開題報告--車輛自載重測量裝置中力學(xué)有限元分析

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　設(shè)計(論文)題目：車輛自載重測量裝置中力學(xué)有限元分析</p><p><b>　　課題的意義與依據(jù)</b></p><p>　　1. 什么是車輛自載重測量裝置</p><p>　　車輛自載重測量裝置是一種對汽車自身載重情況進行測量的測量器。該裝置的基本原

2、理是采用激光測距傳感器作為稱重傳感器，并將該裝置固定在鋼板彈簧的上端車架上來測量車架在裝載前后距地高度變化來衡量車輛的載荷。</p><p>　　當(dāng)車輛上加載載荷時，支撐車架的鋼板彈簧以及減震器的變形量也會隨之變化；不同的載荷，鋼板彈簧和減震器的變形量是不同的。測距傳感器檢測出加載荷前后車架的變化量，并且將變化量轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過濾波和A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)信號，然后傳送給單片機進行運算和處理，由顯示

3、設(shè)備將車輛的載重情況顯示出來。這樣可以實時的檢測車輛是否超重。本系統(tǒng)采用的激光測距傳感器，原理上與目前存在的稱重系統(tǒng)有一定的區(qū)別。目前多采用電容、電阻式傳感器，在復(fù)雜環(huán)境下易受到干擾。同時采用本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，避免了目前存在的車載稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，對現(xiàn)有汽車的改裝也更為方便。</p><p>　　2.力學(xué)有限元分析的優(yōu)勢及應(yīng)用</p><p>　　有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Ele

4、ment Analysis）利用數(shù)學(xué)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)。</p><p>　　有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計算方法，它在 50 年代初期隨著計算機 的發(fā)展應(yīng)運而生，并得到廣泛應(yīng)用。這一方法的理論基礎(chǔ)牢靠，物理概念清晰， 解題效率高，適用性強，目前已成為機械產(chǎn)品動、靜、熱特性分析的重要手段，

5、它的程序包是機械產(chǎn)品計算機輔助設(shè)計常用方法庫中不可缺少的內(nèi)容之一在當(dāng) 前科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展日新月異的情況下，市場的需求是瞬息多變的，機械 產(chǎn)品以多品種、小批量生產(chǎn)為主，這就要求新產(chǎn)品設(shè)計、制造周期短，質(zhì)量高， 成本低，具有較強的競爭能力。</p><p>　　3. 車輛自載重測量裝置中力學(xué)有限元分析的重要性</p><p>　　車輛自載重測量裝置通過在鋼板彈簧附近的車架的測距傳感器，在

6、測得鋼板彈簧的垂直應(yīng)變；通過試驗或理論計算得到鋼板彈簧的相關(guān)系數(shù)，從而可以間接測得簧載質(zhì)量，進而計算出車輛載荷。</p><p>　　鋼板彈簧的相關(guān)系數(shù)的確定需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚嬎?，有限元分析的方法對結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的計算是非常精確的，也是非常權(quán)威的。一些大型的有限元分析軟件如：ANSYS有限元分析軟件在結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的精確度是是很高的。</p><p>　　鋼板彈簧是汽車中廣泛應(yīng)用的彈性元件, 剛

7、度是其重要的物理參量。因此, 在產(chǎn)品試制出來之前,如何更準(zhǔn)確的計算其實際剛度就成為大家共同關(guān)心的問題。傳統(tǒng)的計算方法, 如“共同曲率法”和“集中載荷法”等均存在一定的局限性, 在計算中往往需要加入經(jīng)驗修正系數(shù)來調(diào)整計算結(jié)果。隨著計算機的發(fā)展, 有限元法因其精度高、收斂性好、使用方便等優(yōu)點逐漸被應(yīng)用到板簧的設(shè)計中。鄒海榮等[1]應(yīng)用有限元法分析了某漸變剛度鋼板彈簧的異常斷裂問題, 提出了避免此種斷裂的改進措施。胡玉梅等[1]針對某汽車后懸

8、架的鋼板彈簧應(yīng)用 Ansys 軟件分析了其靜態(tài)強度特性, 給出了鋼板彈簧在不同載荷作用下的應(yīng)力分布, 計算結(jié)果與試驗符合的較好。谷安濤[2]則討論了應(yīng)用有限元法設(shè)計鋼板彈簧的一般流程,給出了設(shè)計的示例。</p><p>　　有限元法的最大優(yōu)點之一就是可以仿真設(shè)計對象的實際工作狀態(tài), 因而可以部分代替試驗, 指導(dǎo)精確設(shè)計。汽車鋼板彈簧存在非線性和遲滯特性[4]。應(yīng)用有限元法進行分析時需要考慮大變形及接觸, 即需要同

9、時考慮幾何非線性和狀態(tài)非線性, 這將使得計算不容易收斂, 因而需要較高的求解技巧及分析策略。</p><p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　近年來，國內(nèi)外學(xué)者對車架的有限元分析進行了大量的研究，取得了大量的 研究成果。Ao, Kazuo 等人對利用有限元靜態(tài)強度分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計過程進 行了詳細(xì)的介紹。鄭兆昌等人應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)軟件 SAP.S

10、P 對車車架進行了動態(tài)分析。提出了利用車架模態(tài)分析結(jié)果直接對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行評價的方法。</p><p>　　傳統(tǒng)的鋼板彈簧強度分析中，應(yīng)用簡化力學(xué)模型，基于材料力學(xué)的小撓度梁</p><p>　　的線彈性理論為基礎(chǔ)進行計算。因為各簧片的計算十分復(fù)雜，人們常用的做法是</p><p>　　把問題抽象成簡單的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型，在一定的假設(shè)條件下進行計算。在對鋼板<

11、/p><p>　　彈簧的垂直方向載荷的計算上，主要有以下三種常用的計算方法：</p><p>　　1）三角形板計算法。將各片彈簧假設(shè)為一個整體的三角形板，直接根據(jù)材料</p><p>　　力學(xué)中的純彎載荷下的簡支梁模型，并假設(shè)梁為小變形，即撓曲線很小以簡化應(yīng)力計算，可求出各截面上的應(yīng)力分布，但對各片的應(yīng)力值要求得到較準(zhǔn)確的結(jié)果是很困難的。</p><

12、p>　　2）板端接觸法。將鋼板彈簧各片分開考慮，并假設(shè)力在鋼板彈簧各片間的傳</p><p>　　遞僅靠各片端來完成。對各片的處理，采用法一中的彎曲梁模型計算得到各片的應(yīng)力狀態(tài)分布。但在通常的少片彈簧中，上下各片間的接觸狀態(tài)并不僅限于片端，此法也不能較好的模擬出板簧的實際工作狀況。</p><p>　　3）共同曲率法。假定各片的彎曲具有共同的曲率，即各片是在全長上彼此相</p&

13、gt;<p>　　互間緊密接觸，沒有間隙狀態(tài)下發(fā)生彎曲。另由各片截面上彎矩分布的連續(xù)性，假設(shè)出各片的彎矩分布狀態(tài)，由此彎矩圖計算出各片的應(yīng)力狀態(tài)。使用該方法的前提是假設(shè)鋼板彈簧各簧片的撓度完全相等，并忽略簧片間的相對滑移以及簧片間的摩擦。</p><p>　　上述三種計算方法均從不同角度和不同程度上對實際工作中的鋼板彈簧進行</p><p>　　了簡化，并不能反應(yīng)實際工作中同

14、時存在的大變形，裝配預(yù)應(yīng)力和各葉片間復(fù)雜</p><p>　　接觸的非線性狀態(tài)。而且計算中的假設(shè)條件與鋼板彈簧實際承載情況不盡相符，</p><p>　　所以其計算結(jié)果存在不同的誤差。</p><p>　　目前汽車使用鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)類型就彈簧彈性特性曲線：</p><p>　　稍偏變截面鋼板彈簧，如圖1-b所示，為減少彈簧質(zhì)量，彈簧厚度沿長度

15、方向制成等厚，其彈性特性如一般多片鋼板彈簧一樣呈線性特性2-a。這種彈簧主要用于輕型貨車及大、中型載貨汽車懸架。</p><p>　　兩級變剛度復(fù)式鋼板彈簧，如圖1-c所示，這種彈簧主要用于大、中型載貨汽車后懸架。彈性特性如圖2-b所示，為兩級變剛度特性，開始時僅主簧起作用，當(dāng)載荷增加到某值時副簧與主簧共同起作用，彈性特性由兩條直線組成。</p><p>　　漸變剛度鋼板彈簧，如圖1-d所

16、示，這種彈簧多用于輕型載貨汽車與廂式客車后懸架。副簧放在主簧之上，副簧隨著汽車載荷變化逐漸起作用，彈簧特性呈非線性特性，如圖2-c所示。</p><p>　　1 2</p><p>　　國外對鋼板彈簧的研究已提出了精益設(shè)計的概念，也就是強調(diào)考慮結(jié)構(gòu)的大</p><p>　　變形，準(zhǔn)確

17、模擬片間的接觸狀態(tài)，并精確計算包括組裝時預(yù)應(yīng)力的各簧片工作時</p><p>　　的應(yīng)力狀況。這種精益設(shè)計的基礎(chǔ)是建立鋼板彈簧的有限元模型，使用有限元數(shù)</p><p>　　值計算方法對鋼板彈簧進行強度分析。另外，國內(nèi)目前關(guān)于鋼板彈簧的應(yīng)力狀況</p><p>　　研究和疲勞壽命研究多是分離起來進行的，在鋼板彈簧準(zhǔn)確的應(yīng)力狀況研究前提</p><

18、p>　　下計算其疲勞壽命的研究不多。在國外的零部件疲勞壽命的計算研究中已出現(xiàn)完</p><p>　　整的軟件解決方案。該解決方案基于使用局部應(yīng)力—應(yīng)變法計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，</p><p>　　并分為兩個主要模塊。一個模塊使用有限元模型的靜態(tài)分析，完成模型局部彈塑</p><p>　　性的應(yīng)力應(yīng)變范圍計算。另一模塊為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算部分，完成載荷譜的統(tǒng)計，并

19、進行累積損傷計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[3]。在國外某些公司應(yīng)用中還出現(xiàn)</p><p>　　CAD/CAE集成的軟件解決方案，如Mechanical Dynamics Ltd.公司在對一種飛翼式切割機的疲勞壽命研究過程中，綜合運用了PRO/E,ADAMS，ANSYS，和</p><p>　　FE-FATIGUE多種應(yīng)用軟件。該分析過程首先使用PRO/E建立切割機的幾何裝配模型，然后通過PRO/E

20、和ADAMS之間的接口將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中進行切割</p><p>　　機的運動過程的動態(tài)模擬。可在模擬過程中得到模型各組件的變形情況和受力特</p><p>　　征，并將之導(dǎo)出到ANSYS軟件中，用于切割機模型的應(yīng)力應(yīng)變的有限元數(shù)值計算，</p><p>　　經(jīng)過ANSYS計算階段可得到模型應(yīng)力信息文件。在ADAMS的動態(tài)模擬中，還可以</p>

21、<p>　　生成模型坐標(biāo)位置如何隨時間變化的信息文件。FE-FATIGUE軟件接收這兩部分信息文件，并考慮材料的疲勞強度特性即可用來進行該切割機的疲勞壽命計算分析。使用上述兩種軟件技術(shù)均能以較少的金錢和時間消耗來預(yù)測零部件的疲勞壽</p><p>　　命，但它要求各軟件模塊之間或者是各應(yīng)用軟件之間緊密的模型數(shù)據(jù)集成，在通</p><p>　　常的實驗室環(huán)境下，很難得到這些軟件

22、間良好的互通接口模塊。</p><p>　　近年內(nèi)，國內(nèi)有不少學(xué)者對鋼板彈簧的分析計算提出了不同的見解。其中，</p><p>　　吉林大學(xué)張義民教授帶領(lǐng)課題組提出汽車鋼板彈簧的可靠性設(shè)計方法，在基本隨</p><p>　　機變量的概率特性已知的情況下，使用二階矩陣對鋼板彈簧進行可靠性設(shè)計，從</p><p>　　理論上推導(dǎo)了計算不同厚度的鋼

23、板彈簧的可靠性設(shè)計表達式。2002 年又提出了運用二階矩陣法和約束隨機方向法對鋼板進行可靠性優(yōu)化設(shè)計，推導(dǎo)了計算不同厚度的多片鋼板彈簧的可靠性優(yōu)化設(shè)計的表達式，運用優(yōu)化方法得出了鋼板彈簧的設(shè)計參數(shù)最優(yōu)解[4]。同年，合肥工業(yè)大學(xué)王其東教授利用多剛體動力學(xué)理論，建立了起鋼板彈簧的多剛體動力學(xué)模型，導(dǎo)出動力學(xué)方程，并對其動態(tài)特性進行計算機仿真，研究鋼板彈簧動剛度隨靜載荷、動載荷及激振頻率和振幅的關(guān)系</p><p>

24、　　[5]。2003年，北京航天航空大學(xué)丁能根等利用 ANSYS 有限元軟件進行接觸模擬，分析鋼板彈簧的遲滯特性，給出了加載和卸載過程的載荷-變形特性圖，分析不同摩擦系數(shù)對鋼板彈簧遲滯特性和阻尼特性的影響[6]。</p><p><b>　　課題的內(nèi)容</b></p><p>　　本課題重要研究的內(nèi)容是利用有限元分析的方法在車輛加載后的支撐車架的鋼板彈簧進行靜力學(xué)彈性

25、變形的分析。得出車輛載重和鋼板彈簧彈性變形之間的關(guān)系。為車輛自載重測量裝置的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　當(dāng)車輛上加載載荷時，支撐車架的鋼板彈簧以及減震器的變形量也會隨之變化；不同的載荷，鋼板彈簧和減震器的變形量是不同的。本課題就是有限元分析方法在車輛負(fù)載車架鋼板彈簧彈性變形分析方面的具體應(yīng)用。</p><p>　　主要目的：就是掌握三維繪圖軟件的使用，對車架及鋼板彈簧進行三維建

26、模并對該車車架進行抗彎靜載強度測試，以根據(jù)實驗結(jié)果修正有限元計算模型。利用有限元分析軟件對車架的彎曲變形及鋼板彈簧彈性變形進行計算分析， 為車輛自載重測量裝置中載重和距地距離之間的關(guān)系提供理論依據(jù)。三維制圖軟件建立車架的幾何模型，通過大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件對該車車架 進行靜態(tài)、模態(tài)分析。</p><p>　　主要通過以下步驟完成：</p><p>　　1) 通過三維制圖軟件軟件建立某型

27、號的車架及彈簧鋼板的三維幾何模型。</p><p>　　2) 建立多片鋼板彈簧的有限元模型。該建模過程考慮了鋼板的片間摩擦，設(shè)置了片間摩擦單元。由于板簧在運作的過程中存在裝配應(yīng)力，在有限元分析中，將每一片自由的簧片進行裝配，成為少片變截面鋼板彈簧總成。</p><p>　　3) 設(shè)定約束條件和承載情況。 </p><p>　　4) 對不同工況下車架的強度和變形進行計

28、算。 </p><p>　　5) 根據(jù)計算結(jié)果進行分析，為自載重測量裝置設(shè)計提供精確的數(shù)據(jù)支持。 </p><p>　　在以上步驟中，第 2，3，4 步是核心步驟，第 1 步是最重要的準(zhǔn)備工作。</p><p><b>　　設(shè)計進度安排</b></p><p><b>　　參考文獻</b></

29、p><p>　　[1]鄒海榮等. 基于非線性的汽車鋼板彈簧斷裂問題分析. 華中科技大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2003,31(3) : 96- 98.</p><p>　　[2] 胡玉梅等.汽車后懸架的非線性有限元分析. 重慶大學(xué)學(xué)報,2003,26(4) : 38- 41.</p><p>　　[3] Integrated Durability Analysis Using

30、ANSYS, ADAMS, and FE-Fatigue. Terrance</p><p>　　W.Ewanochko．16</p><p><b>　　th</b></p><p>　　European Mechanical Dynamics User Conference．</p><p>　　[4] 張義民，賀向

31、東，聞邦椿.車輛用鋼板彈簧的可靠性優(yōu)化設(shè)計.工程設(shè)計，</p><p><b>　　2002.1.</b></p><p>　　[5] 王其東，方錫邦，錢立軍，馬恒永，唐永琪.基于虛擬樣機技術(shù)的汽車鋼板彈</p><p>　　簧設(shè)計及分析研究.機械工程學(xué)報，2001.12.</p><p>　　[6] 丁能根.馬建軍.鋼