7180型轿车转向节有限元分析
目录
摘要： (1)
ABSTRACT: (2)
1 引言 (3)
2 前述 (5)
2.1ANSYS软件简介 (5)
2.1.1 有限元法简介 (5)
2.1.2 ANSYS软件功能和技术特点功能 (5)
2.1.3 ANSYS在机械工业中的应用 (7)
2.2课题概述 (7)
2.37180型轿车的参数 (10)
2.4转向节的受力分析及其计算 (11)
2.4.1 转向节受力分析 (11)
2.4.2 转向节受力计算 (11)
3 有限元分析过程 (14)
3.1转向节有限元模型的建立 (14)
3.2转向节有限元线性分析 (15)
3.2.1 紧急制动工况 (15)
3.2.2 侧滑工况 (18)
3.2.3 越过不平路面工况 (24)
结论 (29)
致谢 (30)
[参考文献] (31)
7180型轿车转向节有限元分析
摘要：
转向节是汽车转向系统的重要结构件，它承受转向轮的负载以及路面通过
转向轮传递来的冲击，同时还传递来自转向器的转向力实现对汽车行驶方
向的控制，因此对其在强度、抗冲击性、疲劳强度以及可靠性方面都有很
高的要求。以7180型轿车转向节为例，根据给定车型的结构特点和转向
节的相关结构参数，分析其受力情况，然后在紧急制动工况、侧滑工况、
越过不平路面工况这三种工况下进行有限元分析计算,找出其中最薄弱的
环节并提出相应的结构修改措施。
关键词：转向节、有限元、强度、分析
Abstract:
Steering knuckle is an important structural element of vehicle steering
system. It is to bear the load and the impact of road that passing through the
steering wheel. And also transfer power from the steering gear in order to
control the direction of car. Therefore its strength, impact resistance, fatigue
strength and reliability requirements are high. For example the 7180 cars
steering knuckle, according to the structural characteristics of a given model
and related structural parameters of steering knuckle to analyze the force,
performed finite element analysis and calculation in emergency braking
conditions, sideslip condition, over the uneven road surface condition of
these three condition. Find out the weakest link and bring forward the
corresponding measures for the structural changes.
Keywords: knuckle、finite element analysis、strength、analysis
1 引言
随着国民经济的蓬勃发展，汽车以一跃成为当前极为重要的交通工具。由于现代社会对环境保护及能源越来越重视，各个汽车制造公司都在研制生产能源消耗少、污染小甚至无污染的新型汽车。改进汽车设计，特别是改进汽车结构件的设计以及采用可以减轻汽车的总质量而又不影响汽车的可靠性、舒适性、操纵稳定性和车身内部空间的新材料是解决这一问题的重要途径。长期以来，汽车产品的结构设计都是建立在经验的积累和大量的实验数据的基础上的。虽然有一些理论的分析方法，但却难以应用到复杂的汽车结构设计中。随着汽车更新速度的逐步加快和开发周期的日益缩短，以及对低能耗环保汽车的要求，结构工程师需要采用现代汽车设计方法及技术来进行汽车产品的开发。
本次毕业设计的主要目的是为了让我们对汽车零部件的更深层次了解，对现代汽车设计方法及技术来进行汽车产品的开发的了解，更是让我们对本科四年来所学知识的一个巩固和综合运用，一方面为我们在今后的学习中培养独立自学的能力，另一方面为我们在将来的工作和发展前途中打下良好的坚实的技术基础。
随着改革开放以来，中国汽车业的不断发展和完善，桑塔纳这个由德国大众命名的车系在竞争激烈的世界汽车市场上刮起旋风。这就像他的名字一样——桑塔纳是美国峡谷的一种飓风的名称。从1983年第一辆桑塔纳诞生到1994年桑塔纳2000投放市场再到2004年桑塔纳3000的上市，这些都是桑塔纳轿车质的飞跃。在2003年全国轿车产销量超过了195万辆，而上海大众再次占据头把交椅，以破记录的39.6万辆的年销量和破记录的40万辆的产量继续领跑中国汽车市场。桑塔纳的性能价格比更是成为市场上重实惠、重性能的用户的首选，在其企业的产品销量中占到半壁江山，成为企业维护市场份额的重要基石。在2004桑塔纳3000的上市中，上海大众更是推出了经典、舒适、豪华手动挡和自动挡5款车型供客户选择。与此同汽车业的竞争压力也愈加剧烈，舒适、安全、环保、节能成为汽车的时代主题，就安全性能方面来讲，越来越多的试验和分析软件被使用到汽车的性能检测上来。目前而言轿车生产厂商在生产轿车时都会对其零部件进行静强度设计分析，以确保零件的安全性能，另外，轿车在行驶过程中，零部件要受到各种交变载荷，在这种交变载荷的反复作用下，会发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂，这就是疲劳破坏，在技术改进和研究开发中，了解这种破坏形式对车辆零部件的强度影响作用具有极其重
要的意义。因此ANSYS软件在汽车零部件的强度分析中被广泛使用。目前国内外汽车的零部件均采用有限元分析的方法验证其在各种工况下的可靠性。
在进行7180型轿车转向节有限元分析毕业设计的过程中，我首先体验了搜集资料的重要性，而后我认识到应熟悉使用CATIA和UG等软件进行实体造型的过程，最重要的是熟悉利用ANSYS软件进行有限元分析的应用，掌握对转向节等重要结构件进行结构分析的过程，并且找出其薄弱环节，提出优化和改进其结构的措施以提高它的强度和刚度，这不仅能够提高转向节的性能，更加能够提高整个汽车的质量和安全性能。
由于我的水平有限，设计中存在缺陷和错误在所难免，敬请广大读者以及业内人士专家批评指正。
2 前述
2.1 ANSYS软件简介
2.1.1 有限元法简介
有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有有限个自由度的连续体。由于有限单元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。在此基础上，对每个单元假设一个简单的位移函数来近似模拟其位移分布规律，通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程，即是建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特殊关系集合起来，就可建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后解此方程组求得节点位移，并计算出个单元应力。
有限元的基本思想是“分与合”，分是为了划分单元，进行单元分析，合则是为了集合单元，对整体结构进行综合分析。无论对什么样的结构，有限元分析过程都是类似的。基本步骤为：（1）研究分析结构的特点，包括结构形状与边界、载荷工况等；（2）将连续体划分成为有限单元，形成计算模型，包括确定单元类型与边界条件、材料特性等；（3）以单元节点位移作为未知量，选择适当的位移函数来表示单元中的位移，再用位移函数求单元中的应变，根据材料的物理关系，把单元的应力也用位移函数表示出来，最后将作用在单元上的载荷转化为作用在单元上的等效节点力，建立单元等效节点力和节点位移的关系，这就是单元特性分析；（4）利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，集合成整体的有限元方程，求解节点位移。
2.1.2 ANSYS软件功能和技术特点功能
ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件能实现多场及多场耦合功能，集前后处理。分析求
解及多场分析于一体，独一无二的优化功能，唯一具有流场优化功能的CFD软件，具有强大的非线性分析功能，具备快速求解器，最早采用并行计算技术的FEA软件，可进行智能网格划分，具有多层次多框架的产品系列，并具备良好的用户开发环境。
ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具。ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型三时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。由于ANSYS 软件提供了软件接口转换程序，所以对于比较复杂的实体模型一般使用CATIA或者UG进行建模。
此外ANSYS软件提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括4种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。
网格划好后，零部件的有限元模型就建立好了。这时用户就可以进行加载计算了。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界
之间的相互作用。载荷的含义有：自由度约束位移、节点力（力，力矩）、表面载荷压力、惯性载荷（重力加速度，角加速度）。可以在实体模型或FEA（有限元分析）模型（节点和单元）上加载。直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。但要注意：无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到起所属的节点或单元上。
最后，ANSYS软件还具有后处理模块，后处理模块包括通用后处理模块和时间历程后处理模块。通用后处理模块可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步或时间步的结果。运用该模块可以获得各种应力场、应变场及温度场的等值线图形显示、变形形状显示以及检查和解释分析的结果列表。而时间历程后处理模块可获得结果数据对时间或频率的关系图形线及列表。如绘制位移-时间曲线，应力-应变曲线等。另外该模块还可以进行曲线的代数运算，变量之间还可以进行加、减、乘、除运算以产生新的曲线；也可以取绝对值、平方根、对数、指数以及最大和最小值；还可以对曲线进行微积分运算；并且还能够从时间历程结果中生成谱响应]4[。
2.1.3 ANSYS在机械工业中的应用
ANSYS可以对机械结构的静、动态力学性进行分析。静力分析是用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为，例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。模态分析是计算线性结构的自振频率及振形。谱分析是模态分析的扩展，用于计算机由于随即振动引起的结构应力和应变。在机械结构动力学分析中，利用弹性力学有限元建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应。
2.2 课题概述
随着科技的日新月异，汽车行业的竞争压力不断加剧，ANSYS软件在汽车零部件的使用可靠性验证中被广泛使用。目前大多数汽车生产商对汽车零部件均先采用作图软件如CATIA和UG等给零件建立实体模型，然后通过接口程序导入ANSYS软件中进行单元类型的定义和材料性能参数的定义，再进行网格的划分，这样就建立了零部件的有限元模型，而后在需要施加边界约束的节点上施加约束，最后进行加载
求解计算以获得零部件的应力云图以及位移变形云图等来验证其强度、抗冲击性、疲劳强度以及可靠性能。根据分析所得到的结论找出零件的薄弱环节提出改进的方案以加强零件的强度和工作可靠性。这不仅能够提高汽车零部件的性能，更加能够提高整个汽车的质量和安全性能。
根据对课题名称的分析可以判断是对轿车的转向节进行有限元分析。转向节是轿车底盘的连接件，是汽车车桥上的重要部件之一，其使用是否可靠直接关系到车辆的行驶安全性。它通过多个零件将制动系统、转向系统、悬架系统有效地连接起来，其在前模块总成中如图2.1所示。
图2.1 轿车的前悬架模块结构
转向节的毛坯一般采用铸造、锻造或铸加锻工艺，然后对转向节的杆部、法兰盘和叉部这三种主要部分进行机械加工，杆部加工以中心孔定位，车和磨为主，加工关键是磨削；法兰盘加工主要是制动器的安装孔加工，要保证其位置度，同时要兼顾加工效率，并且孔对叉部有定位作用；叉部加工是转向节加工的难点，采用销
一面定位，其加工主要是保证主销孔的同轴度，以及主销孔与内端面的垂直度，是整个加工工艺投资的重点和设备选型的关键]9[。经过以上几道工序最后成为一个复杂的空间受力件，承受转向力和来自地面的支撑力、滚动阻力、制动力等。它是汽车转向桥的主体构件，主要功能是保持汽车行驶的平稳性，缓解汽车在行驶过程中的纵向力和侧向力以及这些力造成的力矩，并减轻驾驶员的疲劳程度。汽车转向节品质的优劣直接维系着乘员和货物的安全]8[。其结构如图2.2所示，其连接功能见表2.1所示。
图2.2 转向节结构
表2.1 转向节连接点位置
2.3 7180型轿车的参数
根据课题名称7180转向节有限元分析，可知7—-轿车，18---排气量1.8L。由于市场上符合这两个参数的汽车有许多不同的品牌。我在这次毕业设计中选择了06款桑塔纳3000 1.8自动舒适型轿车的转向节进行有限元分析。其参数如下表2.2中。
表2.2 桑塔纳3000 1.8自动舒适型详细参数
2.4 转向节的受力分析及其计算
2.4.1 转向节受力分析
根据《汽车工程手册第二分册》，对转向节的受力按照3种危险工况进行分析计算，即：紧急制动工况、侧滑工况和越过不平路面工况。由《汽车有限元法》可知，转向节的基本受力情况有3种，即：车轮所受的垂直力、车轮所受的侧向力以及车轮所受的纵向力。根据车辆在行驶过程中转向节的受力分析可得：紧急制动工况即为垂直力和纵向力共同作用的组合工况；侧滑工况即为垂直力和侧向力共同作用的组合工况；越过不平路面工况即为垂直单独作用的工况。根据3种基本受力极限工况下车轮上的动载荷值进行计算]2[，即：
最大垂直动载荷：Z
max =kG
1
式中：k—动载系数；G
1
--前轮静载荷；
最大侧向载荷：Y m ax=G
1
?
式中：?--道路附着系数；
最大纵向载荷：X
max =qG
1
?
式中：m
1
--汽车制动时的重量分配系数。
以上参数数值见表2.3。
表2.3 系数数值表
2.4.2 转向节受力计算
一、最大垂直动载荷: Z
max =kG
1
m 1+m
2
=m (2-1)
m
m 2
L=a (2-2) m
m 1
L=b (2-3) 由以上三式可得m 1=622.86kg ，m 2=597.14kg
Z max =km 1g=12208N 二、最大侧向载荷：Y max =G 1?
Y max =G 1?=m 1g ?=4883.2N 三、最大纵向载荷：X max =qG 1?
X max =qG 1?=qm 1g ?=6836.5N 以上各向力的大小归纳于表2.4中。
表2.4 力值
另外转向节安装支环即力作用的全面积S 1=4.48×103-m 2，半面积S 2=2.24×103-m 2，S 3=1.15×103-m 2。
一、紧急制动工况 P Y =
2
max
S Z =5.45×106Pa ； P X =
2
max
S X =3.05×106Pa 。 二、侧滑工况
向左侧滑 P Y =5.45×106Pa ； P Z =-3
max
S Y =-4.25×106Pa 。
向右侧滑 P
=5.45×106Pa；
Y
=4.25×106Pa。
P
Z
三、越过不平路面工况
P
=5.45×106Pa。
Y
注：上式中正号表示压力，负号表示拉力。
以上各工况的载荷及属性见表2.5。
表 2.5 各工况载荷和属性
3 有限元分析过程
3.1 转向节有限元模型的建立
有限元模型是强度分析的基础，因此要先建立尽可能精确的模型，为有限元分析计算打好基础。首先根据设计的要求以及所选轿车的型号和相关参数，利用CATIA V5建立汽车左转向节的三维实体模型，由于转向节的形状较为复杂，在建模的过程中应首先注意对其结构进行简化，即要使有限元模型能够反映工程结构的主要特征，又要尽可能地缩小解题规模。这其中包括去除过小的倒角，修补细碎表面，使得建模能够方便快捷。依据这些要求可以得出如图2.2的转向节实体模型。然后在CATIA V5中另存为 *.stp 文件，再通过UG5.0打开*.stp文件，在UG5.0中通过parasolid 导出为 *.x_t 文件，这样就转化为ANSYS能够识别的文件了。最后在ANSYS软件中打开并且进行一系列的前处理，同时采用Structural Solid Brick 8node 45单元对转向节进行网格划分，并控制最大单元尺寸为5mm，划分为14183个节点，61753个单元，另外还有246个关键点，399个线单元，159个面单元和7个体单元，建立的有限元模型如图3.1所示。
图3.1 转向节网格图
3.2 转向节有限元线性分析
转向节的材料定义为40Cr，则其弹性模量E=196GPa，泊松比v=0.3，屈服极限σ=785MPa，取安全系数n=2，则许用应力[σ]=393MPa。又由于40Cr属于塑性材料，S
σ作为该材料的极限应力。
故在进行强度计算时，采用屈服极限
S
由于转向节在各工况下的约束是固定不变的，所以三种工况均采用统一的约束，在ANSYS的环境下对转向节的有限元模型施加约束。如图2.2所示，首先对图中编号为1和5的圆柱内侧面施加x和z方向上的约束，使其位移值为0，然后对编号为3的圆柱内侧面施加全约束，将其相对与三个坐标轴的位移值设为0，同时将其三个转动自由度也约束起来。这样就完成了转向节的约束施加，为后面在各种工况下的分析计算做好铺垫。
由于转向节在各种工况下所受力的大小以及作用方向和作用点不同，因此应分别对各工况进行分析计算，今考虑三种工况即：紧急制动工况、侧滑工况、越过不平路面工况，并将各个工况的分析计算分述如下。
3.2.1 紧急制动工况
汽车在制动过程中，除了受到地面的支撑反力外，还受到路面给车轮的纵向力。为了计算和分析的方便，现做如下假设，假设汽车在水平路面上行驶，假设汽车在制动时是直线向前行驶的。这样纵向力的方向就确定向后了。对于转向节的重力跟支撑反力相互抵消，因此不予考虑。此外汽车在制动过程中，转向节与制动钳连接的部位如图2.2编号为2的位置受到制动力，由于制动力矩是个变化的力矩难以获得以及我只是体系的不足，在此也不予考虑以简化计算。但是在今后的研究分析中，望能够解决这个问题。由于转向节是个复杂的受力体，其在三种工况中某时刻某位置所受到的力的作用点都在变化，因此在加载时，如果加载集中点力很难把握力的作用点，作用点选取的不同会影响分析计算的结果，甚至会导致错误的分析计算结果。所以采用面载荷在转向节的圆形凸台上进行加载，这原本是轴承力，但是为了计算的方便采用均布载荷。分析计算后可得到在紧急制动工况下转向节的变形后的几何形状和未变形的轮廓图、等效应力场分布等值线图以及等效应变等值线图。他们分别如下图3.2、图3.3和图3.4所示。
图3.2 变形后的几何形状和未变形的轮廓图
图3.3 等效应力场分布等值线图
从以上等效应力场分布等值线图上可以看到，转向节的主体部分所受到的应力都比较小，与车轮连接的圆形凸台部分所受的应力中等，且数量级比材料的屈服极限以及许用应力小，但是此处还要极其注意其制造工艺，以确保应力在屈服极限和许用应力以下。在紧急制动工况下，最小应力场分布在与主销连接的叉部，最大应力场分布在与转向节臂连接的杆的头部以及杆与主体连接的根部。所以与转向节臂连接的杆部是最大应力场分布的地方，因此在设计加工转向节的过程中要引起重视。总得说来，所分析的转向节在紧急制动工况下的最大应力小于许用应力，
即.147E+09=147MPa<[ ]=393MPa。
图3.4 等效应变等值线图
由理论知识即可知道应力场大的地方应变也大，应力场小的地方应变也小。所以在紧急制动工况下，转向节的大部分地方的应变都较小，与车轮连接的圆形凸台的应变适中，最大应变出现在与转向节臂连接的杆部，最小应变仍然出现在与主销连接的叉部。从上图3.4等效应变等值线图可以看出在紧急制动工况下，桑塔纳轿车的左转向节从连接转向节臂的杆部向右起，应变增大，且出现最小位移变形的地方就是与转向节臂相连接的杆的头部，值得一提的是与制动钳连接的杆部还受到未曾考虑的制动力，因此该处的实际位移变形比上图分析得略有增加。另外，与主销连接的叉部是车轮在地面摆动的轴线，因此强度要高，加工也需精确。
3.2.2 侧滑工况
当汽车的前轮抱死而后轮滚动时，设方向盘不动，汽车受到偶然并且短暂的侧向外力作用后，前轴会发生侧向滑动，而后轴未有侧向滑动，后轴中点速度的方向与汽车纵向轴方向一致。此时，汽车发生类似转弯的行驶运动。侧向外力的作用方向可能向左也可能向右，因此侧滑工况分为左侧滑和右侧滑。假设使汽车发生侧滑
的侧向外力沿着汽车的横向。在进行侧滑工况分析时也是将载荷加在圆形凸台上，
同样也是采用均布载荷进行加载。
一、左侧滑由于我选取的是左转向节，当汽车前轴向左侧滑时，汽车受到地面垂直向上的支撑力以及向左的侧向外力。在进行加载的时候应注意侧向外力作用在圆形凸台上起着拉力的作用，因此在ANSYS软件中要输入负值，这里的负值仅仅表示作用力对于零件是拉力。加载后进行分析计算同样能够得到汽车在左侧滑的工况下转向节的变形后的几何形状和未变形的轮廓图、等效应力场分布等值线图以及等效应变等值线图。即下面所列的图3.5、图3.6和图3.7。
图3.5 变形后的几何形状和未变形的轮
基于ANSYSWorkbench减震器支架组有限元分析
TECHNIC FORUM/技术论坛 2011/09 基于ANSYS Workbench减震器支架组有限元分析 Finite Element Analysis of Absorber Bracket Component Based on ANSYS Workbench 121 胡顺安 孙博 王振凯HU Shun-an et al 1. 山东蓬翔汽车有限公司 山东烟台 265607 2. 三一重型装备有限公司 辽宁沈阳 110027 摘 要：详细介绍了减震器支架组有限元分析时的模型前处理、边界条件设定及后处理等分析过程，并通过对减震器支架组的应力分析结果进行的评判，系统分析了该减震器支架组在不同载荷下的适用情况。 关键词：减震器支架组 有限元 应力分析 Abstract Pre-process, boundary conditions, and post-process in the finite element analysis of the absorber bracket component were elaborated, by evaluating the stress analysis result of the absorber bracket component, the applicable condition of the absorber bracket component in different loads were analyzed. Key words absorber bracket component; finite element; stress analysis +中图分类号：U463.335.1.02 文献标识码：A 文章编号：1004-0226(2011)09-0070-02 1 前言 根据市场反映，原先设计的减震器支架易从根部撕裂，后续产品可通过改进下推力杆支架和减震器支架的结构来满足产品的使用要求；但市场上已售出的产品因为下推力杆支架已经焊接在桥壳上，无法采用改进下推力杆支架的方式加以解决，急需返修，故提出采用改进减震器支架替代原减震器支架，并在局部采用加强筋，再将减震器支架和加强筋焊接在下推力杆支架上的返修方案。由于时间紧迫，无法用试验方法测出零部件所受应力的具体数值，暂故此通过有限元方法来评估该结构是否可行。文中对减震器支架组(即减震器、焊缝和加强筋的组件)采用ANSYS Workbench 12.1软件进行有限元分析，主要分析减震器支架、焊缝最大应力和应力分布，通过对应力结果的评判，系统分析了该减震器支架组在不同载荷下的适用情况。 第一作者：生，工程师，胡顺安现从事车桥设计工作。 ，男，1978年 2 模型简化及前处理 桥壳上减震支架的受力情况如图1所示，减震器支架受力F ，减震器支架整体受弯曲应力作用产生弯矩，弯矩值大小与减震器支架受力的中心孔到桥壳中心的距离有关，与桥壳的轮距无关，因此，可以将此数模简化，其数学模型简化情况见图2。 因为分析的重点是减震器支架、加强筋和焊缝的强度，所以在图2中对于桥壳、下推力杆支架都可以采用简化画法，而不作为关注对象。整个数模共有6个零部件：即减震器支架、焊缝、下推力零部件()后，整个数模只存在3个零部件。其中桥壳和加强筋材料为Q460CL ，下推力杆支架和减震器支架材料为ZG270-500，焊接材料E501T-1，溶合后焊缝处的强 杆支架、桥壳和加强筋。根据所要分析的零部件以及焊接情况，可以将焊缝、加强筋和减震器支架组成一个新的称减震器支架组。如图3为所示，经过前处理
有限元分析系统的发展现状与展望外文翻译
Finite element analysis system development present situation and forecast Along with modern science and technology development, the people unceasingly are making the faster transportation vehicle, the large-scale building, the greater span bridge, the high efficiency power set and the preciser mechanical device. All these request engineer to be able precisely to forecast in the design stage the product and the project technical performance, needs to be static, technical parameter and so on dynamic strength to the structure as well as temperature field, flow field, electromagnetic field and transfusion carries on the analysis computation. For example analysis computation high-rise construction and great span bridge when earthquake receives the influence, has a look whether can have the destructive accident; The analysis calculates the nuclear reactor the temperature field, the determination heat transfer and the cooling system are whether reasonable; Analyzes in the new leaf blade the hydrodynamics parameter, enhances its operating efficiency. The sell may sum up as the solution physics question control partial differential equations often is not impossible. In recent years the finite element analysis which develops in the computer technology and under the numerical analysis method support(FEA, Finite Element Analysis) the side principle for solves these complex project analysis estimation problems to provide the effective way. Our country in " 95 " Plan period vigorously promotes the CAD technology, mechanical profession large and middle scalene terries CAD popular rate from " 85 " End 20% enhances that present 70%.With enterprise application of CAD, engineering and technical personnel has gradually get rid drawing board, and will join the main energy how to optimize the design, engineering and improving the quality of products, computer-aided engineering analysis (CAE. Computer Aided Engineering) method and software will be the key technical elements . ln engineering practice, finite element analysis software and CAD system integration design standards should be a qualitative leap, mainly in the following aspects : The increase design function, reduces the design cost; Reduces design and the analysis cycle period; Increase product and project reliability; Uses the optimized design, reduces the material the consumption or the cost;
支架的有限元分析ABAQUS
支架的线性静力学分析实例：建模和分析计算 在此实例中读者将学习ABAQUS/CAE的以下功能。 1) Sketch功能模块:导人CAD二维图形，绘制线段、圆弧和倒角，添加尺寸，修改平面图，输出平面图。 2) Part功能模块:通过拉伸来创建几何部件，通过切割和倒角未定义几何形状。 3) Property功能模块:定义材料和截面属性。 4) Mesh功能模块:布置种子，分割实体和面，选择单元形状、单元类型、网格划分 技术和算法，生成网格，检验网格质量，通过分割来定义承受载荷的面。 5) Assembly功能模块:创建非独立实体。 6) Step功能模块:创建分析步，设置时间增量步和场变量输出结果。 7) Interaction功能模块:定义分布榈合约束(distributing coupling constraint)。 8) Load功能模块:定义幅值，在不同的分析步中分别施加面载荷和随时间变化的集中力，定义边界条件。 9) Job功能模块:创建分析作业，设置分析作业的参数，提交和运行分析作业，监控运行状态。 10) Visualization功能模块:后处理的各种常用功能。 结构静力学分析（static analysis）是有限元法的基本应用领域，适用于求解惯性及阻尼对结构响应不显著的问题。主要用来分析由于稳态外载荷引起的位移，应力和应变等。本章的静力学分析实例按照ABAQUS工程分析的流程对支架进行线性静力学分析，通过实例基本掌握了分析的流程，同时了解接触的定义。 1.问题描述 所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。材料的弹性模量E=2100000MPa,泊松比为0.3。
ANSYS 有限元分析基本流程
第一章实体建模 第一节基本知识 建模在ANSYS系统中包括广义与狭义两层含义，广义模型包括实体模型和在载荷与边界条件下的有限元模型，狭义则仅仅指建立的实体模型与有限元模型。建模的最终目的是获得正确的有限元网格模型，保证网格具有合理的单元形状，单元大小密度分布合理，以便施加边界条件和载荷，保证变形后仍具有合理的单元形状，场量分布描述清晰等。 一、实体造型简介 1．建立实体模型的两种途径 ①利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模： ②利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。 2．实体建模的三种方式 (1)自底向上的实体建模 由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。 (2)自顶向下的实体建模 直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。 (3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模 可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型，即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时，实体模型的建立比较1e单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。 二、ANSYS的坐标系 ANSYS为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。 ①全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位置。 ②显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。 ③节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 ④单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。 1．全局坐标系 全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下，建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y-柱坐标系。4种全局坐标系有相同的原点，且遵循右手定则，它们的坐标系识别号分别为：0是笛卡尔坐标系(cartesian)，1是柱坐标系 (Cyliadrical)，2是球坐标系(Spherical)，5是Y-柱坐标系(Y-aylindrical)，如图2-1所示。
白车身模态分析作业指导书(修改)
文件编号： YJY·P ·0020·A1-2004 文件名称：白车身模态分析作业指导书 编制：日期： 审核：日期： 批准：日期：
发布日期：年月日实施日期：年月日 前言 为使本公司白车身模态分析规范化，参考国内外白车身模态分析的技术，结合本公司已经开发车型的经验，编制本分析作业指导书。意在对本公司分析人员在做白车身模态分析的过程中起指导作用，让不熟悉或者不太熟悉该分析的员工有所依据，提高工作效率和精度。本作业指导书将在本公司所有白车身模态分析中贯彻，并将在实践中进一步提高完善。 内容包括：前处理模型；分析软件的使用；工程载荷及求解的设置；分析结果后处理和评价标准等。 本标准于2004年9月起实施。 本标准由上海同济同捷科技股份有限公司技术总监室提出。 本标准由上海同济同捷科技股份有限公司技术总监室负责归口管理。 本标准主要起草人：谢颖、邓文彬
白车身模态分析流程 1、适用范围 任何车型的白车身。 2、分析的目标及意义 本分析旨在分析白车身的振动固有频率和振型，得到的数据可为车身结构设计和振动噪声分析提供参考。 3、前处理建模 3.1白车身模型（只包括焊接总成，不包括门、玻璃、内饰等螺栓紧固件），焊点用RBE2(6个自由度)模拟，焊点布置应符合实际情况，边界条件为自由。 3.2 网格大小和注意事项如下。 3.2.1建模标准（所有项均在HYPERMESH中检测）表1 在网格划分之前，一定要充分考虑该零件与其它零部件之间的连接关系。 3.2.2在hypermesh中注意事项： 3.2.2.1 单元网格总体要求：连续、均匀、美观，过渡平缓。
3.2.2.2 对于倒角，倒角两端点距离小于5mm时可删去（命令：geom\distance）。当倒角两端点距离大于5mm时，测一下倒角的弧长(命令：geom\length)，如弧长小于10mm时划分一个单元，大于10mm，划分两排单元，如难以满足单元长度要求，可将倒角的一边toggle掉。对于孔，半径小于5mm时可删去，同时删去小于5mm的凸台和沉孔。 3.2.2.3对于对称件，只划分一个件的网格，另一个件使用镜像方法生成。对于一个单个零件如果是左右对称的，可将它从中间切开，划分一半即可（使用splitbody命令），对于单个零件判断其是否是左右对称的，可将切开的另一半镜像过去（使用transform命令），渲染后看是否重合 3.2.2.4对于一些比较小的零部件（比如小螺栓）根据其位置和尺寸及对分析目标的重要性可不进行网格划分 3.2.2.5 B柱之前的零件网格尺寸控制在10-15mm，对于B柱之后ｃ柱之前的零件，可适当增大网格尺寸，定在15-20mm，ｃ柱之后20－35ｍｍ划分时可根据具体情况进行调整(如对一些连接处可划分细一些)； 3.2.2.6原则上存在焊点的翻边必须划分两排单元，识别焊边可察看各总成数模、或者是看参考车型以及去设计部门的相关负责人联系。在焊点的翻边上，如翻边长度小于10mm，在保证最小单元长度要求下，可适当将翻边加长。大于10mm 时，考虑划分两排单元，对不符合长度要求的单元进行必要的调整（如将翻边的边界toggle掉）。 原则上焊点位置由设计部门确定，在设计部门已提供焊点位置的情况下，采取以下操作步骤：1）在UG中检查焊点位置，若发现分布不合理的焊点，须与车身相关设计人员确认；2）将零件导入HYPERMESH，其中应包含该零件的焊点信息――点和圆圈线（导入前需确认在UG里已经将点、线、面分层）；3）将含圆线圈的COMP隐藏，只显示零件和焊点，然后用GEOM CLEANUP/FIXED POINTS/ADD命令将焊点变成零件面上的硬点；4）划分网格并按标准检查好单元质量后，文件先以HM格式进行保存（须包含所有点、线、面和单元），然后将网格输出成*.bdf文件，再将焊点和圆圈线输出成*.igs（该文件的命名方法：在bdf文件名前加w。如：bdf文件53-01.bdf，则igs文件w53-01.igs）；5）在PATRAN里装配时，将
(完整word版)有限元分析软件的比较
有限元分析软件的比较（购买必看）－转贴 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式，这些问题的解析计算往往是不现实的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element A nalysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加设计功能，减少设计成本； 缩短设计和分析的循环周期； 增加产品和工程的可靠性； 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 进行机械事故分析，查找事故原因。 在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PA FEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。 以下对一些常用的软件进行一些比较分析： 1. LSTC公司的LS-DYNA系列软件
有限元分析软件比较分析
有限元分析软件 有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50 年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS 在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC 进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA 以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。 结构分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS 流体分析能力排名：ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS 耦合分析能力排名：ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS 性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC ABAQUS 软件与ANSYS 软件的对比分析： 1．在世界范围内的知名度：两种软件同为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有各自广泛的用户群。ANSYS 软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。由于ANSYS 产品进入中国市场早于ABAQUS，并且在五年前ANSYS 的界面是当时最好的界面之一，所以在中国，ANSYS 软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。但随着ABAQUS北京办事处的成立，ABAQUS软件的用户数目和市场占有率正在大幅度和稳步提高，并可望在今后的几年内赶上和超过ANSYS。 2．应用领域：ANSYS 软件注重应用领域的拓展，目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域。ABAQUS 则集中于结构力学和相关领域研究，致力于解决该领域的深层次实际问题。 3．性价比：ANSYS 软件由于价格政策灵活，具有多种销售方案，在解决常规的
某商用车驾驶室白车身模态分析
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/0f2174105.html, 某商用车驾驶室白车身模态分析 作者：谢小平,韩旭,陈国栋,周长江 来源：《湖南大学学报·自然科学版》2010年第05期 摘要:以某商用车驾驶室白车身为原型,利用模态分析方法对其动力学特征参数进行分析.在理论(正问题)和实验(反问题)两个互补的模态分析过程中,利用有限元模型进行理论模态分析,为实验模态分析的实施打下良好基础.分别采用最小二乘复指数法(LSCE)和最小二乘复频域法(LSCF)进行实验模态分析,得到各阶模态振型并对理论分析的结果进行修正.经过两种结果的比较和分析,最终得出准确的模态分析结果并对白车身原型提出改进意见.生产厂商依据改进意见进行工艺改进,通过用户实际使用证实了改进方案的有效性和正确性. 关键词: 商用车驾驶室;白车身;有限元;实验模态分析;LSCE;LSCF 中图分类号:TH113.1文献标识码:A Modal Analysis of Commercial Vehicle Cab’s Body-in-White XIE Xiao-ping+, HAN Xu, CHEN Guo-dong, ZHOU Chang-jiang (State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Faculty of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha, 410082) Abstract: The theory modal analysis (TMA, forward problem) and experimental modal analysis(EMA, inverse problem) methods are both used to analysis dynamics characteristic parameters of one commercial vehicle cab’s body-in-white. Finite element modal analysis is carried out to get mode shape and lay down well basis to experimental modal analysis in TMA process. In EMA process, LSCE(Least Squares Complex exponent method) and LSCF (Least Squares Complex Frequency Domain method) methods are used to get mode shape and modify TMA results. With comparison to all results, the accurate conclusion can be reached and improvement opinion is brought forward to the prototype. The improvement projection was proved to be effective by consumers’utilization after manufacturer put it into applications. Keywords: commercial vehicle cab’s bod y-in-white; finite element method; experimental modal analysis; LSCE; LSCF 车辆在行使的过程中常因路面不平,车速和运动方向的变化,车轮、发动机和传动系的振动激励,以及齿轮的冲击等各种外部和内部激励,极易引起整车和局部振动。当外界激振频率与系统固有频率接近时,将产生共振[1]。
商用车转向器支架疲劳寿命仿真分析
收稿日期:2010 04 10 作者简介:赵卫艳(1978 ),女,山西运城人,陕西汽车集团有限责任公司汽车工程研究院工程师,长安大学工学博士研究生, E mail:zw y780906@https://www.wendangku.net/doc/0f2174105.html, 。 第31卷 第1期2011年1月 长安大学学报(自然科学版) Journal of Chang an University(Natural Science Edition) Vol.31 No.1Jan.2011 文章编号:1671 8879(2011)01 0090 05 商用车转向器支架疲劳寿命仿真分析 赵卫艳1,2 ,谷雪松2 ,王 可3 ,魏 朗1 ,曹祖强 2 (1.长安大学汽车学院,陕西西安710064; 2.陕西汽车集团有限责任公司汽车工程研究院, 陕西西安710200; 3.中国定远汽车试验场,安徽定远210028) 摘 要:为了揭示转向器支架的破坏机理,在整车实际运行工况下计算转向器支架最大受力,并在此基础上建立了转向器支架的有限元模型,在转向器质量和最大转向力矩的共同作用下对转向器支架进行静强度分析;根据S N 曲线方法、正弦载荷谱和Radio ss 工具对转向器支架进行疲劳寿命分析;最后将仿真结果与实际破坏形式及理化分析结果进行对比。结果表明:转向器支架满足静强 度要求,但是存在局部寿命不足、一致性差的问题;仿真分析与工程实际具有较好的吻合性。关键词:汽车工程;转向器支架;疲劳寿命;有限元分析;S N 曲线中图分类号:U 463.4 文献标志码:A Simulation for fatigue life of commercial vehicle steering gear bracket ZH A O Wei yan 1,2,GU Xue song 2,WANG Ke 3,WEI Lang 1,CAO Zu qiang 2 (1.Schoo l o f Automo bile,Chang an U niversit y,Xi an 710064,Shaanxi,China; 2.Institute of Auto mobile Engineer ing,Shaanx i A uto mobile G ro up Co L td,Xi an 710200,Shaanx i,China; 3.China Dingy uan A ut omotive P rov ing G round,Ding yuan 210028,Anhui,China) Abstract:In order to reveal the dam ag e mechanism of the steering g ear bracket for a certain com m er cial vehicle,the maximum force w as com puted under actual w orking condition.The finite model of the bracket w as built based on the force analy sis,and the static streng th w as analyzed by sim ulation.The fatig ue life of the br acket w as analyzed by simulation,based on the S N method,the sine w ave lo ad spectrum and Radioss tool.In the end,the simulation analysis w as com pared w ith the real damage fo rms and physics chemical analysis.T he result show s that the static str ength o f the steering g ear bracket is adequate,but the local life is insufficient and the consistence is poor,the simulatio n and r eal damage results are uniform.2tabs,11figs,10refs.Key words:automobile engineering;steering g ear bracket;fatig ue life;finite element analy sis;S N curve 0 引 言 汽车零部件的破坏是涉及结构、材料、强度、动力学、制造装配工艺、质量保证体系以及车辆运用条件等诸多因素的复杂问题。转向器支架,作为转向 器的支撑件和地面转向阻力矩到转向器的传递机构,其结构强度及其疲劳寿命直接影响整个转向机构的稳定性和使用寿命。对于重型商用车来说,由于轴荷加大,转向器支架承受的交变力矩更大,因此合理设计转向器支架,使其以尽量小的质量满足强
对有限元方法的认识
我对有限元方法的认识 1有限元法概念 有限元方法（The Finite Element Method, FEM）是计算机问世以后迅速发展起来的一种分析方法。每一种自然现象的背后都有相应的物理规律，对物理规律的描述可以借助相关的定理或定律表现为各种形式的方程（代数、微分、或积分）。这些方程通常称为控制方程（Governing equation）。 针对实际的工程问题推导这些方程并不十分困难，然而，要获得问题的解析的数学解却很困难。人们多采用数值方法给出近似的满足工程精度要求的解答。 有限元方法就是一种应用十分广泛的数值分析方法。 有限元方法是处理连续介质问题的一种普遍方法，离散化是有限元方法的基础。 这种思想自古有之：古代人们在计算圆的周长或面积时就采用了离散化的逼近方法：即采用内接多边形和外切多边形从两个不同的方向近似描述圆的周长或面积，当多边形的边数逐步增加时近似值将从这两个方向逼近真解。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。 国际上早在 60 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序。“有限单元”是由Clough R W于1960年首次提出的。但真正的有限元分析软件是诞生于 70 年代初期，随着计算机运算速度的提高，内、外存容量的扩大和图形设备的发展，以及软件技术的进步，发展成为有限元分析与设计软件，但初期其前后处理的能力还是比较弱的，特别是后处理能力更弱。
有限元分析
彭彭 (沈阳化工大学机械工程学院，辽宁沈阳110142) 1 研究的目的和意义 2 建立桥梁检测车检测臂模型 本次设计是对桥梁检测车检测臂进行静力和动力分析。在分析过程中用到的所有数据及参数均参考有关规范。 钢桁架（steel truss ）用钢材制造的桁架工业与民用建筑的屋盖结构吊车梁、桥梁和水工闸门等，常用钢桁架作为主要承重构件。各式塔架，如桅杆塔、电视塔和输电线路塔等，常用三面、四面或多面平面桁架组成的空间钢桁架。本文中采用四面桁架[4]。 检测臂为平行弦杆结构全长10米，上弦杆和下弦杆长度均为1米，截面均为直径10cm圆截面，如图2-1、2-2。 图2-1桥梁检测车工作臂结构示意图 本文研究的是整个工作臂结构中的水平部分，这部分是带有伸缩功能的臂架结构，是工作臂中主要的承重部分。
图2-2检测臂平面图 图2-3 检测臂立体图 2.2单元介绍 2.2.1 BEAM188单元描述 BEAM188 —三维线性有限应变梁单元 单元描述： BEAM188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构。该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响[5]。BEAM188是三维线性2节点梁单元，每个节点有六或七个自由度，自由度个数取决于KEYOPT（1）的值。当KEYOPT（1）＝0（缺省）时，每个节点有六个自由度：节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z轴的转动。当KEYOPT（1）＝1时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。本单元非常适合于线性、大角度转动和/或非线性大应变问题。当NLGEOM打开（ON）时，BEAM188缺省考虑应力刚化效应。应力刚化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定性问题。 下面是BEAM188单元的示意图
有限元分析71831
有限元分析 有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法(FEM，Finite Element Method)。 有限元法是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法.这种类型的问题会在许多工程学科中遇到,如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、断裂力学、流体力学等.在机械工程中,有限元分析被光分应用在结构、振动和传热问题上。 有限元法是60年代以来发展起来的新的数值计算方法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在70年代初期就有人给出结论：有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分析程序包的功能越来越强大，使用越来越方便。 大约在300年前，牛顿和莱布尼茨发明了积分法，证明了该运算具有整体对局部的可加性。虽然，积分运算与有限元技术对定义
域的划分是不同的，前者进行无限划分而后者进行有限划分，但积分运算为实现有限元技术准备好了一个理论基础。 在牛顿之后约一百年，著名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。这两项成果的前者被用来将微分方程改写为积分表达式，后者被用来求解有限元法所得出的代数方程组。在18世纪，另一位数学家拉格郎日提出泛函分析。泛函分析是将偏微分方程改写为积分表达式的另一途经。 在19世纪末及20世纪初，数学家瑞雷和里兹首先提出可对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。1915年，数学家伽辽金提出了选择展开函数中形函数的伽辽金法，该方法被广泛地用于有限元。1943年，数学家库朗德第一次提出了可在定义域内分片地使用展开函数来表达其上的未知函数。这实际上就是有限元的做法。 所以，到这时为止，实现有限元技术的第二个理论基础也已确立。 20世纪50年代，飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组，首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，经过一番波折后获得前述的两个离散的成功。20世纪50年代，大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作，这为实现有限元技术准备好了物质条件。1960年前后，美国的R. W. Clough教授及我国的冯康教授分别独立地在论文中提出了“有限单元”，这样的名词。此后，这样
有限元软件介绍和比较
有限元软件介绍和比较 一、msc/patran+nastran, ansys, abaqus 三者的比较 俺最喜欢的是msc/patran+nastran，因为当年国内飞机公司最先引进的就是nastran，其菜单式的操作，比用手写有限元程序，爽多了！！特别是建立飞机这类巨大型结构，可以说，只有patran的建模最强！！（有人在仿真说abaqus能建整个飞机模型，哈哈，吹牛不上税，就凭其目前功能，要花一百年！！） 另外，msc财大气粗，其教程是手把手式，航空上最常用的有限元分析，都有现成的例题，step by step，傻瓜都会很快地入门！！由于其广泛应用于航空航天/汽车工业，所以，至今为止，如果要学CAE软件，俺认为应首选msc/patran+nastran。 与patran+nastran相比，ansys的界面就低了一些，操作也没有patran舒服。不过，差别不是很大。ansys据俺的体会，唯一的强项就是多场耦合。其他的功能， msc/patran+nastran都有。不过，ansys的apdl语言比较高级，是其最大优势，或者说，msc 应向这一方向发展！！不过，apdl最开始学也很费事，得一条一条查，一条一条记，这个过程没有两三个月下不来。由此，ansys的清爽度比msc差一些。 abaqus，如果自己用手编写过有限元程序的，入门应该不难。其命令格式，跟自己用手编程序一个套路。abaqus的强项是其分析功能很全面，特别是非线性部分，基本上都包含了。abaqus最大的缺点是上手慢，其教程太差，除了几本手册，基本上等于没有教程。要学abaqus，其时间要比msc, ansys长多了！！现在看，学abaqus实在没什么省时间的方法（比如它的 training lecture，一本250$，买来一看，气晕俺，还没手册说得详细！！），所以唯一的笨方法就是要看手册啦。(如果说msc是windows点鼠标时代的水平，abaqus就是敲dos命令的原始时代。不过，如果愣要用非线性分析，而nastran/ansys都没用，也只能用abaqus了。估计几年后，其CAE应能发展patran的水平，其教程应有step by step的水平。否则，为了一个非线性，多花数倍的时间，实在不爽！！或者说，花一辈子时间，才会用其中一部分功能，真可谓生也有涯，学也无涯，以有涯学无涯，不如不学算了！！ 二、MSC.PATRAN和ANSYS比较 MSC.PATRAN最早由美国宇航局(NASA)倡导开发的, 是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图形界面集于一身，构成一个完整 CAE集成环境。 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Algor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。 在建立复杂模型上ANSYS不如PATRAN，但PATRAN很繁琐。ANSYS比较适合于教学和科研，但ANSYS的求解效率确实不如NASTRAN。所以NASTRAN比较适合于工程。比较如下： 1、PATRAN界面层次分明，建模思路清晰；ANSYS界面菜单重叠、繁杂、互相覆盖，建模思路交替杂乱，条理不清。 2、PATRAN在一个界面内完成所有的同类模型（Geo. Fem BC. Mat. Prop.等各自为一类）操作。而ANSYS要重复打开和关闭多个相互重叠覆盖的界面，才能完成一个特征的创建和参数的输入等操作，非常烦琐。 3、PATRAN将计算任务提交给NASTRAN在后台运算后，在前台PATRAN仍然可以进行各种建模操作。而ANSYS提交了计算任务后，就不能再使用其前后处理功能。ANSYS的使用效率就大大地降低。
有限元分析系统ABAQUS中的特征技术
2006年 工 程 图 学 学 报2006第5期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.5 有限元分析系统ABAQUS中的特征技术 张玉峰1，朱以文1，丁宇明2 （1. 武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072；2. 武汉大学城市设计学院，湖北武汉 430072） 摘要： ABAQUS是目前最先进的大型通用非线性有限元分析系统，也是唯一应用了特征技术的有限元分析软件。通过剖析其特征技术应用的特点及其问题，对自主开发基于特征的有限元建模软件具有重要的参考价值。首先介绍了ABAQUS中基于零件和装配概念的有限元模型的建模方式，其次分析研究了ABAQUS前处理模块ABAQUS/CAE中的特征技术及其应用特点，具体分析并总结了其形状特征的分类及生成方法，剖析了ABAQUS 中分析属性（分析类型、材料、载荷和边界条件等）与特征之间的关系，网格生成与特征之间的关系，最后指出了其特征技术应用存在的不足和缺陷，并给出了进一步改进的一些建议。 关键词：计算机应用；特征技术；分析；ABAQUS软件；特征造型；有限元分析； 形状特征；分析属性特征；系统集成 中图分类号：TP 391 文献标识码：A 文章编号：1003-0158(2006)05-0142-07 Feature Technology of Finite Element Analysis System ABAQUS ZHANG Yu-feng1, ZHU Yi-wen1, DING Yu-ming2 ( 1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China; 2. School of Urban Design, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China ) Abstract: Nowadays, ABAQUS is the most advanced finite element analysis system for solving non-linear problems in the world. It is also only one finite element analysis system which applies feature technology. Studying its characteristics and some problems of feature technology application is very important for developing feature-based finite element modeling software by ourselves. Firstly, this paper introduces the modeling mode of ABAQUS which is based on the conceptions of part and assemble, secondly, studies feature technology and its applications in ABAQUS/CAE——the preprocessing module of ABAQUS, concretely analyzes and summarizes the category of form feature and its generation methods, especially studies relationship between form feature and analysis attribute feature (analysis type, material, load and boundary conditions etc.), relationship between form feature and mesh generation, finally, the paper points out that ABAQUS has some deficiencies in applying feature technology, and provides some advice for improving the functions of ABAQUS. Key words: computer application; feature technology; analysis; ABAQUS; feature-based modeling; finite element analysis; form feature; analysis attribute feature; system integrating 收稿日期：2006-04-30 作者简介：张玉峰（1966-），男，甘肃礼县人，副教授，博士，主要研究方向为CG&CAD，结构工程，基于数字影像和激光扫描的三