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Y i1 舢9 4 眦7， 9 4 9The Finite Element of Analysis of Integrated Coach Body Based on ANSYSA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Wei NingboSupervisor：ProfChen DingyueChangan University,Xian，China论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指引下，独立进行研究 工作所获得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不涉及任 何未加明确注明的其她个人或集体已经公开刊登的成果。本声明的法律责任由本人承当。论文作者签名：熟专泼少，年多月篮日论文知识产权权属声明本人在导师指引下所完毕的论文及有关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式刊登、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后刊登或使用学位论文或与该论文直接有关的学术论文或成 果时，签名单位仍然为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：氨岁淡lf年6 R心日导师签，-f每名吵B摘要客车车身是客车整车的一种重要构成部分，在汽车构造设计中，应用有限元法对客 车车身骨架进行静、动态特性的分析，并对其振动特性进行评价，对于进一步理解车身 构造的应力和变形状况，充足结识其振动固有振型，进而对整个车身构造设计进行优化， 提高整车性能，缩短产品开发周期，减少开发成本，均具有重要的意义。 ，本文以某国产客车为例，在二维CAD工程图纸的基本上，运用ANSYSll0软件建 立了客车车身骨架的几何模型，并通过合理的简化，选用空间梁单元建立了可供计算的 有限元模型。在建模的过程中，不仅考虑了边界条件的解决与简化，还考虑到对车身结 构上不同质量及载荷的解决，并结合客车在实际运营过程中也许遇到的四种典型工况： 匀速直线行驶、路面高下不平浮现的单轮瞬间悬空、紧急制动及急速转弯等工况，详尽 地进行了车身骨架构造的静力学分析计算，理解了车身构造的强度及应力变形状况。同 时为了掌握该车的动态性能，并对车身构造进行了前十阶模态分析，得到了车身固有频 率及相应的振型。为了进一步提高车身构造的强度及性能，在上述分析成果的基本上， 对该客车车身构造进行了局部改善，并再次进行有限元分析，验证其科学合理性。成果表白，文中建立的有限元模型是合理的，分析是对的的，所得成果可用于客车 构造的优化与改善。核心词：车身构造，有限元分析，ANSYS，典型工况AbstractA skeleton of a bus body is one of the most important componentsIt is啊tal for US tO apply the fmite element technique tO analyze the static&dynamic characteristics and tO evaluate the vibration characteristicIt is easy to know the possible stress and distortion of the bus body and tO recognize the inherence vibration model in body designing through the finiteelement analysisFurthermore，it would bring uS dramatic effect in many aspects，especially inoptimizing bus structure，improving body performance，shortening the cycle and reducing。the cost of developing new models In this paper,taking a domestic bus for exampleFirstly established a geometry model of the full scale bus skeleton utilizing ANSYS 1 10 on the basis of twodimensional CAD project drawingsBy using beam element，the finite element model for calculation Was setup throughthe reasonable simplifiedThe FEA model not only involves treatments of boundary conditions，simplified treatment of some skeleton parts，but also deals with the fixed weight and loading that is put on the structureConsidering four typical operation situation，such asthe bus running witIl the uniform velocity；one of the wheels hang in the air when the busrtmning on an uneven road；the bus brakes suddenly and the bus steers quicklyThecalculation of statics analysis of bus bodyS姗cture is expatiatedAlso，we can know the strength，stress and distortion of the bus bodyIn order tO analyse the dynamic characteristicof the body structure，the ten orders natural frequencies had been calculated and had got the body inherent frequency and the corresponding vibration modelTo improve the strength and performance of the body s仃ucture，we combine the result of analysis tO improve the local structure of the bus and then apply the finite element analysis once again toverify its scientificrationalityestablished in the paper isP tO optimize and improvetion目录第一章绪论l11客车车身的研究背景和意义1111研究背景l112客车车身的构造特性3113客车车身构造分析的意义612课题研究的内容7第二章有限元法的基本理论与ANSYS简介9 21有限元法的发展 922有限元法的基本思想和分析过程lO221有限元法的基本思想。10222有限元法的分析过程11222有限元单元简介1323有限元法的应用1724 ANSYS简介l 8241 ANSYS软件概况1 8242 ANSYS软件的功能和特点1925客车车身构造的分析流程2126本章小结。22第三章客车车身构造的有限元建模2331建模的准备工作2331。l单位制及坐标系的选择23312建模措施的拟定24313单元的选择24314模型的简化解决2532有限元模型的建立25321几何模型的建立25322材料属性、梁截面属性及实常数的指定26323网格的戈0分27324车身载荷的解决29325边界约束的拟定29326有限元模型的生成2933本章小结30第四章客车车身骨架构造静力学分析3141客车车身骨架分析技术指标31Ill411客车车身静态强度分析指标。3 1412客车车身静态刚度分析指标。3242匀速直线运动工况分析33421载荷及约束的解决-33422计算成果与分析3343扭转工况分析37431左前轮悬空弯扭组合工况37432右前轮悬空弯扭组合工况4144紧急制动工况分析44441载荷及约束的解决44442计算成果与分析4445急速转弯工况分析一：48451载荷及约束的解决48452左急速转弯工况计算成果分析48453右急速转弯工况计算成果分析5146本章小结54第五章客车车身骨架构造模态分析5651模态计算的基本理论5652客车车身构造的模态分析57521模态分析的过程57522模态分析的成果及评价5853本章小结一6l第六章客车车身构造局部改善。6261修改状况6262修改后的有限元计算分析。63621改善后的强度分析63622改善后的刚度分析70623改善后的模态分析7463本章小结75结论。76参照文献。78附录80攻读研究生期间参与的科研项目及论文刊登状况82 鹭C谢一83IV长安大学研究生学位论文第一章绪论11客车车身的研究背景和意义，-111研究背景随着世界经济的发展，汽车作为一种新时代的重要交通工具，正在逐渐地影响和改 变着人们的生产和生活。国内是一种人口大国，同步也是一种消费大国，随着国内汽车 工业的迅速崛起以及经济体制的进一步发展，国内的汽车保有量不断的增长，其中大、 中型客车的占有率不断提高，这使国内的客车生产得到了迅速蓬勃的发展。国外的大、中型客车技术是随着汽车工业的不断进步与发展而一步步成熟起来的， 到目前为止已经发展成为一种技术先进、制造工艺成熟、研发体系完整的拥有健全机制 的链条模式产业。特别是在欧美某些发达国家，其汽车技术远远领先于其她国家，成为 行业中的佼佼者。目前，国外大中型客车在设计制造和技术上重要有如下几种方面的特 点：(1)发动机。为了进一步提高客车的动力性能，国外客车一般都采用大功率的发 动机，一般为120千瓦以上，有的甚至高达250千瓦。同步这种大功率发动机大多都是 涡轮增压型柴油发动机，并且采用高压共轨电控喷油技术，动力性强，工作可靠，还可 以节省燃料，排气污染也较低，并且大修里程长，一般大修里程约为50万公里以上。(2)底盘技术。底盘的性能直接决定着整个客车技术性能的好坏，由于客车的底 盘上一般要安装悬架系统、变速器、发动机、转向器以及某些其她应用设备系统【11，而 且不同类型的客车对于底盘的规定也各不相似，这就决定了先进底盘技术对整个客车技 术的重要性，国内初期客车生产技术落后，也重要体目前车身底盘技术上的落后。目前， 国外大中型客车为了提高舒服性、动力性和平顺性，正在朝着以空气弹簧悬架、自动变 速器、助力式转向器并同步拥有ABSASR系统的大方向发展【21。(3)车身造型。车身造型可分为两种：一种是曲面流线型，这种车型充足考虑了 客车运营时的空气动力学，具有风阻小、燃油经济性高，外形美观的特点，一般多用于 长途客运的高档豪华客车：另一种是直线方基调型，这种车型的线条设计相对简洁、工 艺简朴，车身高度较低，构造多采用无车架式底盘构造的全承载式车身骨架，一般多用 于都市公共汽车13J。(4)行驶安全性高。国外客车生产公司非常注重客车的行驶安全性，对客车车身第一章绪论骨架的强度、刚度和振动特性均有很高的规定原则，同步应用成熟的CADCAE技术对 客车进行辅助设计和研究分析，使客车的构造更加趋于合理。在被动安全性能方面，大 都采用封闭环骨架的全承载式车身构造，大大提高了车身构造的强度和刚度，同步还降 低了车身的高度和自重，使得客车的平顺性大大提高【41；在积极安全性能方面，采用了 ABS制动防抱死控制系统、ASR驱动轮防滑控制系统以及兼具ABS、ASR两者功能的 EBS电子控制制动系统，ESP电子行驶稳定控制系统(通过变化发动机输出转矩、调节 驱动力控制及制动力分派来避免客车也许发生的侧翻)，以及综合各个子系统的CAN整 车总线控制系统【5】。这些都大大提高了客车的行驶安全性。国内开始客车生产是在建国后，起初是在国外底盘的基本上，改装成客车。随着其 它某些客车生产公司的相继投产，客车的底盘生产有了基本的保证，在这个时期，都市 客车和公路客车都得到了迅速的发展，其车身一般是由某些专业化的车身厂直接生产， 然后在现成的货车底盘(货车三类底盘)或者专用客车底盘上直接改装而成【6】。当时的 客车动力性差、车速不高、冲击振动大、平顺性和舒服性都很低。进入80年代后，改 革开放让国民经济得到了飞速的发展，国内的客车生产技术有了一种新的奔腾。并且随 着生活水平的提高，人们对客车的动力性、平顺性、安全稳定性、舒服性和经济性都提?出了更高的规定，各个客车生产公司也明显提高了自己的研发技术和生产能力，相继开 发了客车专用前轴(加大轴距加宽轮距)、液压动力和循环球式转向器、客车专用减振 器、客车麦弗逊空气悬架、双管路制动系统和横向稳定杆系统等有关先进生产技术，车 身构造、车身内饰及车壳座椅都按照人体工程学理论进行优化设计，极大限度的满足了 现代人们对于客车的高规定。进入90年代，国内客车行业突破自我，通过技术引进、合资建厂等方式生产出许 多高技术水平的公路客车和都市客车，具有典型代表意义的有采用欧美技术的尼奥普兰 客车、亚星奔驰客车、西沃客车、中通BOVA客车、南京依维柯轻客等，以及引用日韩 技术的江淮现代、丰田斯柯达等。通过对国外客车先进生产技术的引进，使国内的客车 生产技术得到了迅速的提高。与此同步，国内的自主品牌客车也开始慢慢崛起，形成了 “三龙一通为龙头，黄海、中通、安凯和青年等为骨干的中国客车生产企,ll,tn。这些 客车生产公司在生产规模不断扩大的同步，努力提高自身的技术水平，并结合国内现阶 段的实际状况，开发出具有自身技术特点的众多客车品牌与种类。多种公路长途客车、 旅游客车、都市的低地板环保客车、新能源客车及机场摆渡车都实现了国有品牌化，并 出口国外许多国家。中国客车的迅速发展与崛起，使中国客车成为全球客车产业中的重长安大学硕：t学位论文要构成部分，已经从老式的追求“量”的优势，逐渐转变到追求“质”的高度。据记录， 年国内共出口大中型客车425万辆，出口额91亿美元。受全球金融危机影响，、 客车出口业务略有回落，但随着全球经济的逐渐回暖，中国客车出口量和出口额 每年都在实现新的突破。中国客车产品琳琅满目，在满足国内市场的的同步，已经在国 际市场上站稳脚跟，随着电子技术的不断更新与发展，国内客车生产将会蒸蒸日上，跻 身客车生产强国之列指日可待。112客车车身的构造特性 由于客车的种类多样，其分类形式也不尽相似。按照客车的承载形式(体现了车身构造与车身制造工艺的差别)，可以分为非承载式车身、半承载式车身和承载式车身【引。(1)非承载式客车车身 非承载式车身(如图11所示)是将车身骨架通过橡胶衬垫或弹簧等柔性支撑组装在底盘车架上的一种老式的车身构造形式。车架承受着安装在其上面的各个总成、部件 的多种载荷，是承载的基体，此类车身只有在车架发生弯曲扭转时才会承受由其引起的 小部分载荷，因此非承载式车身的底盘一般均有较强的车架。车身骨架与车架是弹性连 接在一起的，由于弹性元件具有的挠性作用，来自路面的大部分冲击振动会被削弱或者 消除，可以对车身可以起到一定限度的保护作用。图11非承载式客车的底盘及车身在国内客车发展的初期，绝大部分都是采用的是这种非承载式的车身构造，其长处是：1)连接车身与车架的橡胶衬垫或弹簧，可以在一定限度上起到缓冲、隔振和降噪 的作用；2)底盘与车身可分开后重组，装配工艺简朴，有助于专业化生产；3第一章绪论3)车架是支承的基体，便于各总成和部件的安装，同步对车身可以起到一定的保 护作用。但是这种车身在构造上也有很大的缺陷： 1)车身基本不参与承载，为了保证车架有足够的强度，使得整车质量较大，不符合车身轻量化的发展趋势； 2)车架制造工艺复杂，底盘构造改善成本高，开发周期长；3)客车重心高，高速行驶稳定性差。 (2)半承载式客车车身半承载式车身(如图12所示)是基于非承载式车身和承载式车身的一种过渡车身 构造，车身与车架刚性连接在一起，车身承受部分的载荷。这种车身构造的特点是底盘 继续保存有车架(此时车架可称之为底架)，车身骨架的侧围立柱与车架纵梁两侧的外 伸横梁通过焊接或螺栓刚性连接在一起，因此该种构造形式的车身也可以分担承受一部 分弯曲、扭转载荷。半承载式车身与非承载式车身相比，可以合适减少车身地板的高度，一定限度上可 以减小车身构造对底架强度和刚度规定，从而减少客车的自重。但是由于保存有底架， 车身的地板难以做到很大限度的减少，整车轻量化也受到了一定的限制。目前国内大部 分客车都采用此种半承载式客车车身构造形式。图12典型的半承载式客车车身(3)承载式客车车身 承载式车身(如图13所示)是一种无独立车架的整体车身构造形式，最先是由德4长安大学硕上学位论文国凯斯鲍尔公司在上世纪50年代将飞机制造上的框架式构造技术应用到客车车身生产 上的。其最大的特点是车身底盘不是采用老式的车架式构造，而是由薄钢板冲压或型钢 焊接所构成的格栅桁架式构造。整个车身是由左右侧围、前后围、底架和顶盖六大片组 成的封闭环构造，载荷由整个车身承受。根据车身上、下部分受力限度的不同，承载式 车身可分为基本承载式和整体承载式两种类型如图14所示。歹霄一鼍图13承载式客车车身a)基本承载式b)整体承载式 图14承载式客车受力简图基本承载式车身形式指的是客车的主承载部分是强度和刚度较大的车身腰线如下 的车身构造部分，而车项不参与承载的一种承载式车身构造。这样设计，客车的窗立柱 就可以合适缩小尺寸，达到轻量化目的。整体承载式车身指的是整个车身所有都参与承载的一种承载式车身构造，该种构造 均由截面相近的梁通过焊接连在一起，整个车身在承受载荷时，车身材料可以发挥其最 大的承受限度，使车身壳体达到一种稳定平衡的状态，这样就可以在等强度车身构造要 求下，使车身的质量减轻而强度和刚度又能得到保证。因此承载式车身的长处非常明显：1)自重明显减少，构造强度和刚度提高；第一章绪论2)车身构造合理，材料运用率高；3)整车重心低，高速行驶稳定性高；4)被动安全性高。 同步，承载式车身构造也存在某些局限性之处：一是承载式车身对隔振降噪规定很高，使得质量和成本有所增长；另一方面，由于下料的精确度直接关系到车身各个小总成和整个 车身焊接的精度，因此该车型对于下料精度规定很高；最后，承载式车身对于车身材料 的焊接工艺也有着非常严格的控制规定，如焊接变形和焊接应力等，一般的客车生产企 业很难具有这样的生产技术条件，目前只有在某些高档豪华客车的制造技术中使用。113客车车身构造分析的意义 车身作为客车整车的一种重要的构成部分，在客车的研发制造和性能优劣方面都占有举足重轻的地位和作用。在客车车身的研发制造过程中，车身质量约占客车整车质量 的三分之一以上，车身的制导致本约占总制导致本的50左右，因此，应用先进的车身技术，对于减少客车的制导致本，实现客车轻量化以提高材料运用率和燃油经济性，是；非常有裨益的。车身在客车的构造中，既是承载部件，又是功能部件f91。作为客车的承载部件，在 客车的工作过程中，要承受多种载荷的作用，这就规定车身在构造上具有足够的强度和 刚度，以保证车身构造和装于其上的各个总成部件在客车运营时，面对也许遇到的多种 工况，不致产生过大变形与损坏，破坏客车的正常工作条件【lo】。作为客车的功能部件， 车身要为驾驶员和乘客提供便利、舒服的工作环境和乘车环境，使车上乘员免受有害的 震动噪声、废气和恶劣天气的影响，在遇到交通事故时，合理的车身构造可以非常可靠 有效的减轻对乘员和行人的伤害。除此之外，科学合理的车身外部形状构造，可以有效 的引导客车行驶时的气流，提高车辆的动力性、燃油经济性和高速行驶稳定性，并对发 动机的冷却和车内通风等起到较好的改善作用。由此可见，客车车身对客车整体的设计 制造有非常重要的影响。因此，在将来的客车生产过程中，通过对车身构造进行优化， 设计出构造合理、性能优越的车身构造，是一项高技术含量的工作。而这一工作的完毕， 没有计算机的辅助设计与分析，是很难完毕的。新中国成立后，国内的客车工业经历了从无到有，从小到大，从产品单-N目前的 多样化生产的阶段，但是车身设计始终是国内客车工业发展中的短板。国内的大、中型 客车的生产先后经历了修造、仿制、改装、CDK(全散装件)组装、技术引进和自主开6长安大学研究生学位论文发等几种发展阶段【6】，而具有较强的车身开发能力的客车公司只有少数几种，客车整体 研发能力仍然较低，与国际的先进水平仍有很大的差距。究其因素，重要是由于国内许 多客车生产公司在客车设计和改善过程中，始终沿用老式的经验设计和手工设计理念的 措施，导致局部材料强度余量过大或强度局限性，使得客车产品质量参差不齐，使用过程 中浮现强度、刚度、寿命、振动噪声等方面的诸多问题，导致了一定的安全、性能隐患。 尽管某些公司采用局部加强、局部优化的措施对某些构造进行改善，但由于缺少一定的 理论根据，往往得不到较好的实行和应用【l。随着计算机的发展，国内已经从初期应用CAD技术的辅助设计逐渐转换为采用 CADCAE结合并通过有限元法对汽车构造进行设计与分析。应用有限元法后，最大的 特点就是可以解决非常任意的(构造形状和边界条件)力学问题，通过有限元基本上可 以对客车构造中的大部分总成部件进行静、动态分析和固有特性分析【121。由于国内客车 生产的总体工业技术水平还落后于某些欧美西方发达国家，运用有限元对客车进行构造 分析尚有待进一步的发展和应用。本文所研究的内容就是对某国产型号客车进行有限元 静、动态特性分析，并根据分析的成果对客车车身构造提出一定的优化措施。客车车身 构造的有限元分析，对现实客车车身的构造设计与优化具有一定的参照价值，为后期的 进一步进一步研究提供了思路和措施。因此，在此后的客车车身构造设计与分析过程中， 应用有限元分析已经成为一种必然趋势，将指引客车发展走向一种新的跨越阶段。12课题研究的内容本课题来源于大型客车生产商西安西沃客车有限公司，目的是研究分析该公司生产 的900i型XW6123C大型豪华客车(后文简称XW6123C型客车)车身骨架的静、动态 特性问题。该车长1mm，宽2550mm，高3690mm，最高车速125kmh，最大总 质量17100kg，采用全承载式车身构造，后置发动机，右置乘客门(前部及中部各一种)。由于该车型车身为全承载式车身构造，车身骨架的绝大多数材料都采用矩形或异型 钢管，特别是采用格栅式的底骨架，使得整个车身的型钢材料的构造尺寸比较相近。由 于车身构造的空间关系复杂，断面形式多样，加上实际状况等因素，本文首选空间梁单 元对整个车身骨架进行有限元建模。具体的研究内容如下：(1)调研国内外客车研究发呈现状和车身构造的形式，掌握有限元分析措施在车 身构造分析上的应用，为本文的车身工作的研究做好理论基本。(2)根据拥有的XW6123C客车的二维工程图纸和三维CATIA图纸，研究客车的7第一章绪论构造特点，在ANSYSll0软件平台上建立该客车的几何模型。 (3)根据客车的构造特点和实际计算分析的目的和规定，在建立的几何模型的基础上，选择拟定合理的单元类型、边界条件及某些连接关系等，并对模型进行合理的网 格划分，得到计算所需要的有限元模型。(4)结合要分析计算的多种工况，拟定所要施加的载荷和相应的约束条件，对车 身的强度、刚度进行分析，并在此基本上，对整车进行较全面的自由振动模态分析。(5)针对车身骨架的分析计算成果作出相应的评估，对车身构造的改善提出合理 的意见和建议，并再次通过有限元进行分析，验证其科学合理性，为车身骨架的优化设个可靠精确的理论根据。8长安大学研究生学位论文第二章有限元法的基本理论与ANSYS简介21有限元法的发展有限元法是20世纪60年代以来发展起来的一种解决工程和数学物理问题的数值计 算措施，是计算机时代的产物。尽管有限元的概念早在上世纪40年代已经提出，但是 由于当时计算的条件限制，并没有受到人们的普遍注重。随着计算机技术的不断发展， 有限元法在机械、土木、化工、航空航天、建筑、海洋等诸多工程领域得到了广泛应用， 成为了对工业产品进行动、静、热、电磁等力学物理特性分析的重要手段。早在20世纪初，某些研究人员运用离散的等价弹性杆来近似的模拟持续的弹性体， 从而开辟了有限元法的研究。数学家Courant(1943)被人们公觉得是有限元措施的奠 基人，她尝试应用定义在三角形区域上的分片函数的最小势能原理来求解Saint-Venant 扭转问题【131，提出了在构成整个区域的三角形分区上引进分段插入函数或形函数，将此 作为一种得到近似数值解的措施。之后，Turner等人初次解决了二维单元，概括了一般 称作直接刚度法的过程。20世纪50年代，Boeing和某些后来的研究者运用三角形应力 单元来完毕对飞机机翼模型的建立，增进了有限元措施的进一步发展【141，由于当时的条 件有限，计算机才刚刚浮现，离散化的概念并没有引起人们足够的注重，许多研究者都 没有波及“有限元”这一名词和概念，直到20世纪的60年代，Clough在用三角单元和 矩形单元进行平面应力分析时引进了“有限元习常用语，“有限元这一术语才为人 们广为接受。在20世纪60年代里， 工程师、应用数学家和其她科学家开始将有限元应用到工 程中的其她领域，比较有代表意义的是：Turner等人1960年考虑了大挠度和热应力分 析；Gallagher等人1962年考虑了材料的非线性；Meloshl963年结识到有限元措施可以 借助变分公式建立，用于解决非构造应用问题，对有限元理论的发展起到了重要的作用； 与此同步其她研究者还将有限元措施应用到动力分析和求解场问题等。在电子计算机技术迅速发展的背景下，有限元法已经广泛应用于求解各类工程问 题，如应力分析中的稳态、瞬态、线性或非线性问题以及在热传导、流体流动、电磁电 位和声学等学科中的诸多问题【15】。到了20世纪80年代初，随着有限元分析的进一步发 展，浮现了面向工程的计算机有限元程序，比较出名的有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、 ASKA和ADINA等，这些商业有限元分析软件有着功能强大的前解决和后解决程序，9第二章有限元法的基本理论与ANSYS简介可以使理论方面的某些研究成果以便的直接应用到实践者的实际工作中去。 近年来，有限元法已经进入工业实用化阶段，并与某些通用的CAD软件完毕无缝集成使用，使造型设计和分析计算有机的结合在一起，大大提高了设计效率与水平。针 对有限元法中的网格划分，增强了网格解决的能力，使网格划分的质量和效率均有了很 大限度的改善。同步增强了对线性问题和非线性问题的求解能力，从求解单一构造场逐 步发展到求解多构造耦合场，并根据顾客规定，提高了有限元程序对不同顾客的开放性， 使有限元法的发展更趋完善。几十年来，有限元经历了诞生、发展和完善三个重要时期，到目前为止，有限元法 在算法的通用性发面已经发展到了很高的限度，除了在功能上有着广泛的覆盖面以外， 对于多种材料的组合和几何拓扑构造问题的求解也有着进一步的应用。同步也浮现了许多 新的有限元模式和措施形态，极大地提高了有限元法求解各类科学和工程问题的能力和 效率，在工程技术领域里得到了越来越广泛的应用，已经成为工业产品设计和分析的最 有力的数值分析措施。22有限元法的基本思想和分析过程221有限元法的基本思想 一般状况下，波及某些几何形状复杂、载荷和材料特性多变的问题时，一般得不到解析形式的数学回答，因此，我们需要依托数值措施来计算，如有限元措施得出的可以接受的解答。这些数值解给出了持续体中多种离散点的未知量的近似值。 有限元的基本思想是将实际的持续体构造离散化，然后进行研究分析。针对规定解的力学、物理问题，通过有限元的划分，将实际中的持续构造离散为有限个单元(每个 单元中设定有限个节点)，即将整个持续体近似的看作是由节点互相连接的集合体。同 时用场函数节点值作为基本未知量【161，用插值函数近似的表达单元中场函数的分布规 律，然后运用变分原理或其她措施将其归结成代数方程组进行求解，将持续域中无限自 由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，最后通过节点值和设定的插值函数拟定各 个单元和整个集合体的场函数，得到分析成果J。因此，在有限元分析计算过程中的构造，并不是原有的物体或构造物，而是通过近 似替代，拥有同样材料属性的由多种单元以一定的方式联接成的离散化物体构造。这样 计算分析的成果并不是实际的真实值，而是一种近似值，如果单元划分的合理，联接方 式与实际相差甚小，则所获得的成果与实际状况就越接近，分析的精度也就越高。lO长安大学研究生学位论文222有限元法的分析过程 针对构造问题，有限元措施根据三维实体的实际构造，对实体模型进行离散化，然后构造所受的实际载荷，作用到各个单元体上，求出各单元体节点的应力和位移，在分析的过程中，重要有如下7个环节【18。31： (1)构造离散化和选择单元类型将要分析的物体构造用有限元离散化，将其划分为具有有关节点的等价系统，然后 选择最合适的单元类型来最接近的模拟实际的物理性能。在有限元的分析过程中，所用 单元总数和物体构造单元的大小、类型的变化取决于实际受载条件下物体构造的物理构 成，同步也取决于研究人员盼望的对实际行为构造的近似限度。一般实际使用的单元重要有线单元(杆单元和梁单元构成)、二维单元又称平面单 元(三角形单元或四边形单元)、三维单元(四周体单元和六面体单元)和轴对称单元。(2)选择位移函数 对构造进行离散化解决后，就可以选择每个单元的位移函数，该函数通过单元节点值在单元内部进行定义。位移函数常使用线性、二次和三次多项式，由于用它们建立有 限元公式相对比较简朴，并且应用多项式逼近可以满足所有函数的光滑限度的规定，一 般来说，多项式的项数与单元的自由度数吻合，阶次反映在常数项和线性项上。每个单元可以反复的选择同一种通用的位移函数，根据所选的位移函数，可以计算 出单元内任意一点(节点位移表达)的位移关系式(式21)：厂)=【】68(21)式中：厂)一单元内任一点位移列阵；【】一形函数矩阵；6)。一单元节点位移列阵。(3)定义应变和应力应变关系 定义应变位移和应力应变关系，可以推导出每一种有限单元的方程，此外，应力和应变也必须通过应力应变关系(本构关系)联系起来。最简朴的应力应变关系式虎克定 律(式22)：Ox，J，：=Eew，：(22)式中，o副，：-X，Y，Z方向上的应力；第二章霄限冗法的基本理论与ANSYS简介Fx,y,z1，Y，z方向上的应变；E-一弹性模量。 (4)计算单元刚度矩阵和方程一般计算单元刚度矩阵和方程，需要根据构造分析的背景知识，来拟定刚度影响系 数，最后完毕求解。除此以外，尚有如下几种措施：直接平衡法【24】：根据基本单元的力平衡条件和力与位移的关系，得出联系节点力和 节点位移的刚度矩阵和单元方程，这种措施一般适应于线单元。功和能量法：运用虚功原理(运用虚拟位移)、最小势能原理和Castigliano理论， 可以建立二维和三维单元的刚度矩阵与方程。其中虚功原理可用于任何材料特性，而最 小势能原理和Castigliano理论只能应用于弹性材料，对于线性材料，三种原理措施都适 用。加权残存法125l：加权残存法在求解有限单元方程时非常有用，最常用的是伽辽金法。 这种措施可以在能量法应用的场合得出和能量法同样的成果，当用能量法无法求解时， 加权残存法就可以计算相应的矩阵方程，它使有限元法能直接应用到任何微分方程。使用以上任何一种措施将会得出单元特性的描述方程，方程的矩阵形式(式23)是：、23竹反1飞i 觑舷筋2觑眈砍1J厅以t23栉吐(23)：f、既如弘；l耽觞；孵d，精简的矩阵形式(式24)：厂=(24)式中：f)-一单元节点力矢量；【后卜一单元刚度矩阵：d-一单元未知构造节点自由度(广义位移矢量：实际位移、斜度、曲率等)。 (5)组装单元方程得到总体方程并定义边界条件 使用叠加法(直接刚度法)将每个单元的刚度矩阵和方程加在一起，得到整个构造12长安丈学硕。t学位论文的总体方程，最后组装的总体方程的矩阵形式(式25)为：F)=【K】d)(25)式中：F)-一整体节点力矢量；【K】一构造总体刚度矩阵；d-一已知和未知构造节点自由度(位移矢量)。 由于总体刚度矩阵【K】的行列式等于零，因此是一种奇异矩阵，为了去掉奇异性，必须施加一定的边界条件(约束或支承)，使构造不作刚体移动而保持稳定。当引进边界条件或支承条件时，总体方程会被修改，相应的此时在整体力矩阵F)中已经涉及了已知的外加载荷。 (6)求解未知自由度(位移矢量)总体方程在修改考虑边界条件之后，形成了一种联立的代数方程组，写为扩展矩阵形式(式26)是：行西 ；，厅以 ；墨心心K心墨n以(26) ；：墨心心；KK瓦心墨；蚝厅吃 式中：Ir未知节点自由度的构造总数；dr初始未知量。 通过消元法(高斯消元法)或迭代法(GaussSeidel迭代法)求解ds。 (7)求解单元应变和应力并解释成果对于构造分析，在计算出ds(位移矢量)后，可以直接得到构造的应力应变成果。 然后针相应力应变分析过程的成果，拟定构造中位移最大和应力最大的位置，最后通过 计算机后解决程序用图形显示的方式给顾客解释分析成果。222有限元单元简介 空间梁单元是有限元分析计算中最常用到的单元，针对客车车身骨架的前后围、侧围、顶盖和底架的前后部分及中段的构造，采用BEAMl89单元来进行模拟。空间梁单第二章有限元法的基本理论与ANSYS简介元局部坐标规定I曲：以单元的轴线，即两端节点ij的连线作为x轴，节点i为坐标原点， J，和z两个坐标轴方向与单元截面的两个主惯性轴平行，形成右手坐标系，如图21所 示。在单元两端i、J节点处，以、y：、4、甜j、t、砖为线位移，吒、吒、O，t，、晓-为转角，因此空间梁单元的节点位移向量为：ate 0l Vl o,iejt e it ejll、，j伪itIoJ e；j o；jIT与节点位移相相应的节点向量为：fc电；t Fit Fjt M；j Mit Mjl FsjF；jFij M；j M；j M：飞其中，F：、F，、。、F：、F、F：为节点力，M、M、M、肘。、肘、2r1yzzlxjyI2jliyizixjY1J为节点弯矩。图21空间梁单元在很小的弹性变形条件之下，可以通过叠加原理来建立一种有关节点力和节点位移 的关系式。针对复杂的变形条件下，就可以把空间梁单元的变形分解为轴向的拉压、扭 转、xy及XZ平面内的平面弯曲四种变形形式的一种叠加，其矩阵形式可以表达为式27K_d“=厂k(27)其中厂。一局部坐标系下的单元节点力向量； d“一局部坐标系下的单元节点位移向量； K。一局部坐标系下的单元刚度矩阵(如式28)。14长安大学硕上学位论文尺“=以一工o一O 表日一pOO旦(1也)，O0o旦。对称OO嘉L。等(1+屯)rL1+虼肛6Dz(4+7妒y)，F-JzO(1协)产(1+哆皿E4OO。竺OOO兰竺言旦一0(1协)产(1也)户O。OOOOO品0一羔嘉00O(1+也(1+屯)Gl，旦亍塑一OO00OO0墨0(1地)产(1+屯)三0墨0(2一哆)也(4也)鸥0000(1砷1，)r(1+哆)(1却1，)r(1+哆)三(28)式中：E一弹性模量；A一梁单元横截面面积；一单元长度； 、乞一截面对y、z。轴的惯性矩；屯、晚一y、z轴方向上的剪切影响系数(式29、式210)。丸 II(29)屯 = 毒器(210)G一剪切模量； 4、4一截面在y、z方向上的有效抗剪面积。为了求得空间梁单元的坐标变换矩阵，根据梁的局部坐标系的规定，为了拟定单元15第二章有限元法的基本理论与ANSYS简介截面的主惯性轴的方向，在输入数据中还应给出在主惯性轴面xY内的一种参照点七的 坐标(五，以，五)，k点不与ij轴共线。局部工训。、u一。风u一硪阻23t侈，g，V：，一和总体 坐标的节点位移Ut-、y，、q的关系为式211所示。至=R蒌(211)尺=墨差兰(2t2，R 0O0OR 0OT=(213)00尺0O00RBEAMl89和BEAMl88是在ANSYS55版本后来开始浮现的两种新型梁单元12 71， 它们是基于Timoshenko(铁木辛柯)梁理论，合用于细长梁或适度深梁的计算分析，并 考虑其剪切变形的影响。其中，BEAMl88是里两节点3D梁单元，而BEAMl89则是三 节点3D梁单元，需要4个节点(i、i、k、1)才干定义，其中k为单元中间节点，单元 的方向可以通过方向节点l来拟定。BEAMl89单元(如图22所示)的每一种节点具有六个或七个自由度【28l：当选择 KEYOPT(1)=0时，单元有六个自由度，即沿节点X、Y、Z方向的平动和绕节点X、Y、 Z轴的转动；当选择KEYOPT(1)=I时，除了有前面提到的六个自由度外，再加一种翘 曲自由度，因此适合模拟曲梁的建立。该单元具有应力刚化合大变形功能，支持弹性、 蠕变和塑性模型。同步，BEAMl89单元不能通过定义实常数来表征单元的截面特性，16长安大学研究生学位论文只能通过截面号(SECTION ID)来进行截面特性定义。Z图22 BEAMl89示意图23有限元法的应用有限元法可用于分析多种构造和非构造问题，典型的构造问题涉及应力分析(桁架、 框架分析)、屈曲分析和振动分析；非构造问题涉及有热传递分析、流体流动分析和电 位磁位分布分析等。由于可以应用于大量问题的研究和分析，加之有限元措施的诸多优 点，因此有限元措施的应用非常普遍，这些长处重要涉及：(1)以便简易的模拟不同形状的构造； (2)可以迅速解决一般的载荷问题； (3)单个建立单元方程，可以模拟不同材料构成的构造； (4)可以解决不同数量和不同类型的边界条件； (5)单元尺寸可以变化，更改有限元模型容易； (6)可解决大变形、非线性材料的非线性问题以及某些动态作用。鉴于以上的长处，在进行有限元构造分析时，设计者可以在设计过程中相应力、振 动和热应力等问题有一定的探知，可以在样板构造出来之前对设计做出更换估计，大大 提高了设计的精确性、可靠性，缩短了设计周期。在进行客车车身骨架分析时，运用有限元分析重要体目前如下几种方面： (1)本着化整为零、积零为整的基本思路【291，把复杂客车车身构造看作是一种由有限个单元构成的持续体，根据实际工程问题，对客车车身构造的多种不同材料、多种17第二章有限元法的基本理论与ANSYS简介形式部件，涉及多种类型载荷及不同构件之间的约束及边界条件，都可以完毕其力学问 题的求解计算；(2)可以有效的对整个车身骨架进行静力学分析，计算出危险点，对车身构造的 强度、刚度及稳定性等进行细致的分析，并进行参数化构造和零部件优化；(3)运用有限元分析分析可以完毕车身骨架构造的动力学分析，涉及模态分析、 瞬态分析、谐响应分析和谱分析等，为车身构造的动态特性提供科学的评判，进一步提 高车身整体的动态性能及舒服安全性30I；(4)有限元分析可以完毕来自不同方向不同车身部位的碰撞及乘员安全保障的分 析计算，有效的提高车身构造的被动安全性能；(5)对客车的内部噪声、外部空气动力学和客车的运动仿真都可以进行有关的分 析及优化。目前采用有限元措施大多对车身构造进行静、动态构造的分析，这使得客车车身结 构设计逐渐挣脱了依托经验来设计的落后方式，同步在分析过程中，对于车身的构造形 式、构件几何尺寸及布置方式、车身的构造相应特性等都可以得到其设计参量，加上一 些软件的可视化技术，可以观测出计算成果的整体分布与趋势，这样研究者就可以根据 分析成果，结合某些设计经验及实际状况对构造进行优化，特别是在某些客车车身构造 的概念设计阶段，对于合理优化构造，迅速制定最佳设计方案，减少研发设计和有关实 验经费，有效提高设计效率，是一种开发新产品的必要手段与措施。有限元法诸多特点 与优势使其同客车车身构造设计与优化的关系越来越紧密，已经成为设计人员不可或缺 的得力工具。24ANSYS简介241 ANSYS软件概况 随着计算机的飞速发展和广泛应用，多种行之有效的数值计算措施都得到了迅速的发展。有限元法则是在计算机诞生后来，在计算数学、力学和工程学等领域里最有效的计算措施，随着有限元理论基本的不断完善，浮现了诸多有限元的计算软件，在国际化 的市场竞争中，为了提高产品的质量、迅速减少生产成本和开发周期，使公司在竞争中 获得优势，迫切需要一种高技术、高效率、低成本的设计研究措施，ANSYS作为最新 的计算机仿真设计工具应此而发展起来。1970年，John Swanson博士洞察到计算机模拟工程应当商品化，于是在美国宾夕法18长安大学硕k学位论文尼亚州的匹兹堡创立了ANSYS公司。ANSYS是国际出名的大型通用CAE分析软件， 它不仅用于构造工程中的静态或动态有限元分析，还能在诸如流体、热力(温度场)、 电磁和声场等方面进行有限元分析，波及了航空航天、汽车、机械制造、电子电气、船 舶、压力容器、核能、生物医药等众多领域。同步，该软件有着较好的兼容性，可以在 大多数计算机平台及操作系统中运营使用。ANSYS软件拥有多场耦合分析功能，容许 在同一模型上进行各式各样的耦合运算(热构造耦合、磁构造耦合、电一磁流体热耦 合等)，还提供了构造非线性分析、优化设计、接触分析、电磁分析、流体动力分析、 参数设计语言(APDL)扩展宏命令等一系列功能，保证了ANSYS在多种领域工程问 题上的求解。随着电子计算机的迅猛发展，ANSYS软件的功能越来越全面，其应用范畴也越来 越大，ANSYSll0
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