1、湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文I摘要本文以油田车四种后悬架支架为研究对象，利用PRO/ENGINEER 软件建模，在ANSYS-WORKBENCH环境中建立有限元模型。对四种不同后悬架支架的原方案进行工况分析，分析其在不同危险工况下的受力情况，在WORKBENCH 模块中进行静态线性分析，根据实际受力情况进行加载，并用不同的网格划分，分析在不同网格单元下，计算结果的差异。并考察在不同危险工况下应力分布及变形情况，最后分析结果是否满足强度要求。将其中一种支架在ANSYS 11.0的经典界面中进行计算分析，将计算结果与在WORKBENCH模块中计算的结果进行对比分析。在分析四种支架
2、在各种危险工况下的原设计方案强度的基础上，尝试提出各种改进方案，改进方案将有效降低其最高应力水平，并用有限元分析验证。本文通过对四种原支架模型的结构和材料进行改进，使其实际最大应力都有了明显的降低。关键词：有限元，强度，应力，后悬架支架湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IIAbstractThis article aims to study the four rear suspension bracket of oil car, using the software of PRO/ENGINEER to set up the model and lestablishing FEM
3、model under ANSYS-WORKBENCH. Firstly, it will analyze the original plan of the four different rear suspension bracket and their suffering capability under different dangerous working conditions. Under the module of WORKBENCH, it is going to do a static analysis of linear structures. While stressing
4、according to the actual suffering capability and dividing with different mesh, it is going to analyze the difference of the result under different mesh cell. Meanwhile, the stress distribution and distortion situation under different dangerous working condition would be examined. Finally, it will an
5、alyze whether the result will meet its request for intensity. Put one of the bracket into the classical interfaceANSYS 11.0to analyze and the result is going to be compared with result getting from the calculation under the module of WORKBENCH. Based on the analysis of the original scheme of the fou
6、r rear suspension bracket under all kinds of dangerous working conditions, it will try to point out improving schemes accordingly. The improving schemes will reduce its highest stress level effectively and be validated by FEM.According to its improving on the structure of the four original bracket m
7、odel and its material, this paper, at the same time, has reduced its actual maximum stress obviously.Keyworks：FEM, intensity,stress，rear suspension bracket目录湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文III摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 课题来源及简介 .11.2 悬架系统的研究现状 .11.3 课题研究的内容 .32 有限元法基本理论与模型建立 .42.1 有限元法的基本思想 .42.2 有限元理论解题的主要步
8、骤 .52.3 有限元分析在汽车设计中的应用 .52.4 有限元空间单元理论简介 .72.5 建立实体模型的简介 .92.5.1. Pro/ENGINEER 软件简介 .92.5.2.四种支架模型的建立 .102.6 本章小结 .123 四种后悬架支架的原方案的强度分析 .133.1 ANSYS 软件简介 .133.2 有限元模型的前处理 .143.2.1 导入后悬架支架的有限元模型 .143.2.2 设置单元属性及材料类型 .153.2.3 网格划分 .173.3 确定模型的边界条件 .173.4 计算结果分析 .183.5 四中后悬架支架的工况简介 .183.5.1 前支架的工况简介 .1
9、83.5.2 后支架的工况简介 .203.5.3 前、后滑块式支 架的工况简介 .213.5.4 中间支架的工况简介 .21湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IV3.6 四种后悬架支架的强度计算 .223.6.1 前支架的强度计算 .223.6.2 后支架的强度计算 .263.6.3 前、后滑块式支架的强度分析 .303.6.4 中间支架的强度 分析 .323.7 ANSYS 经典界面与 WORKBENCH 计算结果 的对比分析 .343.8 本章 小结 .354. 四种后悬架支架改进方 案的强度分析 .364.1 前支架的改进方案及强度计算 .364.2 后支架的改进方案及强度
10、计算 .404.3 前、后滑块式支架的 改进方案及强度计算 .424.4 中间支架的改进方案 及强度计算 .444.5 本章小 结 .455.总结和展 望 .475.1 总结 .475.2 展望 .47致谢 .49参考文献 .50湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文11 绪论1.1 课题来源及简介本课题基于 ANSYS-WORKBENCH 油田车四种后悬架支架强度分析来源于东风有限商用车技术中心。汽车悬架支架连接着车架和钢板弹簧，如图1.1所示，是汽车上的主要连接和承载构件，它承担了大部分的连接和承载任务，同时也承受巨大的载荷和周期性应力 1。因此，在汽车行驶时，必需使悬架支架有较高
11、的强度，才能保证汽车行驶的安全性。本课题通过在 CAD 软件 PRO/ENGINEER 中对四种后悬架支架进行建模，然后再导入有限元软件 ANSYS 11.0 中的 WORKBENCH 模块中进行静态线性分析，所得出的应力和位移结果为后悬架支架的设计和制造提供一定的理论指导。图 1.1 汽车后悬架布置图1.2 悬架系统的研究现状悬架系统是现代汽车上的重要总成之一，它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来，主要功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架(或车身)的冲击载荷，削弱由此引起的承载系统的振动，以湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论
12、文2保证汽车平顺的行驶 2。悬架按照弹性元件的不同可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、橡胶弹簧悬架、油气弹簧悬架、空气弹簧悬架等等 3。目前在大中型客车和部分高级轿车上广泛应用的空气弹簧悬架系统。随着空气悬架应用的推广，对空气悬架的研究也得到了重视。进入20世纪9O年代以来随着电子计算机技术和相关商业应用软件的不断成熟，空气悬架的模拟仿真研究凸显。0iuseppe QuagIia 建立了空气悬架的仿真模型，对带附加气室的空气悬架振动特性进行了计算机模拟研究，分析了空气悬架的主要参数对悬架振动特性的影响 4。Takuya Yuasa采用有限元方法对空气悬架进行了轻量化设计 5。Th
13、eo Meller针对空气悬架的能量消耗等问题作了研究，提出了自激励空气悬架高度控制系统 6。国外汽车空气悬架发展经历了“钢板弹簧一气囊复合式悬架一被动全空气悬架一主动全空气悬架(即ECAS 电控空气悬架系统 )”的变化。目前，如 Audi A6旅行车、日本丰田公司生产的LS-400轿车、Benz公司生产的S 系列2000型轿车和美国Lincoln轿车、Ford轿车均装备了电子控制的空气悬架系统。此外，空气弹簧在一些特种车辆(如对防震要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等)上的应用范围也越来越广泛，除了作为悬架的弹性元件以外。空气弹簧还用作驾驶室和座椅的支承。近几年
14、，由于我国高速公路事业的迅速发展，到2003年底我国高速公路通车程长接近3万公里，位居世界第二，仅次于美国，而且正以每年4000公里的速度快速增长。公路条件的改善使大型车的使用量越来越大，对舒适性的要求也越来越高国内对空气悬架理论研究及产品开发工作又重新重视起来。国内各大汽车厂、研究所、大专院校都对空气悬架进行过开发设计和理论研究。如郑州宇通公司、厦门金龙、苏州金龙从2002年开始自主开发和引进空气悬架的产品，主要选配Neway、科曼及Reyco的空气悬架，东风汽车研究所对混合式空气悬架进行过设计中国重型汽车集团公司在斯太尔车上安装了浮动桥空气悬架。交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气悬
15、架的导向机构进行了研究 7，北京理工大学也进行了日野RC42O型客车空气弹簧的台架试验，并进行了空气弹簧静、动特性和气室容积特性的分析，华南理工大学对空气悬架的振动传递特性进行了研究，取得了一些初步研究结果。国外的空气悬架设计技术发展的相对较为成熟，目前已经开发使用了电子控制的湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文3空气悬架系统，但是应用暂时还仅仅限于一些高级轿车上。在国内，虽然我国对空气悬架也进行了一定的研究。但是对空气悬架的特性问题还没有很好地解决，譬如对空气悬架的高度控制阀的可靠性和整个系统的密封性问题、悬架的稳定性问题、空气弹簧的特性理论问题等没有很好地解决。而且随之而来的问题
16、就是这个时期国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的寿命偏低，高度控制阀的泄漏问题一直没有解决。所以，严格的来说，目前我国还没有缝套空气悬架的生产厂家而且在载重汽车上的应用也还处于起步阶段，自主开发能力还有待于进一步的提高 8。1.3 课题研究的内容本课题研究的某种油田车的四种后悬架支架，主要工作有下列几个方面：1）在CAD软件PRO/ENGINEER中建立悬架支架实体模型，然后对模型的文件格式进行转化，在ANSYS-WORKBENCH环境中建立有限元模型。2）对四种不同后悬架支架的原方案进行工况分析，分析其在不同危险工况下的受力情况，并且在WORKBENCH模块中将其转化为对四种支架的静态线性
17、分析，分别考察四种支架在不同危险工况下应力分布及变形情况，并根据实际工况对其进行后处理，最后分析结果是否满足强度要求。3）将其中一种支架在ANSYS 11.0经典界面中进行分析，并与在WORKBENCH模块中分析的结果进行对比分析。4）对四种支架的原方案模型的结构等进行改进，以降低其应力，并用有限元分析验证。2 有限元法基本理论与模型建立湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文42.1 有限元法的基本思想有限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
18、的求解域 9。通常有限元法都遵循以下基本步骤：1） 物体的离散化：离散化是有限元法的基础，这就是依据结构的实际情况，选择合适的单元形状、类型、数目、大小以及排列方式，将拟分析的物体假想地分成有限个分区或分块的集合体。假设这些单元在处于它们边界上的若干个离散节点处相互连接，这些节点的位移将是该问题的基本未知参数。2）挑选形函数或插值函数：选择一组函数，通常是多项式，最简单的情况是位移的线性函数。这些函数应当满足一定条件，该条件就是平衡方程，它通常是通过变分原理得到的，就可由每个“有限单元”的节点位移唯一地确定该单元中的位移状态。3）确定单元的性质：确定单元性质就是对单元的力学性质进行描述。确定了
19、单元位移后，可以很方便地利用几何方程和物理方程求得单元的应变和应力。一般用单元的刚度矩阵来描述单元的性质，确定单元节点力与位移的关系。4）组成物体的整体方程组：组成物体的整体方程组就是由已知的单元刚度矩阵和单元等效节点载荷列阵集成表示整个物体性质的结构刚度矩阵和结构载荷列阵，从而建立起整个结构己知量总节点载荷与整个物体未知量总节点位移的关系。5）解有限元方程和辅助计算：引入强制边界条件，解方程得到节点位移。一般整体方程组往往数目庞大，可能是几十个、几百个，以至于成千上万个。对于这些方程组需要一定的计算数学方法解出其未知量。然后，根据实际问题进行必要的辅助计算。2.2 有限元理论解题的主要步骤1
20、. 结构离散化。首先要将连续体离散化，离散化之后的单元与单元之间利用单元节点相互连接，单元节点的设置、性质、数目等应视具体问题和要达到的计算精度而湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文5定，一般情况下，单元划分越细则由单元组成的有限元模型的外形与实际物体拟和越好，计算结果越接近实际情况，但相应计算时间越长，占用的计算机资源也越多。实际当中，应综合考虑计算结果的精度和计算时间。2. 建立结构总体平衡方程。在有限元中，当选取单元节点位移作为基本求解的未知量时称为位移法，相应的还有应力法等。其中位移法在实际当中应用最多。当采用位移法时，把求解任意连续结构位移场 u 的问题转化为只求所有节点上
21、的位移。对于单个单元来说，也就是可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等都由该节点的节点位移来表示。可以这样转化的前提是要把单元内部任意点位移 u 看作是节点位移的函数，该函数称为位移函数，假设合理位移函数是进行合理转化的前提。有了单元位移函数，就可根据弹性力学的基本理论建立应变、应力同位移之间的关系，从而建立单元平衡方程如下： eeFuK其中K 称为单元刚度矩阵， 为单元节点位移向量，F 为单元节点载荷。将全 部单元刚度矩阵组集起来得到总体刚度矩阵 ene1总体平衡方程为 FuK在建立总体平衡方程时还应根据实际情况对约束条件进行处理。2.3 有限元分析在汽车设计中的应用有限元分析是近五十
22、多年随着计算机的发展而发展起来的适用于各种分析的一种极为有效的方法，近年来在很多工程问题中得到了发展和应用。它将设计人员丰富的实践经验与计算机高速精确的计算完美地结合在一起，大大提高了设计计算精度，缩短了产品开发时间。目前在国内外，对汽车进行仿真分析的研究很多。在国外，发达国家的有限元水平已经很成熟，分析软件也已经相当完善，商业化程度也很高。国际上，在广泛应用ANSYS 进行产品开发的企业中，有限元分析已是设计链中必须的常规，没有有限元分湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文6析的设计不能进入下一个技术流程。新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段解决，大
23、幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用，同时避免了产品投放市场初期常常出现的质量问题而影响新产品的声誉。这就可以使得企业集中力量于汽车的环保、节能和安全等现代汽车设计主题研究。在国内，我国开始从事这方面的研究与应用比较晚。值得注意的是，虽然在 机械设计中采用有限元技术的历史很短，但其进展的速度却是十分惊人的。无论在机构综合、通用机械零件部件设计，还是在各种专业机械和工艺转备的技术都采用了最优化技术而取得了显著成果。汽车工业的新技术不断引进和采用，特别是CAD、 CAE、CAM一体化技术的进步。为我国汽车工业形成独立自主开发能力创造了良好的条件，也大大提高了工程技术人员素质和水
24、平，其中汽车仿真分析的理论与方法，得到了推广和普及。但是，没有公认的、广为流行的、高水平的、功能强大的商业化分析系统。中国汽车的一个重要战略制高点自主的产品开发能力尚未形成。“中国汽车必须建立自主的产品开发能力！”已是政府和企业的共识。而CAE 技术可以在提高产品质量和建立产品开发能力方面，对汽车企业提供极大帮助。ANSYS 是最早通过ISO9001 质量认证的设计分析软件，其全面的分析功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、板金成形等汽车行业所需的各种分析仿真功能，产品应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形界面的易学易用，已经使之成为汽车产品开发必不可少的伙伴 10。就全国范围来讲，汽车行业在有限元中的应用水平与国外相比差距较大。2.4 有限元空间单元理论简介
