汽車(chē)前橋結(jié)構(gòu)ANSYS強(qiáng)度分析

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線(xiàn)

作者: 黃偉*項(xiàng)林*楊鋼鋒*何志堅(jiān)    來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: ANSYS建模 有限元模型 汽車(chē)前橋  
以某型汽車(chē)的前橋結(jié)構(gòu)為例,給出了在ANSYS中建立汽車(chē)前橋強(qiáng)度結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程。首先通過(guò)對(duì)前橋的結(jié)構(gòu)分析,采用自下而上的建摸方法。結(jié)合ANSYS命令模式建立了前橋的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的“殼”模型。
有限元分析軟件ANSYS廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。其前處理模塊可方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模、參數(shù)化建模,支持各種可控制的有限元離散化,并可自動(dòng)進(jìn)行單元形態(tài)、求解精度檢查;其分析計(jì)算模塊可進(jìn)行線(xiàn)性、非線(xiàn)性、斷裂力學(xué)、壽命疲勞分析及多物理場(chǎng)耦合分析等等。因此,ANSYS用于前橋強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析具有較強(qiáng)的適用性。下面就以某型汽車(chē)前橋結(jié)構(gòu)為例,介紹在ANSYS中利用實(shí)體模型方法建模的全過(guò)程。

    1 結(jié)構(gòu)分析

前橋作為汽車(chē)的重要承載部件,通過(guò)懸架與車(chē)架(或承載式車(chē)身)相連,用以在車(chē)架(或承載式車(chē)身)與車(chē)輪之問(wèn)傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力。同時(shí)從動(dòng)橋還要承受和傳遞制動(dòng)力矩。本文分析的是斷開(kāi)式車(chē)橋結(jié)構(gòu),是由前軸、車(chē)架固定腳和引擎固定腳焊接而成,前軸主要承擔(dān)汽車(chē)引起的大部分彎矩和剪力,為前橋結(jié)構(gòu)的主要承力件,車(chē)架固定腳用來(lái)與車(chē)架固定并承受來(lái)自車(chē)架和車(chē)身的重力,并以壓力形式施加到前軸上,引擎固定腳是用來(lái)固定引擎并承載引擎及其附件的重力,并以壓力形式施加到前軸上,對(duì)前軸產(chǎn)生剪切作用。

    2 單元屬性選取

根據(jù)前橋機(jī)構(gòu)特點(diǎn)可以采用殼單元模型來(lái)承載彎曲引起的拉、壓軸力及彎曲和扭轉(zhuǎn)引起的剪力。建立模型時(shí),針對(duì)模型受力機(jī)構(gòu)特點(diǎn),可以選殼單元SHELLl63來(lái)承載彎曲引起的拉、壓力及彎曲和扭轉(zhuǎn)引起的剪力。同時(shí)根據(jù)材料輸入相關(guān)參數(shù)、常數(shù)。

    3 實(shí)體建模

在實(shí)體建模時(shí),筆者采用自下而上方法來(lái)建模。先建立關(guān)鍵點(diǎn)(KeyPoint),連接關(guān)鍵點(diǎn)成線(xiàn)(Line),最后生成體(Volumes),即前橋的SheU63彈性殼模型。而前橋又是個(gè)對(duì)稱(chēng)模型結(jié)構(gòu),可以通過(guò)先建立一半的模型,然后用鏡像復(fù)制來(lái)完成另一半的前橋模型實(shí)體。

    3.1 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

通過(guò)在CAD中完成平面繪圖后,使用Inquiry菜單,單擊選擇模型需要的各個(gè)點(diǎn)以獲取坐標(biāo)值,并做成如表1。把表中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到EXCEL中,再根據(jù)ANSYS中創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)的命令“K”(K命令:K,NPT,X,Y,Z)添加其余的數(shù)據(jù)列,做成如表2。

    表1關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

    表2 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)表

    圖1前軸各向點(diǎn)視圖

此過(guò)程看似簡(jiǎn)單,但要注意的是點(diǎn)的編號(hào)順序,以便后面步驟創(chuàng)建線(xiàn)和面做好準(zhǔn)備。

3.2 創(chuàng)建線(xiàn)

創(chuàng)建線(xiàn)同樣采用創(chuàng)建線(xiàn)的命令“L”來(lái)批量完成,這樣可以節(jié)省很多的時(shí)間和精力,必要的時(shí)候,可以通過(guò)手動(dòng)來(lái)連線(xiàn)。

    創(chuàng)建線(xiàn)的命令解釋如下:

    L,P1,P2,NDIV,SPACE,XVI,YVI,ZVl,XV2,YV2,ZV2

即通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建一條線(xiàn),但所創(chuàng)建的線(xiàn)的形狀與激活的坐標(biāo)系有關(guān),可以為曲線(xiàn),也可以為直線(xiàn)。這里只采用Global Cartesian坐標(biāo),所以創(chuàng)建的都是直線(xiàn)段。

在Excel表中輸入如表3所示的內(nèi)容。

    表3創(chuàng)建線(xiàn)命令表

復(fù)制以上命令到ANSYS Command Prompt窗口中,按ENTER執(zhí)行命令,可以在GraphicsWindow窗121中觀察生成的線(xiàn),如圖2所示,至此就完成了線(xiàn)的創(chuàng)建。

    圖2 前軸線(xiàn)圖

    3.3 創(chuàng)建面

實(shí)體模型建立時(shí),面為體的邊界,由線(xiàn)直接連接而成。面的建立可以由點(diǎn)直接相接或線(xiàn)段圍接而成,并構(gòu)成不同邊數(shù)的面,也可以直接構(gòu)體而產(chǎn)生面。本文在前步的基礎(chǔ)上,因此采用由線(xiàn)生成面的方式來(lái)創(chuàng)建面。

    由線(xiàn)生成面的命令:

    AL,L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10

此命令由已知的一組線(xiàn)段圍繞而成面,至少需要3條線(xiàn)段才能形成平面,線(xiàn)段的號(hào)碼沒(méi)有嚴(yán)格的順序限制.只要他們能完成封閉的面即可。同時(shí)若有使用超過(guò)4條線(xiàn)段去定義平面時(shí),所有的線(xiàn)段必須在同一平面上,以右手定則來(lái)決定面的法線(xiàn)方向。

我們知道面的法線(xiàn)方向要一致就要按照右手定則來(lái)繪制平面,如果法線(xiàn)方向不一致,那么將會(huì)影響模擬加載的結(jié)果。當(dāng)然,我們可以通過(guò)菜單操作:

    Main  menu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>ReveiseNormal>of Areas來(lái)更改面任意面的法向,來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷。

    在Excel中輸入如表4所示的內(nèi)容。

    表4 創(chuàng)建面命令表
復(fù)制以上命令到ANSYS Command Pmmpt窗口中,按ENTER執(zhí)行命令,可以在Craphica Window窗口中觀察生成的面,如圖3所示,至此就完成了面的創(chuàng)建。

    圖3 半前軸面圖

    3.4 創(chuàng)建鏡像

    到上一步為止,基本上完成了半個(gè)模型,下面只需要使用鏡像命令讓生成的模型關(guān)于X一平面對(duì)稱(chēng)就可以了鏡像菜單操作:

    Main menu>Preprocessor>Modeling>Reffect

    通過(guò)鏡像生成如圖4所示

    圖4 半前軸鏡像圖

這里可以觀察到與實(shí)物還是不同的地方一一那就是圖8所示右邊引擎固定腳的方向與實(shí)際不一致,這里就要通過(guò)手動(dòng)來(lái)修改數(shù)據(jù)來(lái)完成,具體步驟是從ANSYS導(dǎo)出整個(gè)模型的關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo),然后利用Excel進(jìn)行修改,把圖4中做記號(hào)的引擎固定腳部分的坐標(biāo)值改為與左邊的引擎固定腳坐標(biāo)值關(guān)于Z軸對(duì)稱(chēng)即可,這樣再采用前面相應(yīng)的三步驟就能得到前橋基本模型,如圖5所示。

    圖5 前軸圖

    3.5 布爾運(yùn)算

在完成以上的步驟之后,所得到的前橋模型只是個(gè)由獨(dú)立的面組合而成的體,面與面之間沒(méi)有連接關(guān)系。因此,要通過(guò)布爾運(yùn)算把它們粘結(jié)為體。

    萊單命令:

    Main menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Aress

    彈出如圖6菜單:

    圖6 6ULE菜單

選擇Pick All就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有面的粘貼,把相鄰的兩個(gè)面連接在一起,并形成體,整個(gè)模型就建好了。

    圖7 錯(cuò)誤警告

在這個(gè)過(guò)程要注意,所粘貼的不全是平面,其中還有曲面,圖5前軸圖因而在粘貼過(guò)程中會(huì)有錯(cuò)誤提示,如圖7所示。說(shuō)明面與面的粘貼失敗。遇到這種情況,筆者建議采取以下的修正措施:

①?lài)L試改變操作的順序或者在作布爾運(yùn)算時(shí),不要對(duì)全部的模型同時(shí)進(jìn)行,而是一塊一塊分開(kāi)做,最后再整體做一次,既便于找錯(cuò),又便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

②修改布爾運(yùn)算公差:BTOL,PTOL(PTOL新的公差值,缺省le-5);

③避免生成包含退化的幾何圖元;

④避免在相切的幾何圖元間執(zhí)行布爾計(jì)算;

⑤減少操作的圖元等等。

    4 結(jié)論

通過(guò)分析前橋的結(jié)構(gòu),采用自下而上的實(shí)體建模方法,并結(jié)合命令批量導(dǎo)人數(shù)據(jù),方便快捷地完成了實(shí)體模型的建立,為后續(xù)的網(wǎng)格劃分和應(yīng)力加載奠定了基礎(chǔ)。

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