1、 1 / 34广州大学机械设计制造及其自动化特色专业机 械 设 计 报 告设计题目: 单车的设计及 ansys有限元分析 专业班级: 09 机械 1班 姓 名: 冯进福 学 号: 0915020064 指导老师: 江 帆 完成日期: 2012-6-19 2 / 34单车的设计及 ansys 模拟分析一、单车实体设计与建模1、总体设计单车的总体设计三维图如下，采用 pro-e 进行实体建模，建模时主要分为三个部分即：前轮、车架、后轮，然后进行组装。此单车是基于现有的单车进行改善，使车身的结构更加简单，减轻其自身的重量，同时也减少了骑车者的负担，让骑车者骑车时感觉更舒服，而且单车停放时占地小，方便
2、停放。2、车架车架是构成单车的基体，联接着单车的其余各个部件并承受骑者的体重及单车在行驶时经受各种震动和冲击力量，因此除了强度以外还应有足够的刚度，这是为了在各种行驶条件下，使固定在车架上的各机构的相对位置应保持不变，充分发挥各部位的功能。车架分为前部和后部，前部为转向部分，后部为驱动部分，由于受力较大，所有要对后半部分进行加固。3 / 343、前后轮前后轮（前轮和后轮）的作用是承受单车本身和骑车者的全部重量，另一个作用是车轮的旋转推动单车向前走及转向，因此必须具有足够的强度，以免在行驶中受到震动发生折断，同时要求车轮须圆正，可保持在旋转时平稳，此外车轮结构要有适当弹性，以增强避震性，提高骑行
3、者的舒适性。二、单车有限元模型1、材料的选择单车的车身选用铝合金（6061-T6）T6 标志表示经过热处理、时效。其属性如下：弹性模量： ）（ 2N/m109E.64 / 34泊松比：0.33 质量密度： ）（ 2N/m32.70E抗剪模量： ）（16屈服强度： ）（ 2/85.2、单车模型的简化为了方便单车的模拟分析，提高电脑的运输效率，可对单车进行初步的简化；单车受到的力的主要由车架承受，因此必须保证车架能够有足够的强度、刚度，抗振的能力，故分析的时候主要对车架进行分析。简化后的车架如下图所示。3、单元体的选择单车车架为实体故定义车架的单元类型为实体单元（solid） 。查资料可以知道 3
4、D实体常用结构实体单元有下表。单元名称 说明Solid45 三维结构实体单元，单元由 8个节点定义，具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形、大应变功能，其高阶单元是 solid95Solid64 用于模拟三维各向异性的实体结构。单元由 8个节点定义，本单元具有大变形、大应变功能Solid65 用于模拟三维有钢筋或无钢筋的混凝土模型，该单元能够计算拉裂和压碎而且该单元可应用与加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）等。Solid92 具有二次位移特性，非常适合模拟不规则模型， （例如由各种 CAD/CAM系统产生的网格模型） 。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变等功能。Soli
5、d95 Solid45、solid185 单元Solid147 砖形单元，最多支持阶数为 8的项式5 / 34Solid148 四面体单元，最多支持阶数为 8的多项式Solid185 用于建立三维实体结构模型。单元有 8个节点定义，其高阶单元是 solid95Solid186 用于建立三维实体结构模型。单元有 20节点定义的结构实体单元Solid187 高阶三维 10节点实体单元。适用于产生不规则网格模型，solid92 是它的类似单元根据上表各单元结构的特点初步选择单元 solid45。4、网格的划分1)将 IGES 格式的车架导入 ansys 中fileimportIGES找到格式为 IG
6、ES的车架文件，文件导入后如下图。2）选择单元体Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAdd(弹出对话框选择下图所示的单元体)3）定义车架材料的属性6 / 34Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models（按照下图给车架定义材料属性）定义材料的弹性模量： 、泊松比：0.33 ）（ 2N/m109E.6定义材料的质量密度： ）（ 2N/m32.70E4）画分网格7 / 34Main MenuPreprocessorMeshing Mesh Tool弹出的对话框中设置网格的边界长度设为
7、 10点 Meshpick all（自动生成网格如下图所示）三、单车静强度分析1)导入已画分好的模型网格2）进行菜单过滤Main MenuPreferences弹出的对话框中勾选 Structural点 OK8 / 343）定义分析类型Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis勾选 Static点 OK4）定义求解控制菜单选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls 命令打开对话框勾选Calculate prestress effects项OK5）施加约束选择 Main MenuSolutionDefin
8、e LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面点 OK弹出的对话框中选择 All DOFOK 完成约束9 / 346）施加载荷假设驾驶人的重量为 60kg，那么作用在单车上的力的大小就为 600N。设定安全系数为3，则施加在单车上面的力大小为 1800N。选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas选择与座包接触的支管的面（如下图所示）点 OK弹出的对话框中在 VALUE Load PRES value 处设置参数为 1800OK 完成1
9、0 / 347）打开输出设置菜并设置参数选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout弹出的对11 / 34话框中勾选 Every substepOK 完成8）计算选择 Main MenuSolutionSolveCurrent LS弹出的对话框如下，点 OK继续接着会弹出提示的对话框，点 Yes，然后系统开始运算。当提示出现 Solution is done 对话框表示运算完成，点 Close。运算结束后的车架模型12 / 349）查看等效应力、应变结果a、查看应变结果Main MenuGeneral PostprocP
10、lot ResultsContour PlotNodal Solu弹出对话框中（如下图）选择 Nodal Solution在 Undisplaced shape key中选择 Deformed shape with undeformed model(方便区分变形前后的对比)分别查看 X、Y、Z 和总的应变图X 方向的变形图13 / 34Y 方向的变形图Z 方向的变形图14 / 34总的变形图b、等效应力的结果15 / 34Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu弹出对话框中（如下图）选择 Nodal Solution
11、Stressvon Mises stress在 Undisplaced shape key中选择 Deformed shape only四、模态分析1）定义分析的类型选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis弹出对话框勾选 ModalOK完成16 / 342）打开定义分析类型菜单选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options弹出 Modal Analysis对话框，在 No.of modes to extract和 NMODE No.of modes to expand填 15OK 完成弹出对话
12、框中在 FREQE End Frequency中设置 10000OK 完成3）施加约束条件选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn 17 / 34Areas分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面点 OK弹出的对话框中选择 All DOFOK 完成约束4）进行输出菜单的设置选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout弹出的对话框中在 Item for printout control 出选择 All items，在 Print frequen
13、cy处勾选Every substepOK 完成18 / 345）进行运算选择 Main MenuSolutionSolveCurrent LS弹出的对话框如下，点 OK继续接着会弹出提示的对话框，点 Yes，然后系统开始运算。当提示出现 Solution is done 对话框表示运算完成，点 Close。6)分析结果选择 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu弹出对话框中选择 Nodal SolutionStressvon Mises stressOK 完成（查看总变形）也可以通过动画观看变形的过程选择主菜单栏上
14、的 PlotCtrlsAnimatedeformed results弹出的对话框中左边选择Stress，右边选择 von Mises SEQVOK 完成19 / 34五、谐响应分析1）导入已画分好的车架网格模型2）进行菜单过滤选择 Main MenuPreferences弹出的对话框中勾选 Structural点 OK20 / 343）设置分析类型选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis勾选 HarmonicOK4）设定分析选项选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options，出现谐响应分析选项
15、设置对话框，设定“Solution method”为 Full，设定“DOF printout format”为Amplitud+phase,单击 OK，出现完全法谐响应分析设置对话框，采用默认设置。5）设定输出控制选项选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSoluprintout,弹出对话框21 / 34设定打印频率为“Last substep” 。6）设置求解选项选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencFreq and Substeps,在出现的对话框中 Harmonic freq
16、range（谐波频率范围）设为 0和 7.5，Number of substeps（子步数）设为 30，Stepped or ramped b.c（加载方式）选择 Stepped（Ramped 载荷的幅值随各子步逐渐增长，Stepped 在频率范围内的所有子步载荷将保持恒定的幅值）7）施加约束条件选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面点 OK弹出的对话框中选择 All DOFOK 完成约束22 / 348）施加简谐激励载荷Main MenuSolutionDef
17、ine loadsApplyStructuralForce/MomentOnNodes在与座包接触的面上选择一个关键节点，弹出的对话框中选择 Z方向，设定载荷幅值-1800 （Real part of force/mom）23 / 349）进行求解 选择 Main MenuSolutionSolveCurrent LS弹出的对话框如下，点 OK继续接着会弹出提示的对话框，点 Yes，然后系统开始运算。当提示出现 Solution is done 对话框表示运算完成，点 Close。10）后处理查看结果选择 Main MenuTimeHist Postpro，如下弹出对话框，点击左上边绿色的图标
18、增加一个节点。24 / 34弹出如下对话框，选择 Nodal SolutionDOF SolutionZ-Component of displacement选择如下图所示与座包接触的面上的一个节点（也可以选择其他的节点）OK 完成25 / 34返回如下所示对话框，里面增加了刚才选择的那个节点，然后点左上角第三个图标显示图形。也可以选择不同的节点，其波形图也不同。下图为与转向接触面上的一个节点的曲线图26 / 34六、瞬态动力分析1)给定载荷随时间变化的曲线图，如下所示2）定义分析的类型选择 Main Menu Solution Analysis TypeNew Analysis弹出对话框选Tr
19、ansientOK默认弹出的对话框 OK完成27 / 343）定义求解控制选项选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls 命令，在 Time at end of loadstep处填 2，勾选 Time increment选项，并在 Time step size后给 0.2、Minimum timestep后给 0.05、Maximum time step 后给 0.5。设置完后在对 Transient进行设置（下面第二个图）在 Full Transient Options处勾选 Ramped loading，在 Mass matrix mul
20、tiplier后给值 5，OK 完成。4）施加约束条件选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面点 OK弹出的对话框中选择 All DOFOK 完成约束28 / 345）定义第一个载荷选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas选择与座包接触的支管的面点 OK弹出的对话框中在 VALUE Load PRES value 处设置参数为 1800OK 完成29 / 346）定义输出项目选择
21、 Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout，弹出的对话框中在 Item for printout control处选择 All items，勾选 Every substep，OK 完成。7）定义为第一个载荷步选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsWrite LS File，弹出如下对话框，在 Load step file Number n处填 1（即上面定义的第一个载荷和时间为第一个载荷步）30 / 348）定义第二个载荷步a、选择 Main MenuSolutionAnalysis Type
22、Soln Controls 命令，在 Time at end of loadstep处填 4，其他值保持默认，设置完后在对 Transient进行设置在 Full Transient Options处勾选 Stepped loading，其他值保持默认 OK完成。b、选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填 29）定义第三个载荷步a、选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls 命令，在 Time at end of loa
23、dstep处填 5，其他值保持默认，设置完后在对 Transient进行设置在 Full Transient Options处勾选 Ramped loading，其他值保持默认 OK完成。b、选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas选择与座包接触的支管的面点 OK弹出的对话框中在 VALUE Load PRES value 处设置参数为 900OK 完成c、选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Numbe
24、r n处填 310）定义第四个载荷步a、选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls 命令，在 Time at end of loadstep处填 6，其他值保持默认，设置完后在对 Transient进行设置在 Full Transient Options处勾选 Stepped loading，其他值保持默认 OK完成。b、选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填 411）定义第五个载荷步a、选择 Main MenuSolu
25、tionAnalysis TypeSoln Controls 命令，在 Time at end of loadstep处填 7，其他值保持默认，设置完后在对 Transient进行设置在 Full Transient Options处勾选 Ramped loading，其他值保持默认 OK完成。b、选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas选择与座包接触的支管的面点 OK弹出的对话框中在 VALUE Load PRES value 处设置参数为 0OK 完成c、选择 Main MenuSolutionLoad Step OptsWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填 512）后处理查看结果
