基于proe及ansys的輕型載貨汽車車架結構設計與靜力學分析設計(畢業(yè)論文+全套cad圖紙)(答辯通過)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　車架工作狀態(tài)比較復雜，無法用簡單的數(shù)學方法對其進行準確的分析計算，而采用有限元方法可以對車架的靜動態(tài)特性進行較為準確的分析，從而使車架設計從經驗設計進入到科學設計階段。</p><p>　　首先確定輕型貨車的總體布置形式，在此基礎上選擇各總成的相關參數(shù)。然后初選車架橫、縱梁的尺寸參數(shù)，運用材料力學對車

2、架進行強度與剛度校核。經過優(yōu)化完成對車架的結構設計。</p><p>　　其次，運用Pro/E軟件建立車架三維模型。在滿足結構力學特征的前提下，對車架結構進行了保留主要承載橫梁的簡化。</p><p>　　最后，使用有限元分析軟件ANSYS 12.0從彎曲和扭轉兩大方向對車架進行強度、剛度分析。結合車架工作實際，對其進行了滿載、前側偏載、單側偏載和單側扭轉、雙側扭轉等工況的分析及對比，保證

3、了車架結構滿足實際使用要求。</p><p>　　關鍵詞：車架；Pro/E；ANSYS；強度；剛度</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In addition, the work condition of carrier car is extremely bad, and stress condition

4、is also complex, it is unable to use simple mathematical method for accurate analysis of the calculation, and the finite element method can be used to analyze the static and dynamic performance of the frame more accurate

5、ly, so that the design of frame will go from the experience design into the scientific design stage.</p><p>　　Firstly, the overall layout of LGV is determined, on this basis, selected parameters of every ass

6、embly. Then beams and stringers’ dimensions of the frame are selected, the strength and stiffness on the frame are checked by Mechanics of Materials. After all, the frame is designed after feedback.</p><p>　

7、　Secondly, the 3D model is created used Pro/E. In faithful of the structure’s mechanical characteristics, it is necessary to simplify the geometry.</p><p>　　Finally, on two directions of the bending and the

8、reverse to analyze the strength and stiffness on the frame used ANSYS 12.0. With the frame’s actual work characteristics, the frame is analyzed under the full, the front side of the partial load, the unilateral partial l

9、oad and the unilateral reverse, the reverse sides conditions, guarantee the frame structure meet the mechanical requirements. </p><p>　　Key words：Frame; Pro/E; ANASYS ; Strength; Stiffne</p><p&g

10、t;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第 1 章 緒論1</p><p>　　1.1 研究的目的和意義3</p><p>　　1.2 研究背景5</p>

11、<p>　　1.3 車架有限元法國內外研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.4 主要設計內容8</p><p>　　第 2 章 車架結構方案的選擇9</p><p>　　2.1 車架的設計要求9</p><p>　　2.2 車架的結構型式9</p><p>　　2.3 橫梁、縱梁及其聯(lián)接型式13

12、</p><p>　　2.4 車架的制造工藝15</p><p>　　2.5 本章小結16</p><p>　　第 3 章 車架的結構設計16</p><p>　　3.1 車架橫、縱梁設計16</p><p>　　3.2 車架的彎矩及彎曲應力計算17</p><p>　　3.3 車架的

13、撓度計算20</p><p>　　3.4 縱梁鋼板彈簧跨度計算22</p><p>　　3.5 本章小結22</p><p>　　第 4 章 車架三維模型的建立23</p><p>　　4.1 Pro/E軟件介紹23</p><p>　　4.2 三維模型的建立24</p><p>　

14、　4.3 本章小結28</p><p>　　第 5 章 車架靜態(tài)有限元分析29</p><p>　　5.1 有限元概述29</p><p>　　5.2 ANSYS Workbench 12.0概述33</p><p>　　5.3 車架有限元模型的建立35</p><p>　　5.4 車架彎曲工況分析37&l

15、t;/p><p>　　5.4.1 滿載工況分析37</p><p>　　5.4.2 前側偏載工況分析38</p><p>　　5.4.3 單側偏載工況分析39</p><p>　　5.5 局部分析40</p><p>　　5.6 車架扭轉工況分析41</p><p>　　5.6.1 單側扭

16、轉工況分析41</p><p>　　5.6.2 雙側扭轉工況分析43</p><p>　　5.7 各工況分析結果總結44</p><p>　　5.8 本章小結44</p><p><b>　　結論45</b></p><p><b>　　參考文獻46</b><

17、;/p><p><b>　　致謝47</b></p><p><b>　　附錄48</b></p><p><b>　　附錄A48</b></p><p><b>　　附錄B54</b></p><p>　　買文檔送全套CAD圖

18、紙，扣扣414951605 緒 論</p><p><b>　　研究的目的和意義</b></p><p>　　在汽車制造市場競爭日益激烈的今天，汽車制造技術越來越先進，作為載貨汽車主要承載結構的車架，它們的質量和結構形式直接影響車身的壽命和整車性能，如動力性、經濟性、操縱穩(wěn)定性。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提

19、高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，汽車質量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。當前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發(fā)展的潮流。輕量化是21世紀整車發(fā)展趨勢之一，減輕汽車質量意味著節(jié)約了能源和材料。車輛設計中，在滿足載貨汽車運營中對車架的剛度、強度及工藝改造等因素要求的同時，應當盡可能減輕它們的質量和降低制造成本。</p><p>　　車架結構設計的主要目的在于確保車架強度、

20、剛度和動態(tài)性能的前提下，減輕車架的質量，由此不僅可以減少鋼材和燃油的消耗，減少污染排放，提高車速，改善汽車起動和制動性能，而且可有效減少振動和噪聲，增加汽車和公路使用壽命。但我國的汽車工業(yè)存在自己的特殊性：一是引進國外設計，國產化生產；二是仿制或改裝設計，自己獨立開發(fā)設計的新產品很少。國內許多廠家在載貨汽車的設計、制造和改進過程中仍主要依靠和沿用傳統(tǒng)的手工設計方法和設計理念，從而造成產品存在缺陷或結構設計的不合理，目前國產載貨汽車普遍存

21、在的問題是整車協(xié)調性較差；局部材料強度余量較大，無法預先判斷，造成材料的浪費；在車輛實際使用過程中出現(xiàn)局部強度不足。所以，產品國產化或改裝后，在使用過程中往往會出現(xiàn)強度、壽命、振動、噪聲等方面的問題。這些問題影響了我國載貨汽車產品質量，造成了使用中的安全隱患。由于缺乏必要的理論分析，我國載貨汽車制造廠家對有問題的區(qū)域往往采取局部加強的方法，這不但需要進行多次全面的實車試驗才能確定其有效性，而且會導致整車整備質量的不斷增加。另外，對一些結

22、構上的改進和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據，往往得不到很好的實施，因此開展載貨汽車</p><p>　　載貨汽車車架是載貨車的基體，一般由兩根縱梁和幾根橫梁組成，經由懸掛裝置。前橋、后橋支承在車輪上，具有足夠的強度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。要評價車架設計和結構的好壞，首先應該清楚了解的是車輛在行駛時車架所要承受的各種不同的力。然而對車架進行靜、動態(tài)性能的研究，用經典力學方法很難得到精確的優(yōu)化解，為了

23、能夠計算出車架的剛度和強度，往往對車架結構進行較多的假設和簡化，計算模型只能構造的比較簡單，與實際的結構形狀相差很大。在計算機和計算機技術飛速發(fā)展并廣泛應用的今天，采用近似的數(shù)值解己成為較為現(xiàn)實又非常有效的選擇。實踐和實驗證明，在眾多近似分析方法中，有限單元法是運用最為成功、最為有效的數(shù)值計算方法。在汽車結構設計中采用有限元法進行分析，是近幾十年來發(fā)展起來的計算方法和技術。有限元法的獨特優(yōu)點是能夠解決結構形狀和邊界條件都非常任意的力學問

24、題。早期由于有限元法所要求解的問題計算規(guī)模都比較大，而計算機的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性?，F(xiàn)在這些問題已經解決，只要注意所建有限元模型中各種支承、連接關系盡量與實際結構相符，載荷和動態(tài)分析中的激勵能反映實際情況，特別是動態(tài)載</p><p>　　隨著現(xiàn)代汽車設計要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在：</p><p>　?。ǎ保┻\用有限

25、元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設計、分析和制造的效能和車架的性能。</p><p>　?。ǎ玻┸嚰茉诟鞣N載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉和整體扭轉等變形。傳統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法能夠很好的解決這一問題。</p><p>　?。ǎ常├糜邢拊ㄟM行結構模態(tài)分析，可以得到車架結構的動態(tài)特性。從設計上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。</

26、p><p>　?。ǎ矗┩ㄟ^對車架結構的優(yōu)化設計，可以進一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。</p><p>　　綜上所述，有限元法已經成為現(xiàn)代汽車設計的重要工具之一，在汽車產品更新速度快，設計成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產品的質量、降低產品開發(fā)與生產制造成本，提高汽車產品在市場上的競爭能力具有重要意義[2-3]。&

27、lt;/p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　汽車問世百余年來，特別是從汽車產品的大批量生產及汽車工業(yè)的大發(fā)展以來，汽車為世界經濟的大發(fā)展、為人類進入現(xiàn)代生活產生了無法估量的巨大影響。今天，在發(fā)達國家，汽車的普及已經達到很高的程度，在美國平均每個家庭擁有各種汽車2~3輛；雖然中國的汽車人均擁有量遠低于發(fā)達國家水平，但是由于中國巨大的市場和國際汽車工

28、業(yè)對中國汽車工業(yè)的影響，中國汽車工業(yè)經過50年的風雨歷程，已形成一個比較完整的工業(yè)體系。</p><p>　　任何問題都有兩面性，汽車工業(yè)的發(fā)展為人們帶入現(xiàn)代生活的同時也帶來了許多問題[4-5]。例如，一、能源問題，每年汽車的石油消耗量保持在100億桶，并每年以一定的速度增加，而世界石油資源只能開采幾十年，煤炭資源也只夠開采一百來年，人類面臨著嚴重的能源危機，節(jié)能環(huán)保成為工業(yè)領域不可避免的課題，汽車工業(yè)同樣不可避

29、免。二、環(huán)境問題，汽車每年向大氣排放大約幾億噸的有害氣體，占大氣污染物的60％以上，被認為大氣污染的“頭號殺手”。汽車尾氣中C02、CO、HC是大氣污染的主要有害氣體，特別是C02溫室效應近年來傾向日趨明顯。</p><p>　　汽車作為現(xiàn)代化社會大工業(yè)的產物，在推動人類文明向前躍進并給人類生活帶來了便捷舒適的同時，對大自然生態(tài)環(huán)境的惡化也有著難以推卸的責任。隨著人們對環(huán)境保護的日益重視，以緩解石油資源緊缺所帶來

30、的能源危機，節(jié)能環(huán)保技術越來越多為廣大汽車公司所采用。汽車輕量化是汽車節(jié)能環(huán)保關鍵技術之一，各國和相關的汽車公司投入大量資金和人力進行相關研究，研究涉及汽車材料、汽車設計思想和汽車相關的材料成型技術，從而促進了相關汽車設計理念、制造工藝、汽車零部件成型技術迅速發(fā)展。</p><p>　　汽車自身質量的大小是影響燃油消耗的重要因素之一，所以汽車設計輕量化成為發(fā)展趨勢。近年來，世界石油資源緊張，油價不斷上漲，對汽車工

31、業(yè)和汽車運輸業(yè)來說，降低燃油消耗量成為關鍵。隨著《中華人民共和國道路交通安全法》、新版《汽車產業(yè)發(fā)展政策》以及《在全國開展車輛超載、超限治理工作的實施方案》的出臺，這些都為加快汽車輕量化給予了政策支持和動力。實現(xiàn)汽車輕量化、降低燃油消耗、增加載質量、提高運輸效率對約占我國汽車產量30％的載貨汽車是至關重要的，也是各有關汽車制造廠商關注的焦點。</p><p>　　因此開展汽車結構的強度計算與分析工作，在滿足結構強

32、度和剛度的前提下，合理地進行結構設計，以達到輕量化的目標，對汽車設計具有重要的意義。隨著計算機技術的發(fā)展，CAD/CAE/CAM一體化進程的加快，有限元分析在車架結構分析中得到了廣泛的應用。分析內容已從靜態(tài)向動態(tài)、由部件到整車、由粗略到精確、由通用向專用發(fā)展，其應用已經進入實用化階段。無論是在產品的概念設計階段的方案分析、在工程設計階段的校驗分析，還是對既有產品實施精確分析以實現(xiàn)再設計，有限元分析都有其重要的作用。它使得在設計階段就可以

33、對載貨汽車的設計和制造過程中的各種問題進行預測仿真，從而縮短設計周期，提高產品的性能質量，節(jié)省大量資金。</p><p>　　本課題就是在上述背景下提出的，目的在于研究載貨汽車車架結構使之受力合理，等強度及等壽命設計。最終達到保證載貨汽車在性能和功能不受影響或有所提高的情況下，實現(xiàn)載貨汽車車架結構的優(yōu)化設計，減輕載貨汽車車架質量。為相關企業(yè)提供一套汽車有限元分析及強度試驗方案，提高企業(yè)自主研發(fā)能力，增強企業(yè)競爭力

34、。</p><p>　　車架有限元法國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都具有作為整車骨架的車架，車架是整個汽車的基體。汽車絕大多數(shù)部件和總成都是通過車架固定其位置的，如：發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、懸架、轉向系統(tǒng)、駕駛室、貨廂和有關操縱機構。車架的功用是支撐連接汽車的各零部件，并承受來自車內外的各種載荷。</p><p>　　在有限元法對汽車車架結構的分析中

35、，早期多采用梁單元進行結構離散化。分析的初步結果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好地描述結構較為復雜的車架結構，不能很好地反映車架橫梁與縱梁頭區(qū)域的應力分布，而且它還忽略了扭轉時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強度預測手段。近十年來，由于計算機軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應用到汽車車架結構分析中，使分析精度大為提高

36、，由過去的定性分析或半定量的分析過渡到定量階段。隨著計算機軟件、硬件技術的發(fā)展，特別是微機性能的大幅提高和普及，在微機上進行有限元分析已不再是很難的事，同時有限元分析的應用得以向廣度和深度發(fā)展。</p><p>　　在國外，從60年代起就開始運用有限元法進行汽車車架結構強度和剛度的計算。而我國大約是在70年代末才把有限元法應用于車架結構強度設計分析中。 </p><p>　　國外大型汽車公

37、司經過近百年的汽車設計制造，在車架設計方面積累了豐富的試驗數(shù)據和理論分析經驗，形成了實用的結構設計數(shù)據庫、設計改正記錄和設計規(guī)范。目前應用于車架開發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強度分析(應用于整車、大小總成與零部件分析以實現(xiàn)輕量化設計)，NVH分析(各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風噪聲等)、機構運動分析等；建立在分析和實驗基礎上的各種優(yōu)化方法為車架設計提供了多種實用的選擇方案，使車架設計從經驗設計到優(yōu)化設計跨出了一大步。在關于優(yōu)化算法

38、方面的研究，國外將遺傳算法引入到結構形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果。總的看來，國外輕量化研究主要有以下幾個方面：（１）提出先進的設計理念，發(fā)展先進的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結構；（２）將拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結構輕量化過程中；（３）提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進入到結構輕量化中；（４）利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數(shù)進行優(yōu)化而得到輕量化結構。</p><p>　　在國內，高等

39、院校對基于結構優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結構設計數(shù)據庫和設計規(guī)范，有時只能按解剖進口車結構來進行參照性設計。具體在車架結構分析方面，車架的剛度分析對結構分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。從分析類型上看，仍以車架結構靜態(tài)分析為主。虛擬試驗場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。其中，車架剛度、強度分析，碰撞模擬分析，空氣動力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實用化階段，為車架的全面優(yōu)化

40、設計奠定了基礎。</p><p>　　國內目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結構等的改形設計方面，在產品設計階段引入有限元法對車架輕量化設計的研究很少。與國外相比，國內關于在輕量化設計過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設計過程中的分析規(guī)模較小，CAD/CAE一體化在產品設計開發(fā)階段的應用還不成熟以至于汽車生產廠家很少采用。概括起來與國外輕量化研究的主要差距有：</p>

41、<p>　?。ǎ保┢嚱Y構開發(fā)工作主要還是依賴經驗和解剖進口結構進行參照性設計的，多用來解決樣車試驗以后出現(xiàn)的設計問題，設計與分析未能真正做到并行。</p><p>　?。ǎ玻┯捎谲浻布τ嬎隳Ｐ鸵?guī)模的限制，模型的細化程度不夠，因而結構的剛度、強度分析的結果還比較粗略。計算結果多用來進行結構的方案比較，離虛擬試驗的要求還有相當大的差距。</p><p>　?。ǎ常┯邢拊治鲋饕獞?/p>

42、用在結構的強度和剛度分析方面，在碰撞、振動、噪聲、外流方面的模擬計算才剛剛起步，對車架結構或部件的各項性能指標進行系統(tǒng)分析研究的實例還未廣泛進行。</p><p>　　同時，國內外不少公司、科研機構及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用性很強的大型有限元結構分析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結構，如整架飛機或整個汽車的結構。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學伯克利分校研制的

43、SAP、美國麻省理工學院研制的ADINA、美國國家航空與航天局研制的NASTRAN、德國斯圖加特大學宇航結構靜力學研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)的ANSYS軟件等等。這些通用程序的研制成功，大大簡化了結構分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法即可。這些大型商業(yè)通用有限元分析軟件也像CAD設計軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實力的汽

44、車廠商甚至為自己的產品開發(fā)獨立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。</p><p><b>　　主要設計內容</b></p><p>　　本設計通過參考國內外輕型載貨汽車車架的結構及工作原理的基礎上，對車架進行設計計算和校核，利用Pro/E建模并應用ANSYS軟件對車架進行有限元分析，主要設計內容如下：</p><p>　　1、選擇車架結構型式

45、、材料和加工工藝，確定車架參數(shù)，對車架結構進行設計，并對車架進行校核。</p><p>　　2、建立Pro/E零件模型，并完成正確的裝配。</p><p>　　3、將建立好的Pro/E模型導入有限元軟件ANSYS中，完成車架在各種工況下的靜力分析。</p><p><b>　　車架結構方案的選擇</b></p><p>

46、<b>　　車架的設計要求</b></p><p>　　車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支承著發(fā)動機、離合器、變速器、轉向器、非承載式車身和貨箱等所用簧上質量的有關機件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關機構之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最小；車架也應有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性

47、與壽命，縱梁等主要零件在使用期內不應有嚴重的變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機件的可靠性下降。貨車車架的最大彎曲撓度通常應小于10mm。但車架扭轉剛度又不宜過大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差，使通過性變壞。通常在使用中其軸間扭角約為1°/m。在保證強度、剛度的前提下車架的自身質量應該盡可能減小，以減小車身質量。貨車車架質量一般約為整車整備質量的1/10

48、。此外，車架設計時還應考慮車型系列化及改裝車等方面的要求。</p><p><b>　　車架的結構型式</b></p><p>　　根據縱梁的結構特點，車架可分為以下幾種結構型式：</p><p><b>　　1、周邊式車架</b></p><p>　　周邊式車架用于中級以上的轎車。如圖2.1（a）

49、所示，在俯視圖上車架的中部寬、兩端窄。中部寬度取決于車身門檻梁的內壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉角；后端寬度則有后輪距確定。左右相關縱梁由橫梁連接。其最大特點是前后兩段縱梁系經所謂的緩沖臂或抗扭盒與中部縱梁焊接相連。前緩沖臂位于車廂前圍板下部傾斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。其結構形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可吸收來自不平路面的沖擊和降低車內噪聲。此外，車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又減短了車架縱梁外側裝置件的

50、懸伸長度。在側視圖上，與其他型式的轎車車架類似，在前方車輪處縱梁向上彎曲以讓出前后獨立懸架或非斷開式后橋的運動空間。采用這種車架時車身地板上的傳動軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬，見圖2.2（a）。</p><p><b>　?。╝）周邊式車架</b></p><p><b>　　（b）X形車架</b></p><p>

51、<b>　　（c）梯形車架</b></p><p><b>　　圖2.1 轎車車架</b></p><p><b>　　2、X形車架</b></p><p>　　如圖2.1（b）所示，這種車架為一些轎車所采用。車架的中部為位于汽車縱向對稱平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成俯視圖上

52、的X形狀。</p><p>　　前端的叉形梁用于支承動力-傳動總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強前、</p><p>　　后懸架的支承。管梁部分位于后座乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側的車身地板的降低，但地板中間會有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大，見圖2.2（b），雖然從被動安全性考慮，要求

53、門檻有足夠的強度和剛度。</p><p><b>　　3、梯形車架</b></p><p>　　梯形車架又稱邊梁式車架，是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。其彎曲剛度較大，而當承受扭矩時，各部分同時產生彎曲和扭轉。其優(yōu)點是便于安裝車身、車廂和布置其他總成，易于汽車的改裝和變型，因此被廣泛的采用在載貨汽車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車上。在中、輕型客車

54、上也有所采用，轎車則較少采用。用于轎車的梯形車架，見圖2.1（c），為了降低地板高度，可局部減小縱梁及橫梁的斷面高度并相應地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復雜化且其車身地板仍比采用其他車架時為高，當然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了，見圖2.2（c）。</p><p>　　如果也包括固定車身的支架，則上述三種轎車車架的自身質量差別不大。無論哪一種轎車車架，在前、后橋處均要求有較大的扭轉剛度，為此，相關的縱、橫梁

55、可采用封閉式斷面，這種封閉式斷面可由相配的一對且以垂向面為開口的沖壓成型的槽型梁相互插入并用電弧焊焊接而成。對于不承受扭矩的車架元件、用于固定動力總成的橫梁以及車架兩端位于基本橫梁以外的縱梁，均采用沖壓成型且具有開口的槽型斷面。</p><p>　　載貨汽車的梯形車架如圖2.3所示，由兩根相互平行且開口朝內、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下

56、表面則可根據應力情況，適當?shù)叵蛏鲜湛s。既縱梁中部相當長的范圍內具有最大高度和寬度，而兩端可根據應力情況相應的縮小。車架寬度多為全長等寬。車架寬度的標準化有利于產品的三化，例如可使車架橫梁、前后橋及駕駛室、貨箱等進行互換。車架等寬也簡化了縱梁的沖壓工藝且在縱梁上不會產生附加扭矩。有時根據設計要求需將車架前、后端的寬度做得窄些或寬些，但其尺寸與限定的汽車</p><p>　　輪廓寬2.5m相適應。車架的長度大致接近整

57、車長度，約為軸距的1.4~1.7倍。</p><p><b>　　4、脊梁式車架</b></p><p>　　如圖2.4所示脊梁式車技由一根位于汽車左右對稱中心的大斷面管形梁和某些懸伸托架構成，猶如一根脊梁。管梁將動力-傳動系連成一體，傳動軸從其中間通過，故采用這種結構時驅動橋必須是斷開式的并與獨立懸架相匹配。與其他類型的車架比較，其扭轉剛度最大。容許車輪有較大的跳動

58、空間，使汽車有較好的平順性和通過性。但車架的制造工藝復雜，維修不便，僅用于某些平順性、通過性要求較高的汽車上。</p><p><b>　　5、綜合式車架</b></p><p>　　系綜合上述脊梁式和邊梁式兩種型式而成，如圖2.5所示。這時，主減速器與脊梁相固定，該驅動橋應為斷開式的且獨立懸架相匹配。其實，圖2.1（b）所示的X形車架也應歸于這一類型，但該車架可與非

59、斷開式驅動橋及非獨立懸架相匹配。</p><p>　　（a）采用周邊式車架時；（b）采用X形車架時；（c）采用梯形車架時</p><p>　　1.傳動軸通道；2.地板；3.門檻；4.車架</p><p>　　圖2.2 采用不同車架時的車身底板</p><p>　　圖2.3 載貨汽車的梯形車架</p><p>　　圖2.

60、4 具有脊梁式車架的汽車底盤</p><p>　　圖2.5 綜合式車架</p><p>　　橫梁、縱梁及其聯(lián)接型式</p><p>　　縱梁是車架的主要承載元件，也是車架中最大的加工件，其形狀應力求簡單。載貨汽車的車架縱梁沿全長多取平直且斷面也不變或少變，以簡化工藝；為使縱梁各斷面的應力接近，可通過改變其斷面高度即使其中部斷面高、兩端較低來達到。載貨汽車縱梁的斷面形

61、狀多為開口朝內的槽形，也有Z形、工字形的；脊梁式車架的縱梁則多為管狀的；轎車車架的縱梁則為箱形斷面。槽型斷面梁的扭轉剛度及強度均好?？v梁多為沖壓件，超重型汽車的縱梁則常采用焊接結構或軋制的成型材。</p><p>　　橫梁將左右縱梁聯(lián)接在一起，構成一完整的車架，并保證車架有足夠的扭轉剛度，限制其變形和降低某些部位的應力。橫梁還起著支承某些總成的作用。汽車車架常有4～6根橫梁，其分布于有關總成、駕駛室、貨箱或車身的

62、支承位置有關。當發(fā)動機的前支點位于左右縱梁上時，前橫梁則可減小寬度并采用槽型或Z形斷面。中橫梁常做成拱形以留出傳動軸的跳動空間。貨車在后鋼板彈簧前、后支承附近也分別設置一根橫梁。</p><p>　　橫梁的斷面形狀與縱梁的聯(lián)接形式如圖2.6和圖2.7所示。選擇橫梁的斷面形狀時既要考慮其受載情況又要考慮受其支承總成的支承方便。腹板直立的槽形斷面橫梁和由兩槽形組成的工字形斷面橫梁的彎曲剛度及強度均好，常用于后鋼板彈簧

63、的支架處；帽形斷面梁因其斷面高度較小，較易做成大彎度梁，宜于用于需向下凹的前橫梁和拱形的中橫梁；封閉形斷面梁和管梁的扭轉剛度大，宜用于需加強扭轉剛度處，但貨車多采用扭轉剛度不大的非封閉形斷面的鋼板沖壓橫梁。</p><p>　　轎車車架的縱、橫梁采用焊接方式聯(lián)接，而貨車則多以鉚釘聯(lián)接（見圖2.7）。鉚釘聯(lián)接具有一定彈性，有利于消除峰值應力，改善應力狀況，這對于要求有一定扭轉彈性的貨車車架具有重要意義。</p

64、><p>　　當縱、橫梁以它們的上、下翼緣均分別聯(lián)接時，由于聯(lián)接跨度大，剛度亦較大，這時其扭轉剛度及扭轉應力均較大。當橫梁與縱梁的腹板相連接時則情況會相反，這時應注意不使其聯(lián)接跨度和聯(lián)接剛度太小，以免影響對縱梁的局部扭轉的必要約束。橫梁在與縱梁的連接處往往應力較高，故常將其端部翼緣加寬或采用較厚及尺寸較大的聯(lián)接板；也可使其中部的斷面尺寸適當縮小，或在其腹板上加設一些較大的孔，以降低橫梁連接處的應力。</p>

65、;<p>　　圖2.6 橫梁的斷面形狀及其與縱梁的聯(lián)接</p><p><b>　　1—橫梁；2—縱梁</b></p><p>　　圖2.7 縱、橫梁的鉚釘聯(lián)接方式</p><p><b>　　車架的制造工藝</b></p><p>　　車架縱梁和其他零件的制造，多采用鋼板的冷沖壓工藝

66、在大型壓力機上沖孔及成形；也有采用槽型鋼、工字鋼、管料等型材制造的。轎車車架的組裝多采用二氧化碳保護焊、塞焊和點焊，設計時應注意對焊接規(guī)范、焊縫布置及焊接順序的選擇；貨車車架的組裝多采用冷鉚工藝，必要時也可采用特制的放松螺栓聯(lián)接。為保證車架的裝配尺寸，組裝時必須有可靠的定位和加緊，特別應保證有關總成在車架上的定位尺寸及支承點的相對位置精度。</p><p>　　車架材料應具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應力集

67、中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳合金鋼能滿足這些要求。車架材料與所選定的制造工藝密切相關。拉伸尺寸較大或形狀復雜的沖壓件需采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼08、09MnL、09MnREL等鋼板制造；拉伸尺寸不大、形狀又不復雜的沖壓件常采用強度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等鋼板制造。強度更高的鋼板在冷沖時易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。有的重型貨車、自卸車、越野車為了提高車架強度，減小質量而采用

68、中碳合金鋼板熱壓成形，再經熱處理，例如采用30Ti鋼板的縱梁經正火后抗拉強度即由450MPa（HB156）提高到480～620MPa（HB170）。用30Ti鋼板制造縱橫梁也可采用冷沖壓工藝。</p><p>　　鋼板經冷沖成形后，其疲勞強度要降低，靜強度提高、延伸率小的材料的降低幅度更大。常用車架材料在沖壓成形后的疲勞強度約為140～160MPa。</p><p>　　轎車車架縱梁、橫梁

69、的鋼板厚度約為3.0～4.0mm，貨車根據其裝載質量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為5.0～7.0mm，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為7.0～9.0mm。且槽形斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的35%～40%[6]。</p><p><b>　　本章小結</b></p><p>　　本章通過一系列的圖例對車架的結構型式、縱橫梁及其聯(lián)接、車架的制造工

70、藝及材料做了詳盡的介紹。綜上所述，因為梯形車架便于安裝車身、車廂和布置其他總成，易于汽車的改裝和變型，所以設計對象選為梯形車架。縱、橫梁采用16Mn鋼板沖壓制造，鉚釘聯(lián)接。</p><p><b>　　車架的結構設計</b></p><p><b>　　車架橫、縱梁設計</b></p><p>　　1、車架長度大致接近整車

71、長度，約為軸距的1.4～1.7倍，取車架長度為5542mm，在縱梁的全長范圍內具有相等的高度和寬度?？v、橫梁均由6mm厚的16Mn鋼板沖壓而成（輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為5～7mm。）槽型斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的35%～40%，縱梁槽形斷面如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 車架橫截面</p><p>　　2、鉚釘?shù)倪x擇[7]</p>

72、<p>　　根據GB/T 867-1986 選擇半圓頭鉚釘，如圖3.2。</p><p>　　d=10mm，=17.35mm，k=6.24mm，R9mm。</p><p>　　d=16mm，=29.42mm，k=10.29mm，R15.5mm。</p><p><b>　　圖3.2 鉚釘</b></p><p&g

73、t;　　3、為保證機動性，左右轉向輪處于最大轉角時，前外輪的轉彎半徑值在汽車軸距的2~2.5倍范圍內（小值適于大軸距汽車，而大值適于小軸距汽車）。</p><p>　　圖3.3 汽車轉彎示意圖</p><p>　　已知前輪距為：1600mm。</p><p>　　根據GB 516-89，輪胎7.00-16的外直徑為806mm。</p><p>

74、;　　依據圖3.3和相關數(shù)據可以確定車架橫梁寬度為1184mm，并確定腹板高度：176mm，翼緣寬度：75mm。</p><p>　　車架的彎矩及彎曲應力計算</p><p>　　以下數(shù)據為參考車型──解放賽虎Ⅲ的相關參數(shù)：</p><p>　　表3.1 解放賽虎Ⅲ相關參數(shù)</p><p>　　當車架縱梁承受的是均勻分布的載荷（見圖3.4）時

75、，車架的簡化計算可按下述進行，但需要一定的假設。即認為縱梁為支承在前、后軸上的簡支梁；空車是簧上負荷(貨車可取，為汽車整備質量)均布在左、右縱梁的全長上，滿載時有效載荷則均布在車廂長度范圍內的縱梁上；忽略不計局部扭矩的影響[6]。</p><p>　　圖3.4 貨車車架上均布載荷的分布情況</p><p>　　在圖3.4中，為一根縱梁的前支承反力，由該圖可求得：</p>&l

76、t;p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　在駕駛室的長度范圍內這一段縱梁的彎矩為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　駕駛室后端至后周這一段縱梁的彎矩為：</p><p><b>　　（3.3）</b></p>

77、;<p>　　顯然，最大彎矩就發(fā)生在這一段縱梁內，可用對上式中求導數(shù)并令其為零的方法求出最大彎矩發(fā)生的位置，即，</p><p><b>　　由此求得：</b></p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　將式（3.4）代入式（3.3），即可求出縱梁承受的最大彎矩。</p>

78、<p>　　已知5542mm，3260mm，=1077mm，1205mm，=4200mm，=2693mm，=1507mm。</p><p><b>　　=N</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　N</b></p><p>　

79、　=1398.01mm</p><p>　　=4356408.36</p><p>　　如果考慮到動載荷系數(shù)及疲勞安全系數(shù)，并將它們代入式（3.5），則可求出縱梁的最大彎矩為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　取n=1.4，=4.0，得：</p><p>　　則

80、彎曲應力可按下式求得：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中：——縱梁在計算斷面處的彎曲截面系數(shù)，對于槽型斷面系數(shù)，對于槽型斷面縱梁：</p><p><b>　　（3.7）</b></p><p>　　式中：——槽型斷面的腹板高，mm；</p>&

81、lt;p><b>　　——翼緣寬，mm；</b></p><p>　　——梁斷面的厚度，mm。</p><p>　　式(3.7)中：h=200mm，b=75mm，t=6mm。</p><p><b>　　mm3</b></p><p><b>　　因此最大彎應力為：</b>

82、;</p><p>　　=187.66Mpa</p><p>　　16Mn鋼板的疲勞極限=220～260MPa，=187.66Mpa。所以，車架強度滿足要求。</p><p><b>　　車架的撓度計算</b></p><p>　　為了保證整車及有關機件的正常工作，對縱梁的最大撓度應予以限制。這就要求對縱梁的彎曲剛度進行

83、校核。</p><p>　　彎曲工況：約束后橋在車架縱梁腹板上的豎直投影點的垂直位移，約束車架前懸與車架縱梁聯(lián)接處縱梁腹板中點的垂直位移，讓車架形成一簡支梁結構，并在前后支承中點處加一垂直向下的力，讓車架產生彎曲變形，如圖3.5。</p><p>　　車架彎曲剛度由下式計算得到：</p><p>　　=EJ= （3.8）</

84、p><p>　　式中：——彎曲剛度，N；</p><p>　　F—— 集中載荷，N；</p><p><b>　　a—— 軸距，m；</b></p><p>　　x—— 從支點到測點的距離，m；</p><p><b>　　f—— 撓度，m。</b></p><

85、;p>　　圖3.5 車架彎曲剛度計算示意圖</p><p>　　若以前、后輪軸中點處（即）的剛度作為車架的彎曲剛度，則計算公式簡化為[8]：</p><p>　　= （3.9）</p><p>　　根據車架的受載情況，將車架的撓度分為兩部分計算：</p><p>　　1、假設車空載時，簧上負

86、荷(貨車可取，為汽車整備質量)均布在左、右縱梁的全長上，由于算一根縱梁的撓度，取所加載荷的一半[9]。</p><p><b>　　由材料力學知：</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　根據矩形截面的慣性矩的計算公式、慣性矩的組合公式和平行移軸公式，得：</p><

87、;p>　　對低碳鋼和16Mn鋼，彈性模量：。</p><p>　　2、假設汽車滿載時，所載貨物的重量都集中在跨度為的簡支梁中間，此時所求出的撓度值加的載荷比實際的載荷要大。同理，算一根縱梁的撓度取所加載荷的一半。</p><p>　　貨車車架最大彎曲撓度通常小于10mm</p><p>　　根據可知，，根據德國對各種汽車車架的實驗結果表明，當軸距單位為m，J的

88、單位為時，為使縱梁在汽車滿載時撓度在容許值以內，則應使或使。大多數(shù)汽車的值在20～30間，日本的一些4t平頭載貨汽車甚至達到58.3。</p><p>　　縱梁鋼板彈簧跨度計算</p><p>　　表3.2 板彈簧的伸直長度[7]</p><p>　　有效長度：，式中：s—U形螺栓中心距，s=108mm。</p><p>　　所以前鋼板彈簧有

89、效長度，后鋼板彈簧有效長度。</p><p><b>　　本章小結</b></p><p>　　本章應用傳統(tǒng)的方法對車架的各零部件進行了設計和相應尺寸的選擇。本章的重點是對車架強度及剛度的校核，并將校核結果反饋到某些參數(shù)的選擇，保證車架滿足實際工作要求。</p><p><b>　　車架三維模型的建立</b></p&

90、gt;<p><b>　　Pro/E軟件介紹</b></p><p>　　1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經發(fā)布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，

91、還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數(shù)據管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點及主要模塊進行簡單的介紹。</p><p>　　全相關性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據。全相

92、關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。</p><p>　　基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 </p><p&

93、gt;　　裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設計疊代，實現(xiàn)產品開發(fā)。</p><p>　　數(shù)據管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發(fā)更多的產品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發(fā)。數(shù)據管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/EN

94、GINEER獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。</p><p>　　裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。</p><p>　　易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同

95、時提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用[10]。</p><p><b>　　三維模型的建立</b></p><p><b>　　1、縱梁的建模</b></p><p>　　縱梁是由6mm厚的鋼板沖壓成的，全長5542mm，翼緣寬度75mm，腹板高200mm，在翼緣上打數(shù)個圓孔，用于橫梁與縱梁連

96、接時的放置鉚釘?shù)目?，R=10mm。同時在腹板處也打有相應的孔，R=16，用于鋼板彈簧與車架的連接時的螺栓孔。為減少應力集中，在縱梁的相應部位倒圓角。在對縱梁建模時用到的命令主要是拉伸，如圖4.1。</p><p><b>　　圖4.1 縱梁</b></p><p>　　2、前、后橫梁的建模</p><p>　　梁全長1184mm，翼緣寬度75m

97、m，腹板高188mm，如圖4.2。</p><p><b>　　圖4.2 前梁</b></p><p><b>　　3、中梁總成的建模</b></p><p>　　中梁長度：1172mm，翼緣寬度：75mm，腹板高度：176mm，如圖4.3。</p><p><b>　　圖4.3 中梁&l

98、t;/b></p><p>　　4、前、后鋼板彈簧處橫梁</p><p>　　為了降低成本，提高互換性，前后鋼板彈簧處橫梁采用與中梁相同的形狀和尺寸。</p><p>　　5、發(fā)動機后懸置橫梁</p><p>　　橫梁設計為下凹結構，這樣可以適當降低發(fā)動機高度。后懸置橫梁的長度與前、后橫梁的相同，采用鉚釘鉚接在縱梁上，如圖4.4。<

99、;/p><p>　　圖4.4 發(fā)動機后懸置橫梁</p><p>　　6、橫縱梁聯(lián)接件的創(chuàng)建</p><p>　　橫縱梁是以聯(lián)接件為中間零件，通過鉚釘聯(lián)接的。連接件上打有兩種孔，一種是與橫縱梁的連接孔，另一種用于鉚接鋼板彈簧兩端的鉚接孔。結構如圖4.5。</p><p>　　圖4.5 后橫縱梁聯(lián)接件</p><p><

100、b>　　7、鉚釘?shù)慕?lt;/b></p><p>　　根據GB/T 867-1986，對鉚釘建模，如圖4.6。</p><p><b>　　圖4.6 鉚釘</b></p><p><b>　　8、模型裝配</b></p><p>　　運用匹配與對齊操作對車架橫、縱梁及其他零件進行裝配

101、，如圖4.7。</p><p>　　圖4.7 模型裝配圖</p><p><b>　　9、車架的爆炸圖</b></p><p>　　為了更清晰地表達各零部件的裝配關系，對裝配圖進行分解，如圖4.8。</p><p><b>　　圖4.8 爆炸圖</b></p><p><

102、;b>　　本章小結</b></p><p>　　本章根據設計數(shù)據，應用Pro/E軟件對橫、縱梁和其他零件創(chuàng)建三維模型。在建模的過程中主要應用拉伸、掃描、旋轉等操作，最后通過裝配功能將各零部件實施裝配。因為車架靠鉚釘聯(lián)接的，裝配過程中對鉚釘?shù)牟僮魇诸l繁，所以在此過程中也加入陣列的操作。本章最終獲得車架的裝配圖，為下一步進行有限元分析提供基礎。</p><p><b&

103、gt;　　車架靜態(tài)有限元分析</b></p><p><b>　　有限元概述</b></p><p>　　以有限元法為代表的CAE技術是分析各種結構問題的強有力的工具，它是伴隨著電子計算機技術的進步而發(fā)展起來的一種新興數(shù)值分析方法。對于復雜的結構，進行動力學性能的研究及優(yōu)化設計，有限元方法被證明是一種最為成功，應用最廣泛的近似分析方法。有限元法的發(fā)展歷程可

104、追溯到20世紀40年代。1941年，Hremkoff提出了所謂網格法，它將平面彈性體看成是桿件和梁的組合。1943年，R，Courant第一次在論文中定義了在三角形域上的分片連續(xù)函數(shù)并利用最小勢能原理研究了St．Venant的扭轉問題[11]。有限單元法的基本思想——“離散化”概念就在這～時期提出，由于當時計算條件的限制，沒有引起重視。十年后，英國航空工程教授阿吉里斯(Argyris)和他的同事運用網格思想成功地進行了結構分析。1956

105、年Turner、Clough、Martin和Topp等人在他們的經典論文中首次應用三角形單元求得的平面應力問題的真正解答。1960年，Clough進一步解決了平面彈性問題，并首次提出了“有限單元法"這個名稱，有限元方法受到工程技術人員的關注。60年代中后期，數(shù)學家們開始介入對有限元法的研究，使有限元的發(fā)展有</p><p>　　從數(shù)學角度來看，有限元法是將一個偏微分方程化成一個代數(shù)方程組，利用計算機求解

106、。我們知道，電算和手算不同，它不適合用于零鼓碎打的算法，而要求系統(tǒng)化的計算程序，由于電子計算機的運算速度極快，它特別適合多次重復迭代的算法。為了應用電算的這個特點來求解線性方程組，有限元法廣泛采用矩陣算法，它在大量運算中顯示出巨大優(yōu)點。因此可以說，有限元法的發(fā)展借助于兩個重要的工具：在理論推導中采用了矩陣方法，在實際計算中使用了電子計算機。有限單元法分析問題的思路是從結構矩陣分析推廣而來的。起源于50年代的桿系結構矩陣分析，是把每一桿件

107、作為一個單元，整個結構就看作是由有限單元(桿件)連接而成的集合體。分析每單元的力學特性后，再組集起來就能建立整體結構的力學方程式，然后利用計算機求解。在工程技術領域研究彈性連續(xù)體在載荷和其他因素作用下產生的應力、應變和位移時，由于應力、應變和位移都是位置的函數(shù)，也就是說物體中各個點的應力、應變和位移一般是不相同的。因此，可以把彈性連續(xù)體看作由無限多個微元體所組成。這是一個具有無限多自由度的問題。為了能夠進行數(shù)值分析，有限單元法在處理這類

108、問題時，首先應用離散的思想，把問題簡化為具有</p><p>　　在此基礎上，對每一單元根據分塊近似的思想，假設一個簡單的函數(shù)來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理(或變分原理或基他方法)求得每個單元的平衡方程，就是建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系。最后，把所有單元的這種特性關系，按照保持節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點力平衡的方式集合起來，就可以得到整個物體的平衡方程組。引入邊界約束條件后解此方程就

109、求得節(jié)點位移，并計算出各單元應力。從以上論述可以看到，有限單元法的實質是把具有無限多個自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的結構型問題。因此，只要研究并確定有限大小的單元力學特性，就可根據結構分析的方法求解，使問題得到簡化。</p><p>　　應用有限單元法求解各種問題總是遵循一定的步驟。有限單元法分析過程可大概歸納為以下幾點：</p><p&

110、gt;　　（１）彈性連續(xù)體的離散化</p><p>　　這是有限單元法的基礎。所謂離散化，就是假想把被分析的彈性連續(xù)體分割成由有限個單元組成的集合體。這些單元僅僅在節(jié)點處連接，單元之間荷也僅由節(jié)點傳遞。連續(xù)體的離散化又稱為網格劃分。離散而成的有限單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計算分析都搭在這個計算模型上進行。因此，網格劃分將關系到有限元分析的速度和精度，以至計算的成敗。有限元離散過程中有一重要環(huán)節(jié)是單元

111、類型的選擇。這應根據被分析結構的幾何形狀特點，綜合載荷、約束等全面考慮。</p><p>　?。ǎ玻┻x擇單元位移模式</p><p>　　這是單元特性分折助第一步。假設一個簡單的函數(shù)來模擬單元內位移的分布規(guī)律，這個簡單的函數(shù)，通常是選擇多項式，稱為位移模式或位移函數(shù)。多項式的項數(shù)及階數(shù)將取決于單元的自由度數(shù)和有關解的收斂性要求。單元位移模式又要轉換成用節(jié)點位移來表示，所以它也決定了相應的位