ANSYS在汽车零部件设计中的应用

1、ANSYS在汽车零部件设计中的应用本文中非常具体的介绍了Ansys仿真软件在一种零件中的应用。很有借鉴作用。 1、 发动机机体 发动机机体同时承受高着热负荷和机械负荷工作，本质上是多物理场偶合工作体，ANSYS 多物理场分析的功能为发动机的分析提供了完整的解决方案。 ADAPCO 公司用ANSYS 详尽地进行了某V6发动机机体的热分析、结构分析、动力分析和热结构耦合分析（图1，2）。对产品开发作用特别明确。 图13 V6 发动机机实物 图144 发动动机整体体模型1.1 柄连杆杆机构运运动件 活塞、曲柄连连杆等运运动件是是高热/机械负负荷部件件，因为为往复运运动，其其质量对对整个发发动机性性能

2、非常常重要。ANSSYS 分析热热和机械械载荷下下的形状状及应力力为设计计提供依依据。 图3 曲曲柄连杆杆机构的的柔体运运动学、动力学学分析连杆强度度向来是是发动机机设计关关键，AANSYYS 柔柔体柔柔体接触触计算功功能可以以准确模模拟连杆杆与大头头盖、主主销、曲曲柄销间间联合工工作状况况。这是是ANSSYS 系统分分析功能能和强大大的接触触功能体体现。 ANSSYS 曲轴结结构分析析和模态态分析功功能计算算出曲轴轴扭转与与弯曲模模态，通通过频率率优化达达到减震震效果。ANSSYS 的疲劳劳计算功功能，精精确的计计算曲轴轴传统疲疲劳强度度，同时时还可计计算出曲曲轴的强强度因子子，从而而预测疲

3、疲劳裂纹纹的产生生及疲劳劳寿命。应用AANSYYS 对对曲轴轴轴颈及油油膜进行行流-固固耦合分分析评价价高曲轴轴的耐磨磨性。 曲轴连连杆机构构运动件件的重量量优化设设计，不不仅是节节省材料料及发动动机重量量降低，运动件件质量对对改善发发动机整整体的工工作状况况特别有有效，AANSYYS 形形状优化化的功能能可以对对活塞内内腔、活活塞销孔孔、连杆杆形状、曲轴圆圆角和曲曲柄臂尺尺寸进行行优化设设计。 1.22 机体体： 缸缸盖、箱箱体、缸缸套 机机体、缸缸盖的热热分析特特别重要要，热疲疲劳是失失效和“拉缸”主要原原因，为为保证可可靠性与与耐久性性，应用用ANSSYS分分析机械械和热负负荷下的的刚度

4、、强度是是设计师师的首选选。ANNSYSS 可准准确地计计算出机机体的自自振频率率及模态态。以控控制噪声声源。此此外ANNSYSS 可模模拟机体体的热冲冲击实验验、热-结构耦耦合分析析可计算算出机械械负载、热负荷荷双重作作用下机机体的变变形，应应力分布布。流体体-结构构偶合分分析轴承承油膜状状态进行行润滑系系设计等等等。 图4 缸缸盖、箱箱体分析析 图55 上海海柴油机机公司利利用ANNSYSS 热分分析功能能模拟某型号号发动机机机体热热冲击实实验，根根据分析析结果改改进结构构，效果果明确。 1.3 气气机构： 进排排气门、气门弹弹簧、摇摇臂、推推杆、挺挺杆、凸凸轮轴、正时齿齿轮 配配气机构构

5、影响发发动机性性能，要要求进行行精确计计算。AANSYYS 系系统分析析能够考考虑配气气机构中中各个部部件的弹弹性变形形，从而而取得比比刚体假假定更精精确凸轮轮-气门门规律。 图6 大大连机车车车辆厂厂利用AANSYYS 结结构分析析找到了构构摇臂座座裂纹发发生的原原因。提提出改进进方法。 气门门弹簧承承受高频频交变载载荷，伴伴随着多多气门设设计的发发展趋势势，弹簧簧尺寸限限制更大大， AANSYYS非线线性瞬态态动力分分析及疲疲劳分析析的功能能，可较较好地解解决非线线性变节节距弹簧簧高应力力破坏及及疲劳损损坏问题题。排气气阀受高高速冲击击载荷、受高温温燃气冲冲刷，AANSYYS 热热结构构耦

6、合分分析可仿仿真，热热疲劳分分析预测测可靠性性都是十十分有效效。 图7 进进气螺旋旋图 图图8 消消声器热热分析图图 图99 增压压器涡轮轮分析配气机构构分析中中存在着着大量的的接触问问题，AANSYYS 高高级接触触单元、接触向向导、智智能化接接触参数数设置的的功能引引导设计计工程师师方便、有效、快速地地进行配配气机构构的非线线性分析析，解除除了计算算者非线线性参数数选取试试凑的苦苦恼，大大大加速速了分析析进度。 1.4 进进排气系系： 空空气滤清清器、进进排气道道、增压压器、消消声器 进排气气系统的的设计关关系到结结构-热热-流体体-声的的综合作作用，是是典型的的多物理理场问题题。ANNS

7、YSS 计算算流体动动力学可可计算气气道的流流场分布布、压力力分布、温度分分布、湍湍流动能能、湍流流耗散率率，得到到气道几几何形状状对进气气效率的的影响，；通过过ANSSYS 独一无无二的流流场优化化功能，可使发发动机由由于进排排气阻力力而造成成的功率率损失减减至最低低。 进进排气系系是汽车车噪声的的重要噪噪声源，ANSSYS 声场分分析和声声场优化化可求解解出声压压分布及及分贝级级别，通通过对消消声器的的声流流体结结构耦合合的优化化仿真，可大大大降低排排气噪声声、减小小排气阻阻力。增增压器涡涡轮有轮轮-轴过过盈配合合、超高高速旋转转、和叶叶片振动动等严格格的工作作条件，ANSSYS 协助用用

8、户完美美解决了了工程中中提出的的多项技技术问题题。 11.5 燃油供供给系： 油箱箱、油泵泵、高压压油管 燃油喷喷射和进进气螺旋旋关系到到燃烧充充分和排排放，AANSYYS 流流体动力力学分析析及优化化功能允允许设计计师在物物理样机机制造之之前考查查多种气气道方案案得到最最优设计计。 国国家已经经禁止化化油器车车销售，电喷技技术普遍遍应用，通过电电控实现现智能燃燃油供给给，提高高功率和和控制排排放，AANSYYS 多多物理场场仿真技技术可模模拟电喷喷过程的的“电磁结结构多场场耦合”的工作作状况，为电喷喷系统的的设计提提供了从从性能评评价到结结构设计计的完整整解决方方案。 图10 散热片片流-固

9、固耦合分分析图 图111 散热热器模态态分析1.6 冷却系系： 冷冷却系设设计焦点点是结构构、空气气、水、油和热热的流动动和传递递过程，分析项项目主要要是计算算流体力力学和偶偶合分析析。ANNSYSS 分析析得到冷冷却系统统内的流流动、温温度分布布、与结结构壁面面的对流流换热系系数等，从而为为冷却系系的设计计提供参参数。 2、 传动系系： 变变速箱、离合器器、万向向节、主主减速器器、差速速器、半半轴、液液力偶合合器与液液力变速速器等传传动系承承担功率率传递功功能，部部件在随随机高载载荷条件件下工作作，强度度震动问问题始终终是主要要矛盾。以主传传动螺旋旋伞齿轮轮为例，过去FFEM 分析只只能针对

10、对啮合过过程的一一个状态态分析，现在AANSYYS 可可以在啮啮合运动动全过程程中分析析齿轮对对的强度度、刚度度响应。因为分分析对象象可以包包含齿轮轮轴和轴轴承座，这就可可能发现现因为齿齿轮轴或或轴承座座刚度不不足而造造成螺旋旋伞齿轮轮对碎齿齿问题（图122）。 图12 齿轮滚滚动接触触分析高档汽车车采用液液力变速速器是靠靠流体在在泵轮、导向轮轮和涡轮轮间液体体耦合的的相互作作用工作作的。AANSYYS 流流体和非非线性流流固耦耦合的分分析功能能，可预预测其工工作性能能与可靠靠性。 传动轴轴系统的的扭转振振动是产产品设计计关键，ANSSYS 模态分分析可准准确的预预测其自自振频率率及振型型，指

11、导导设计。 万向向节密封封套在大大变形条条件下工工作，设设计上寿寿命至少少要求达达到一个个大修期期。韩国国大成公公司采用用ANSSYS 软件对对封套进进行损伤伤寿命及及密封性性能预测测，得出出了不同同的轴交交叉角与与应力关关系曲线线，完好好地解决决了密封封套的寿寿命设计计问题。图133、144。 图13 图1443、 承承载和行行驶系： 车身身车架、车桥、轮胎、悬挂（前后桥桥、钢板板弹簧、减振器器） 汽汽车承载载和行驶驶系是高高负荷安安全结构构，可靠靠性特别别重要，所以强强度分析析地位特特别突出出。ANNSYSS 全面面多样单单元库和和多种分分析功能能及强大大的前后后处理能能力的能能力为承承载

12、系和和行驶系系的分析析提供了了完整、方便的的解决方方案。采采用ANNSYSS 进行行非线性性柔体运运动学、动力学学仿真和和优化设设计，可可将设计计水平推推上一个个新的层层次。 车架和和车身结结构，基基本是由由梁组件件焊接（铆接）而成，分析中中常应使使用梁单单元模型型。ANNSYSS 有梁梁断面几几何参数数生成和和记忆单单元的断断面形状状功能、按真实实断面形形状显示示梁单元元，后处处理中能能在断面面上显示示应力结结果、按按工程习习惯绘制制弯矩图图等极大大方便了了梁系模模型应用用。 现现代车身身车架的的设计应应充分考考虑碰撞撞过程的的能量吸吸收能力力，以提提高汽车车的被动动安全性性。ANNSYSS

13、 的冲冲击碰撞撞模拟功功能及非非线性屈屈曲的分分析功能能，是车车身车架架吸能件件设计、刚度分分配设计计的标准准软件。 图15 双层客客车计算算模型用用梁单元元模拟骨骨架图116 车车架全壳壳体单元元分析模模型在车轮的的设计中中，车轮轮的轮毂毂、轮辋辋和轮胎胎的非线线性分析析是十分分关键的的。采用用ANSSYS的的复合材材料多层层实体单单元技术术在保证证轮胎求求解同等等精度的的同时计计算成本本大幅度度下降。 图17 ANSSYS 上海办办事处直直接造型型的车轮轮模型。图188 北京京化工大大学采用用ANSSYS分析发现现潜在问问题，根根据计算算结果调调整了一一些几何何参数，使其满满足了强强度及疲

14、疲劳寿命命条件。完成了了某子午午线轮胎胎的三维维非线性性计算，取得了了与地面面接触状状态下，各层材材料的应应力分布布。 悬悬架的设设计中，ANSSYS 的柔体体运动学学、动力力学仿真真比以往往的刚体体假设计计算更加加真实地地反应了了悬架的的动力特特性；AANSYYS 非非线性优优化设计计的功能能，可方方便地设设计出符符合非线线性力位移曲曲线的悬悬挂弹簧簧；流场场计算、流固固耦合分分析可保保证液压压式减振振器的可可靠性。 别克克轿车弹弹簧是变变线径、变节距距、变节节圆半径径、下端端套有塑塑料的复复杂结构构，代表表了当前前最先进进、最复复杂的弹弹簧设计计。中国国弹簧厂厂在设计计该弹簧簧过程中中，为

15、达达到非线线性的力力位移移曲线，利用AANSYYS 进进行优化化设计，一个月月内就设设计出了了符合要要求的弹弹簧。图图20 图211。 图19 后悬架架的柔体体动力学学分析 图200 前悬悬挂弹簧簧 图221 应应力分布布4、 转转向系与与制动系系： 动动力转向向设计中中，ANNSYSS 的流流体分析析可计算算出管路路中流经经各阀门门、油罐罐、油泵泵等处的的油液流流量、压压力，流流固耦耦合分析析可计算算出动力力油缸活活塞的运运动及应应力，从从而保证证转向特特性。 制动是是一个重重要噪声声源，制制动器本本身的振振动也影影响其工工作的可可靠性与与稳定性性，ANNSYSS 的矩矩阵单元元和约束束方程

16、的的手段，允许添添加阻尼尼和方程程约束，从而方方便地建建立更符符合实际际的制动动器摩擦擦耦合模模型，进进行模态态分析可可对制动动器的尖尖叫倾向向进行估估评，从从而抑制制制动噪噪声。 清华大大学用AANSYYS 建建立了制制动器摩摩擦耦合合模型，研究得得出摩擦擦耦合系系数对制制动尖叫叫趋势的的影响以以及抑制制、消除除尖叫的的解决方方法。图图22 为制动动器有限限元模型型，图223 为为制动盘盘变形。 图22图图23 图244 流体体流迹5、 座座椅、仪仪表板总总成 座座椅设计计不单是是舒适性性，相关关的安全全性标准准规定了了座椅对对乘员保保护的严严格要求求，座椅椅大变形形计算成成为常规规的分析析；采用用ANSSYS 非线性性计算功功能，进进行碰撞撞过程中中座椅靠靠背和头头枕对乘乘员保护护性能进进行评判判，已通通过相应应标准。 清华华大学用用ANSSYS 软件对对座椅进进行非线线性大变变形计算算，与试试验结果果的对比比发现，计算与与试验间间的误差差只有22.8。 图25 计算位位移与试试验结果果的对比比6、 汽汽车电子子、电器器 现代代汽车已已从单一一的机械械产品变变为机电电产品，ABSS、电子子喷射、微机电电系统已已占到相相当的比比例。AANSYYS 多多物理场场仿真的的能力，在汽车车汽车电电子、电