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第六讲汽车结构有限元分析实例
合肥工业大学机械与汽车学院车辆工程系
谭继锦编写
2010年3
月
----------------------汽车结构分析实例
?1、汽车结构设计准则与目标
?2、汽车结构有限元模型
?3、汽车结构强度分析
?4、汽车结构刚度分析
?5、汽车结构动态分析
?6、汽车结构疲劳分析
?7、汽车结构碰撞分析
?8、汽车结构有限元优化设计
1、汽车结构设计准则与目标
?有限元分析方法是汽车数字化设计的一项核心技术；
?在产品设计阶段对汽车结构及性能做出预先评估；
?有限元分析能够提供大量的仿真试验数据和技术参数，
进而可以替代部分试验，有利于设计经验的积累和设计技术的提高。
------汽车结构分析的目的主要是解决汽车结构的可靠性、安全性、经济性和舒适性等问题，其分析内容十分广泛，而且相互关联，主要涉及以下内容：
?可靠性：研究汽车结构强度、刚度和动态特性，以及疲
劳寿命等；
?安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等；
?经济性：研究结构优化及轻量化等；
?舒适性：进行结构振动噪声分析等。
汽车结构设计准则与目标
?结构分析可以划分成几个阶段，各阶段有不同的设计
目标。
?◇概念设计阶段建立相应的设计目标；
?◇详细设计阶段达到相应的设计目标；
?◇样车制作阶段验证整车的性能并且分析设计中存在
问题；
?◇产品制造阶段验证设计和改进产品。
------以下概略汇总了汽车结构分析中在概念设计阶
段和详细设计阶段汽车结构部分分析内容及设计目标，这些内容与目标是动态发展的，需要结合工程实际不断调整并发展。
概念设计阶段
?新车设计目标值包括：
?1.车身静刚度目标---弯曲刚度：模拟乘客负荷；尾部
弯曲刚度：模拟行李负荷；扭转刚度：模拟车轮抬高；
? 2.整车NVH目标---车身结构的模态频率应该错开激振
频率。
? 3.整车安全性目标---前围挡板重要位置的侵入量;管柱
的向后以及向上的侵入量；前碰过程中的冲击力；侧碰中B柱各位置的侵入量；车顶压溃中各位置的刚度值；
? 4.零部件及总成寿命目标---车身（驾驶室）疲劳寿命，
悬架疲劳耐久性，车桥疲劳寿命；
详细设计阶段
? 1.车身强度与刚度分析及其灵敏度分析
? 2.白车身弯曲刚度和扭转刚度
? 3.截面分析与接头刚度分析
截面分析：检查截面尺寸的正确性；
优化板件的厚度；
接头刚度分析：保证接头的刚度达到一定的刚度值；
截面特性对刚度的影响：
截面特性对扭转刚度的影响；
截面特性对弯曲刚度的影响；
? 4.开闭件的强度与刚度分析
前门、后门、发动机盖、行李箱盖、前翼子板等,使开闭件结构满足一定的设计要求；开闭件抗凹陷分析；开闭件侧向刚度分析；
? 5.车身局部强度与刚度分析:
仪表盘、管柱、前保险杆、后保险杆、座椅、安全带等；
引擎盖铰接处的刚度分析；
门铰链和门锁处的刚度分析；
油箱盖的刚度分析；
刮雨器连接点的刚度分析；
仪表盘连接点的刚度分析；
行李箱盖的刚度分析；
? 6.模态分析以及频率响应分析：
模态分析、动刚度分析、传递函数分析、声穴分析、舒适性分析等；
低阶模态的灵敏度分析；
点导纳；
悬置刚度；
?7.NVH分析:
通过低阶频率值的灵敏度分析，调整关键灵敏零件结构的形状与尺寸，使整车的动刚度特性满足设计目标值；
?8.安全性分析
前碰、侧碰、后碰、车顶压溃、头部保护分析、行人保护分析、汽车的乘员安全性分析、乘员安全性以及约束系统模拟分析等；使整车的安全性满足设计目标值。
9.耐久性分析
使整车的疲劳特性满足一定的设计要求；
道路载荷下车身强度分析；
道路载荷下底盘部件疲劳耐久性分析；
车身焊点疲劳寿命评估；
在先期评估产品的总体设计目标时，要分级分项制订目标，包括整车分级、总成分级及零部件分级。定义零部件层级目标，定义总成层级目标，定义整车层级目标。将每个层级目标和分析与测试的结果进行比对，充分掌握各类测试数据，在设计完成量产前，发现设计可能存在的问题，实现产品的结构优化。
汽车结构设计目标值确定方法
对竞争样车进行分析:
竞争样车的整体刚度分析;
目标车的典型截面分析及其优化分析;
目标车的接头刚度分析及其优化分析;
目标车的白车身静态刚度与模态分析;
目标车的安全性设计……
方法------CAE方法，试验方法，标准法规等。建立汽车设计CAE数据库---参考值数据库。车身模型的确立
2、汽车结构有限元模型---汽车结构模型化1》汽车结构模型化技术
几何模型—力学模型—计算模型：力学模型起着承上启下的作用，力学模型提供了载荷信息与边界条件。而几何模型并非就是计算模型。
（1）计算目的不同计算模型不同
（2）结构受力不同计算模型不同
结构部件可以分为杆、梁、板、壳、块体及平面应力应变等。其他特殊功能的单元有质量单元、弹簧单元、刚性单元、焊点单元、约束方程等。了解并用好这些单元，可以更方便地模拟实际结构。
单元选择的准则是基于对结构受力状态分析与单元属性的理解。
2》汽车结构模型化准则
（1）用准确的力学组件构造模型
?杆、梁、板壳与实体是构造模型的主体，要根据结构
的受力状况，选择合适的力学组件，既要反映结构受力特点，又不必片面追求高级组件，尤其是不要一切都用三维实体建模。
（2）用适当的规模构造模型
?计算网格密度、分析精度和分析时间之间的平衡。（3）施加正确的载荷与边界条件
?载荷准则；
?标准载荷，标准载荷使得各分析计算结果具有可比性。
?边界条件与支承条件
（4）避免结构约束不足形成机构
3》汽车结构有限元模型
按照不同分析类型分别叙述汽车结构建模与分析的相关问题，或者说按结构分析类型划分成章节，只是为叙述的方便，是教材的一种编排。
由于分析目的不同，要求精度有别，模型规模差异，使得结构分析工作往往需要从综合的角度全面把握。
在利用有限元模型时，首先应当明确分析的目标与要求。在初步设计阶段，从简单模型做起，分析应放在了解载荷状况和应力水平等整体特性上。随着设计过程的推进，应力分析越来越细。一旦结构设计基本确认，就可以进行详细而精确的应力分析，尤其注意应力集中等局部区域，最后确定设计方案。
汽车结构有限元模型
3、汽车结构强度分析---静态强度、动态强度及疲劳强度
@1汽车桥壳有限元分析
@1汽车桥壳有限元分析
?------关键问题在于驱动桥受力分析和荷载计算；
按照驱动桥受力状况，其主要典型载荷工况有三类五种：
? 1.垂向载荷工况：按最大轴荷计算，另外考虑汽车通过不
平路面的动载系数。
①、汽车满载工况
②、冲击载荷作用工况：
? 2.纵向载荷工况：按牵引力或制动力最大计算；
①、最大牵引力工况：
②、紧急制动工况：
? 3.侧向载荷工况：按侧向力最大计算。
?------关键问题在于载荷与约束施加
桥壳计算采用在轮轴处加载，在板簧处约束的方法，这样处理载荷比较准确，与在板簧处加载、在轮轴处约束的另一种方法等效。轮轴上载荷按余弦曲线分配到半个轮轴上各节点，板簧上约束一个区域。
@2轿车白车身建模与应力分析
?首先是制订分析方案：包括几何模型简化、单元类型选择、网格
密度和质量控制、材料与部件命名体系等原则。如对该车身建立了模型命名体系：即规则、顺序、编号（留有余量），按照车身、总成、零件与模型中部件、组件、元件相对应。如地板总成、左右前纵梁总成、前轮罩焊接总成、左右侧围焊接总成、前围焊接总成、顶盖及前后梁、后围焊接总成等。建立模型系统的部件名称是为了建模、修改方便。
?其次是建立了模型简化重构原则，模型规模要适当，该细化要细
化，该简化应简化。在保证计算目的和精度条件下，尽量控制节点规模，最大限度保留零件主要力学特征，删除小孔、面，将小面合并成大面，相邻面共用一条线，点焊连接部位要单独构成组件等。
?选用壳单元，以四边形单元为主，辅以三角形单元（过渡区），
优先采用四边形单元，尽量采用矩形单元，使网格分布均匀。
?在建模前制订网格划分标准
白车身有限元模型及计算结果图示
@3客车骨架有限元分析---车身骨架+等效悬架系统的有限元模型
?有限元模型建立：
?简化原则；
?分块模建；
?悬架系统等效有限元模型。
建模过程------经过初步建模，反复检验与多次修改并完善，形成一个实用的计算模型。
随后又将试验结果与有限元分析结果进行对比，部分修改模型，细化模型，完成了由粗到精的
几何建模及有限元建模，确保计算结果的可靠
性，为结构分析设计奠定基础。
客车骨架几何模型与有限元模型
@4车架建模及应力分析问题
?梁单元模型---模型简单，尤其是直观的内力图，在设计初期分析可用。
?板单元模型---比较精确，它避免了梁模型连
接处不易模拟的缺点，可以反映纵横梁连接、局部加强板、各种附属支架等情况。
?实体单元模型---实体单元模型能够分析纵横
梁连接处应力变化情况。
?板、梁、实体混合单元的车架计算模型。
?悬架系统采用等效方式建模。
汽车结构有限元分析 研究报告 姓名： 班级： 学号： 盐城工学院汽车工程学院
传动轴有限元分析研究报告 盐城工学院汽车工程学院车辆工程专业江苏，盐城226000 摘要： ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如,Alogor, I－DEAS,CAD等。ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。 本设计是基于 ANSYS软件来汽车曲柄连杆机构行分析。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。 关键词：三维建模，曲柄连杆机构，有限元，ANSYS，动静态分析 引言 随着发动机强化指标的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证曲柄连杆机构中的主要部件曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为机构设计中的关键性问题[3]。由于在实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用，受力情况极其复杂。采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述[4-5]。为了真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性，本课题通过运用CAD软件建立曲柄连杆机构各组成零件的几何模型，确定机构的质量特性参数，通过有限元分析软件Hyperworks和MSC.Nastran的联合仿真，对曲轴和连杆进行自由模态分析，输出振型和频率，将生成的模态中性文件导入ADAMS/View中建立曲柄连杆机构的多柔体动力学模型，应用durability 模块仿真分析曲轴和连杆在爆发压力和惯性力作用下的疲劳应力，由此可以清楚地了解曲轴和连杆在工作过程中各部分的应力，应变，迅速找到危险部位，为机构的优化设计奠定基础。
本科毕业设计论文 题目 连杆工艺设计及有限元分析 专业名称机械设计及其自动化 学生姓名梁乐 指导教师李郁 毕业时间二零一四年六月
目录 摘要........................................................................................................................... - 3 - ABSTRACT .............................................................................................................. - 4 - 第一章绪论 ............................................................................................................ - 5 - 1.1课题研究的意义......................................................................................... - 5 - 1.2国内外现状................................................................................................. - 5 - 1.3论文的章节安排......................................................................................... - 6 - 第二章连杆零件的分析 ........................................................................................ - 7 - 2.1连杆的作用................................................................................................. - 7 - 2.2连杆的结构特点......................................................................................... - 7 - 2.3连杆的工艺分析......................................................................................... - 7 - 2.4连杆的材料和毛坯..................................................................................... - 9 - 第三章连杆零件的工艺编制 .............................................................................. - 10 - 3.1连杆机械加工工艺过程........................................................................... - 10 - 3.2连杆工艺过程的安排.................................................... 错误！未定义书签。 3.3连杆工艺设计存在的问题....................................................................... - 15 - 3.3.1工序安排.......................................................................................... - 15 - 3.3.2定位基准.......................................................................................... - 15 - 3.3.3夹具使用.......................................................................................... - 15 - 3.3.4切削用量的选择原则...................................................................... - 15 - 3.4连杆机械加工工序卡片........................................................................... - 11 - 第四章连杆受载荷情况下的有限元分析 ..................... 错误！未定义书签。 4.1 连杆的有限元分析过程和结果................................... 错误！未定义书签。第五章总结与展望 ............................................................................................ - 16 - 5.1 论文总结.................................................................................................. - 26 - 致谢..................................................................................................................... - 27 - 参考文献................................................................................................................. - 28 - 毕业设计小结......................................................................................................... - 29 -
有限元法在汽车行业中的应用 【摘要】：汽车车身结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各种加强件组成的。在有限元分析中可将它看成是由许多单元所组成的整体, 或起承载作用, 或承受、传递外部载荷, 以保证整个汽车的正常工作。 【关键词】：汽车；技术；应用 在当前的工程技术领域中有越来越多的复杂结构，包括复杂的几何形状、复杂的载荷作用和复杂的支撑约束等。当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析时, 往往可以很方便地写出基本方程和边界条件, 但却求不出解析解。这是因为大量的工程实际问题非常复杂, 有些构件的形状甚至不可能用简单的数学表达式表达, 所以就更谈不上解析解了。 对于这类工程实际问题, 通常有两种分析和研究途径: 一是对复杂问题进行简化, 提出种种假设, 最终简化为一个能够处理的问题。这种方法由于太多的假设和简化, 将导致不准确乃至错误的答案。另一种方法是尽可能保留问题的各种实际工况, 寻求近似的数值解。在众多的近似分析方法中, 有限元法是最为成功和运用最广的方法。 1. 汽车结构有限元分析 汽车车身结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各种加强件组成的。在有限元分析中可将它看成是由许多单元所组成的整体, 或起承载作用, 或承受、传递外部载荷, 以保证整个汽车的正常工作。由于要完成各自独特的功能, 它们的结构各不相同, 并且都比较复杂。一些结构件的工作条件比较恶劣, 长期在振动和冲击载荷下工作。寻求有关这些结构件正确而可靠的设计和计算方法, 是提高汽车的工作性能及可靠性的主要途径之一。 在汽车结构分析中, 有限元法由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的独特优点而被广泛使用。各种汽车结构件都可应用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析; 并且从原来对工程实际问题的静态分析为主转化为要求以模态分析和动态分析为主。也可根据工程实际结构的特点要求进行非线性分析。具体地说, 汽车结构有限元分析的应用体现于: 一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度、稳定性分析; 二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中, 用有限元法作为结构分析的工具; 三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态, 进一步计算出各构件的动态响应, 较真实地描绘出动态过程, 为结构的动态设计提供方便有效的工具。 有限元法分析汽车结构的一般过程如下:
目录 摘要 ............................................................................................ 错误！未定义书签。Abstract (2) 第一章分析方法和研究对象 ........................................... 错误！未定义书签。 1.1 有限单元法的概述....................................................... 错误！未定义书签。 1.1.1 有限单元法的历史 (4) 1.1.2 有限单元法的基本概念 (4) 1.2 ANSYS软件简介 (4) 1.2.1 ANSYS主要应用领域 (4) 1.2.2 ANSYS操作界面 (5) 1.2.3 ANSYS的主要功能 (6) 1.2.4 ANSYS主要特点 (7) 1.3 曲柄滑块机构简介 (7) 1.3.1 曲柄滑块定义 (8) 1.3.2 曲柄滑块机构特性应用以及分类 (8) 第二章曲柄滑块机构的求解 (10) 2.1 曲柄滑块机构的问题描述 (10) 2.2 曲柄滑块机构问题的图解法 (10) 2.2.1 图解法准备工作 (11) 2.2.2 图解法操作步骤 (11) 第三章有限元瞬态动力学概述 (14) 3.1 有限元瞬态动力学定义 (14) 3.2 瞬态动力学问题求解方法........................................... 错误！未定义书签。 3.2.1 完全法 (14) 3.2.2 模态分析法 (14) 3.2.2 缩减法 (15) 3.1 有限元结构静力学分析基本概念 (15) 3.1 有限元结构静力学分析步骤 (16) 第四章曲柄滑块的有限元瞬态动力学分析 (17) 4.1 曲柄滑块机构瞬态简要概述 (17) 4.2曲柄滑块有限元瞬态动力学分析步骤 (18)
汽车结构的常规有限元分析 本文介绍了与产品研发同步的5个有限元分析阶段，阐述了有限元模型建立过程中应注意的问题，简单介绍了汽车产品的4种常规分析方法，建立汽车设计标准的方法，以及3个强度分析范例。范例1说明了有限元分析应注意的内容，范例2和3介绍了“应力幅值法”在解决汽车车轮轮辐开裂和汽车发动机汽缸体水套底板开裂问题的应用。 汽车是艺术和技术的结合。一辆好车的主要特点是造型美观、有时代感、结构设计合理、轻量化、材料利用率高，车辆性能先进并且满足国家法规、标准和环保的要求，质量可靠、保养方便、低成本、用户满意、满足市场需求等。在竞争日益激烈的汽车市场，汽车性价比已经成为市场竞争的焦点。采用有限元的常规分析技术，用计算机辅助设计代替经验设计，预测结构性能、实现结构优化，提高产品研发水平、降低产品成本，加快新产品上市。 1. 与产品研发同步的5个有限元分析阶段 在汽车产品研发流程中，一般有如下5个同步的有限元分析阶段： 第0阶段：对样车进行试验和分析； 第1阶段：概念设计阶段的分析； 第2阶段：详细设计阶段的分析； 第3阶段：确认设计阶段的分析； 第4阶段：产品批量生产后改进设计的分析。 有限元分析在产品研发的不同阶段有不同的分析目的和分析内容。有限元分析和试验分析是互相结合和验证的。在详细设计阶段，有些汽车公司对白车身和成品车车身都进行有限元分析，有些汽车公司只对白车身进行有限元分析。 2. 有限元分析的关键环节――建立合理的有限元模型 有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。通过力学分析，把实际工程问题简化为有限元分析的问题，提出建立有限元模型的具体意见和方法，确定载荷和位移边界条件，使得有限元分析有较好的模拟（仿真）效果。 前处理自动生成的网格可能存在问题。建立有限元模型的好坏直接影响计算结果的误差和分析结论的正确性。在结构的几何图形上，划分有限元网格是建立有限元模型的主要内容之一。在用有限元分析的前处理自动生成网格时，特别是用常应变单元自动生成有限元网格时要非常注意，有可能存在问题，应引起注意，必要时加以改进。要想用有限元分析前处理自动生成出好的有限元网格也要付出辛勤地劳动。即使在方案比较的情况下，应力和变形的分布规律也不能离谱，计算结果的误差也应在给定的范围之内，建立好的有限元模型与分析经验有关。 在没有有限元分析指南的情况下，用力学分析和试验结果对有限元模型的确认和对计算结
版权所有，仅限于学习交流之用 第六讲汽车结构有限元分析实例 合肥工业大学机械与汽车学院车辆工程系 谭继锦编写 2010年3 月
----------------------汽车结构分析实例 ?1、汽车结构设计准则与目标 ?2、汽车结构有限元模型 ?3、汽车结构强度分析 ?4、汽车结构刚度分析 ?5、汽车结构动态分析 ?6、汽车结构疲劳分析 ?7、汽车结构碰撞分析 ?8、汽车结构有限元优化设计
1、汽车结构设计准则与目标 ?有限元分析方法是汽车数字化设计的一项核心技术； ?在产品设计阶段对汽车结构及性能做出预先评估； ?有限元分析能够提供大量的仿真试验数据和技术参数， 进而可以替代部分试验，有利于设计经验的积累和设计技术的提高。 ------汽车结构分析的目的主要是解决汽车结构的可靠性、安全性、经济性和舒适性等问题，其分析内容十分广泛，而且相互关联，主要涉及以下内容： ?可靠性：研究汽车结构强度、刚度和动态特性，以及疲 劳寿命等； ?安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等； ?经济性：研究结构优化及轻量化等； ?舒适性：进行结构振动噪声分析等。
汽车结构设计准则与目标 ?结构分析可以划分成几个阶段，各阶段有不同的设计 目标。 ?◇概念设计阶段建立相应的设计目标； ?◇详细设计阶段达到相应的设计目标； ?◇样车制作阶段验证整车的性能并且分析设计中存在 问题； ?◇产品制造阶段验证设计和改进产品。 ------以下概略汇总了汽车结构分析中在概念设计阶 段和详细设计阶段汽车结构部分分析内容及设计目标，这些内容与目标是动态发展的，需要结合工程实际不断调整并发展。
有限元法在汽车中的应用 有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的技术，广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中，成功的解决了许多复杂的设计和分析问题，己成为工程设计和分析中的重要工具。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法，有限元法在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越性，使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具，有限元法在机电工程中的应用也越来越重要。现代汽车工业技术快速发展,计算机技术不断推陈出新,使分析仿真技术以其快速高效和低成本的强大优势,成为汽车设计的重要手段,各种分析软件成为CAE技术广泛应用的工具。 有限元在机械设计中的优点是有目共睹的，在汽车的设计中这些优势得到了完美的体现，其优点如下： 1、与CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。 2、更为强大的网格处理能力
有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。有限元使用的自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。 3、由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库。 4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 理论上已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓"流固耦合"的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。 5、程序面向用户的开放性 有限元软件允许用户根据自己的实际情况对软件进行设置和扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热
连杆的有限元分析及优化 姓名：周锋 学号: 1151684
目录 目录 (2) 1.优化设计基础 (3) 1.1优化设计概述 (3) 1.2优化设计作用 (3) 1.3优化设计流程 (3) 2.问题描述 (4) 3.问题分析 (4) 4.结构静力学分析 (5) 4.1创建有限元模型 (5) 4.2创建仿真模型并修改理想化模型 (6) 4.3定义约束及载荷 (6) 4.4求解 (7) 5.结构优化分析 (8) 5.1建立优化解算方案 (8) 5.2优化求解及其结果查看 (9) 6.结果分析 (11) 7.案例小结 (11)
1. 优化设计基础 1.1 优化设计概述 优化设计是将产品/零部件设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学规划理论，采用适当的优化算法，并借助计算机和运用软件求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种先进设计方法，有限元被广泛应用于结构设计中，采用这种方法任意复杂工程问题，都可以通过它们的响应进行分析。 如何将实际的工程问题转化为数学模型，这是优化设计首先要解决的关键问题，解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果是在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标，因此，设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的3个基本要素。 因此概括来说，优化设计就是：在满足设计要求的前提下，自动修正被分析模型的有关参数，以到达期望的目标。 1.2 优化设计作用 以有限元法为基础的结构优化设计方法在产品设计和开发中的主要作用如下：1）对结构设计进行改进，包括尺寸优化、形状优化和几何拓扑优化。 2）从不合理的设计方案中产生出优化、合理的设计方案，包括静力响应优化、正则模态优化、屈曲响应优化和其他动力响应优化等。 3）进行模型匹配，产生相似的结构响应。 4）对系统参数进行设别，还可以保证分析模型与试验结果相关联。 5）灵敏度分析，求解设计目标对每个设计变量的灵敏度大小。 1.3 优化设计流程 不同的优化软件其操作要求及操作步骤大同小异。一般为开始、创建有限元模型、创建仿真模型、定义约束及载荷，然后进行结构分析，判断是否收敛，如果是的话，即结束操作；若不是，再进行灵敏度分析、优化求解、优化结果、更新设计变量，重复结构分析。
摘要 万向传动装置是汽车传动系中的重要总成，它直接与变速器和驱动桥相联系，用来实现对传动系的动力传递。课题研究对象是后轮驱动广泛应用的十字轴式万向传动装置，主要零件包括传动轴、万向节、支撑装置等，这些关键零部件的设计对整个万向传动装置性能具有很大的影响。 本文主要是对汽车的十字轴式万向传动装置进行设计。根据车辆使用条件和车辆参数，按照传动系统的设计步骤和要求，主要进行了以下工作：选择相关设计参数主要为：十字轴、万向节、传动轴、中间支承的参数确定，并进行了总成设计主要为：十字轴的设计，万向节的设计、传动轴的设计以及中间支承的设计等。并通过有限元ANSYS软件对设计万向传动装置进行结构分析，根据分析结果对万向传动装置进行改进优化设计并得出合理的设计方案。在传动轴的设计中采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，可以大大缩短万向传动装置总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。 关键词：万向传动装置；十字轴；万向节；传动轴；有限元分析；优化设计
ABSTRACT Universal transmission is important in automobile transmission assembly, which directly linked to transmission and drive axle, used to achieve the transfer of the power transmission system. Research object is widely used in rear-wheel drive transmission cross shaft universal, the main parts including drive shafts, universal joints, support devices, the design of these key components for the universal transmission has a great influence on the performance . This article mainly is carries on the design to the automobile cross shaft type rotary transmission device. According to vehicles exploitation conditions and vehicles parameter, according to transmission system design procedure and request, Mainly has carried on following work:Mainly has carried on following work choice correlation design variable mainly is: Cross axle, universal joint, drive shaft, middle supporting parameter determination, and has carried on the unit design mainly is: Cross axle design, universal joint design, drive shaft design as well as middle supporting design and so on. And to designs the rotary transmission device through the finite element ANSYS software to carry on the structure analysis, Carries on the improvement design according to the analysis result to the rotary transmission device to obtain the reasonable design proposal. The propeller shaft of the design used in technical research on these crucial component element of statics. in its structural design and optimize can greatly shorten the automobile universal transmission device always into the development cycle and reduce the development costs and improve the quality of design to ensure the accuracy of its design. Key word:U niversal Transmission Device; Cross Axle; Universal Joint; Drive Shaft; Finite Element Analysis; Optimization Design
毕业设计论文题目：连杆机构的有限元分析 专业：机械设计制造及其自动化学号： 姓名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 25 日
目录 摘要............................................................................................ 错误！未定义书签。Abstract .. (2) 第一章分析方法和研究对象........................................... 错误！未定义书签。 1.1 有限单元法的概述 ...................................................... 错误！未定义书签。 1.1.1 有限单元法的历史 (4) 1.1.2 有限单元法的基本概念 (4) 1.2 ANSYS软件简介 (4) 1.2.1 ANSYS主要应用领域 (4) 1.2.2 ANSYS操作界面 (5) 1.2.3 ANSYS的主要功能 (6) 1.2.4 ANSYS主要特点 (7) 1.3 曲柄滑块机构简介 (7) 1.3.1 曲柄滑块定义 (8) 1.3.2 曲柄滑块机构特性应用以及分类 (8) 第二章曲柄滑块机构的求解 (10) 2.1 曲柄滑块机构的问题描述 (10) 2.2 曲柄滑块机构问题的图解法 (10) 2.2.1 图解法准备工作 (11) 2.2.2 图解法操作步骤 (11) 第三章有限元瞬态动力学概述 (14) 3.1 有限元瞬态动力学定义 (14) 3.2 瞬态动力学问题求解方法 .......................................... 错误！未定义书签。 3.2.1 完全法 (14) 3.2.2 模态分析法 (14) 3.2.2 缩减法 (15) 3.1 有限元结构静力学分析基本概念 (15) 3.1 有限元结构静力学分析步骤 (16) 第四章曲柄滑块的有限元瞬态动力学分析 (17) 4.1 曲柄滑块机构瞬态简要概述 (17) 4.2曲柄滑块有限元瞬态动力学分析步骤 (18)
基于ANSYS的汽车发动机连杆性能有限元分析 发表时间：2018-12-17T17:02:30.213Z 来源：《基层建设》2018年第31期作者：李昊陈清奎陈卫清王瑗魏鑫鑫 [导读] 摘要：连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。 山东建筑大学山东济南 250101 摘要：连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆工作过程中承受装配载荷和交变载荷的作用还有气缸内气体压力，惯性力、轴承摩擦和磨损等。所以要求连杆具有足够的抗疲劳强度、抗冲击，足够的强度和刚度。构件图如下图1.1所示。通过有限元分析结果可知连杆存在的问题及结构的薄弱环节，为连杆优化设计、结构改进和表面热处理提供理论依据。 关键词：汽车连杆；有限元分析；优化设计； 1、连杆有限元分析的理论基础 图1.1 汽车发动机连杆 1.1静力学分析理论 当连杆加载和约束时，利用平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程： {K}{q}={f} 式中｛K｝—整体结构的刚度矩阵；｛q｝—节点位移列阵；｛f｝—载荷列阵. 解该有限元方程就可以得到最后分析时所需的各单元应力及变形值。 1.2模态分析理论 模态分析研究系统是在无阻尼自由振动情况下系统的自由振动，用于确定结构的振动特性，是谐响应分析的基础，固有频率和主振型是振动系统的自然属性。系统的运动微分方程可表示为：[M]｛X(t)｝+[K]{x(t)}=0 弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动的叠加，因此,解可设为： X(t)=φcosω（t-t0） 式中：ω为简谐振动的频率；t为时间变量；t0为由初始条件确定的时间常数。代入得到特征值和特征向量分别对应系统的固有频率和主振型。 2、基本分析过程 2.1模型绘制并导入： 利用solid works进行构件的仿真设计，画出连杆的模型。并将得到的模型导入至ANSYS软件中，如图3.1所示： 图3.1 导入至ANSYS软件的连杆模型 2.2主要材料属性定义： 如图所示连杆结构，连杆厚度1.5cm，过渡圆角0.25cm，材料属性为弹性模量E=3.0e7（Mpa）,泊松比0.3，材料为40Cr,密度 ρ=7800kg/m3； 具体步骤如下： 选择Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令。 在弹出的Element Type窗口中单击Add，弹出Library of Element Types窗口，选择单元类型SOLID285，单击OK。然后关闭Element Type 窗口。如图3.2所示。 再选择Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior窗口，选择Structural> Linear> Elastic> Orthotropic，弹出Linear Orthotropic Properties for 窗口，泊松比0.3，如图3.3所示，单击OK。 回到Define Material Model Behavior窗口，然后选择Structural>Density，弹出Density for Material Number 1窗口，输入材料密度7800，并单击OK，关闭Define Material Model Behavior窗口，如图3.4所示。完成单元及材料属性的定义。
汽车结构的常规有限元分析
汽车结构的常规有限元分析 作者：唐述斌 本文介绍了与产品研发同步的5个有限元分析阶段，阐述了有限元模型建立过程中应注意的问题，简单介绍了汽车产品的4种常规分析方法，建立汽车设计标准的方法，以及3个强度分析范例。范例1说明了有限元分析应注意的内容，范例2和3介绍了“应力幅值法”在解决汽车车轮轮辐开裂和汽车发动机汽缸体水套底板开裂问题 的应用。 汽车是艺术和技术的结合。一辆好车的主要特点是造型美观、有时代感、结构设计合理、轻量化、材料利用率高，车辆性能先进并且满足国家法规、标准和环保的要求，质量可靠、保养方便、低成本、用户满意、满足市场需求等。在竞争日益激烈的汽车市场，汽车性价比已经成为市场竞争的焦点。采用有限元的常规分析技术，用计算机辅助设计代替经验设计，预测结构性能、实现结构优化，提高产品研发水平、降低产品成本，加快新产品上市。
1. 与产品研发同步的5个有限元分析阶段 在汽车产品研发流程中，一般有如下5个同步的有限元分析阶段： 第0阶段：对样车进行试验和分析； 第1阶段：概念设计阶段的分析； 第2阶段：详细设计阶段的分析； 第3阶段：确认设计阶段的分析； 第4阶段：产品批量生产后改进设计的分析。
有限元分析在产品研发的不同阶段有不同的分析目的和分析内容。有限元分析和试验分析是互相结合和验证的。在详细设计阶段，有些汽车公司对白车身和成品车车身都进行有限元分析，有些汽车公司只对白车身进行有限元分析。 2. 有限元分析的关键环节――建立合理的有限元模型 有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。通
过力学分析，把实际工程问题简化为有限元分析的问题，提出建立有限元模型的具体意见和方法，确定载荷和位移边界条件，使得有限元分析有较好的模拟（仿真）效果。 前处理自动生成的网格可能存在问题。建立有限元模型的好坏直接影响计算结果的误差和分析 结论的正确性。在结构的几何图形上，划分有限元网格是建立有限元模型的主要内容之一。在用有限元分析的前处理自动生成网格时，特别是用常应变单元自动生成有限元网格时要非常注意，有可能存在问题，应引起注意，必要时加以改进。要想用有限元分析前处理自动生成出好的有限 元网格也要付出辛勤地劳动。即使在方案比较的情况下，应力和变形的分布规律也不能离谱，计算结果的误差也应在给定的范围之内，建立好的有限元模型与分析经验有关。 在没有有限元分析指南的情况下，用力学分析和试验结果对有限元模型的确认和对计算结果的 验证是非常重要的，以避免不正确的有限元分析结果误导设计。
分类号 密级 毕业设计(论文) 连杆的设计和有限元分析 所在学院机械与电气工程学院 专业机械设计制造及其自动化班级11机自x班 姓名 学号 指导老师 2015年 3 月31 日
摘要 连杆组由连杆体、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓（或螺钉）等组成。连杆组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨。 关键词：连杆，强度
Abstract The link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). The connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. The connecting rod by compression, stretching and alternating load. The connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. The fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. If the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin. Key Words: rice thresher threshing; improved design;
汽车结构有限元分析 论文题目：轿车引擎盖刚度分析及优化方法指导老师：XXXXX 班级：车辆工程XX班 学生姓名：XXX 学号：XXXXXX 日期：2014年1月3日星期五
轿车引擎盖刚度分析及优化方法 引擎盖是轿车的是重要部件，其扭转刚度性能的好坏直接影响汽车的整体性能。本文采用基于扭转角的评价方法，弥补了旧有方法的不足，并以某车型引擎盖为例对两种方法进行对比分析；运用Hypermesh 以及MSC NASTRAN 软件平台，进行前舱盖的有限元建模及其扭转刚度的求解，并采用两种方法进行优化对比分析. 一、概述 引擎盖（是汽车最醒目的车身构件，是顾客经常要察看的部件之一。引擎盖的在结构上一般由外板和内板组成，中间夹以隔热材料，内板起到增强刚性的作用，其几何形状由厂家选取，基本上是骨架形式。对引擎盖的主要要求是隔热隔音、自身质量轻、刚性强。因此，其性能的好坏，直接影响车身的总体性能和舒适性[1]。 对引擎盖扭转刚度共考察两种工况：一是模拟引擎盖正常工作状态下，约束锁工作时，约束相应的自由度，在缓冲块处施加适当的载荷，利用NASTRAN 求解，得到相应的刚度值；二是锁不工作，约束一侧缓冲块处适当的自由度，在另一侧缓冲块处施加适当的载荷，利用NASTRAN 求解，得到相应的刚度值。 二、分析方法 1、位移法：即K=F/S K-刚度 F-施加的载荷 S-载荷对应的位移 位移法，相对比较简单，单位变形所需要的力值。但它受加载点位置的影响，即不同点得到的结果不一样。而在引擎盖的扭转刚度分析中，加载点常常选择缓冲块，但其位置并没有统一的规定。所以，这种方法很难准确的表达引擎盖整体扭转刚度；对此方法的扭转刚度的提升，只需要简单的移动缓冲块的位置就能轻易地提高扭转刚度值，但对整体刚度的提升并没有实质的意义。 2、角度法：即K=F/θ K-刚度 F-施加的载荷θ -载荷对应的扭转角 角度法，单位扭转角所需要的力值。在引擎盖的扭转刚度的分析中，不受加载点位置影响，能很好的反应引擎盖的整体扭转刚度。 以某车型为例对两种方法进行对比，采用有限元法分析，对引擎盖的几何数模，利用Hypermesh 建立有限元模型，给定一定的边界约束条件和载荷条件，
目录 前言 (4) 第一章绪论 (5) 1.1柴油机连杆研究的意义及本文主要工作 (5) 1.2国内外研究现状及存在的问题 (5) 1.3本文主要工作 (5) 第二章连杆的结构特点及基本设计 (6) 2.1连杆的结构特点分析 (6) 2.1.1 连杆的运动分析 (6) 2.1.2 连杆的受力分析 (6) 2.1.3 连杆的结构分析 (6) 2.2连杆的工作条件和设计要点 (7) 2.3连杆基本尺寸的确定 (8) 2.3.1连杆小头 (9) 2.3.2连杆杆身 (9) 2.3.3 连杆大头 (10) 2.4过渡区 (11) 第三章柴油机连杆三维模型的建立 (11) 3.1建立连杆大小头及杆身 (11) 3.2建立连杆端盖 (19) 3.3建立连杆螺栓 (20) 3.4装配工作部件 (23) 3.5装配质量分析 (24) 第四章柴油机连杆的有限元分析及强度校核 (25) 4.1连杆几何模型的建立 (25) 4.1.1 连杆的材料性能及特点 (25) 4.1.2 几何模型的建立 (25)
4.1.3 网格的划分 (26) 4.2计算工况的选择和计算条件的处理 (27) 4.2.1 连杆载荷 (27) 4.2.2 连杆载荷的计算 (28) 4.2.3 连杆边界条件的处理 (30) 4.2.4约束条件 (32) 4.3连杆应力分析 (32) 4.4连杆安全系数计算 (34) 结束语 (35) 参考文献 (35) 致谢 (36)
柴油机连杆的三维建模及有限元分析 摘要：连杆是内燃机的关键零部件之一，连杆的结构和所处的工作环境十分复杂，在工作状态下受到气缸内燃气压力、活塞连杆组的往复运动惯性力、连杆高速摆动时所产生的横向惯性力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形，从而导致疲劳破坏。因此，对连杆在机械负荷作用下的变形、应力进行有限元分析，了解连杆的变形和应力分布情况，对改进连杆设计，提高其工作可靠性具有重要意义。 本文对连杆在机械负荷作用下的应力和变形进行了研究。首先，根据设计要求及连杆受力结构分析，确定了连杆的基本设计尺寸。其次，利用三维制图软件建立了内燃机连杆的几何模型，在三维有限元分析软件中转换成有限元模型。完成了连杆在机械载荷作用下的应力与变形分析。结果表明：杆身受力很小，导致大端被压变形较大，这说明杆身的尺寸过大，强度太高导致。因此，本文的研究结果将为连杆改进设计提供参考。 关键词：连杆，有限元，机械载荷，疲劳强度 Abstract: The rod is one of the key parts of the internal-combustion engine, the structure of rod and its working environment are very complicated. In working condition, various load, such as in-cylinder gas pressure, group of piston connecting rod reciprocating inertial force, connecting rods of high-speed swing when horizontal inertia forces, act on the rod and produce mechanical stress and deformation, as a result of causing fatigue failure. So the analysis of deformation and stress caused by mechanical load is important for improved design of rod structure. The purpose of this thesis is to study the stress and deformation of rod under influence of the mechanical load. First, the size of the basic design of the connecting rod is determined according to design requirements and the connecting rod force structure analysis. Secondly, the rod geometry model is established by using 3D graphics software, which can be transformed into finite element analysis model in 3D finite element software. The stress and deformation of rod under the action of the mechanical loads are analyzed. Results show that: a small pole sustained force, resulting in large end is pressed with a large deformation, which shows the size of the shaft is too large, high intensity led. The results of this research could provide foundation for improving the design of rod． Key words：connecting rod，FEM，mechanical load，Fatigue strength