更重要的是提 高了产品的竞争力。在产品设计中，设计师如果能将c a d 与c a e 技术良好融合，就可以达 到设计的理想状态一一互动设计，从而保证企业从生产设计环节就达到最优效益。目前， 有限元分析软件己在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、 电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。在汽车设计行业， 国外著名轿车公司在豪华轿车的产品设计中，以前通过经验设计时需要制造2 0 0 多辆样 车，才能完成汽车的安全碰撞设计，现在有8 0 多辆就足够了，大部分的设计内容都是通 过有限元分析软件在电脑中模拟实现的，这样可以节约开发的资金和大量研制时间。在 飞机制造行业，以前通过做风洞试验检测飞机的各项性能，如今许多试验都是通过电脑 仿真实现的。 2 4 有限元的发展趋势 1 9 6 3 1 9 6 4 年，b e s s e l i n g ，m e l o s h 和 o n e s 等人证明了有限元法是基于变分原理的 r i t z 法的另一形式，是处理连续介质问题的一种普遍方法。有限元分析理论的逐步成熟 主要经历了三个阶段：上世纪6 0 年代的探索发展期，7 4 8 0 年代的独立发展、专家应用期 和9 0 年代与c a d 相辅相成的共同发展、推广使用时期。随着有限元分析技术和计算机软件 技术的发展，有限元的应用领域得到极大的扩展。当今国际上f e a 方法和软件发展呈现出 大连理工大学硕士学位论文 以下一些趋势特征： ( 1 ) 由单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续 体固体力学分析。实践证明这是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也己经证 明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够通近精确值。所以近年来 有限元法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算， 进而发展到隶解几个交叉学科的问题。 ( 2 ) 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 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，有的问题就只有采 用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很 多专门的数学问题和运算技巧，般工程技术人员很难掌握。为此，近年来国外一些公 司花费了大量的人力和投资，开发诸如m a r c ，a b q u s 和a d i n a 等求解非线性问题的有限元 分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以 及丰富和实用的非线性材料库。 ( 3 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随 着数值分析方法的逐步完善，特别是计算机运算速度的飞速发展，用于求解运算的时间 越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。可以说，工程师在分析计算 一个工程问题时有8 0 以上的精力都花在数据准各和结果分析上。因此，目前几乎所有的 商业化有限元软件都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调“可视化”的 今天，很多软件都建立了对用户非常友好的g u i ，用户能以可视图形方式直观快速地进行 网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、 等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。 ( 4 ) 与c a d 软件的无缝集成 当今有限元分析系统的另一个特点是与通用c a d 软件的集成使用，即：在用c a d 软件完 成零部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算。如果分析的结果不符合设计 要求，可以重新进行造型和计算，直到满足要求为止，这极大地提高了设计的水平和效 客车车身骨架有限元分析及接点形式对疲劳寿命的影响 率。所以，当今所有的商业化有限元软件商都开发了和著名的c a d 软件如p r o e n g i n e e r ， u n i g r a p h i c s ，s o l i d w a r k s ，m e a s 和a u t o c a d 等的接口。 ( 5 ) 在w i n d o w s 平台上的发展 现在，有限元分析所必需的软件和硬件在p c 机上基本是由微软的w i n d o w s 操作系统和 3 2 位的i n t e lp e n t i u m 处理器提供支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研发机构 都纷纷将他们的软件移植到w i n d o w s 平台上。为了将在大中型计算机和e w s 上开发的有限 元程序移植到p c 机上，常常需要采用h u m m i n g b i r d 公司的一个仿真软件e x c e e d 这样做比 较麻烦，而且不能充分利用p c 机的软硬件资源。最近，i d e a s ，a d i n a 和r & d 等公司开始在 w i n d o w s 平台上开发有限元程序，称作“n a t i v e w i n d o w s ”版本，同时还有在p c 机上l i n u x 操作系统环境中开发的有限元程序包。在我们国内，1 9 7 9 年美国的s a p 5 线性结构静、动 力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高 潮。1 9 8 1 年引进的a d i n a 非线性结构分析程序，使许多工程难题都得到了解决。业内人士 都开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是 当时国内大中型计算机很少，所以用户算题非常不方便，而且费用昂贵。p c 机的出现及 其性能的飞速提高，为移植和发展p c 版本的有限元程序提供了必要的运行平台。近年来， 国内f e a 软件的发展一直是围绕p c 平台做文章，在国内开发比较成功并拥有较多用户( 1 0 0 家以上) 的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的j i f e x 4 5 、北京大学力学与科学 工程系的s a p & 4 、中国农机科学研究院的m a s 5 o 和杭州自动化技术研究院的m f e p 4 o 等。 2 5 有限元法在客车结构分析中的应用 7 在汽车研发的全过程中，计算机辅助工程分析( c a e ) 是最重要的手段，它是实现汽车 从设计概念到产品验证的强有力工具。现代计算机技术和有限元理论的不断发展，给汽 车的结构分析提供了有力的工具。1 9 7 0 年美国宇航局的n a s t r a n 结构分析程序的引入，标 志着汽车现代有限元分析的开始。计算机计算速度的提高，大大缩短了计算分析周期， 而有限元软件功能的完善又促进了有限元分析在现代汽车领域的应用。 汽车现代有限元分析包含的内容比较多，包括汽车基本结构的静动态特性分析、噪 声以及振动分析等。客车车身骨架是复杂的承载结构系统，如果用经典力学方法计算其 强度和刚度，或进行动态分析，需要作很多简化和假设，计算过程繁杂且精度不高。而 大连理工大学硕士学位论文 且在计算复杂构件时，需要初步给出结构的几何尺寸，并按照己知的结构载荷工况来进 行分析计算。根据计算出的应力、应变修改几何尺寸后再进行分析。如此反复，才有可 能选取最佳方案。而且方案的有效性还必须通过实车试验来检验，周期长，需要的费用 多，这就使有限元法成为计算车身骨架的一种有效而实用的工具。