（机械电子工程专业论文）混凝土搅拌车车架的静动态特性分析及改进.pdf

内蒙古科技人学硕士学位论文 摘要 某型号混凝土搅拌运输车经过短期的使用副车架即出现裂纹现象。本文主要 针对出现的故障研究混凝土搅拌运输车副车架的强度和刚度状况。车架作为搅拌 车总成的一部分，承受着来自道路和装载的各种复杂载荷作用，并且车上许多重 要总成件都是以车架为载体。因此车架的强度和刚度在搅拌车总体设计中起到了 非常重要的作用。 通过采用大型结构通用有限元分析软件a n s y s 有限元分析软件对车架进行 建模，并对该车架在弯曲工况、扭转工况和紧急制动工况下的静态强度进行了分 析。分析结果表明，该车架受到的最大应力值接近于材料的强度极限，满足不了 设计的要求。然后，对车架进行了模态分析和谐响应分析，计算出车架的模态振 型与相应的固有频率，通过固有频率与振型从整体上考虑车架的局部强度问题。 最后，对车架的副车架进行改进并对改进后的车架进行了实测，初步验证了改进 方案的可实施性。 本文的研究结果表明有限元法和a n s y s 软件为车架结构及动力特性的仿真 以及优化设计提供了良好的基础理论及方法，为研究整车振动、疲劳和噪声等问 题奠定了基础。 关键词：车架；有限元；模态分析；结构改进 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n c r e t em i x e rt r u c ko fap a r t i c u l a rm o d e li nas h o r tt i m ea l r e a d ya p p e a r e dc r a c k o nt h ev i c e - f l a m e t h i sp a p e rs t u d i e st h ef a u l tf o rt h ee m e r g e n c eo fc o n c r e t em i x e r t r u c kf r a m e ，d e p u t ys t a t eo fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s a sap a r to ft h et r u c k ，t h e f r a m e s u p p o r t sa l lk i n d so fc o m p l i c a t e dl o a d sc o m i n gf r o mt h er o a da n df r e i g h t a n d m a n y a s s e m b l yo ft h et r u c ka r eb u i l ti nt h ef l a m e s ot h ei n t e n s i t ya n dt h es t r o n go f t h e f r a m e p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g no ft r u c k s t h r o u g ht h eu s eo fg e n e r a l p u r p o s ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ef o rm o d e l i n go ff r a m e ，a n db e n d i n gt h ef r a m ei nt h e c o n d i t i o nt or e v e r s ee m e r g e n c yb r a k i n gc o n d i t i o na n dt h es t a t i cs t r e n g t hc o n d i t i o n s w e r ea n a l y z e d a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ef l a m eo ft h em a x i m u ms t r e s sv a l u e sa r e c l o s et ot h el i m i t so fm a t e r i a ls t r e n g t h ，c a nn o tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n d ，o n t h ef r a m ef o rt h em o d a la n a l y s i so fah a r m o n i o u sr e s p o n s ea n a l y s i st oc a l c u l a t et h e m o d a lf r a m et y p ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n gn a t u r a lf r e q u e n c y ，t h r o u g ht h en a t u r a l f r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo nt h ew h o l et oc o n s i d e rt h el o c a li n t e n s i t yo ft h ef r a m e p r o b l e m f i n a l l y ，t h ev i c e f r a m ec h a s s i sa n do p t i m i z e d c h a s s i so p t i m i z e df o rt h e m e a s u r e m e n t ，t h ei n i t i a la u t h e n t i c a t i o nc a l lb eo p t i m i z e di m p l e m e n t a t i o no ft h e p r o g r a m h e r e i nt h er e s e a r c ho ff e aa n da n s y ss o f t w a r eo f f e r e das e to fb a s i ct h e o r y a n d m e t h o df o rt h ef r a m es t r u c t u r ea n ds i m u l a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i tl a i dt h e f o u n d a t i o nf o rt h ep r o b l e mo ft r u c kv i b r a t i o n ，f a t i g u ea n dn o i s e k e y w o r d ： f r a m e ；f i n i t ee l e m e n t ；m o d a la n a l y s i s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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，也不包含为获得内蒙 古科技大学或其他教育机构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任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：堇塾丛日期：逊丞丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 内蒙古科技人学硕十学位论文 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 本课题来源于对某专用汽车厂生产的大型混凝土搅拌运输车的设计改进。汽 车设计技术的发展己从早期的经验设计和科学实验结合传统的技术分析阶段进 入到今天广泛采用的计算机辅助设计( c a d ) 阶段，而且将计算机辅助工程 ( c a e ) 引入到从最初的概念设计到最终测试的设计全过程中。在汽车设计的各 个阶段都可采用c a e 技术，从而缩短研发周期，降低开发费用，提高设计质量。 混凝土搅拌车在行驶过程中，车架不仅承担发动机、底盘和承载货物的重量， 而且还要承受汽车行驶过程中因路面不平整而产生的随机载荷及各个传动部件 产生的振动载荷。车架结构在各种振动源的激励下会产生振动，如果这些振源的 激励频率接近于车架的固有频率，便会引起共振现象，产生剧烈的振动和噪声， 甚至造成结构破坏。为提高汽车行驶的安全性、舒适性和可靠性，就必须对车架 结构的静态、动态强度进行分析。 本文针对国内某专用车有限公司生产的混凝土搅拌运输车车架，通过采用大 型结构通用有限元软件a n s y s 对该车架进行静态、动态强度研究及相关试验研 究，以满足使用工况需求，并为进一步改进提供参考依据。因此，本研究对提高 我国混凝土搅拌车的设计水平和行驶的安全性具有重要的指导意义。 1 2 混凝土搅拌运输车的发展状况 混凝土机械是基本建设的常用机械，需求量大，应用范围广。在工业发达国 家，混凝土机械生产企业的技术水平，往往标志着一个国家的制造水平。经过几 十年的发展，特别是近几年我国经济建设的大力拉动，使混凝土机械得到了进一 步普及和应用，从而成为建筑机械的主力军。 商品混凝土的普及主要依靠“一站三车 ，所谓“一站三车 技术，是指混 凝土搅拌站、混凝土车架、混凝土泵车、混凝土搅拌运输车。本论文主要的研究 对向足“混凝土搅拌运输车”1 1 】。 内蒙古科技大学硕士学位论文 混凝土搅拌运输车技术引进我国已有2 0 多年，从目前现状来说，国内的技 术已比较成熟，并且市场需求量也越来越大。国内外品牌的竞争也非常激烈，企 业产品差距进一步缩小。虽然这些年，我国的“混凝土搅拌运输车市场发展迅 速，但是也存在着不少的问题。比如：企业不重视产品更新和新产品开发，产品 多年一贯制，品种规格较少，技术含量较低，有专利和特色的产品以及能出口创 汇的产品更少；关键配套件，如搅拌主机、搅拌运输车底盘、混凝土液压泵和马 达、减速机、电控系统等大部分零部件，生产企业都是从国外进口；产品机电一 体化技术推广不利；罐体材料，以及罐体的刚度和强度与国外产品比较有着明显 的差距，罐体内部叶片的布置不合理等等1 2 j 。 受国家工程建设项目的增多和城市禁止现场搅拌等政策影响，作为工程建设 主要用车的混凝土搅拌运输车需求量近年来一直保持旺盛的增长势头，特点是 2 0 0 2 年以后需求量快速上升，目前我国混凝土搅拌运输车年生产能力约6 0 0 0 辆， 仅2 0 0 3 年的需求量就超过7 0 0 0 辆，大大超过现有生产能力。2 0 0 6 年第一次超 过万辆大关，需求规模上升到一个新的台阶。2 0 0 7 年上半年已实现销售近8 0 0 0 辆，预计全年需求量将达到1 5 0 0 0 辆左右的高水平。 目前市场上出现的搅拌运输车搅拌容积为3 1 5m 3 ，其中7 1 0 聊3 使用得最 多，但1 1 1 5m 3 也显示出强劲的发展潜力。 根据对国内相关区域市场调查情况分析，未来几年内国内搅拌运输车的市场 发展的主要趋势见表1 1 。 搅挫銮抠( 缝：墅麴直塞兰塑! ! 塑!三q ! q 2 54 2 2 0 0 3 0 03 0 0 6 - 一76 4 1 5 0 0 2 0 0 04 1 0 0 8 1 06 4 7 5 0 07 1 0 0 3 5 0 0 1 1 1 58 4 3 0 0 1 1 0 01 6 0 0 表1 1 国内搅拌运输车需求类别及对应台数预测 2 0 0 6 年1 2 月，商务部发布关于“十一五”期间加快散装水泥发展的指导 意见( 商改发【2 0 0 6 1 5 1 9 号) ，提出“十一五一期间加快散装水泥发展指导意 见，具体目标为到2 0 1 0 年全国散装水泥产量由2 0 0 5 年的3 8 亿t 增加到6 9 亿t ， 水泥散装率由3 6 6 提高到5 5 ，预拌混凝土产量达到7 亿m 3 ，预拌砂浆产量 达到2 0 0 0 万t 。 2 内蒙古科技人学硕士学位论文 当前，我国许多城市都在进行大规模的旧城改造。1 9 9 0 2 0 0 3 年，中国的城 市覆盖面积增加了2 1 9 2 万k m 3 ，城市化水平己从1 9 9 0 年的1 8 9 增至2 0 0 3 年 的3 7 6 5 ，每年将新增城市人口1 4 0 0 力。其发展趋势一是逐渐向大中城市发展， 另一趋势是以大城市为中心的城市群发展。继续扩大城市范围，继续加大城市的 建设将是不变的潮流。据全国7 个典型城市搅拌运输车运量的统计，平均一辆车 一年约能运输1 0 0 0 0 m 3 ，按全国预拌混凝土总量每年新增1 亿川3 计，今后每年 也需要新增1 万辆搅拌运输车，这个市场无疑是巨大的【3 1 。 虽然混凝土搅拌运输车行业的问题较多，但由于市场正处于旺势，今后数年 罩国内对混凝土搅拌运输车的需求每年都会有较大幅度的增长。因此，上述问题 将会被掩盖。如果国内企业能趁着今后这一段发展的黄金时间练好内功，增强企 业的核心竞争力，那么等到市场回落的时候，混凝土搅拌运输车生产企业就已经 健康地发展起来了。反之，则很可能像当前许多行业那样大打价格战，搞低层次 的竞争，最终整个行业陷入困境。新产品开发的种类各厂家大体相似，很多是学 别人的，真正拥有自主知识产权的不多。如果再不重视自主技术的开发和自主知 识产权的保护，不要几年的工夫，我们中国人自己的产品会越来越少，甚至会成 为外国公司的技术附庸。 混凝土机械发展的主导产品是商品混凝土成套设备，作为“十五”规划的重 点项目，商品混凝土成套设备，无论从数量上还是质量上都将有一个较大的提高。 这些产品将比以往更加注重降低能耗，更加注重安全性、舒适性、维护和使用的 经济性。商品混凝土近年来在大中城市有了较大的发展，约占现浇混凝土的 1 5 - - - , 2 0 左右，与发达国家的7 0 9 0 相比还有较大的差距，由此给国内混 凝土机械制造厂家提供了一个大的发展机遇。商品混凝土成套设备的配套产品以 及能够满足用户特殊要求的产品将会在未来得到较大发展。如高性能混凝土搅拌 设备、冷热搅拌的混凝土搅拌站、长臂架泵车等。此外，国家实施西部大开发战 略，投资规模将超过以往任何大型工程。由于西部丌发时间跨度长、东西部经济 差距大，不可能集中购买高、精、尖的大型设备，因此适合西部自然环境、经济 实用的产品将会被市场看好【4 1 。 从各企业生产产品来看，各制造商推出的大多为8 1 2 m 3 混凝土搅拌车， 选用三桥或四桥底盘。主要底盘类型有雷诺、同野、五十铃、解放、东风、斯太 内蒙古科技大学硕士学位论文 尔王、华菱、福田、h o w o 及北方奔驰等【5 】。从目前市场来看，绝大部分用户 根据施工条件，自身的设备情况及经济方面的考虑，更倾向于使用容量为8 - 9 m 3 搅拌车。作为混凝土搅拌车各个制造商，都在着手按国家标准g b1 5 8 9 2 0 0 4 规 范行业，积极进行老产品改造、新产品开发，提高产品国产化率，推行规模生产， 降低生产成本，满足用户要求，提高企业的市场份额。如安徽星马、福田重工均 采用自己的底盘，徐州利勃海尔、上海华建、辽宁海诺等厂商也一同推出了配装 国产底盘的混凝土搅拌车。 随着城市化建设面积不断扩大，商品混凝土供应站不断扩建、增多，并向城 乡结合部迁移，使混凝土运距有所延伸。那么以往的“一站三车 的设备匹配， 即混凝土搅拌站、混凝土搅拌运输车、混凝土泵车和混凝土车架四者配备比例为 2 ：1 0 2 ：( 1 2 ) 将会突破，其比例关系将随之改变，进而促使混凝土搅拌运输 车市场的进一步扩大【6 】。 1 3 有限元分析技术在汽车工程中的应用 在汽车结构分析中，有限元法由于能解决结构形状和边界条件任意的力学问 题而被广泛应用。各种汽车结构件都可应用有限元法进行静态分析、模态分析和 动态分析。现代汽车设计已从早期的静态分析为主转化为以模态分析和动态分析 为主，因为实际汽车强度更加依赖于汽车振动及随机载荷响应。只有通过结构动 态分析，才能进一步提高汽车结构强度设计水平，汽车结构动态分析技术己经进 入实用化阶段。汽车结构有限元分析的应用主要体现在： ( 1 ) 汽车设计中对所有结构件、主要零部件的强度、刚度和稳定性分析。当 结构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、磨损过大等时，可应用有限单元法进行 计算，找出危险区域和部位，研究结构损坏的原因，提出改进设计的方案，并进 行相应的计算分析，直到找到合理的方案为止； ( 2 ) 汽车结构件或零部件的优化设计。如以汽车质量或体积为目标函数的最 优设计，还有对比分析中的参数化设计和形状优化； ( 3 ) 对汽车结构件进行模态分析、瞬态分析和日向应谱分析，为结构的动态设 计提供方便有效的工具； 4 内蒙古科技人学硕+ 学位论文 ( 4 ) 汽车零部件及整车的疲劳分析。在概念或详细设计阶段估计产品的寿命 或分析部件损坏的原因； ( 5 ) 应用概率有限元，为汽车零部件提供概率和可靠性设计依据； ( 6 ) 车身内的声学设计。将车身结构模态与车身内声模态祸合，评价乘员感 受的噪声并进行噪声控制。 ( 7 ) 车身空气动力学计算，解决高速行驶中的升力、阻力和湍流等问题，为 汽车性能和造型设计服务； ( 8 ) 汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析，提高汽车结构的被动安全性。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要针对国内某专用车有限公司生产的混凝土搅拌运输车车架，通过采 用大型结构通用有限元软件对该车架进行静念、动态强度研究及相关试验研究， 为车架的设计和改进提供依据和指导。主要研究内容如下： ( 1 ) 在分析搅拌车车架结构的基础上，主要采用板壳单元对车架进行离散， 建立混凝土搅拌车车架有限元分析模型； ( 2 ) 根据混凝土搅拌车的承载特点和行驶工况，对该车架进行满载弯曲工 况、满载扭转工况和满载制动工况下的静态应力分析，分析车架的承载能力，包 括应力分布、应力水平和变形情况； ( 3 ) 建立搅拌车车架有限元模态分析模型，对搅拌车车架进行有限元模态分 析和谐响应分析，求得车架的固有频率和振型，并分析各阶振型下车架的振型特 点。 ( 4 ) 针对前面分析的结果，提出车架的改进方案。并进行实际测试。 内蒙古科技人学硕士学位论文 第二章混凝土搅拌运输车综述 混凝土搅拌运输车( 以下简称搅拌车) z 日匕l - - , 够自动完成装料和卸料，运输过程中 能对车内的预拌混凝土不停地进行搅拌，以保证预拌混凝土的质量。与一般的货 物运输不同，混凝土运输有如下特点【3 】： 一是专业性强。 二是服务性强、均衡性差。预拌混凝土的运输是直接为建筑工地服务，一切 工作必围绕用户( 工地) 的施工进度来安排。只要用户施工需要，就必须马上将 预拌混凝土送到用户指定的地点，真正做到，“2 4 小时随叫随到”，不能提前， 也不能推迟，否则不但将造成预拌混凝土的浪费，还会给企业的信誉带来负面影 响。 三是时间性强。预拌混凝土生产出来以后一般必须在2 h 以内送达到工作面 上( 这个时间要求因预拌混凝土的型号不同而有所不同，个别特殊型号的预拌混 凝土必须在2 0 m i n 内使用) ，在此时间内搅拌不能停止，一个工作面完工前预拌 混凝土的供应不能中断。这些要求必须一环扣一环地严格满足，没有“灵活掌握 的余地。 四是运距短。一般合理的运距在2 0 k m 以内。随着社会的进步，我国混凝土 生产和施工技术得到迅速发展，搅拌车制造技术日益成熟，市场容量不断扩大。 6 内蒙古科技 学硕士学位论文 2 1 搅拌车的总体结构 图2 1 搅拌车整车结构图 混凝土搅拌车主要由二类汽车底盘、动力和传动装置、搅拌装置三大部分组 成。具体结构如图2 1 所示： 1 汽车底盘：为专用装置提供动力。 2 整车铭牌：表示整车的相关信息。 3 液压系统总成：将发动机的动力传递到搅拌装置。 4 前支撑：固定减速机，对搅拌筒的前端起支撑作用。 5 副车架：将专用装置与主车架固定在一起。 6 搅拌筒：对混凝土起搅拌作用。 7 后支撑：上部安装滚轮，对搅拌筒的后端起支撑作用。 8 控制系统总成：控制搅拌筒的转速和方向。 9 检修平台：用于观察搅拌筒内的工作情况，以及对相关部件方便检修。 1 0 摆动机构：可以使出料斗在水平范内实现1 8 0 。的转动。 1 1 升降机构：可以使出料斗在垂直方向实现升降。 1 2 出料斗：实现混凝土的卸料。 1 3 叉形斗：辅助出料斗进行卸料。 1 4 进料斗：实现混凝土的装料。 牟 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 5 滚轮总成：与后撑共同实现对搅拌筒的支撑作用，并于滚道接触，实现 搅拌筒的转动。 1 6 水路系统总成：对车辆进行清洗，主要是对进料斗、叉形斗、出料斗和 搅拌筒外表面清洗。 2 2 工作原理 发动机启动时，其后端的取力器也随之一起旋转，取力器的转速与发动机的 转速比通常为1 ：1 。液压泵的输入端通过传动轴与取力器连接在一起，液压泵 的高速旋转产生约为3 0 0b a r 的高压液压油，驱动液压马达旋转。液压马达和减 速机连在一起，通过驱动减速机旋转从而带动搅拌筒转动，实现搅拌的功能。减 速机为行星齿轮机构，其速比一般大于1 0 0 ，所以搅拌筒的转速约为o 1 5r p m ， 其转速通过调节液压泵斜盘的角度可以进行调节。 动力传递形式： 发动机_ 液压泵_ 液压马达_ 减速机一搅拌筒 2 3 副车架的失效形式 搅拌车的使用环境多为路况极为恶劣的工地或筑路现场，在使用过程中路面 的高低不平通过底盘悬架系统对搅拌车各部件造成了很大冲击和振动，使各部件 处于不断地疲劳应变状态中，长期的话可能导致零部件失效。如果与上装零部件 产生共振的话，那么很可能在短期的情况下导致零部件失效。 同时由于搅拌车的搅拌罐是通过前后支撑安装在副车架上，而前后支撑位置 在副车架的前后端，这就导致了副车架承受罐体通过前后支撑作用在其上的两处 集中力，这是于其它类型的专用汽车不同的一个显著特点，由于副车架是受两点 集中力的作用，造成了副车架在使用过程中承受着很大的弯矩和扭矩，使得副车 架的应力状态极为恶劣。 另外，由于搅拌罐的位置较高，在满载的情况下，使整车的重心偏高，这导 致了搅拌车的整车稳定性很差，在使用过程中常发生侧翻。 副车架起着联接底盘和整车上装的重要作用，是搅拌车的重要部件。它在使 8 内蒙占科技人学预l 学忙论殳 川过阳i ，r 蹙番扣仲、 i 转、巧盹的艇和向山，脚j j 状态椒为复朵和甚劣n 仕 川过程中，“ij 。副4 。架脚卜1 架小斯的振讪 j t n 底盘后桥；f 1 心线f _ 胃处发乍 忡r t 弯曲。n 达到定的北劳法数肝，剐1 。架，ir 啦件变彤、丘乍剐1 架断裂址 搅拌车常虬的失效形式。f 叫时，j ：剐牟架嗣卜：架变形甘敢整午用装置n 后 桥中心线以后能臂发7 i - f 沉，使搅拌罐剽副年架距离逐渐变小而发0 一f 涉，最终 使搅拌车无法j f 常使j i 。图22 是某型号搅拌牟在使片 不到半年的时日j 咀就发生 断裂的图片： 图2 2 副下架开裂圈 副车架断裂以后唯一的维修方式就是更换新的副车架。如果在断裂的地方 进行焊接处理，则由于焊接区域为应力集中区域，在维修后很短的时间里就发生 再次断裂的现象。由于更换副车架时需要将整个上装拆卸后，更换新的副车架， 然后再进行装配，维修的 作量极大。 可见，有效地减小副车架发生弹性变形和防止产生塑性变形是副车架设计时 需重点考虑的问题。 内蒙古科技人学硕士学位论文 第三章有限元模型的建立 3 1 有限元分析的基本理论 有限元方法诞生于2 0 世纪中叶，随着计算机技术和计算方法的发展，已成 为计算力学和计算工程领域罩最为有效的计算方法。许多工程分析问题，如固体 力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性分析、热学中 的温度场分析、流体力学的流场分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控 制方程的问题，但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单且几何边界 相当规则的少数问题。 对于大多数工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者问题的某些非线 性特征，很少能得到解析解。这类问题的解决通常有两种途径：一是引入简化假 设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态下的解。 这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化可能导致不精确的甚至错 误的解。另一种方法是尽可能保留问题的各种实际状况，尝试寻求近似的数值解， 放弃封闭形式的解析解，因为近似数值解也可以满足工程实际需要。人们在广泛 吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机来获得满足工程要求的数值解， 这就是数值模拟技术，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之 一。目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、 离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单 元法。 3 1 1 有限单元法的基本思想 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方 式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且 单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。单元内部 点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单， 易于由平衡关系或能量关系建立节点量之问的方程式，然后将各个单元方程“组 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件求解。单元划分越细，计算结 果就越精确。 从应用数学角度来看，有限单元法基本思想的提出可以追溯到c o u r a n t 在 1 9 4 3 年的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小 位能原理相结合来求解s t v e n a n t 扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工程 师由于各种原因都涉足过有限单元的概念。但只是到1 9 6 0 年以后，随着电子计 算机的广泛应用和发展，有限单元法的发展速度才显著加快1 7 1 。 3 1 2 有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件，唯一实现了前处理、后处理、分析求解及多场祸合分析统一数据 库功能。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，它 能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ， a l o g o r , i - d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一，也是迄 今为止世界范围内唯一通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证的分析设计类软件。a n s y s 可以在大多数计算机和操作系统( 如w i n d o w s ，u n i x , l i n u x ) 上运行，在p c 机、 工作站、大型机和巨型机的所有硬件平台上，它的数据文件均可兼容。该软件运 行可靠性好，计算精度高，享有较高的可信度。 下面分几个方面对a n s y s 进行介绍【8 - 1 3 】： ( 1 ) 用户界面一a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，其图形用户界面( g u i ) 友好、程序构架易学易用； ( 2 ) 图形一完全交互式图形已成为a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图 形对于校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的； ( 3 ) 处理器一按不同的功能可将a n s y s 分为若干个处理器：一个前处理器、 一个求解器、两个后处理器以及几个辅助处理器( 如设计优化器) 。a n s y s 前处 理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所需的选择项；a n s y s 求解器用于 施加载荷及边界条件，然后完成求解运算；a n s y s 后处理器用于获取并检查求 解结果，从而对模型作出评价，进而进行其它感兴趣的计算； 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 数据库一a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存贮所有模型数据及 求解结果。模型数据通过前处理器写入数据库；载荷和求解结果通过求解器写入 数据库；后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理器写入数 据库中，即可被其它处理器使用。例如，通用后处理器不仅能读取求解数据，而 且能读取模型数据，然后利用它们进行后处理计算； ( 5 ) 文件格式一文件可用于将数据从程序的某一部分传输到另一部分、存贮 数据库以及存贮程序输出。a n s y s 文件包括数据库文件、计算结果文件、图形 文件等等。程序生成的文件或者是a s c i i 格式或者是二进制格式。在缺省设置下， a n s y s 程序生成外部格式( i e e e 标准) 的二进制文件，该格式允许在不同硬件 系统中移置。例如，当某一用户在某一计算机系统中生成模型几何数据后，该数 据可方便地传输给另一系统中的另一个a n s y s 用户。 a n s y s 分析过程包括三个阶段：前处理、求解及后处理。 1 前处理 前处理用于定义求解所需的数据。a n s y s 提供了强大前处理功能，包括两 部分内容：实体建模和网格划分。它可以像通用绘图软件一样建立几何实体模型， 然后对模型进行网格划分、编辑。它提供了丰富的单元库，可以对形状比较复杂 的结构进行单元离散。其定义的边界条件可以是任意形式的约束，加载条件可以 是点载荷、线载荷、面载荷。通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解过程 所需的文件大小及内存需求【1 4 1 。 2 求解 在前处理阶段完成后，用户通过求解阶段可获得分析结果。在a n s y s 分析 的求解之前，用户可以指定分析类型、分析选项和载荷步选项，然后开始求解计 算。 求解时有多种求解器可供选择。直接求解器，如适用于大多数模型的波前求 解器( f r o n t a l ) ，可计算出线性联立方程组的精确解。a n s y s 程序还提供了 一个有效的稀疏矩阵求解器( s p a r s e ) ，它既可用于线性分析，也可用于非线性 分析。在既要求精度又要求求解时间的静态和瞬态分析中，它可以代替迭代求解 器。由于稀疏矩阵求解器基于方程的直接消去，因而可容易地处理病态矩阵。对 于接触状态可改变拓扑结构并影响波前宽度的非线性分析，以及模型为具有多个 内蒙古科技入学硕十学位论文 波前的多分支结构的任何分析，该求解器都较为适用。稀疏矩阵求解器只能用于 真正的对称矩阵，与波前及其它直接求解器相比，它能显著加速求解速度。 在求解大规模问题时，为节省资源、减少机时，用户可选用迭代求解器以作 为直接求解器的替代。a n s y s 程序提供了三个迭代求解器：预条件共扼梯度 ( p c g ) 求解器，j a c o b i 共扼梯度0 c g ) 求解器，以及不完全c h o l e s k y 共辘梯度 0 c c g ) 求解器。一般地说，迭代求解器更适用于大而复杂的问题。对于求解场 问题( 包括声、热及磁) 以及具有对称、稀疏、正定矩阵的其它大型问题，迭代 求解器更为有效【1 5 1 。 ( 1 ) 结构静力学分析 a n s y s 程序中的结构静力学分析，用来求解外载荷引起的位移、应力和力。 静力分析适合于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的 问题。这种分析类型广泛应用于机械工程和结构工程。 ( 2 ) 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，包括瞬态 动力学分析、模态分析、谐响应分析及随机振动。与静力学分析不同，动力学分 析则考虑载荷随时间的变化以及阻尼和惯性影响。 ( 3 ) 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。实际上，所有结 构本质上都是非线性的，只是在对分析影响很小时常常被忽略。然而，如果认为 非线性对结构性质的影响到了不能忽略的程度，则需要进行非线性分析。 3 后处理 a n s y s 程序的后处理过程在前处理和求解之后，它可以通过友好的用户界 面，很容易地获得求解过程的计算结果并对其进行运算。交互式后处理过程中， 图形可联机输出到显示设备上，也可以脱机输出到绘图仪上。 后处理访问数据集的方法有两种，一种是通过后处理器p o s t i 检查整个模 型或模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果；另一种是时间历程后处理器 p o s t 2 6 跨多个数据集检查选择出的部分模型的数据，如特定节点的位移或单元 应力。当数据从结果文件读出后，数据存于a n s y s 程序数据库。后处理中允许 内蒙古科技人学硕十学位论文 访问所有输入数据。使用交互的方式可方便地进行数据库操作并立即提供结果图 形和结果列表。通过q 切片功能可以得到所分析模型在任何平面上的结果。 3 1 3 有限单元法的分析过程 有限元分析计算的具体步骤可归纳为【1 每1 9 】： 1 结构的离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。 离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、 数目等应根据问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定。所以有限元中 分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式 连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划 分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 2 单元分析 ( 1 ) 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力 作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量 时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用 范围最广。 ( 2 ) 分析单元的力学性质 。 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元 节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力 学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵， 这是有限元法的基本步骤之一。 ( 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对 于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作 用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是 用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。 这是有限单元法的实质内容，包括如下几步： 1 4 内蒙古科技大学硕十学位论文 1 ) 取每个单元的节点位移 6 ) 。作为基本未知量。 2 ) 在单元内建立位移模式，即 = 6 ) 。 ( 式3 1 ) 式中， u ) 为单元内任意一点的位移列阵； 6 ) 。为单元的节点位移列阵； 【 为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 3 ) 根据几何方程，由上式导出单元的应变表达式： 斜= 吲 6 ) 。 ( 式3 2 ) 式中， ) 为单元内任意一点的应变列阵； 【b 】为单元应变矩阵。 4 ) 利用物理方程，由应变的表达式( 式3 2 ) 导出用节点位移表示单元应力 的关系式： 盯) = d 水) d 曰水) 。s 6 ) 。 ( 式3 3 ) 式中，【仃】为单元内任意一点的应力列阵；【d 】为与单元材料有关的弹性矩 阵； 【s 】称为应力矩阵，【s 】= 【d 】【b 】。 5 ) 根据平衡条件或虚功原理，建立作用于单元上的节点力和节点位移之间 的关系式，即： f ) k 。 6 ) 。 ( 式3 4 ) 式中， f ) 为单元的节点力向量；【k 。为单元刚度矩阵， k 。= f 【b r d b 抄 ( 式3 5 ) r ) 。= 【 r p ) + 九 r 历弘+ r p ) 咖 ( 式3 6 ) 其中 尺) ， p ) ， p ) 分别为作用于单元上的集中力、面力和体力。 3 2 在a n s y s 中建立几何模型 搅拌车车车架结构的有限元模型可以采用梁单元、板壳单元建立。梁单元模 型将结构简化为一组两节点梁单元组成的结构，以梁单元的截面特性反映车架的 结构特性，这种模型的优点是单元和= 常点数目少，前处理工作量少，计算量较小， 1 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 计算速度快，但是计算精度较低，且难以反映车架纵梁与横梁的连接情况。从计 算经济性方面看，也很少使用实体单元来建立车架模型。目前更多是将车架以中 面( m i d s u r f a c e ) 形式抽取出来，以板壳单元离散。本章将基于板壳单元，应用 a n s y s 软件完成车架结构几何模型与有限元模型的建模工作。 3 2 1 几何模型的创建方法 建立几何模型是运用a n s y s 分析问题的第一步，也是非常重要的一步。建 立几何模型，是指用点、线、面和三维实体等几何元素构筑要分析的物体。几何 模型是对分析对象形状和尺寸的描述，又称几何求解域。在a n s y s 程序中，创 建几何模型的方法有两种： ( 1 ) 用a n s y s 前处理器几何建模功能创建几何模型； ( 2 ) 用a n s y s 的c a d 接口功能导入或导出几何模型。 由于混凝土车架的结构比较复杂，如采用其它c a d 软件建立其几何模型， 然后再导入到a n s y s 中，需要作大量的修改工作，加之模型局部网格需要细化， 以及几何上需要改进等原因，宜采用a n s y s 前处理器几何建模功能来创建模型。 因此，本课题采用a n s y s 前处理器几何建模功能，来创建混凝土车架的几何模 型。 3 2 2 建立几何模型应注意的问题 在工程实际中，物体的结构往往十分复杂，此时如果完全按照实体结构来建 模，生成的数学模型将变得十分复杂，不仅使得生成计算模型的工作量相当巨大， 而且也会大大增加计算时间，甚至会使得计算在实际上无法进行。因此在建立几 何模型时，为避免使问题变得过于复杂，在满足一定的精度要求条件下，可以对 物体结构作适当的简化处理。 在建立混凝土车架几何模型时，除了对它作简化处理外，还应该注意的问题 是，几何模型中不能有“重线”和“重面 的现象。在a n s y s 中，由于创建图 形的方法多种多样，且各图形创建不分先后，因此不可避免的发生“重线”的现 象，有时甚至发生“重面”的现象。对大型物理结构的模型来说，尤为如此。所 谓“重线”，是指在所建立的几何模型中，两相交面的公共部分不是一条线，而 是多条线重合。所谓“重面”，是指在所建立的几何模型中，两个面或多个面在 1 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 某一空问位置完全或部分重合。为什么几何模型中不允许“重线”和“重面”存 在呢? 我们知道，两面相交为一条线，且仅有一条。倘若模型中有“重线”存在， 即两面的边界线并不唯一，由有限元理论和a n s y s 特点可知，模型中的线将作 为后继生成单元的公共边界，那么，后继生成单元的公共边界也不唯一。从而导 致加在某些单元上的载荷或约束不能传递到其它的单元上，进而得出错误的结 论。如果模型中有“重面”存在，同样的道理，也会得出错误的结果。可见，无 论实体模型中有“重线 ，还是有“重面”，均需对模型进行修改。 如何修改存在“重线 或“重面的几何模型? 对有“重线 的模型来说， 只需用工作平面( w o r kp l a n e ) 在“重线 的公共线的边界处将长线分割开，然后 合并关键点( k e yp o i n t ) 即可。对有“重面”的模型而言，只需用工作平面在“重 面 的公共面的边界处将大面分割开，然后合并关键点即可。合并关键点的具体 操作：m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r - n u m b e r i n gc t r l s 一 m e r g ei t e m s ，弹出m e r g e c o i n c i d e n te q u i v a l e n t l yd e f i n e di t e m s 对话框，在t y p eo fi t e mt ob em e r g e 框的下 拉选项中选择k e y p o i n t s ，单击按钮o k 即可【2 l 】。 3 2 3 几何模型的创建 混凝土搅拌运输车的车架由横梁、纵梁、斜梁、加强板等组成。为了使计算 简单合理，在不影响总体强度和刚度的条件下，对车架模型作以下简化处理： ( 1 ) 在实际应用中，焊接处可按需进行连续或重复焊接，强度总是可以保证， 因此在建模时，不考虑焊缝对结构的影响，将焊缝和各部件看作一个连续体； ( 2 ) 车架上的小孔、焊接小件等，并不影响总体强度和刚度，因此在建模时， 对它们予以忽略； ( 3 ) 混凝土搅拌运输车由许多厚度不同的钢板焊接而成，且这些钢板很薄，用 板壳单元就能很好地进行模拟； ( 4 ) 车架前后端分别支撑在牵引座和吊耳上，牵引座和吊耳均通过钢板弹簧与 轮胎连接，因此在建模时，用弹簧单元来模拟钢板弹簧和轮胎在支撑处的等效刚 度。 内蒙古科技人学硕士学位论文 l - - 1r 已一w j l 目一 h剧 。、 ，_ | k 图3 1 简化前的车架结构图 8 1 5 0 o o n 图3 2 简化后车架结构图 副车架的作用是将专用装置与底盘连接在一起，同时在使用过程中随同主车 架承受弯曲和扭转的作用力。副车架同底盘的联接是采用止推板，同时在它的前 端采用u 形螺栓将主车架和副车架联接在一起。止推板可以约束副车架在主车 架上的水平位移，u 形螺栓可以约束副车架在垂直方向的位移。副车架和主车架 的连接方式见图3 3 所示。为了更好的分析副车架的受力，本文把主副车架简化 为一体后进行分析。 内蒙古科技大学硕士学位论文 图3 39 4 车架和主车架连接方式 几何模型在计算机中的表示形式有实体模型、曲面模型和线框模型三种，具 体采用那种形式与结构类型有关，如板、壳结构采用曲面模型，空间结构采用实 体模型，杆件系统采用线框模型等。在确定了几何建模方法并了解了如何简化模 型，以及应该注意的问题之后，用a n s y s 可方便快捷地建