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基于现代设计理论的车身结构设计方法研究

关于本文的内容介绍
摘要
车身作为车辆的重要组成部分,对整车的安全性、动力性、经济性、舒适性及操控性有着重要的影响,同时汽车的个性化也是通过车身设计表现出来。本文以某大客车为研究对象,综合利用现代设计方法中的相关理论,研究了作为汽车三大总成之一的车身结构的静、动态特性及轮胎的刚度特性。
通过建立坐标系,将截面离散化,用截面上关键点的坐标值来描述截面形状,使数与形结合。用代数方法研究几何问题,推导出实用性强、计算精度高且适合计算机编程计算的任意形状开口及闭口薄壁截面的几何特性参数计算公式,解决了准确地确定任意复杂薄壁截面的形心、弯心及形心主轴位置的问题,并给出了算例。在UG软件中建立车身骨架的凡何模型后,用接口程序生成命令流文件将模型导入到ANSYs环境中,建立了车身骨架有限元模型,用有限元理论分析了静态工况下承载式客车车身骨架的强度特性。探讨了承载式车身骨架不同部位的受力特性,提出了通过对骨架结构进行局部改进来提高整体结构强度的方法及对原结构进行改进设计的方案。
在车身结构有限元静态强度分析的基础上,利用ANSYS软件进行了车身结构的模态分析。研究了由路面不平度引起的车身动应力的仿真计算方法。考虑到轮胎结构及其材料和动力学特性的复杂性,在仿真分析中,为了避免由于轮胎的过度简化带来的误差,将整车划分为簧上和簧下两大系统。把簧上部分作为振动系统进行研究,车桥传到悬架的动载荷作为系统的输入,车身弹性体的动态响应(包括车身上各节点的动应力响应)作为系统的输出,建立了系统的动力学方程,根据弹性力学理论推导了车身动应力的计算公式。研究了车身及悬架弹性对动力悬置系统隔振性能的影响。将发动机及其悬置系统统、弹性车身、悬架作为振动分析系统,利用模态综合理论建立了系统的振动分析模型。用四端参数技术,分析了弹性基础情况下动力悬置系统的隔振特性;探讨了在高、底频区,弹性车身对悬置系统的动态特性的影响及在发动机高频激振下,悬置系统的传递率出现过大的原因。提出了根据轮胎结构的微观变形量分析轮胎侧偏刚度的思路。在对轮胎提出合理的运动假设前提下,推导了轮胎侧偏刚度与轮胎变形之间的定量关系,建立了在侧向力作用下,轮胎有限元模型中相关节点位移与轮胎侧偏角关系的数学模型。以子午线轮胎(1856/0R1482H)为例,利用ANSYS软件对子午线轮胎进行了基于非线性模型的有限元分析。将计算结果和试验结果进行了比较,验证了理论计算结果的可靠性。以结构及工作条件均较简单的集装箱半挂车车架结构为例,在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论,先对结构进行布局优化,获得较合理的初始结构方案,再通过结构参数优化设计,得到满足结构强度、刚度及设计工艺要求的最优结构。在ANSYS软件平台上利用其程序设计语言(APDL)将ANSYS命令组织起来,编写出参数化的用户程序,实现优化设计的全过程。通过用户界面设计语言(UIDL),创建了主菜单和新的函数文件,生成具有行业分析特点和符合用户需要的集装箱半挂车车架优化设计专用软件模块。
研究了车身结构的静动态强度试验中的相关问题,在定远试验场对样车进行了强化试验,分析了样车在各种强化路面上的应力状况,通过对试验结果及理论计算数据的分析,验证了理论分析结果的正确性。
第一章绪论
概述
汽车自十九世纪末诞生以来,己经走过了风风雨雨的一百多年。从卡尔.本茨造出的第一辆以每小时18公里速度行驶的三轮汽车到现在,汽车产品设计和生产的理念、方法及手段等等经历了一个飞速发展的历程。汽车产品的设计大致经历图1一1所示的四个阶段〔`,”。图l一1汽车产品设计发展历程简图传统设计是以经验总结为基础,运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表等作为设计的依据,通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计首先凭借设计者直觉或间接的经验,通过类比分析或经验公式来确定方案,由于方案在很大程度上取决于设计人员的个人经验,因此难以获得最优方案。由于分析计算受人工计算条件的限制,只能用静态、近似的方法,参考数据偏重于经验的概括和总结,因而造成设计结果的近似性较大,有时不符合客观实际。总之,传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。
随着设计理论的发展以及科学技术的进步,特别是计算机技术的高速发展,使设计过程产生了质的飞跃。现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用,是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。现代设计方法的特征主要表现在以下两个方面:
(1)以计算机技术为核心
以计算机技术为核心的现代设计过程首先是推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具,效率低、人工强度大。CAD技术的出现和发展,甩掉图板的“无纸设计”成为现代设计的主流,显著提高了设计效率。在产品表示方式上实现了从“二维”向“三维”的转变。传统设计利用二维投影图表示产品结构,这种二维表示,数据单一,数据量少,不便于产品的进一步分析和制造。'遮着CAD技术的发展,三维图纸得到越来越广泛应用。这种表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息,还可以包括分析、加工、材料、特性等数据,存在于计算机内的产品模型可直入以PP系统进行工艺规划和NC编程,进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接,提高了产品开发的效率,从而可直接用于分析和制造,实现设计与制造一体化。合肥工业大学博士学位论文
(2)以设计理论为指导
现代设计方法是基于理论形成的方法,利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性,提高设计的主动性、科学性和准确性。因此,现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。在设计理论和方法上,高性能的计算机硬件和先进的软件技术的发展推动了有限元分析、优化设计、模态分析、并行设计、虚拟设计、计算机仿真等设计方法的发展和应用。
从20世纪60年代以来,设计方法的研究引起了工业发达国家的重视,国家加大了在人力物力上的投入,使得其工业产品的设计方法及手段得到迅速发展,特别是德国、英国、美国及日本等国家己形成了各自的研究体系和风格。
德国在发现由于产品质量下降导致竞争能力减弱后,意识到问题出于设计过程,随即在1963年到1964年间举行了“薄弱环节在于设计”的研讨会,制定一批有关设计工作的指导性文件,着重研究设计的进程、步骤和规律,进行系统化的逻辑分析,并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。
英国自1963年开始提出工程设计思想后,广泛开展了设计竞赛,加强在设计过程中的创造性开发、技术可行性、可靠性、价值分析及计算机在设计中的应用等方面的研究。美国是创造性设计的首倡者,在CAD方面做出了较大贡献。1985年9月由美国机械工程师协会(A5ME)组织,国家科学基金会发起召开了“设计理论和方法研究的目标和优先项目”研讨会。会后成立了“设计、制造和计算机一体化”工程分会,制定了一项设计理论和方法的研究计划。
日本由于受到美国提出的CAD及实现设计自动化可能性的冲击,自20世纪60年代以来,开始进行有关CAD和设计方法的研究,目前日本在产品开发中的更新速度已受到全世界的关注。
我国现代设计方法的研究开始于20世纪80年代前后,目前的发展距世界先进水平尚有一段距离,随着经济和科学技术的发展,必将步入一个高速发展阶段。
2机械结构设计中的现代方法及国内外研究概况
1·2.1有限元法3[一8]
有限元法是计算力学的重要分支,是一种将连续体离散化以求解各种力学问题的数值方法。有限单元法最初作为处理固体力学问题的方法出现在二十世纪五十年代,当时仅是结构分析矩阵方法的一个分支。1955年至1958年期间,.J.HArgyrls等人在研究复杂杆系结构的过程中进一步发展了结构分析的矩阵法,导出平面应力状态下矩形板格的单元刚度矩阵。
1956年,M.J.Turner等人将杆系结构力学位移法的基本思想应用到弹性力学的平面问题中,他们把连续的平面结构人为地划分为若干个三角形单元和矩形单元,使连续体变成仅在单元节点处相连的离散体,并根据几何、物理及平衡三方面的约束条件,分析单元节本文由百通期刊网整理点力和位移的关系,推导出单元刚度矩阵;利用相邻单元之间位移的连续性及节点的平衡条件,推导出结构总体刚度矩阵,建立了整体结构中节点力和节点位移间的关系方程组(总刚度方程);
根据结构的边界位移条件来修正总刚度方程,求得结构节点位移值,最后应用物理方程求出各单元的应力。1960年,R.W.Clouhg首次提出“有限元法”这一名词,并发表了平面应合肥工业大学博士学位论文3力问题的有限元法论文;在20世纪六十年代到七十年代间,基于各种变分原理的有限元法得到了迅速发展,R.J.Melohs等人应用势能原理建立了有限元位移模型;R.E.Jnoes等人应用修正的势能原理建立了混合有限元模型;由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范的矩阵形式,求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题,因此特别适合计算机的编程和执行。随着计算机软硬件技术的高速发展以及新的数值计算方法的不断出现,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。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,但真正的CAE软件是诞生于70年代初期,而近巧年则是CAE软件商品化的发展阶段,目前流行的〔AE分析软件主要有NASTARN、A)IINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSO盯、COSMOS等。MSC一NASTRAN软件因为和NASA的特殊关系,在航空航天领域有着很高的地位,它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础,兼并了即A公司的PATRAN,又在以冲击、接触为特长的DYNAD3的基础上组织开发了DYTRAN。近来又兼并了非线性分析软件MACR,成为目
前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS软件致力于祸合场的分析计算,能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算,已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe教授领导开发,其单一系统即可进行结构、流体、热的祸合计算。并同时本文由百通期刊网整理具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固祸合分析等面的强大功能,迅速成为有限元分析软件的后起之秀,现己成为非性分析计算的首选软件。纵观当今国际上CAE软件的发展情况,可以看出其以下发展趋一势:.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软件完成零部件的造型设计后,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。许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件(例如por压汹GNIEER、Uni梦即hics、solidEdge、Solidworks、IDEAs、Bentely和AutocAD等)的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术,如ADNIA软件由于采用了基于Parasofdi内核的实体建模技术,能和以Parasolid为核心的CAD软件(如unigraphies、SolidEdge、Solidworks)实现真正无缝的双向数据交换。.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:有限元分析模型建立、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性,近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入,使网格生成的质量和效率都有了很大的提高。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,例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变(几何非线性)和塑性(材料非线性);而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行
分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。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,如ADNIA、ABAQUs等。它们的共同特点是具合肥工业大学博士学位论文有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库,ADI'NA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。程序面向用户的开放性随着商业化的提高,各软件开发商为了扩大自己的市场份
额,满足用户的需求,在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资,但由于用户的要求千差万别,不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求,因此必须给用户一个开放的环境,允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充。 相关文章

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