2867 基于ANSYS對汽車鋼板彈簧的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計,基于,ansys,對于,汽車,鋼板,彈簧,有限元分析,優(yōu)化,設(shè)計 分 類 號 密 級 寧xxxx 學院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )基于 ANSYS 對汽車鋼板彈簧的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計所 在 學 院專 業(yè)班 級姓 名 xxxx學 號指 導 老 師年 月 日2誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《基于 ANSYS 對汽車鋼板彈簧的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。承諾人（簽名）： 年 月 日I摘 要首先通過對鋼板彈簧的彈性特性進行分析，熟悉鋼板彈簧的組成和類別。然后研究一些對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有影響的因素，并通過對這些因素的分析和研究，綜合考慮各個因素，要清楚地知道所要設(shè)計的懸架應符合的要求。接著對長安星卡 SC1022D7 車型的已有數(shù)據(jù)進行分析計算，通過一系列的數(shù)據(jù)，分析出一套鋼板彈簧系統(tǒng)。最后，運用三維設(shè)計軟件進行繪圖，并對所設(shè)計的鋼板彈簧懸架和該車型原有的懸架進行比較，指出在原有的基礎(chǔ)上，所設(shè)計的鋼板彈簧懸架的設(shè)計優(yōu)點。通過研究分析，本文基本上完成了預定的任務，設(shè)計出比較合理的鋼板彈簧懸架系統(tǒng)。所設(shè)計的鋼板彈簧懸架與以前相比有比較突出的優(yōu)點，使其行駛平順性有所提高，并使軸使用周期變長，能夠迅速減震。關(guān)鍵詞：鋼板彈簧，汽車，有限元分析，優(yōu)化設(shè)計IIAbstractFirst of all, according to the leaf spring elastic characteristic analysis, familiar with the leaf spring component and categories.Then study some on vehicle ride comfort and handling stability of influential factors, and through the analysis of these factors and research, comprehensive consideration of various factors, to know the design of suspension shall comply with the requirements.Then on the Changan star card SC1022D7 models for data analysis, through a series of data, analysis of a set of leaf spring system.Finally, use of three-dimensional design software for mapping, and for the design of leaf spring suspension and the vehicle 's original suspension were compared, pointed out on the basis of the original, the design of leaf spring suspension design advantages.Through research and analysis, the article basically completed the scheduled tasks, to design a more reasonable leaf spring suspension system. The design of leaf spring suspension compared with the previous has more prominent advantages, make its ride comfort is improved, and the shaft using cycle is long, can be rapidly damping.Key Words: Leaf spring, auto, finite element analysis, optimal designIII目 錄摘 要 .........................................................................................................................................IAbstract ......................................................................................................................................II目 錄 .......................................................................................................................................III第 1 章 緒論...............................................................................................................................51.1 有限元簡介 ..................................................................................................................51.2 有限元特點 ..................................................................................................................51.3 有限元步驟 ..................................................................................................................61.4 有限元發(fā)展趨勢 ..........................................................................................................71.4.1 與 CAD 軟件的無縫集成 ................................................................................71.4.2 更為強大的網(wǎng)格處理能力 ...............................................................................71.4.3 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 .......................................................81.4.4 由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解 ...............................................81.4.5 程序面向用戶的開放性 ...................................................................................8第二章 有限元法與 ANSYS ..................................................................................................92.1 有限元分析方法概述 ..................................................................................................92.2 有限元分析的基本思想 ..............................................................................................92.3 ANSYS 的主要功能 ...............................................................................................112.4 ANSYS 提供的分析類型 .......................................................................................11第 3 章 課題任務和分析方法.................................................................................................133.1 課題任務 .....................................................................................................................133.2 分析方法 .....................................................................................................................133.3 本課題的研究方法 ....................................................................................................14第 4 章 鋼板彈簧的研究對象和 UG 鋼板彈簧建模 ............................................................144.1 鋼板彈簧研究對象概述 .............................................................................................144.1.1 選擇研究對象 .................................................................................................144.1.2 鋼板彈簧懸架主要元件的選擇和確定 .........................................................144.1.3 鋼板彈簧主要元件的主要數(shù)據(jù)參數(shù) .............................................................18IV4.2 鋼板彈簧的 3D 建模設(shè)計 ..........................................................................................194.2.1 進入 UG 的操作界面 .....................................................................................19第 5 章 本鋼板彈簧的有限元分析.........................................................................................275.1 有限元分析的基本步驟 .....................................................................................275.2 有限元分析過程與步驟 ....................................................................................275.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式 .................................................................................................27總結(jié)和鋼板彈簧的優(yōu)化設(shè)計分析。.......................................................................................44總結(jié)與展望...............................................................................................................................45參考文獻...................................................................................................................................46致謝...........................................................................................................................................475第 1 章 緒論有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。1.1 有限元簡介有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似 解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件） ，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大 多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。1.2 有限元特點有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20 世紀 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學計算有限元概念的克拉夫（Clough） 教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的 Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)） ，且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有 限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。61.3 有限元步驟對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為： 第一步：問題及求解域定義：根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。 第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離 散域，習慣上稱為有限元網(wǎng)絡劃分。顯然單元越小（網(wǎng)格越細）則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有 限元法的核心技術(shù)之一。 第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。 第四步：單元推導：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學中稱剛度陣或柔度陣） 。 為保證問題求解的收斂性，單元推導有許多原則要遵循。 對工程應用而言，重要的是應注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危險，將導致無法求解。 第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組） ，反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結(jié)點進行，狀態(tài)變量及其導數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點處。 第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代法和隨機法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復計算。 簡言之，有限元分析可分成三個階段，前置處理、計算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后置處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。71.4 有限元發(fā)展趨勢縱觀當今國際上 CAE 軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析方法的一些發(fā)展趨勢：1.4.1 與 CAD 軟件的無縫集成 當今有限元分析軟件的 一個發(fā)展趨勢是與通用 CAD 軟件的集成使用，即在用CAD 軟件完成部件和零件的造型設(shè)計后，能直接將模型傳送到 CAE 軟件中進行有限 元網(wǎng)格劃分并進行分析計算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計要求則重新進行設(shè)計和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計水平和效率。為了滿足工程師快捷地解 決復雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的 CAD 軟件（例如Pro/ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks 、IDEAS、Bentley 和AutoCAD 等）的接口。有些 CAE 軟件為了實現(xiàn)和 CAD 軟件的無縫集成而采 用了CAD 的建模技術(shù)，如 ADINA 軟件由于采用了基于 Parasolid 內(nèi)核的實體建模技術(shù)，能和以 Parasolid 為核心的 CAD 軟件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。 1.4.2 更為強大的網(wǎng)格處理能力 有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對象的離散化、有限元求解、計算結(jié)果的后處理三部 分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時間及求解結(jié)果的 正確性與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進，如對三維實 體模型進行自動六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對模型進行自適應網(wǎng)格劃 分，除了個別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能。自動六面體網(wǎng)格劃分 是指對三維實體模型程序能自動的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對簡單規(guī)則模型適 用，對于復雜的三維模型則只能采用自動四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點，在很多問題中將會產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果 使用中間節(jié)點將會引起求解時間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù) 有限元計算結(jié)果估計計算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計算的一個循環(huán)過程。對于許多工程實際問題，在整個求8解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)a(chǎn)生很大的應變，引起單 元畸變，從而導致求解不能進行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進行網(wǎng)格自動重劃分。自適應網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴展、薄板成形等大應變分析的必要 條件。 1.4.3 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、 裂紋擴展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應變（幾何非線性）和塑性（材料非線性） ；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應時則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技 巧，學習起來也較為困難。為此國外一些公司花費了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如 ADINA、 ABAQUS 等。它們的共同特點是具有高效的非 線性求解器、豐富而實用的非線性材料庫，ADINA 還同時具有隱式和顯式兩種時間積分方法。 1.4.4 由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解 有限元分析方法最早應用于航空航天領(lǐng)域，主要用來求解線性結(jié)構(gòu)問題，實踐證明這是一種非常有效 的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解 對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值?，F(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動力學和耦合場 問題的求解。例如由于摩擦接觸而產(chǎn)生的熱問題，金屬成形時由于塑性功而產(chǎn)生的熱問題,需要結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即"熱力耦合" 的 問題。當流體在彎管中流動時，流體壓力會使彎管產(chǎn)生變形，而管的變形又反過來影響到流體的流動……這就需要對結(jié)構(gòu)場和流場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解， 即所謂"流固耦合"的問題。由于有限元的應用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復雜，耦合場的求解必定成為 CAE 軟件的發(fā)展方向。 1.4.5 程序面向用戶的開放性 隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴大自己的市場份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用 性等方面花費了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管 他們怎樣努力也不可能滿足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個開放的環(huán)境，允許9用戶根據(jù)自己的實際情況對軟件進行擴充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定 義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)） 、用戶自定義流場邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴展規(guī)律等等。 關(guān)注有限元的理論發(fā)展，采用最先進的算法技術(shù)，擴充軟件的性能，提高軟件性能以滿足用戶不斷增長的需求，是 CAE 軟件開發(fā)商的主攻目標，也是其產(chǎn)品持續(xù)占有市場，求得生存和發(fā)展的根本之道。第二章 有限元法與 ANSYS2.1 有限元分析方法概述有限元法是一種離散化的數(shù)值解法,是用于求解各類實際工程問題的方法。應力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問題及熱力學、流體力學、電磁學以及高速沖擊動力學問題都可以通過有限元法得到解決 ]2[。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法 。[3]20 世紀 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學計算有限元概念的克拉夫（Clough ）教授形象地將其描繪為：“ 有限元法 =Rayleigh Ritz 法＋分片函數(shù) ”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況 。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的 [4]RayleighRitz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)） ，且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一102.2 有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本思想是用較為簡單的問題代替比較復雜的問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互聯(lián)子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件） ，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所替代。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元法不僅計算精度高，而且能適應各種復雜情況，因而有限元分析成為行之有效的工程分析手段 。[5]有限元法的基本思想可歸結(jié)為兩個方面，一是離散，二是分片插值 。[6]離散就是將一個連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數(shù)量的單元，單元又稱網(wǎng)格，單元之的連接點稱為節(jié)點，單元間的相互作用只能通過節(jié)點傳遞，通過離散，一個連續(xù)體便分割為由有限數(shù)量單元組成的組合體。離散的目的就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個節(jié)點變量的代數(shù)方程組，以利于用計算機求解。 有限元法的離散思想借鑒于差分法 ，但做了適當改進。首先，差分法是對計算[6]對象的微分方程和邊界條件進行離散，而有限元法是對計算對象的物理模型本身進行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過程依然能夠進行。其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網(wǎng)格，各個單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應力集中這樣的局部特性時，有限元法的適應性更強，離散精度更高。 變分法是在整個求解域用一個統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實函數(shù)，當真實函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時，這種處理是合理的。但如果真實函數(shù)的性態(tài)很復雜，再用統(tǒng)一的試探函數(shù)就很難得到較高的逼近精度，或者說要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數(shù)。同時由于不能在求解域的不同部位對試探函數(shù)提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求問題的求解很困難。所以這類方法一般用于求解函數(shù)交規(guī)則和邊界條件較簡單的問題。 分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個重要區(qū)別，它是針對每一個單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)） ，積分計算也是在單元內(nèi)完成。由于單元形狀簡單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項式就可獲得整個區(qū)域的適當精度。對于整個求解域而11言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當單元尺寸縮小時，有限元就能收斂于實際的精確解。 從以上分析可知，有限元法是差分法的一種發(fā)展，又可以看成是里茲法的一種新形式。它兼顧了兩者的優(yōu)點，同時克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實用性 。[6]2.3 ANSYS 的主要功能ANSYS 有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，目前，有限元法從它最初應用的固體力學領(lǐng)域，已經(jīng)推廣到溫度場、流體場、電磁場、聲場等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學領(lǐng)域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析 ，也可以用于[7]動態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問題的研究。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。[8]前處理模塊前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS 的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。分析計算模塊分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 200 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。2.4 ANSYS 提供的分析類型ANSYS 軟件提供的分析類型如下 ：[9]結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)12的影響并不顯著的問題。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析 。[10,]結(jié)構(gòu)動力學分析結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種 。[12]動力學分析結(jié)構(gòu)動力學分析研究結(jié)構(gòu)在動載荷作用的響應（如位移、應力、加速度等得時間歷程） ，以確定結(jié)構(gòu)的承載能力的動力特性等。ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。流體動力學分析ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應。聲場分析13ANSYS 把聲學歸為流體，程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布 ，或預測水對振動船體的阻尼效應。[10]第 3 章 課題任務和分析方法3.1 課題任務利用有限元軟件 ANSYS10.0 的結(jié)構(gòu)分析模塊對汽車鋼板彈簧進行有限元分析。通過建立汽車鋼板彈簧的幾何模型、有限元模型，對分析模型進行平面靜力分析和汽車鋼板彈簧分析，學會對有限元分析結(jié)果進行分析和優(yōu)化。3.2 分析方法依照圖示的此種方法對鋼板彈簧的接觸應力和鋼板彈簧應力進行仿真分析。在分析鋼板彈簧的應力是需要注意的是右圖在劃分網(wǎng)格類型和定義邊界條件中間所應夾一接觸對的建立的方框， 對于應力仿真分析大致與右圖的分析方法 一致。選擇網(wǎng)格類型、劃分網(wǎng)格定義邊界條件、加載創(chuàng)建模型定義材料屬性、單元類型做結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析獲取應力分布 拾取應變值仿真分析結(jié)束仿真結(jié)束 改變實體參數(shù)143.3 本課題的研究方法由于 ANSYS 自身的建模比較繁瑣，采用借助第三方 3D 設(shè)計軟件建立模型，然后導入到 ANSYS 分析，也是目前比較公認的快捷方法。本課題借助 UG 設(shè)計 3D 模型。第 4 章 鋼板彈簧的研究對象和 UG 鋼板彈簧建模4.1 鋼板彈簧研究對象概述4.1.1 選擇研究對象以長安星卡 SC1022D7 為例，此車屬于微卡系列，根據(jù)前人提供的理論計算數(shù)據(jù)分析其后鋼板懸架的 3D 模型和有限元分析其是否合理。15圖 3-1 長安星卡 SC1022D7 實圖4.1.2 鋼板彈簧懸架主要元件的選擇和確定根據(jù)前人的計算和參閱相關(guān)該車型的相關(guān)資料和實際測量，對該車后鋼板彈簧懸架的相關(guān)參數(shù)進行如下的歸納總結(jié)：(1)鋼板彈簧的種類的選擇：長安星卡 SC1022D7 車型是輕型貨車，后懸架載荷變化不大?？紤]經(jīng)濟適用性，選用線性懸架的普通多片鋼板彈簧。選用普通多片鋼板彈簧，如下圖所示，這種彈簧主要用在載貨汽車和大客車上，彈簧彈性特性如圖所示，呈線性特性。圖 3-2 普通多片鋼板彈簧(2)鋼板彈簧主要元件結(jié)構(gòu)的選擇：1.鋼板彈簧斷面形狀的選擇： 圖 3-3 矩形斷面簧片圖 3-3 的矩形斷面簧片由于制造簡單，目前應用的比較多。矩形斷面的中性軸位于斷面中央，鋼板上下表面的拉應力和壓應力是相等的，由于材料的抗拉性能比抗壓性能差，因此矩形斷面鋼板彈簧在承受拉應力的一面易破壞。一般輕型汽車多用此類型的簧片，但考慮長安星卡 SC1022D7 車型是輕型貨車，矩形斷面許用應力足夠，而且加上制造方便，成本低，選用圖 3-3 矩形斷面。2.簧片端部形狀的選擇：16圖 3-4 梯形端部片端呈矩形的簧片間摩擦阻力較大，增大了彈簧剛度。鋼板彈簧不僅減小了彈簧片間摩擦，而且降低彈簧剛度，改善彈簧應力分布。端部壓延彈簧由于增加了端部軋制工藝，使彈簧制造工藝復雜了。綜合考慮選擇梯形端部形狀。3.彈簧卷耳的選擇：鋼板彈簧卷耳一般有 3 種結(jié)構(gòu) [25] ~[26]，即下卷耳、上卷耳和平卷耳，如下圖所示。上卷耳使用的較多，采用下卷耳主要是為了協(xié)調(diào)鋼板彈簧與轉(zhuǎn)向系的運動，下卷耳在載荷作用下容易張開，強度不易保證；平卷耳可以減少卷耳的應力，因為縱向力作用方向和彈簧主片斷面的中心線重合，對于不能增加主片厚度又但要保證主片卷耳強度的彈簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造比上述兩種卷耳復雜，制造費用較高，一般轎車多采用平卷耳或下卷耳。對于輕型貨車常用上卷耳，故長安星卡 SC1022D7 可采用上卷耳圖 3-5，可以避免下卷耳的強度不足和上卷耳的制作費用較高的缺點.圖 3-5 上卷耳4.彈簧包耳的選擇汽車在使用條件惡劣的情況下，需要采用加強卷耳的措施。常見的是將第二片彈簧作成包耳形式，以保護主片。包耳常見的有 1／4 包耳(圖 3-6)和 3／4 包耳(圖 3-7)。輕型車或廂式客車多采用 1／4 包耳，而大型載貨汽車和大型客車多采用 3／4 包耳。本車長安星卡 SC1022D7 屬于微卡，故本車采用 1／4 包耳。17圖 3-6 1／4 包耳圖 3-7 3／4 包耳5.鋼板彈簧中心螺栓中心螺栓的作用，除了夾緊各片彈簧外，又是安裝鋼板彈簧的定位銷。中心螺栓在 U 形螺栓松動時易剪斷，因此應有一定的強度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧斷面強度，因此其直徑不宜做的過大，一般與簧片厚度相等。下表是推薦的中心螺栓直徑尺寸。中心螺栓一般用 15MnVB 材料作成，機械性能等級為 8.8 級。對于重型載貨汽車，中心螺栓多用 40Cr 或 40MnB 制成。表 3-8 中心螺栓直徑尺寸中心螺栓直徑 8 10 12 14 16簧片厚 ＜7 7～9 9～11 11～13 13～16中心孔直徑 8.5 5.0?10.5 5.0?12.5 5.0?14.5 5.0?16.5 5.0?本車類型為輕卡，故簧片不用太厚，初步預定簧片厚度不大于 7 毫米。因此由上表得出中心螺栓直徑先初步確定為 8mm，由此得中心孔直徑為 8.5 5.0?，螺栓由15MnVB 材料作成。6.彈簧夾箍的選擇彈簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯位之外，還能在彈簧回彈時，將力傳遞給其他簧片，減少主片應力。彈簧夾箍結(jié)構(gòu)如下圖所示。目前使用最多的是可拆式夾箍，如下圖 a。為了防止彈簧橫向扭曲時在簧片上產(chǎn)生過大的應力，在夾箍和彈簧片表面之間18會留有一定的間隙，一般不小于 1.5mm，夾箍與彈簧片側(cè)面間隙為 0.5～1mm。對于不經(jīng)常拆裝換片的彈簧，大都采用了不可拆式夾箍，如下圖 b，這種夾箍結(jié)構(gòu)簡單，減少制造費用，而且彈簧裝配方便，多用于轎車和輕型載貨汽車上。圖 4-18 可拆式夾箍圖 4-19 不可拆式夾箍此車采用圖 b 所示的不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡單，費用低。4.1.3 鋼板彈簧主要元件的主要數(shù)據(jù)參數(shù)1 彈簧載荷在設(shè)計時，根據(jù)整車布置給定的空、滿載軸載荷質(zhì)量減去估算的非簧載質(zhì)量，得到在每副彈簧上的承載質(zhì)量。一般將前、后軸，車輪，制動鼓及轉(zhuǎn)向節(jié)等總成視為非簧載質(zhì)量，將傳動軸、轉(zhuǎn)向縱拉桿等總成一半也視為非簧載質(zhì)量。如果鋼板彈簧布置在車橋上方，彈簧 3／4 的質(zhì)量為非簧載質(zhì)量；下置彈簧，則 1／4 彈簧質(zhì)量為非簧載質(zhì)量。本車考慮到車內(nèi)人員的舒適性，懸架采用將鋼板彈簧布置在車橋的下方，這樣就可減少非簧載質(zhì)量。收集資料后得到長安星卡 SC1022D7 的數(shù)據(jù)如下。表 4-2非簧載質(zhì)量 kg 前懸架簧載質(zhì)量 kg 后懸架簧載質(zhì)量 kg空載 340 200滿載 340 640 800192 汽車前后軸的軸距查數(shù)據(jù)得此車的后車軸軸距為 2500mm3 鋼板彈簧的具體計算參數(shù)鋼板彈簧多數(shù)情況下采用 55SiMnVB 鋼或 60Si 2Mn 鋼制造。本車選用60Si 2Mn。鋼材彈性模數(shù) E=2.1×10 5，N／mm 。表 4-3 鋼板彈簧片的參數(shù)片號 各片長度（mm） 各片有效長度（mm）各片厚度（mm）各片寬度（mm）1 1000 955 6.2 552 1000 955 6.2 553 774.5 729.5 6.2 554 549 504 6.2 555 323.5 278.5 6.2 55(備注：此表來自相關(guān)計算和車型實際測量) 自由狀態(tài)下的鋼板彈簧片的綜合彎曲曲率為 0R=1280mm。鋼板彈簧總慣性矩 J0=5461.7；彈簧總斷面系數(shù) W=1762 3m，彈簧各片斷面系數(shù) kW=352.4 3m 4.2 鋼板彈簧的 3D 建模設(shè)計4.2.1 進入 UG 的操作界面點新建進入零件界面,如下圖.20選中參考面進入草圖環(huán)境.3D 建模引用的數(shù)據(jù)來自上述表格， 以下是純粹的軟件基本操作知識。在這不一一截圖 。只把每個步驟做出的結(jié)果進行截圖處理。方便對照和參考。1、生成帶卷耳的第一片鋼板彈簧。 21222、生成帶包耳的第二片鋼板彈簧。 233、前三片鋼板彈簧244、生成第四片255、生成第五片266、建立約束固定277、完整的一個鋼板彈簧形成了。28第 5 章 鋼板彈簧的有限元分析5.1 有限元分析的基本步驟預處理階段：（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問題分解成節(jié)點和單元。（2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。（3）對單元建立方程。（4）將單元組合成總體的問題，構(gòu)造總體剛度矩陣。（5）應用邊界條件、初值條件和負荷。解決階段：（6）求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點的值。后處理階段：（7）得到其他重要的信息。5.2 有限元分析過程與步驟5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式需要把 UG 的模型轉(zhuǎn)化為 ANSYS 可以讀取的方式。選擇保存方式為*.x_t 格式的文件。1、從程序中啟動 ANSYS10.0 的界面。292、打開 ANSYS 窗口。3、ANSYS 分析目錄一旦設(shè)定好，以后 ANSYS 軟件操作所產(chǎn)生的所有文件都將存放在此目錄下，建議對不同的分析用不同的工作目錄，這樣可確保每次分析所產(chǎn)生的文件不會覆蓋的危險。如果沒有指定工作目錄，默認的工作目錄為系統(tǒng)所在盤的根目錄。工作目錄設(shè)置方式有兩種：30? 在進入ANSYS軟件之前通過入口選項所進行的設(shè)置；? 進入ANSYS軟件后，可通過如下方法實現(xiàn)：? 命令方式：在命令輸入窗口中輸入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目錄）；? GUI方式：Utility Menu>Change Directory，在彈出的對話框中填入指定的工作目錄，單擊【確定】按鈕。如圖所示。4、調(diào)入我們剛才保存的*.x_t 文件。316、建立結(jié)構(gòu)分析模式。命令方式：/KEYW （重新指定的分析標題）；GUI 方式：Main Menu>Preference，在彈出的如圖 2.14 所示的對話框中框中選取某個選項使以后出現(xiàn)的圖形界面中過濾掉與選定分析選項無關(guān)模塊的內(nèi)容，本書主要講述結(jié)構(gòu)分析，因此選取 Structural(結(jié)構(gòu))327、選取和定義單元.下面將給出添加單元類型具體的 GUI 操作路徑，對于單元的選項，由于和具體的單元類型有關(guān)，在這里將不做具體的介紹。此處以添加 PLANE42單元作為例子來介紹添加單元的操作步驟。具體操作步驟如下：依次選擇 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 命令，彈出 Element Types(單元類型)對話框，如圖所示。如果想改變單元的其他輸入選項（即上文提及的 KEYOPTs）單擊【Options…】按鈕。出現(xiàn)如圖所示的 element type options（單元類型選項）對話框。確定后單擊【OK】按鈕，如有需要了解各設(shè)置的具體說明，可查看 ANSYS 幫助文件。返回到如圖所示的對話框后單擊【Close】按鈕，結(jié)束單元類型的添加。338、定義材料屬性單擊Main>Preprocessor>Material Props>Material Models彈出定義材料屬性對話框如圖所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下單擊Friction Coefficient彈出如圖所示對話框，填入Mu：0.3.，至此材料屬性定義完成，下一步進入網(wǎng)格劃分。349、網(wǎng)格劃分實體建模的最終目的劃分網(wǎng)格以生成節(jié)點和單元，生成節(jié)點和單元的網(wǎng)格劃分過程分為兩個步驟：（1）定義單元屬性；（2）定義網(wǎng)格生成控制并生成網(wǎng)格。10、求解與加載35固定約束類型對話框提示3637施加力約束38施加力約束39施加力約束40施加力的圖（放大模式）4142求解結(jié)果提示。43后處理圖解Y 方向位移圖解位移圖解44應力圖解應力圖解45應力密度圖解46總結(jié)和鋼板彈簧的優(yōu)化設(shè)計分析。本文通過對鋼板彈簧精確建模，進而進行接觸應力和彎曲應力分析，得出如下結(jié)論：通過應力云圖可以看出鋼板彈簧在中心部位處屬于應力集中，最容易發(fā)生破壞。中心部位應該加工，也說明中間部位材料比較厚實的正確性和合理性質(zhì)。從而也證明了在 ANSYS 中進行應力應變分析的正確性，從而可以大大減少試驗費用，降低成本，為齒輪的優(yōu)化設(shè)計和可靠性設(shè)計打下堅實的的基礎(chǔ)，進而可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化材料和工藝，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、材料和工藝的創(chuàng)新設(shè)計。47總結(jié)與展望一、總結(jié)首先通過對鋼板彈簧的彈性特性進行分析，熟悉鋼板彈簧的組成和類別。然后研究一些對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有影響的因素，并通過對這些因素的分析和研究，綜合考慮各個因素，要清楚地知道所要設(shè)計的懸架應符合的要求。接著對長安星卡 SC1022D7 車型的已有數(shù)據(jù)進行分析計算，通過一系列的數(shù)據(jù)，分析出一套鋼板彈簧系統(tǒng)。最后，運用三維設(shè)計軟件進行繪圖，并對所設(shè)計的鋼板彈簧懸架和該車型原有的懸架進行比較，指出在原有的基礎(chǔ)上，所設(shè)計的鋼板彈簧懸架的設(shè)計優(yōu)點。通過研究分析，本文基本上完成了預定的任務，設(shè)計出比較合理的鋼板彈簧懸架系統(tǒng)。所設(shè)計的鋼板彈簧懸架與以前相比有比較突出的優(yōu)點，使其行駛平順性有所提高，并使軸使用周期變長，能夠迅速減震。二、今后研究方向（1）懸架導向裝置變形是如何影響車輪外傾角的變化，從而影響到汽車的穩(wěn)態(tài)與瞬時響應。（2）鋼板彈簧懸架的應用未來前景如何。（3）如何將分析應用到具體實踐當中，去指導實踐。48參考文獻［1］濮良貴，紀名剛，機械設(shè)計[M],高等教育出版社，2005［2］孫桓，陳作模，機械原理[M],高等教育出版社，2005［3］孫波，畢業(yè)設(shè)計寶典[M],西安電子科技大學出版社，2008［4］張波，盛太和，ANSYS 有限元數(shù)值分析原理與工程應用[M]，清華大學出版社2005.9［5］博弈創(chuàng)作室，ANSYS9.0 經(jīng)典產(chǎn)品高級分析技術(shù)與實例詳解[M],中國水利水電出版社，2005［6］張方瑞，ANSYS8.0 應用基礎(chǔ)與實例教程[M],電子工業(yè)出版社[M],電子工業(yè)出版社，2006.9［7］陳精一，ANSYS 工程分析實例教程[M]，中國鐵道出版社，2006.8［8］段進，倪棟，王國業(yè)，ANSYS10.0 結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M],2006.10［9］saeed moaveni 著,Finite element Analysis Theeory and Application with ANSYS,Third Edition[M]，電子工業(yè)出版社,2008.1［10］張朝暉，ANSYS11.0 結(jié)構(gòu)分析工程應用實例解析[M]，第二版，機械工業(yè)出版社，2008.1［11］張洪信，趙清海，ANSYS 有限元分析完全自學手冊[M],機械工業(yè)出版社，2008.3[12] 劉惟信.汽車設(shè)計.北京：清華大學出版社，2001：158～20049致謝在這個我的四年求學生涯即將結(jié)束的日子，在我的畢業(yè)論文即將完成的時刻，我想這一片謝辭或許能夠表達我的現(xiàn)在最真實的感受。回想起我剛剛開始準備寫我的畢業(yè)論文的時候，真是天真，總是以為自己即便不是天才，也不會太笨，計劃著畢業(yè)論文可以提前十天，抑或是十五天完成，幻想著ansys 和其他軟件一樣簡單，一學就會。然而，等到我真正接觸到 ansys 的時候明白自己原來犯了一個多么嚴重的錯誤。純粹的英文，不加一點漢字說明的英文，我該怎樣入門，我迷茫了。多少個日日夜夜，我和我的同伴、導師，沒有假期，沒有周末，抱著如山的資料，一遍一遍的模擬、重復，我、我們已經(jīng)數(shù)不清有多少次失敗，多少次心灰意冷，多少次又死灰復燃，我不知道這是什么，痛苦著，迷茫著，高興著?？傄詾榭佳械臅r候是最痛苦的時候，現(xiàn)在看來，做畢業(yè)設(shè)計的痛苦程度或許是我考研痛苦的三倍、三十倍，不，三百倍。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，我的指導老師，同我們一起早起晚歸，盡職盡責。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術(shù)目標，領(lǐng)會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導,經(jīng)由您悉心的點撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復疑無路,柳暗花明又一村”的感覺。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！ 同時也感謝學院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計的環(huán)境5051