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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流汽车设计课程设计指导书ANSYS.精品文档.汽车设计课程设计指导书 （有限元分析在汽车设计中的应用） 汽车工程系 2012年12月 说明 汽车设计是车辆工程专业课程之一，也是最重要的一个 实践性内容。其目的和作用是使学生能将已学过的力学、机 械以及汽车知识综合运用于汽车零部件系统设计中，从而培 养学生对汽车零部件系统的综合设计和实践能力。这是在所 有实践性课程中最具活力，最能培养学生的自主学习、实践 能力，最能培养学生创新思维的课程之一。汽车设计课程设 计根据课题难易程度分为二到六人一组、各组独立完成，在 学生设计过程中鼓励他们自主设计，积极
2、创新。 学生汽车设计课程设计的成绩主要从工作态度、设 计工作量、质疑答辩等几部分组成。具体从出勤情况、设计 论证、软件操作能力与设计能力、设计工作量与工程图图面 质量、设计说明书质量、回答问题情况等方面评定。最终成 绩按五级制记分，分为优秀、良好、中等、及格和不及格五 个等级。 设计报告按电子档附件要求进行书写） 21. 前言 随着我国汽车工业的迅速发展，以CAD/CAM/CAE 为主的计算机 应用技术，开辟了产品设计的新面貌。目前，作为CAE中应用最广泛 的有限元分析已成为设计链中的必要环节， 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， 缩短了产品开发周期，节
3、省大量开发费用。 1.1课程设计的目的 课程设计是使学生全面、 和方法的重要环节。 设计中的应用这个专题，使学生能够进一步掌握CAE软件分析技术， 初步掌握CAE分析在汽车零部件结构设计中高效率和高精度的应用效 果，为毕业设计及在今后的工作中解决实际问题打下良好的基础。 1.2 课程设计的任务 明确在汽车设计进行有限元分析的六大步骤； 掌握利用ANSYS Workbench软件对一维、二维、三维和轴对称结 构进行实体建模、网格剖分、加载求解和后处理的方法； 掌握对结构进行静态强度、刚度和模态分析的方法； 初步掌握对复杂结构进行有限元分析的高级技术；如，基于有限元 分析的实体建模技术、冻结、切片
4、、参数化建模；梁单元的应用、 二维、轴对称问题的简化与分析、接触区域的处理、Stress Tool及Beam Tool的用法、收敛性问题；参数研究以及目标驱动的优化等。 通过文献检索和阅读，结合课程设计对应的结构，明确汽车简化零 部件的简化方案，分析对实际结构进行有限元分析边界条件的合理 设置。 掌握对汽车简化零部件进行CAE分析的基本方法，完成“汽车典 型零部件简化模型的有限元分析”并写出分析计算说明书。 31.3 课程设计的要求 参照时间安排与要求学习CAE软件相关功能； 明确汽车简化零部件的结构形状与边界条件的简化方案；合理确定 汽车典型零部件简化模型的面向有限元分析的实体建模方案、有限
5、 元分析方案；合理制定结构参数化研究与优化方案。 完成分析计算说明书，不同零部件的分析具体要求见附录1。 1.4 注意事项 工作时应严格遵守汽车数字应用中心上机管理的各项规定； 除最后的答辩外，课程设计的所有工作均按分组进行；课程设计成 绩的一部分将反映协同工作的能力。小组成员应共同完成上机练 习；讨论分析方案；协调意见；修正错误，准备有限元的分析计算 说明书等。 分析计算说明书包括三部分，第一部分为汽车典型零部件简化模型 的有限元分析，着重反映个人在课程设计中完成的工作，报告中注 重对汽车设计、有限元、力学基本概念的理解和讨论。每个人至少 针对一个知识点进行较为详细的探讨；第二部分为课程设计
6、的总 结、收获和心得体会；第三部分为文献阅读报告，即对汽车零部件 的研究领域的文献进行广泛阅读和理解。该报告中重点体现汽车零 部件边界条件的合理设置、有限元分析方案两方面进行论述； 认真准备答辩，答辩不通过者必须重新完成指定的课程设计内容后 方能进入毕业设计环节； 课程设计完成后，需在规定时间内上交纸质资料和电子文档资料， 纸质资料有分析计算说明书和工作日志， 分析计算说明书电子档、分析模型的.agdb、.dsdb、.wbdb、.dxdb等 文件。电子文档放在建好的“班号学号姓名”的文件夹中，并 上交给相关老师存档。 41.5 进度安排 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 工作内容
7、 课题介绍、技术要求、人员安排 按任务计划学习CAE软件的进阶功能 文献检索和阅读 确定汽车典型零部件简化模型的有限元分析方案 建立三维模型 建立有限元模型 有限元分析 结果分析、方案优化与对比分析 整理编写分析计算说明书 设计总结与答辩 所需时间 0.5天 2.0天 1.0天 1.0天 1.5天 2.0天 2.0天 2.0天 2.0天 1.0天 1.6 时间安排 5 上机地点：汽车数字应用中心； 开始时间：上午：8：10，下午：2：10 附录 1 汽车典型零部件简化模型有限元分析要求 及分析计算说明书要求 任务 1：连杆简化模型的有限元分析 1. 分析任务： a. 对图一所示的连杆的二维简化
8、模型进行有限元分析，确定该设计是否满足结构 的强度要求；若强度不够，修改设计直至最大应力减小至材料允许的范围内。在 修改结构时，注意不可改变连杆小头衬套的内径和连杆大头的内径，也不可改变 连杆各处的厚度和材料。 b. 采用三维结构对图示连杆进行强度分析，与二维结构分析结果进行比较； c. 对结构进行参数化研究与目标驱动的优化设计。 2. 分析所需数据： a 连杆采用两种材料，连杆本体用的是40Cr结构钢，左侧小头中的衬套用的是 铜。 b 连杆杆身和大头的厚度为1.5mm，小头的厚度为3.0mm。注意在杆身和小头 的过渡处有R2.0的过渡圆角； c 连杆结构的其它尺寸如图二所示； d 施加在大、
9、小头内壁上的边界条件用于模拟连杆与曲轴及活塞销的连接。假 定载荷为轴承载荷， 角为90的内壁上； 6e 40Cr材料的弹性模量：210GPa；泊松比：0.3；屈服极限为：850MPa，设计 安全系数为6； 设计安全系数为4。 3. 完成该分析应掌握的CAE技术： a DM模块中草绘工具的运用； b 利用草图轮廓建立平面； c 创建冻结体，区分二维连杆的不同厚度和材料的各个平面； d 使用印记面功能，按边界条件分割线或面； e 导入DS模块，设置模型参数（材料、厚度等） f 通过不同接触类型，定义各几何体的模型关系； g 比较各种接触类型，求解分析并找到合理接触方案； h 收敛的功能； i 运用
10、整体尺寸与局部细化控制网格质量； j 轴承载荷的施加； k 法向约束的施加； l 查看应力、变形、接触结果及安全系数； m 优化模型，并在DS模块中适时更新，对比各种方案； n DX中的参数化研究及目标驱动的优化； o 查看有限元模型中的所有明细资料 (FE Model)； p 结果出图，多窗口对比分析； 4. 分析计算说明书内容的基本要求： 对分析任务的描述；列出分析所需数据： 利用多窗口显示的功能绘出连杆的实体模型和网格模型，在模型上能反映出 连杆各部位材料、厚度的不同； 绘图反映连杆的边界条件； 绘出对连杆原设计进行有限元分析后得到的变形图和应力图，安全系数分布 图； 收敛分析的结果；
11、结果后处理：结果的多种方法显示，注释任意位置的应力及位移； 详细说明对不符合设计要求的结构所作的设计修改；及最终符合设计要求的 7 计算结果； 参数化研究及目标驱动的优化结果； 在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加、结果设 置，参数化研究与优化等各个步骤中出现的）及解决的办法； 通过文献检索和阅读，针对连杆实际结构边界条件的合理设置和有限元模型 的分析方案进行总结； 课程设计总结和心得体会。 5. 分析计算说明书的格式要求： 分析报告采用A4打印，正文用5号字体； 课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式； 图一 连杆简化模型的几何形状 8图二 连杆简化模型的尺寸
12、任务 2：转向节臂简化模型的有限元分析 1. 分析任务： 对图三所示的转向节臂的三维简化模型进行有限元分析。 方式；根据转向节臂的工作情况，确定载荷和约束的施加方式；分析该结构的应 力和变形并评价该设计是否满足结构的强度要求。对结构进行参数化研究，并完 成目标驱动的优化设计。 2. 分析所需数据： 转向节臂简化模型的形状和尺寸如图三、四所示； 转向节臂使用的材料为40Cr，弹性模量：210GPa，泊松比：0.3；屈服极限：850MPa，设计安全系数为8。 在结构右侧是一个螺栓孔，通过螺栓与转向直拉杆（图中未表示）相连；左 侧的圆柱凸台与转向节相连，使车轮转向。 9 左侧的圆柱凸台传递的力矩有两
13、种： 矢量方向为Z，大小为24； 矢量方向为，大小为14； 3. 完成该分析应掌握的CAE技术： DM模块中草绘工具的运用； DM模块创建三维实体模型：拉拔（Extrude） 参数化建模； 导入DS模块，设置材料参数； 网格剖分的功能，四面体、六面体、扫掠等不同的方案； 单元的尺寸控制：运用整体尺寸与局部细化控制网格质量； 创建局部坐标系，施加载荷。 约束的施加方法及区别（无摩擦约束，圆柱面约束，固定约束） ； 多载荷步分析功能，载荷工况组合； 局部位置的应力以及位移云图； 收敛的功能； 结果后处理：结果的多种方法显示，注释任意位置的应力及位移； m. DX中的参数化研究及目标驱动的优化； 查
14、看有限元模型中的所有明细资料 (FE Model)； 结果出图，多窗口对比分析； 4. 分析计算说明书内容的基本要求： 对分析任务的描述：列出分析所需数据； 利用多窗口显示功能绘制转向节臂的实体模型，四面体、六面体、扫掠以及 自由网格模型图； 绘制转向节臂边界条件图； 利用多窗口显示的功能绘出变形图以及应力云图； 列表比较应用不同单元网格形状的有限元模型的节点和单元数、总的约束反 力、最大变形、误差值和最大Misses应力； 列表比较不同模拟约束方案的约束反力、最大位移、最大Misses应力和误差 值； 10 收敛分析的结果； 参数化研究与目标驱动的优化结果与分析； 在分析中遇到的关键问题（在
15、实体建模、网格剖分、边界条件施加、结果设 置，参数化研究与优化等各个步骤中出现的）及解决的办法； 通过文献检索和阅读，针对转向节臂实际结构边界条件的合理设置和有限元 模型的分析方案进行总结； 课程设计总结和心得体会。 5. 分析计算说明书的格式要求： a. 分析报告采用A4打印，正文用5号字体； b. 课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式； 图三 转向节臂简化模型的几何形状 11 图四 转向节臂简化模型的几何尺寸 任务 3：钢板弹簧简化模型的有限元分析 1. 分析任务： 对图五所示的钢板弹簧的三维简化模型进行有限元分析。 分别采用四面体、六面体及自由方式进行网格剖分；考虑低阶单元和高
16、阶单 元的应用， 和安全系数； 采用二维单元计算简化模型的最大 Misses 应力变形； 维模型进行计算； 若钢板弹簧简化模型改为图六所示结构，分析结构的三维简化模型的最大 Misses 应力、变形和安全系数； 利用参数化研究与目标驱动的优化功能对图六所示的结构进行结构的优化设 计。 2. 分析所需数据： 钢板弹簧简化模型的形状和尺寸如图五所示；板长为900mm，宽为250mm， 12 厚为25mm； 钢板弹簧采用的材料的弹性模量为211GPa，泊松比为0.3； 钢板弹簧左右两侧各受到大小为4500N的集中力； 钢板弹簧中部，沿宽度方向，受到铅垂方向的约束； 3. 完成该分析应掌握的CAE技术
17、： DM模块创建三维实体模型：拉拔（Extrude） 参数化建模； 模型导入DS中：定义材料参数； 四面体、六面体及自由方式进行网格剖分； 单元的尺寸控制； 约束刚体位移：固定约束、无摩擦约束、给定位移； 载荷的施加方法； 结果后处理：结果的多种方法显示，注释任意位置的应力及位移； 收敛性分析，应力奇异点； 关注部位的应力以及位移云图；正应力分布图； DX中的参数化研究及目标驱动的优化； 查看有限元模型中的所有明细资料 (FE Model)； m. 结果出图，多窗口对比分析； 4. 分析计算说明书内容的基本要求： 对分析任务的描述：列出分析所需数据； 利用多窗口显示的功能绘制钢板弹簧的实体模型
18、，四面体、六面体及扫掠有 限元模型图； 绘制能反映钢板弹簧边界条件的图形； 绘出反映计算结果的的位移、应力云图； 列表比较应用不同单元网格形状的有限元模型的节点和单元数、约束反力、 最大变形、最大Misses应力和误差； 列表比较不同约束方式的约束反力、最大变形、最大Misses应力和误差； 对收敛性结果进行分析； 比较两种不同的钢板弹簧简化模型方案的分析结果。 模型二参数化研究与目标驱动的优化结果与分析； 13在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加、结果设 置，参数化研究与优化等各个步骤中出现的）及解决的办法； 通过文献检索和阅读，针对钢板弹簧实际结构边界条件的合理设置和
19、有限元 模型的分析方案进行总结； 课程设计总结和心得体会。 *.由于在简化模型方案一中施加的是集中力，在集中载荷施加处会产生高应力和 高的误差，如果要查看真实的最大应力的部位，可利用切片把载荷作用处的区域 去除，再调节应力标尺，找出各种模型的最大应力及误差。 5. 分析计算说明书的格式要求： a. 分析报告采用A4打印，正文用5号字体； b. 课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式； 图五 钢板弹簧简化模型一的几何形状与尺寸 14 图六 钢板弹簧简化模型二的几何形状与尺寸 任务 4：车架纵梁简化模型的有限元分析 1. 分析任务： 对图七所示的车架纵梁的简化模型进行有限元分析。 分别采用
20、一维、二维和三维模型计算在图示的载荷和约束下结构的应力、 变形与安全系数；比较各模型的计算结果。 对车架纵梁的三维实体模型计算纵梁简化模型的前四阶约束模态。 对车架纵梁的一维模型利用载荷步和工况组合功能分别计算各种载荷对纵 梁简化模型组合应力、弯曲应力和变形的影响。 对车架纵梁的三维简化模型进行参数化研究及目标驱动的优化设计。 2. 分析所需数据： 车架纵梁简化模型的形状和尺寸如图七所示； 车架纵梁采用的材料弹性模量为211GPa，泊松比为0.3，密度为：7.8g/cm3 均布载荷作用在纵梁中部距离为1000mm范围内，大小为2Nmm；在距离 左右两端支撑为500mm的位置上，还受到两个大小为
21、1000N的集中力作用； 考虑纵梁的自重； 车架纵梁简化模型的约束方式如图七所示。 15 3. 完成该分析应掌握的CAE技术： DM模块中草绘工具的运用； 实体建模，局部坐标系的建立； 按载荷施加的要求应用冻结，切片、印记面和分割线、面等功能； 单元类型（一维、二维、三维） 重力的施加； 载荷步及载荷工况； Beam Tool的应用； 收敛性的应用； 约束模态分析； DX中的参数化研究及目标驱动的优化； 查看有限元模型中的明细资料 (FE Model)； 结果出图，多窗口对比分析； 4. 分析计算说明书内容的基本要求： 对分析任务的描述：列出分析所需数据； 利用多窗口功能绘出车架纵梁简化模型的
22、实体模型和网格模型； 绘出能反映车架纵梁简化模型边界条件的图形； 绘出对车架纵梁简化模型进行有限元分析得到的变形图和应力云图； 列表比较应用不同的单元类型的有限元模型的节点和单元数、 最大变形和最大Misses应力； 利用材料力学中的方法手工绘出相同边界条件下的梁的剪力和弯矩图，并求 解梁的最大应力与变形，与有限元分析结果比较； 对收敛性的结果进行分析； 给出实体模型的前四阶约束模态的分析结果。 参数化研究与目标驱动的优化结果与分析； 在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加、结果设 置，参数化研究与优化等各个步骤中出现的）及解决的办法； 通过文献检索和阅读，针对车架实际结构
23、边界条件的合理设置和有限元模型 的分析方案进行总结； 16 课程设计总结和心得体会。 5. 分析计算说明书的格式要求： 分析报告采用A4打印，正文用5号字体； 课程设计说明书封面及内页参照学院统一格式； 图七 车架纵梁的简化模型 任务 5：制动鼓简化模型的有限元分析 1. 分析任务： 对图八所示的制动鼓的简化模型进行有限元分析。 采用二维轴对称单元，计算在图示的两种载荷单独作用下及在组合载荷 作用下的结构的应力，变形与安全系数。 采用三维实体单元建模，计算在图示的两种载荷单独作用下及在组合载 荷作用下的结构的应力，变形与安全系数。 采用三维实体单元计算制动鼓的前十阶自由模态。 对二维制动鼓简化
24、模型进行参数化研究及目标驱动的优化设计。 2. 分析所需数据： 制动鼓简化模型的形状和尺寸如图八、九所示； 制动鼓所用材料为灰口铸铁，弹性模量为160GPa，泊松比为0.27，密度为6.81g/cm 3； 大小为6.9MPa的均布载荷作用在长为130mm的制动鼓内壁上；制动鼓绕其 轴线以60rad/sec的角速度旋转； 制动鼓通过螺栓与轮毂和车轮相连。螺栓中心的位置如图所示。 17 3. 完成该分析应掌握的CAE技术： 二维轴对称模型的构造方法； 建模时线和面的生成（用草图生成面和用边生成面的区别） 单元尺寸控制(relevance和element size两种方法)； 网格控制功能（不同的划
25、分网格方法，生成四面体和六面体等） 局部坐标的建立与局部网格细化的方法； 约束的简化与施加（固定约束，无摩擦约束，圆柱面约束） 载荷的施加；轴承载荷的特点（实现指定方向施加载荷） 惯性力的施加； 三维实体建模时印记面的生成；切片的功能； 收敛性的功能； 自由模态分析； DX中的参数化研究及目标驱动的优化； m. 查看有限元模型中的明细资料 (FE Model)； 结果出图，多窗口对比分析； 4. 分析计算说明书内容的基本要求： 对分析任务的描述；列出分析所需数据； 绘出制动鼓的实体模型和网格模型； 绘出能反映制动鼓简化模型的边界条件的图形； 两种载荷单独作用及组合载荷作用下制动鼓简化模型的变形
26、、应力和安全系 数的分析结果，并提供位移、应力和安全系数云图； 收敛性结果的分析； 绘出制动鼓三维简化模型的第八阶和第十阶自由模态； 参数化研究与目标驱动的优化结果与分析； 在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加、结果设 置、参数化研究与优化等各个步骤中出现的）及解决的办法； 通过文献检索和阅读，针对制动鼓实际结构边界条件的合理设置和有限元模 型的分析方案进行总结； 课程设计总结和心得体会。 18 5. 分析计算说明书的格式要求： 分析报告采用A4打印，正文用5号字体； 课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式； 图八 制动鼓简化模型的几何形状 19 图九 制动鼓简化
27、模型的几何尺寸 附录2 有限元分析在汽车设计中的应用 一、有限元法在汽车工程中的应用 汽车工程是一个集中体现高新技术的产业，目前国际上大多数企业 将新产品开发工作分为四个主要阶段： 第一阶段市场策划阶段 通过市场调研，建立新产品目标，设定市场定位。 第二阶段概念设计和可行性研究：CAE分析的引入对降低开发成本、 缩短研制周期是效果最为显著的阶段 20 有限元法可 以帮助总设计师 粗略确定车身、 动机等主要总成 的拓扑和结构参 数。 不可能有很精确 图 1 发动机概念设计模型 的结果， 但可以使 图 2 发动机模型分析结果 总师作到“心中有数” 任务，分配强度、刚度、质量等设计控制指标，以保证这
28、些设计指标既 是高水平的又是可行的，从而保证整车设计质量（图1、2） 众所周知，整车的一些动态技术指标，如车身自然频率等，是在 结构拓扑和主要参数确定时即基本确定了， 对它影响不大。如产品设计完成后，才发现动态数据需要修改，则需要 投入大量人力和时间。 计算是有十分重大意义的。 第三阶段产品设计和原型车确认：大量使用CAE分析的应用阶 段，亦是达到优化设计的关键 有限元法将支持全部产品零部件设计，使得设计工程师应用现代FEA技术进行强度、刚度校核和优化设计，保证产品设计水平。 采用CAE分析软件对车身、底盘、悬挂等重要零部件进行结构分析 及优化设计，可解决所有结构、流体、电磁问题；进行样车试验
29、测试， 通过分析和测试，评价第一阶段设定的目标是否达到。在发达国家，中 国现行的设计强度校核方法早已成为历史， 限元计算， 已收到了巨大技术经济效益。 针对我国汽车普遍存在的可靠性差、大修里程及平均故障里程低、 载重/自重比低、舒适性差、振动噪声超标等问题，CAE支持的多场分析 及优化设计的特点，更适合于本阶段的分析工作。 21第四阶段确认设计，解决设计存在的问题 针对样车试验中暴露的问题，有限元法可以进行专项分析，诊断 问题原因、验证对策的可行性和无害性，将问题解决在市场投放之前； 在此时还可应用有限元法进行各种更详细、更精确的分析，结果存档， 这即是前一个产品开发的总结也是指导下一个产品开
30、发的宝贵技术资 产。 二、利用CAE软件进行有限元分析的步骤 利用CAE软件进行有限元分析，大体上可以分为以下六个步骤： 明确分析对象和分析目的 有限元分析不可能是无所不包和万能的， 析目的，以便有的放矢，抓住主要矛盾，才能达到计算分析目的。 一个分析对象有多个分析目的时，可以分成几个计算进行。 确定模型化方案 依照分析对象和分析目的， 确定单元大小和数量，建立几何和计算模型。 确定载荷及边界条件 载荷及边界条件建立是计算模型的一个重要部分，而且是技术 上比较难的工作，可能影响计算结果的成败。必须把握的原则是计 算模型的力和边界条件符合工程工作条件，当不能明确时建议进行 实验、计算相互结合的方法加以确定。 在分析软件中建模、加载、计算求解 选择合理的求解方法进行求解。 结果处理、分析、优化，撰写分析报告 审核、存档 22参考文献： 1 王望予. 汽车设计（第四版）. 机械工业出版社, 2004 2 陈家瑞. 汽车构造（第五版）. 人民交通出版社, 2006 3 马迅. 汽车设计课程设计指导书 湖北汽车工业学院校内讲义. 2010.12 4 马迅. ANSYS Workbench入门指南. 湖北汽车工业学院校内讲义. 2010.10 5 李兵. ANSYS Workbench设计仿真与优化. 清华大学出版社, 2009.9 6 ANSYS中国用户年会论文集 23