說明書大運重卡車架設(shè)計

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1、 設(shè)計說明書大運重卡車架設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院：_ _專 業(yè)：_ _ 指導(dǎo)教師：_ _ 20 年 月大運重卡車架設(shè)計摘要 牽引車車架是確保牽引車能夠承載一定重量的貨物和保證駕駛員安全的主要結(jié)構(gòu)。因此牽引車車架的設(shè)計要保證其有足夠的強度與剛度，并使其結(jié)構(gòu)布置簡單而合理。為了使?fàn)恳囓嚰艿脑O(shè)計滿足牽引車車架結(jié)構(gòu)規(guī)則的要求保證車架具有足夠的剛度和強度滿足牽引車上各個零部件及總成的安裝要求使?fàn)恳囓嚰艿闹圃旃に嚤M可能的規(guī)范和簡化，所以從車架的結(jié)構(gòu)選擇車架的總布置以及車架的制造工藝三個方面進行統(tǒng)一考慮對牽引車車架進行了設(shè)計。在牽引車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，在CATIA軟件中進行建模和裝配。在檢查無

2、干涉后將模型導(dǎo)入ANSYS中，對車架進行了彎曲工況彎扭組合工況彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度的分析。并對分析結(jié)果中出現(xiàn)應(yīng)力集中的部件的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)進行了改進和優(yōu)化。從優(yōu)化后的分析結(jié)果可知，車架的應(yīng)力在合理的范圍內(nèi)變形小剛度也足夠大。牽引車車架的強度和剛度都達到了要求。關(guān)鍵詞：牽引車，車架，有限元The DAYUN heavy truck frame designAbstractThe tractor frame is the main structure to ensure that the tractor can carry a certain weight of cargo and ensure

3、the safety of the driver. So the design of the tractor frame to ensure that it has sufficient strength and stiffness.but also the structure of the frame should be simple and compact.In order to make the design of the tractor frame to meet the requirements of the rules of the structure of the tractor

4、 frame, to ensure that the frame has sufficient rigidity and strength to meet the requirements of the various parts and assembly of the tractor and the assembly of the tractor As far as possible the specification and simplification, so from the frame structure selection, the general layout of the fr

5、ame and the frame manufacturing process three aspects of the unified consideration of the tractor frame was designed. After the structural design of the tractor frame is completed, the frame is modeled and assembled in CATIA software. After checking the interference, the model is introduced into ANS

6、YS, and the frame is analyzed by bending condition, bending and bending combined condition, bending rigidity and torsional rigidity. And the structure and size parameters of the components with stress concentration in the analysis result are improved and optimized. From the results of the optimized

7、analysis, we can see that the stress of the frame is within the reasonable range, the deformation is small and the stiffness is big enough. Tractor frame strength and stiffness have reached the requirements.Keywords: tractor, frame, finite element目錄1 引言11.1 課題研究背景及意義11.2 牽引車車架國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3 課題研究的主要內(nèi)容22

8、 牽引車車架的設(shè)計32.1 牽引車車架形式的選擇32.2 牽引車車架設(shè)計的的原則32.3 設(shè)計參數(shù)32.4 牽引車車架的總體尺寸設(shè)計及布置42.4.1 牽引車車架最大外寬尺寸的確定42.4.2 牽引車車架斷面尺寸的確定42.4.3 牽引車車架長度的確定42.4.4 牽引車車架橫梁的設(shè)計及布置52.5 牽引車車架縱梁與橫梁連接方式的選擇102.6 牽引車車架縱梁孔位布置設(shè)計102.6.1 孔徑大小尺寸要求102.6.2 孔位工藝性布置要求112.6.3 孔的布置不應(yīng)影響車架的強度122.7 鉚接122.7.1 鉚釘孔的中心距離連接板內(nèi)側(cè)的距離122.7.2 鉚釘孔在在縱梁上的布置以及尺寸標(biāo)注12

9、2.7.3 鉚釘孔的工藝122.7.4 鉚釘孔去毛刺132.7.5 鉚釘長度的計算132.8 牽引車車架工藝孔的布置和設(shè)計132.9 牽引車車架的尺寸標(biāo)注14II2.10 牽引車車架的設(shè)計技術(shù)要求規(guī)范152.11 牽引車車架設(shè)計的工藝性規(guī)范162.11.1 牽引車車架的鉚接工藝性要求規(guī)范162.11.2 螺栓連接的要求規(guī)范162.12 牽引車車架零部件沖壓成型的工藝性要求規(guī)范162.13 牽引車車架材料的選用172.14 牽引車車架三維模型的建立182.15 本章小結(jié)203 牽引車車架的有限元分析213.1 有限單元法的基本思想213.2 有限單元法分析的一般步驟213.2.1 結(jié)構(gòu)的離散化2

10、13.2.2 單元的分析223.2.3 整體分析223.3 有限元分析軟件ANSYS簡介223.4 ANSYS Workbench模塊的簡介233.5 Static Structural模塊簡介243.6 對牽引車車架進行有限元分析的模型的建立243.6.1 添加材料信息243.6.2 設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)進行網(wǎng)格劃分243.7 對牽引車車架的強度進行分析253.7.1 彎曲工況分析253.7.2 彎扭組合工況分析273.8 牽引車車架的剛度分析303.8.1 彎曲剛度分析303.8.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析323.9 本章小結(jié)334 結(jié)論與展望344.1 全文總結(jié)34III4.2 展望34參考文獻35致謝3

11、7IV1 引言1.1 課題研究背景及意義山西大運汽車制造有限公司是近年來新崛起的民營重卡制造企業(yè)，先后開發(fā)出了牽引車自卸車載貨車等車型。其位于運城的生產(chǎn)基地主要以重卡的生產(chǎn)為主。近年來牽引車越來越受到市場的歡迎。其中大運牽引車系列驅(qū)動形式有很多，由于市場的需求，牽引車的設(shè)計和生產(chǎn)越來越受到重視。作為重卡牽引車重要的組成部分，車架的設(shè)計和制造技術(shù)也在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新。車架是牽引車總成中最主要的承載部件，在實際工作中它不僅要支撐牽引車上各部件的主要質(zhì)量，還要承受發(fā)動機的動載荷地面通過減震裝置等傳來的支反力工作載荷和張緊緩沖力等的作用，因此車架的強度剛度以及動力性能對整車的行駛平順性振動舒適性安全性

12、及壽命都有很大的影響1。而車架設(shè)計的優(yōu)劣對牽引車的行駛性和安全性有著最直接的影響。使用有限元分析的方法研究牽引車車架的結(jié)構(gòu)和性能，同時在設(shè)計時考慮車架的優(yōu)化，從而在在保證提高整車安全性行駛平順性和震動舒適性的前提下大大縮短整車的研發(fā)周期2。1.2 牽引車車架國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 由于限載和計重收費政策的進一步實施，輕量化重卡牽引車越來越受市場和制造廠商的歡迎，近年來國內(nèi)外許多重卡制造商都已經(jīng)陸續(xù)推出了很多輕量化牽引車，降低卡車車架的重量，將會給卡車用戶更多的載貨空間。隨著高強度新材料在牽引車上的應(yīng)用越來越多，以及制造水平的提高，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了采用單層車架的車型。中國重汽產(chǎn)品HOWO，采用高強度合金

13、單層縱梁車架，單層車架的采用有效的降低了車架的自重。解放J6p為了降低其自重，同樣采用高強度單層鋼板車架。除此之外，陜汽09款輕量化牽引和上汽依維柯紅巖輕量化杰獅也采用類似的設(shè)計，采用單層鋼板車架不但重量輕，而且抗扭矩和抗沖擊能力較之于傳統(tǒng)的雙層縱梁車架也都有所增強。采用這樣的設(shè)計可有效降低整車高度，使?fàn)恳嚨男旭偡€(wěn)定性得到改善。在不影響牽引車性能的同時，有效減輕牽引車的自重，非常滿足市場的需求。在掛車方面，國內(nèi)采用的結(jié)構(gòu)形式大都是非承載式。在歐洲，已經(jīng)開始大量采用承載式掛車。承載式掛車不同于傳統(tǒng)的非承載式掛車，它沒有車架，所以掛車的底部就充當(dāng)了車架的作用，這就要求其結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料的選用要更

14、加合理，當(dāng)然這種掛車的生產(chǎn)技術(shù)要求會更高。因為沒有了貫通全車的車架，所以這種掛車較之于傳統(tǒng)的非承載式掛車重量減輕了很多，雖然國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)一些冷藏車和箱式掛車采用這種承載式車架，但這種掛車在國內(nèi)的比例和應(yīng)用范圍都很低。在實際生產(chǎn)過程中，有很多幾何形狀不規(guī)則承受載荷和支撐情況復(fù)雜的各種結(jié)構(gòu)及零部件。對于這些零部件傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)是很難計算出其力學(xué)性能的。由于牽引車車架的結(jié)構(gòu)和承受的載荷的復(fù)雜性，可以采用有限元分析技術(shù)對其進行變形計算和應(yīng)力分析，這種方法分析得到的結(jié)果直觀準(zhǔn)確，更容易發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在設(shè)計中存在的不足，可以對產(chǎn)品有針對性的進行優(yōu)化，有效的減少工程技術(shù)人員的工作量。近年來隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛

15、速發(fā)展以及計算方法的創(chuàng)新，有限元模型建立的技術(shù)和方法日趨豐富和完善，有限元技術(shù)在汽車領(lǐng)域分析的問題越來越多樣化。有限元技術(shù)已經(jīng)成為汽車設(shè)計常采用的手段。馬迅等人對車架剛度及模態(tài)進行有限元分析，并以總質(zhì)量為目標(biāo)，在動靜剛度許可的范圍內(nèi)對其縱橫梁的截面尺寸進行優(yōu)化設(shè)計3；張鐵山等人對輕型汽車車架進行了有限元分析；同濟大學(xué)的吳憲等使用有限元方法對某新型燃料電池車架進行模態(tài)分析4；南昌大學(xué)的謝世坤等闡述了動力學(xué)分析的理論5；空軍工程大學(xué)電信工程學(xué)院方英武提出了基于邊界元的區(qū)域分割單元合成方法；的清華大學(xué)的桂良進范子杰等通過試驗和數(shù)值模擬對“長安之星”車架的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度進行了研究6。有限元分析技術(shù)已經(jīng)

16、成為國內(nèi)外車架設(shè)計不可或缺的技術(shù)。I.JOHANSSON等人提出一種基于有限元技術(shù)的整車分析方法7。1.3 課題研究的主要內(nèi)容 課題的目標(biāo)是通過對牽引車車架的組成結(jié)構(gòu)和工作原理的了解設(shè)計出大運重卡CGC4251PB32WPD3B型號牽引車的車架，使用CATIA完成車架的建模工作，使用ANSYS對其進行靜力學(xué)分析驗證其可靠性。在滿足車架強度和剛度的前提下，降低車架質(zhì)量達到優(yōu)化設(shè)計的目的。2 牽引車車架的設(shè)計2.1 牽引車車架形式的選擇目前牽引車采用的大都是邊梁式車架，這種車架是由兩根縱梁及若干根橫梁組成，兩邊的縱梁和橫梁通鉚接或焊接固連在一起?；谶@種結(jié)構(gòu)原理，邊梁式車架在支架的安裝和總成的布置

17、上具有很大的靈活性，所以邊梁式車架在很多車型上都能得到廣泛的應(yīng)用8。目前牽引車車架有前后等寬式和前寬后窄式這兩種結(jié)構(gòu)形式。其中前后等寬式車架工藝簡單制造設(shè)備投入少成本低不像前寬后窄式車架存在折彎部分的變形應(yīng)力前后等寬式車架縱梁腹板不存在斜面無需設(shè)計特殊的連接支架而且生產(chǎn)效率高，所以選用前后等寬的邊梁式車架9。2.2 牽引車車架設(shè)計的的原則如果說牽引車像一顆大樹，那么牽引車的車架就像大樹的軀干，車架上的各個部件就像大樹的枝葉。車架起到了連接支撐和承受沖擊載荷的作用10。所以在設(shè)計牽引車車架的時候，還需要定位發(fā)動機半軸油箱等部件的位置。此外在布置橫梁時更要考慮各個橫梁的位置作用以及橫梁的類型。減少

18、不必要的橫梁出現(xiàn)的可能，使?fàn)恳囓嚰艿慕Y(jié)構(gòu)布置簡單而且合理。為了實現(xiàn)以上目標(biāo)牽引車車架應(yīng)該根據(jù)牽引車車架的結(jié)構(gòu)規(guī)則牽引車實際工作時的結(jié)構(gòu)和強度要求來進行設(shè)計。2.3 設(shè)計參數(shù)本課題是對大運CGC4251PB32WPD3B型號的牽引車的車架進行設(shè)計，表2.1所示為該型號牽引車的主要設(shè)計參數(shù)。表2.1 大運CGC4251PB32WPD3B型號牽引車的參數(shù)型號CGC4251PB32WPD3B總質(zhì)量25噸類型牽引車牽引總質(zhì)量40噸軸距3200+1350mm最高車速120km/h車身長度6.855米排量9.726L車身高度3.515米最大輸出功率276kw輪距前輪距2060 mm后輪距1860mm扭矩1

19、460NM整車重量8.84噸額定轉(zhuǎn)速2200RPM2.4牽引車車架的總體尺寸設(shè)計及布置 根據(jù)任務(wù)書中所給大運CGC4251PB32WPD3B車型的總體尺寸參數(shù)軸距布置尺寸輪距前后懸尺寸整車總質(zhì)量以及車輛實際使用環(huán)境等進行綜合分析，結(jié)合實際制造工藝和平臺來確定牽引車車架的總體尺寸。牽引車車架的總體尺寸設(shè)計包括了架總成的外輪廓形狀和尺寸的確定車架縱梁斷面厚度尺寸的確定車架上橫梁的尺寸及斷面厚度的確定。2.4.1牽引車車架最大外寬尺寸的確定 牽引車車架的最大外寬尺寸是指車架上左右縱梁之間的最大寬度。在牽引車設(shè)計中車架的寬度可以提高整車的橫向穩(wěn)定性，也會影響到牽引車的轉(zhuǎn)向性，所以車架寬度的選擇應(yīng)當(dāng)合理

20、。整車的寬度確定以后，就可以通過車橋輪距發(fā)動機外廓尺寸轉(zhuǎn)向橋最大轉(zhuǎn)向角以及懸架板簧的中心跨距等確定牽引車車架上縱梁的布置和尺寸。 目前大運重卡牽引車所采用的是前后等寬式車架。大運CGC4251PB32WPD3B型號牽引車前輪輪距2060mm,后輪輪距是1860mm，發(fā)動機采用的是濰柴WP10.375型柴油發(fā)動機，其尺寸為15257301063mm。在確定牽引車車架寬度的時候，要考慮到車架的縱梁會不會與發(fā)動機及發(fā)動機上的配件產(chǎn)生干涉。 我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB/TT43003-89規(guī)定載貨汽車車架寬度一般在700950mm之間，綜合分析比較最終確定車架的總寬為930mm。2.4.2牽引車車架斷面尺寸的確

21、定目前中重型牽引車的車架縱梁采用都是容易沖壓成型，抗彎抗扭的性能優(yōu)良的槽型斷面?？v梁的斷面尺寸一般由牽引車的最大承載量來確定，一般牽引車牽引的質(zhì)量越大則需要的斷面尺寸也就越大。車架的斷面尺寸主要包括腹面高度斷面厚度和翼面寬度三個方面。牽引車在滿載工況時，牽引車車架所承受的載荷較大。為保證車架在實際工作的時候，其能夠滿足使用的要求。同時由于組成車架的部件主要是通過沖壓獲得，所以結(jié)合現(xiàn)有沖壓工藝，車架的縱梁的厚度不能過高。從沖壓工藝以及車架的剛度和強度這兩方面考慮，再結(jié)合以往牽引車車架設(shè)計的經(jīng)驗，最終確定縱梁采用雙層梁結(jié)構(gòu)。最終確定采用30080（8+5）mm的由內(nèi)襯梁和主梁組成的雙層縱梁結(jié)構(gòu)。其

22、中主梁的厚度是8mm，內(nèi)襯梁的厚度是5mm。車架縱梁的倒角R1=12mm，為保證裝配時倒角處不產(chǎn)生干涉，車架內(nèi)襯梁的倒角R2=12mm。2.4.3牽引車車架長度的確定牽引車的整車的長度確定以后，可以根據(jù)前后懸的尺寸軸距布置和實際使用情況來確定車架的長度。設(shè)計時應(yīng)該遵循如下原則：同一平臺之間當(dāng)駕駛室的大小不變時車架的前懸不變；當(dāng)軸距變化而整車的長度不變時，車架的總長不變；當(dāng)軸距變化不大且現(xiàn)有車架滿足整車布置要求時，車架的總長不變。當(dāng)大運重卡CGC4251PB32WPD3B的整車車身長度是6855mm，采用的是64的驅(qū)動形式，軸距為3200+1350mm，前后懸的長度分別為1430mm和875mm

23、，保險杠的長度為300mm，所以綜上計算可得車架的長度為6555mm。2.4.4牽引車車架橫梁的設(shè)計及布置 牽引車車架的橫梁是車架重要的組成部分，橫梁的作用是作為牽引車上主要總成的載體，在實際工作中要承受足夠的扭轉(zhuǎn)剛度以及來自橫向和縱向的載荷。在車架的設(shè)計過程中，應(yīng)保證車架的中后部有較大的抗扭轉(zhuǎn)能力。橫梁可以根據(jù)其前后順序命名為第一橫梁第二橫梁第三橫梁等；也可以根據(jù)其所處的位置和作用來命名如前橫梁后橫梁平衡軸橫梁傳動軸橫梁等。橫梁的主要作用就是連接左右的縱梁構(gòu)成一個完整的框架，從而保證車架具有一定的扭轉(zhuǎn)剛度，此外，還可以為安裝牽引車的主要總成各種附件以及前后懸架提供懸置點。通常，牽引車車架裝有

24、56根橫梁，對于不同軸距的車型，橫梁的數(shù)量會有所增減。橫梁的布置應(yīng)根據(jù)牽引車的前后懸的尺寸牽引車的軸距布置發(fā)動機的位置和油箱等部件的位置有關(guān)11。（1） 第一橫梁，也稱作管狀橫梁或前橫梁。管狀橫梁的作用是承載發(fā)動機前的散熱板，其次起到傳遞轉(zhuǎn)向搖臂橫向力的作用。設(shè)計第一橫梁時要保證其有足夠的剛度，以使其不變形不開裂。圓管梁在發(fā)動機前，所以布置時應(yīng)避開與發(fā)動機風(fēng)扇皮帶輪等的干涉。前橫梁在同一平臺和同一系列的發(fā)動機配合時應(yīng)盡量通用，盡量不要更改。目前的使用的圓管梁尺寸有89和102兩種，一般載荷較大工況比較復(fù)雜時選102，比如自卸車和礦用卡車，其它類型的卡車選擇89?？紤]到牽引車工作時車架的受載情況

25、，牽引車的第一橫梁選用89的管狀橫梁。管狀橫梁的鋼管兩端焊接有連接板，通過連接板與車架縱梁鉚接在一起。連接板和管的厚度均為為6mm，其中連接板的長度為350mm，高為274mm。第一橫梁的總長為904mm。根據(jù)以上規(guī)格設(shè)計出牽引車車架的管狀橫梁如圖2.1所示。圖2.1 牽引車車架的管狀橫梁（2）第二橫梁，這種橫梁的截面形狀很像盆形，故也稱作盆梁或者元寶梁，它位于前鋼板彈簧前支架和后支架之間。它的作用是發(fā)動機前懸置的支座。因為發(fā)動機的體積大，而且縱向長度長，所以將盆梁設(shè)計成U型。設(shè)計第二橫梁時應(yīng)保證其有足夠的強度和剛度，以保證其在工作時不會輕易的變形或者開裂；滿足發(fā)動機前支承的位置尺寸要求；在定

26、位其安裝位置時避免它與發(fā)動機上的部件產(chǎn)生干涉，影響發(fā)動機的正常工作；同時橫梁底部的上表面與應(yīng)該和發(fā)動機保持足夠的距離，使?fàn)恳囋谡９ぷ鬟^程中發(fā)動機上下跳動時不與之產(chǎn)生干涉，一般情況下間隙的大小不得小于30mm；第二橫梁在同一平臺和同一系列發(fā)動機配合時應(yīng)盡量通用；盆梁是沖壓件，在設(shè)計當(dāng)中應(yīng)該考慮到?jīng)_壓工藝性，當(dāng)拉伸的長度太長應(yīng)該將梁分成幾段分別沖壓成型，然后焊接到一起。牽引車車架的第二橫梁如圖2.2所示。圖2.2 牽引車車架第二橫梁 （3）第三橫梁同樣是盆梁，它位于牽引車前鋼板彈簧后支架處，此處在發(fā)動機后懸置和變速箱輔助支撐的附近，通常位于發(fā)動機飛輪殼后變速箱下，此處縱梁的偏心載荷較多而且很分

27、散，所以有必要用盆梁來加強。由于發(fā)動機變速箱體積大縱向長度長，故將橫梁的整體形狀設(shè)計成U型，從而可以避開發(fā)動機以及變速箱的干涉。同時也可以通過加強發(fā)動機變速箱處車架的強度和剛度。在設(shè)計第三橫梁是應(yīng)注意第三橫梁下部的最低點不得比前軸下底面低，下部上表面應(yīng)該與發(fā)動機和變速箱留有一定的距離間隙從而保證牽引車在工作過程中上下跳動時不與其產(chǎn)生干涉，一般間隙的大小不得小于30mm；第三橫梁是沖壓件，設(shè)計的時候要考慮到?jīng)_壓成型的工藝性，當(dāng)拉伸的深度太大的時候需要將橫梁分成幾段分別沖壓，最后焊接成型；盆梁種類較多，同一類型中這種梁有兩種，其中一種是用于離合器推式操縱，另一種是用于離合器的下操縱，具體選用哪種類

28、型依據(jù)實際情況而定。第三橫梁的結(jié)構(gòu)和形式如圖2.3所示。圖2.3 牽引車車架第三橫梁 （4）第四橫梁，又稱作槽形梁。它的作用主要有安裝傳動軸的中間支撐，同時又加強了牽引車的車架中部抗扭轉(zhuǎn)的能力。第四橫梁一般布置在變速箱的后面，在布置和設(shè)計時要盡量避免其與變速箱和傳動軸等部件產(chǎn)生干涉；傳動軸在第四橫梁處的位置相對較高，在設(shè)計第四橫梁的結(jié)構(gòu)時應(yīng)該避免其與傳動軸產(chǎn)生干涉，對于直接和牽引車變速箱和后橋連接的傳動軸，應(yīng)該考慮傳動軸的動態(tài)跳動量；橫梁的設(shè)計在情況允許的時候可以直接與縱梁的腹板相連接，這樣可以提高車架的連接強度，但應(yīng)該避免與縱梁的翼面接觸；在同一個平臺之間，在現(xiàn)有的橫梁滿足設(shè)計要求的時候，盡

29、量采用現(xiàn)有車架，避免不斷增加新的橫梁種類。第四橫梁的厚度選擇6mm。根據(jù)規(guī)格設(shè)計出的槽梁結(jié)構(gòu)和形式如圖2.4所示。圖2.4 牽引車車架第四橫梁 （5）第五橫梁，又稱作背靠背槽形梁。它的作用與第四橫梁一樣，都是作為安裝傳動軸中間支撐的基座，加強牽引車車架中后部的抗扭轉(zhuǎn)能力。在設(shè)計背靠背槽形梁的時候，應(yīng)該避免其與傳動軸產(chǎn)生干涉。保證其有足夠的剛度和強度，在牽引車工作的過程中使車架的中后部有足夠的抗扭轉(zhuǎn)能力，保證牽引車在正常工作的時候牽引車的車架中后部有足夠的抗扭轉(zhuǎn)能力；在同一平臺之間，牽引車的背靠背槽形橫梁梁是通用的。第五橫梁的結(jié)構(gòu)和形式如圖2.5所示。圖2.5 牽引車車架第五橫梁 （6）第六橫梁

30、，一般采用雙后平衡橋車型的車架，后橋處的車架橫梁通常叫做平衡軸橫梁，也稱作飛機梁。平衡軸橫梁一般是槽形結(jié)構(gòu)，為了增強其強度，通常是將兩個槽形梁鉚接在一起，通過上下連接板與車架縱梁連接在一起。 在設(shè)計平衡軸橫梁的時候要注意，對于牽引車來說平衡軸橋梁處在牽引車工作時還會受到牽引支座的力；平衡軸推力桿的支座固定在平衡軸橫梁上，對于裝配同一種后橋的車架其平衡軸橫梁位置的前后相對于平衡橋的中心是不發(fā)生變化的；平衡軸橫梁上的推力桿支座上孔的位置是由平衡軸的結(jié)構(gòu)要求決定的，平衡軸不同孔位也是不同的，當(dāng)橫梁的下平面和平衡懸架上平面的距離發(fā)生變化的時候要調(diào)整孔位的尺寸；平衡軸橫梁在工作過程中在承受車架傳遞的力的

31、同時，還會受到平衡軸推力桿傳來的作用力和牽引座傳遞的力，在設(shè)計時要充分考慮到橫梁的強度和剛度是否滿足要求；在同一平臺之間，對于同一型號的后橋，平衡軸橫梁是可以通用的；同時作為牽引車的車架，要在平衡軸橫梁處的縱梁左右兩側(cè)布置固定牽引車牽引座的連接板，平衡軸橫梁連接板和牽引座連接板的長度均為1400mm，牽引座連接板的高度為308mm,在布置的時候其高度要高于縱梁上平面8mm。飛機梁的結(jié)構(gòu)和形式如圖2.6所示。圖2.6 牽引車車架平衡軸橫梁 （7）牽引車車架尾梁。牽引車車架的后橫梁在車架的尾部，通常為槽形結(jié)構(gòu)。在設(shè)計尾梁的時候應(yīng)保證其有足夠的強度；尾梁的高度尺寸應(yīng)為減公差，以保證其裝配性；在同一平

32、臺間，對于縱梁高度尺寸相同的車架，要保證尾梁具有很強的通用性。尾梁的結(jié)構(gòu)和形式如圖2.7所示。圖2.7 牽引車車架尾梁2.5 牽引車車架縱梁與橫梁連接方式的選擇汽車車架縱梁與橫梁連接方式有焊接螺栓連接鉚接和拉鉚四種方式。其中焊接適用于剛性車架，一般在大型礦用汽車上使用。普通運輸車的主車架不采用。螺栓連接的優(yōu)點是預(yù)緊力大，便于上裝改裝和拆卸，在使用螺栓連接的時候，螺栓由內(nèi)向外穿使螺母位于車架的外側(cè)，這樣可以使管線走向順暢，避免螺栓磨穿線束還可以保證達到預(yù)期的扭矩。鉚接的優(yōu)點是不易脫落，裝配效率高，適合大規(guī)模的生產(chǎn)要求。拉鉚是國外普遍采用的連接方式。 本次設(shè)計的牽引車車架，橫梁與縱梁主要采用的是鉚

33、接工藝，在牽引座與牽引座連接板的連接采用螺栓連接。2.6 牽引車車架縱梁孔位布置設(shè)計 牽引車車架縱梁上的孔除了有主要的總成和部件的安裝孔之外，還有電器變速操縱制動和轉(zhuǎn)向等的支架安裝孔，電器管路固定孔過線孔和一些工藝孔，如沖壓工藝孔鉚接工藝孔涂裝吊掛工藝孔等。由于縱梁上孔的數(shù)量較多，孔位的布置和孔徑的大小是否合理直接影響到車架的強度影響到加工時工藝性的好壞與否影響到整車的管線布置是否合理。為了使?fàn)恳囓嚰艿目v梁孔位規(guī)范化，所以在設(shè)計的時候要遵循如下的要求。2.6.1孔徑大小尺寸要求為了保證牽引車車架上的孔的尺寸大小不影響到牽引車車架的強度，在實際加工時能夠配合三面沖孔加工工藝，同時減少孔徑的尺寸

34、規(guī)格。所以對車架的上孔的尺寸要遵照如表2.2的規(guī)范要求。表2.2 牽引車車架上孔的尺寸規(guī)范序號孔類別孔徑規(guī)格1過線控工藝孔3545602線束孔安裝固定孔911131517192.6.2 孔位工藝性布置要求由于車架上孔的數(shù)量眾多，在布置牽引車車架上孔的位置的時候，為了能方便孔的加工，使在進行沖孔和鉆孔時不影響到車架的強度，所以制定如表2.3所示的加工工藝性的要求。表2.3 牽引車車架上孔的工藝性規(guī)范1沖孔鉆孔工藝性沖孔鉆孔的時候為了在保證孔的位置精度精度的同時提高鉆孔的效率，一般的方法是制作鉆孔胎具或鉆孔模具。鉆孔胎具和沖孔模具一般由上下模板定位裝置鉆套等組成。在加工孔的時候下模板一般放置在工件

35、的內(nèi)側(cè)，它能起到支撐工件和落料口的作用。需要注意的是工件到落料口邊緣的最小距離不應(yīng)該小于15mm，同樣車架的縱梁孔邊緣到內(nèi)壁的最小距離也不得小于這個值。沖孔鉆孔的時候，需要沖頭或者鉆頭與工件要鉆孔的表面垂直，所以鉆孔的位置盡量不要選擇轉(zhuǎn)折處斜面或者圓角處。2鉚接螺母連接的工藝性在定位鉚釘孔的時候，孔距離周圍側(cè)壁和零部件之間的間隙應(yīng)大于鉚鉗或者扳手工作的最小距離，通?？椎闹行木嘀車鷤?cè)壁或者零部件之間的距離不得小于鉚鉗桿的半徑或者套筒扳手的套筒的半徑。在安裝橫梁的部位要留出足夠大的空間，防止鉚釘和螺栓與橫梁產(chǎn)生干涉，防止鉚鉗或者扳手與橫梁產(chǎn)生干涉。2.6.3孔的布置不應(yīng)影響車架的強度 （1）相鄰兩

36、孔之間的最小中心距要求 （2.1）式中，L是相鄰兩孔之間的中心距； d1d2分別是相鄰兩孔的直徑。 （2）孔中心距離上下翼面的最小距離孔的中心距上下翼面的距離L35mm，孔不得破壞圓角。2.7 鉚接 鉚接的成本低，不易脫落，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。采用鉚接的時候橫梁的彎曲剛度取決于鉚釘?shù)臄?shù)目及其布置。2.7.1 鉚釘孔的中心距離連接板內(nèi)側(cè)的距離 為了使鉚釘孔的位置影響不到車架的強度，孔中心距連接板內(nèi)側(cè)的距離遵照表2.4的規(guī)范。表2.4 鉚釘?shù)闹行木嚯x連接板內(nèi)側(cè)最小距離規(guī)范鉚釘直徑d121416最小距離a2426282.7.2鉚釘孔在在縱梁上的布置以及尺寸標(biāo)注縱梁上的鉚釘孔在布置位置的時候要盡量與其腹

37、面的中心線對稱，這樣才能保證車架在鉚接完成之后左右縱梁能夠保持平行，防止出現(xiàn)車架左右縱梁不平齊上寬下窄的情況。所有在連接板上的鉚釘孔都要標(biāo)注其距離縱梁上下翼面之間的尺寸值。表2.5 鉚釘及鉚釘孔直徑的規(guī)范鉚釘直徑d121416鉚釘孔直徑D131517允許偏差+0.3-0.1+0.3-0.1+0.3-0.12.7.3 鉚釘孔的工藝 鉚釘孔可以通過沖孔或者鉆孔工藝獲得，考慮到車架上孔的數(shù)量較多，本設(shè)計采用鉆孔工藝。2.7.4 鉚釘孔去毛刺 鉚釘孔口的毛刺可能在鉚接的時候?qū)︺T釘頭的根部造成損傷從而使鉚接的連接強度受到影響，縱梁以及橫梁板的連接板的鉚釘孔都要求求去掉毛刺，鉚釘孔的倒角。2.7.5 鉚釘

38、長度的計算 本設(shè)計采用的是半圓頭鉚釘，它的長度可以根據(jù)經(jīng)驗公式（2.2）計算求得： （2.2）式中L半圓頭鉚釘?shù)臈U部長度； 被鉚工件的總厚度；d半圓頭鉚釘桿部直徑。計算后將計算的結(jié)果圓整，就進選取標(biāo)準(zhǔn)值。2.8 牽引車車架工藝孔的布置和設(shè)計牽引車車架上的工藝孔種類很多，主要分為涂裝吊掛工藝孔過線孔鉚接工藝孔和沖壓成型工藝孔等，這些孔孔的直徑一般不小于35mm，為了保證在進行孔位布置的時候不影響到牽引車車架的強度，所以在設(shè)計的時候要遵循如表2.6的工藝要求。表2.6 車架上工藝孔的設(shè)計1工藝孔的布置應(yīng)該在車架縱梁腹面的中部，孔的中心到縱梁上下翼板的距離一般不應(yīng)小于80mm。2因為牽引車在工作時，

39、車架平衡軸橫梁處受到的力和扭矩較大，所以為了保證牽引車的使用過程中車架有足夠的強度和剛度，在平衡軸橫梁處盡量不要布置工藝孔，同時在距平衡軸中心前后150mm的范圍之內(nèi)不得有工藝孔的存在。3在發(fā)動機支架，鋼板彈簧前后支架和變速箱支架這樣的車架主要受力點的周圍不應(yīng)該有工藝孔的存在。4工藝孔的大小選擇35，45，60這三種規(guī)格。5為保證車架的使用強度，兩個相鄰的工藝孔之間的距離不應(yīng)太近，孔的中心距不應(yīng)小于100mm。6涂裝吊具用的工藝孔必須符合SQB200的要求。2.9 牽引車車架的尺寸標(biāo)注 牽引車車架在投入制造之前要繪制出二維的圖紙。尺寸的標(biāo)注要根據(jù)國標(biāo)：GB/T1804-2000一般公差 未注公

40、差的線性和角度尺寸公差GB/T4458.5-2003機械制圖尺寸公差與配合注法GB/T1184-1996形狀和公差 未注公差值的要求進行規(guī)范化標(biāo)注。在對二維圖紙的尺寸進行標(biāo)注的時候進行如表2.7的規(guī)范。表2.7 牽引車車架的尺寸標(biāo)注1配合尺寸標(biāo)注零件和零件零件和部件以及部件與部件之間的配合公差要標(biāo)注出來?？偝杉谏霞壙偝杉械耐饫叽绾桶惭b尺寸要標(biāo)注出來。標(biāo)注出的總成件包含的部件或零件的位置關(guān)系尺寸就是定位尺寸。要根據(jù)產(chǎn)品在實際加工裝配中所需的配合要求進行合理的標(biāo)注，例如在標(biāo)注安裝在縱梁內(nèi)側(cè)的橫梁的時候應(yīng)該標(biāo)注減公差來滿足車架鉚接的工藝要求；在標(biāo)注位于連接板上下翼面內(nèi)側(cè)后橫梁的時候，為滿足尾梁

41、能與連接板鉚接在一起，在標(biāo)注其高度的時候應(yīng)該標(biāo)注減公差，而連接板與尾梁配合處的高度尺寸應(yīng)該標(biāo)注加公差。2尺寸標(biāo)注當(dāng)一組孔只有兩個孔的時候，只需要標(biāo)注兩個孔之間的尺寸公差。當(dāng)一組孔的尺寸大于兩個的時候，應(yīng)該標(biāo)注位置度公差。標(biāo)注尺寸的時候不可以使標(biāo)注出現(xiàn)交叉的現(xiàn)象，尺寸的標(biāo)注要有層次感，整體布局簡潔美觀。如果存在彎曲成型件，在標(biāo)注的時候應(yīng)該標(biāo)注出內(nèi)圓角半徑。同一組孔標(biāo)注的時候只需標(biāo)注出一組定位尺寸，而且只選取一個定位基準(zhǔn)，不允許出現(xiàn)分開定位的情況。如果同一組孔所連接的支架出現(xiàn)同時與翼面和腹板連接的情況，則應(yīng)該選擇與之相連接的翼面為標(biāo)注定位尺寸的基準(zhǔn)面，定位尺寸應(yīng)該標(biāo)注減公差。當(dāng)同一組孔之間的相隔距

42、離較遠或存在孔與之相類似的情況出現(xiàn)時，為了加以分辨，應(yīng)該畫上分辨的標(biāo)記。當(dāng)存在非配合尺寸單一孔的時候，不需要標(biāo)注定位尺寸公差，可以直接標(biāo)注名義尺寸。2.10 牽引車車架的設(shè)計技術(shù)要求規(guī)范車架的設(shè)計要求是車架設(shè)計中的通用技術(shù)要求，本設(shè)計中會對車架總成以及車架縱梁的技術(shù)要求進行規(guī)范說明如表2.8所示。表2.8 車架的設(shè)計規(guī)范要求1車架總成的技術(shù)要求規(guī)范車架總成上所有的零件要在檢查滿足設(shè)計要求之后才能進行裝配，裝配時零件一定要齊全，不得出現(xiàn)錯裝和漏裝的現(xiàn)象。車架總成上應(yīng)該進行去毛刺處理，不得存在刮痕和凹坑等影響車架裝配和使用性能的缺陷。所有零件在鉚接之后需仔細檢查，不得出現(xiàn)裂紋，否則就要更換重鉚。整

43、個車架的對角線誤差不得大于5mm。左右縱梁的平行度不得大于5mm，在1m長度范圍內(nèi)平面度誤差不得大于1mm，在平衡軸橫梁連接處的車架外寬偏差為1mm，其它橫梁的連接處外寬偏差在2mm左右。左右縱梁的上下翼面應(yīng)該在同一個平面內(nèi)，在全長范圍內(nèi)的平面度誤差不得大于4mm，在1m的長度范圍內(nèi)的平面度誤差不得大于1mm。車架在裝配前要經(jīng)過除油污除銹蝕除焊渣等前期處理。鉚接在一起的零件的結(jié)合要緊密，鉚接后接合面之間的縫隙必須小于0.2mm,鉚釘結(jié)合面的直徑必須大于鉚釘直徑的三倍，在鉚接后鉚釘頭部的直徑不得小于鉚釘桿直徑的1.5倍，鉚釘不可以在鉚接之后出現(xiàn)嚴(yán)重的變形。鉚釘圓頭和鉚釘桿的中心線的同軸度必須小于

44、1。鉚接的前期準(zhǔn)備和結(jié)構(gòu)形式的選擇遵照SQB10023-2005的規(guī)定。2車架縱梁技術(shù)規(guī)范整個車架的表面應(yīng)平整，光滑。不得出現(xiàn)裂紋和凹凸不平的現(xiàn)象出現(xiàn)?？v梁的腹板和上下翼面在全場范圍內(nèi)的平面度誤差應(yīng)該小于4mm，在1m范圍內(nèi)的平面的誤差應(yīng)該小于1mm?？v梁在裝配鋼板彈簧的前后釣耳支架處的上下翼面和腹板的垂直誤差要小于0.5mm，其它部位的的誤差不得大于1mm。沒有標(biāo)注尺寸的公差，其公差應(yīng)該按照SQB0320-01-88執(zhí)行。沒有標(biāo)注的同組孔之間的位置度公差小于3。2.11 牽引車車架設(shè)計的工藝性規(guī)范 在設(shè)計牽引車車架的時候，不但要使其有足夠的強度和剛度來滿足整車的性能的要求，還應(yīng)該滿足車架的工

45、藝性要求。車架設(shè)計的工藝性要求主要包括車架的鉚接工藝性和沖壓成型工藝性等。2.11.1牽引車車架的鉚接工藝性要求規(guī)范牽引車車架主要采用鉚接連接，為了保證車架在鉚接之后具有足夠的強度和扭轉(zhuǎn)剛度，并在實際工作過程中不輕易脫落，所以在設(shè)計車架的時候要遵照如表2.9所示的工藝性要求。表2.9 車架鉚釘?shù)囊?guī)范鉚釘?shù)囊?guī)格12141618鉚釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)號Q450鉚釘所使材料ML10或者ML15鉚鉗的空間工作位置要求在設(shè)計工件或者布置鉚釘位置的時候，要考慮到工件上鉚接點的周圍是否有足夠的空間位置來實現(xiàn)鉚接?？字行牡綇澢叺淖钚【嚯x，mmd=10時，；d=12時，；d=14時，；d=16時，(d鉚釘直徑；a鉚釘孔的

46、中心到彎曲邊的距離）鉚釘?shù)拈L度，mm（根據(jù)鉚釘長度的標(biāo)準(zhǔn)值進行圓整）（d鉚釘?shù)闹睆?；被連接件的厚度）2.11.2 螺栓連接的要求規(guī)范本課題中的螺栓連接主要用在牽引車車架平衡軸橫梁的位置處。用于牽引車的牽引座和牽引座連接板之間的連接。其目的在固定牽引車牽引座實現(xiàn)牽引車牽引掛車功能的同時，還能夠方便牽引座的更換。為了防止連接螺栓在長期使用之后出現(xiàn)疲勞松動甚至折斷，一般選擇使用機械性能在10.9級的M121.5或者M141.5的法蘭面帶齒和法蘭面帶齒自鎖的高強度螺栓螺母。2.12 牽引車車架零部件沖壓成型的工藝性要求規(guī)范車架作為汽車的骨架，目前其上的絕大多數(shù)零件都是通過沖壓成型獲得的，每個零件都有其

47、功能要求，所以對沖壓工藝的要求也不盡相同，另一方面，由于零件的尺寸差別很大，在進行沖壓的時候一定要考慮其工藝性要求，例如，當(dāng)盆梁的拉伸長度太長的時候，可以將其分成幾部分分別進行沖壓，然后將分散的沖壓件焊接在一起，得到完整的盆梁12。在實際生產(chǎn)過程中，為了降低零件模具的設(shè)計周期和設(shè)計的成本，好的沖壓工藝是不可或缺的。所以在車架的零部件加工的時候要遵照如表2.10所示的要求和工藝規(guī)范。表2.10 沖壓工藝的工藝性規(guī)范1在實際生產(chǎn)中，為了減少原料的使用，簡化制造工藝，降低沖壓模具的成本以及工件的成本，提高工件的使用壽命，沖壓件的設(shè)計應(yīng)該盡量簡單規(guī)則對稱。2對于形狀較為復(fù)雜，拉伸長度比較大的零件，應(yīng)該

48、將其分割成若干部分，然后分別進行沖壓最后連接在一起。3對于壓彎成型的零件，為了保證其在被壓彎之后仍然有足夠的使用強度，其成型之后的內(nèi)圓角半徑應(yīng)該不小于其應(yīng)用的材料允許的最小壓彎半徑值。彎曲成型件最小壓彎半徑遵照下表。序號成型件材料壓彎線與扎制紋的垂直最小壓彎半徑壓彎線與扎制紋的平行最小壓彎半徑116MnL1.3t1.7t2Q2350.8t1.2t308A10.2t0.4tt為壓彎成型材料的厚度。4對于平板沖孔件，孔的中心距離零件的邊緣，兩孔的中心距要不小于板料厚度的1.5倍。5位于拉伸零件底部的圓角半徑一般為板料厚度的35倍，其最小值必須大于板料的厚度；位于拉伸零件凸緣的圓角半徑一般為板料厚度

49、的58倍，其最小值必須大于板料厚度的兩倍。2.13牽引車車架材料的選用為了保證牽引車車架的強度和剛度滿足牽引車實際工作的需要，就要選用合適的材料。如果車架材料的性能達不到要求，會影響牽引車在工作過程的安全性要求。選擇的材料過于優(yōu)良又會增加生產(chǎn)成本。所以對牽引車車架車架材料的選擇遵照如表2.11的規(guī)范要求。表2.11 牽引車車架使用材料的規(guī)范名稱斷面形狀常用材料的厚度材料的編號車架縱梁槽形816MnL車架內(nèi)襯梁槽形516MnL車架橫梁管狀橫梁圓管89熱軋管10第二橫梁元寶形616MnL第三橫梁元寶形616MnL第四橫梁槽形616MnL第五橫梁槽形616MnL平衡軸橫梁槽形816MnL尾梁槽形81

50、6MnL車架牽引座連接板816MnL橫梁連接板616MnL平衡軸橫梁及尾梁連接板816MnL2.14 牽引車車架三維模型的建立 在確定牽引車車架的總體尺寸以及其上各個零部件的尺寸之后，就可以用CATIA三維軟件對車架進行三維建模。CATIA軟件在機械設(shè)計領(lǐng)域都有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。CATIA的曲面造型能力的強大體現(xiàn)在它給用戶提供了豐富的命令來滿足各種造型的曲面的設(shè)計。它能夠滿足特殊行業(yè)對曲面光滑性的較高的要求。而且CATIA軟件的設(shè)計可以達到很高的標(biāo)準(zhǔn)，在一些對曲面連續(xù)要求較高的產(chǎn)品的設(shè)計CATIA是可以完全勝任的。 本設(shè)計采用CATIAV5R20軟件進行牽引車車架的三維建模，建立零件的三維模型

51、能夠直觀準(zhǔn)確的反應(yīng)車架的結(jié)構(gòu)，而且更加容易發(fā)現(xiàn)車架在設(shè)計當(dāng)中的不足之處，然后盡快的做出調(diào)整。在車架建模完成之后，將其導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件當(dāng)中會自動形成接觸識別，便于對牽引車車架的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，計算其結(jié)構(gòu)是否滿足要求。如果不滿足要求，可在CATIA軟件中對牽引車車架結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)進行修改。由于CATIA軟件的修改參數(shù)的靈活性，修改車架的三維模型不會花費太長的時間，這對牽引車車架的二次開發(fā)來說是至關(guān)重要的。牽引車車架轉(zhuǎn)配圖如圖2.9所示。圖2.9 牽引車車架裝配圖 在繪制完成牽引車車架的三維模型之后要確保車架上各個梁的尺寸準(zhǔn)確，要符合牽引車車架設(shè)計的尺寸要求，在進行車架裝配時要保證橫

52、梁位置相對于縱梁位置的準(zhǔn)確性，還要保證各個零部件之間不會產(chǎn)生干涉。干涉檢查如圖2.10所示。圖2.10 牽引車車架三維模型干涉檢查2.15本章小結(jié) 本章對牽引車的總體尺寸的確定以及橫梁的布置和結(jié)構(gòu)的選擇方法進行了介紹，選定了車架的連接方式為鉚接。對牽引車車架縱梁上的空位布置鉆孔工藝鉚接要求車架的總體工藝尺寸標(biāo)注和車架材料的選擇等進行了規(guī)范說明。并在CATIA軟件中隊牽引車車架進行了三維建模。為后續(xù)有限元分析提供了模型基礎(chǔ)。第 45 頁 共 37 頁3 牽引車車架的有限元分析 隨著計算機輔助工程軟件（CAE）在生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍不斷的擴大，人們已經(jīng)逐漸意識到其在產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要性。目前，C

53、AE分析的能力已經(jīng)不再僅限于單一的零部件，它已經(jīng)足以有分析復(fù)雜裝配體的能力，甚至可以高效的完成汽車和飛機整體的仿真。而且隨著有限元技術(shù)的不斷完善，他已經(jīng)由單一的結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域拓展到流體力學(xué)電磁學(xué)熱力學(xué)多場耦合等更加豐富的分析領(lǐng)域。而且，對產(chǎn)品的有限元分析已經(jīng)不再是專職技術(shù)人員的工作，設(shè)計人員參與CAE分析已經(jīng)是當(dāng)代產(chǎn)品研發(fā)的必然趨勢。3.1 有限單元法的基本思想 有限單元法的基本思想就是將要進行分析的物體離散成按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的有限個單元的組合，來近似代替要被分析的物體，用一個離散的有限自由度問題來取代一個連續(xù)的無限自由度問題的一種分析方法。物體被離散化以后，通過對其中的每一個單元進行分

54、析，最終得到對整體的分析的結(jié)果。網(wǎng)格劃分完畢之后，每一個小的塊體就是單元。單元之間相互連接的點稱為節(jié)點。節(jié)點上的結(jié)構(gòu)內(nèi)力稱作節(jié)點力，外力稱作節(jié)點載荷13。3.2 有限單元法分析的一般步驟3.2.1結(jié)構(gòu)的離散化 將結(jié)構(gòu)分為有限個小的單元體就是結(jié)構(gòu)的離散化，離散化之后單元和單元單元和邊界之間都是通過節(jié)點連接的。有限元分析法的第一步就是結(jié)構(gòu)的離散化，它是有限單元法的基礎(chǔ)步驟，直接關(guān)系到計算的效率與計算的精度，主要包含以下三方面的內(nèi)容：（1）單元類型的選擇。離散化分析的首要步驟是選定單元類型，主要包括單元形狀單元自由度數(shù)和單元節(jié)點數(shù)三個方面的內(nèi)容。（2）單元的劃分。劃分單元的時候網(wǎng)格劃分的越細，計算的

55、結(jié)果也會隨著節(jié)點數(shù)的增加而變得精確。然而網(wǎng)格劃分細致到一定程度的時候計算的結(jié)果精度的提高程度就不再明顯，所以在劃分網(wǎng)格的時候要依據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)域的受力的不同來合理控制網(wǎng)格劃分的疏密程度；單元的形狀應(yīng)該盡量接近正多邊形或者正多面體，盡量避免出現(xiàn)鈍角，矩陣單元的長寬尺寸相差不宜過大；相鄰的單元與邊界之間的節(jié)點應(yīng)該相互連接，不能出現(xiàn)在與之相鄰的單元的邊界上；同一單元選擇同一種材料；網(wǎng)格劃分的時候應(yīng)該盡量有規(guī)律，這樣有助于計算機自動的生成網(wǎng)格。（3）節(jié)點編碼。3.2.2單元的分析 通過對單元進行力學(xué)分析建立單元的剛度矩陣Ke。3.2.3整體分析 整體的分析包括如下的幾個內(nèi)容：（1）集成整體的節(jié)點載荷向量P。

56、在把整體結(jié)構(gòu)離散化之后，離散化的單元之間是通過節(jié)點傳遞力的，所以在進行有限元分析的時候?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)的分析只采用節(jié)點上的載荷，作用在單元上的集中力表面力和體積力都必須等效到節(jié)點上，生成等效的節(jié)點載荷。最終，系統(tǒng)依據(jù)節(jié)點的編碼順序?qū)⑺械墓?jié)點載荷組集成整體節(jié)點的載荷向量。（2）集成整體的剛度矩陣K，得到總體的求解平衡方程（3）引進邊界的約束條件，解出總體的平衡方程求出節(jié)點的位移。3.3 有限元分析軟件ANSYS簡介有限元ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)電磁場流體聲場和耦合場分析于一身的全球主流的大型通用有限元分析軟件。它是由世界最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)。在交通運輸石油化工機械制造造

57、船以及汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。作為目前世界上發(fā)展最快的計算機輔助工程軟件，ANSYS實現(xiàn)了與多數(shù)計算機輔助設(shè)計軟件的接口，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中不可或缺的分析軟件。近些年來，ANSYS在以下方面取得了顯著的進步：（1）開發(fā)和提供的求解器技術(shù)已經(jīng)達到世界一流水準(zhǔn)。（2）對ANSYS的網(wǎng)格技術(shù)進行了整合并生成統(tǒng)一的網(wǎng)格環(huán)境。（3）針對復(fù)雜的多物理場耦合的仿真提供了解決方法。（4）不斷改進和優(yōu)化先進的CAE集成環(huán)境ANSYS Workbench。（5）對先進的流體動力學(xué)技術(shù)不斷地進行融合。（6）開發(fā)出功能更為強大的顯示動力學(xué)分析模塊。（7）通過ANSYS VT加速器，基于ANSYS

58、的變分技術(shù)，減少迭代總步驟以加速多步分析的數(shù)學(xué)方法來加速多步求解。（8）網(wǎng)格的變形和優(yōu)化。（9）對大規(guī)模軟件的求解效率變高。3.4 ANSYS Workbench模塊的簡介 全球最大的CAE軟件供應(yīng)ANSYS公司在2002年開發(fā)出ANSYS Workbench這一產(chǎn)品研發(fā)平臺，新一代的研發(fā)平臺繼承了經(jīng)典平臺在有限元分析方面的所有功能，而且融合了Pro/E和UG等軟件的建模功能和一些優(yōu)化類型的軟件在優(yōu)化設(shè)計方面的功能，從而實現(xiàn)了集產(chǎn)品設(shè)計仿真和優(yōu)化于一身的強大功能過功能。這樣就方便了技術(shù)人員在同一平臺完成產(chǎn)品研發(fā)所需要做的所有工作，這樣省去了產(chǎn)品研發(fā)過程中的一些不必要的流程，加快了產(chǎn)品的研發(fā)周期

59、。ANSYS目前已經(jīng)把ANSYS Workbench作為自的主打產(chǎn)品，這一全新平臺將來也將會代替之前的經(jīng)典平臺14。 擁有獨特產(chǎn)品構(gòu)架和眾多支撐性產(chǎn)品模塊的ANSYS Workbench Environment(AWE)是新一代多物理場協(xié)同CAE仿真環(huán)境，它主要包含以下三個主要的模塊：幾何建模模塊有限元分析模塊以及優(yōu)化設(shè)計模塊，這三個模塊將設(shè)計仿真和優(yōu)化集成在一起，使設(shè)計人員能夠能夠方便的進入不同的模塊對設(shè)計的產(chǎn)品進行操作，AWE主要具有以下特點：（1）強大的裝配體自動分析功能。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝配體，AWE可以自動識別相鄰的零件并設(shè)置接觸關(guān)系，這樣大大減少了建立模型的時間。（2）自動化網(wǎng)格劃分

60、功能。（3）協(xié)同的多物理場分析環(huán)境及行業(yè)化定制功能。（4）擁有快捷的優(yōu)化工具。 如今市面上的有限元分析軟件，如ANSYSABAQUSANINA等，雖然這些軟件的界面和風(fēng)格不同，操作步驟也有略微的差異。但對產(chǎn)品進行有限元分析的時候基本過程都可以概括為九步：（1）導(dǎo)入CAD軟件創(chuàng)建的三維模型；（2）添加材料信息；（3）導(dǎo)入的是裝配體要設(shè)置接觸選項；（4）設(shè)定網(wǎng)格劃分的參數(shù)并進行網(wǎng)格的劃分；（5）選擇分析類型；（6）施加約束以及載荷；（7）設(shè)定求解參數(shù)，設(shè)定要求解何種問題以及想要的哪些物理量；（8）求解；（9）觀察求解結(jié)果。3.5 Static Structural模塊簡介 ANSYS軟件AWE模塊中的Static Structural具有強大的靜力分析功能，靜力學(xué)分析計算的是部件不考慮慣性和阻尼的影響，在受到固定不變的載荷的情況下其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)。除此之外靜力學(xué)分析可以計算諸如重力和離心力這些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響；同時還可以分析那些隨時間變化但可以近似等價為靜力作用的載荷，例如建筑規(guī)范中定義的等價靜力載荷和地震載荷等。靜力分析可以計算靜力作用于結(jié)構(gòu)或者部件上引起的位移應(yīng)力應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定的情況，即假定載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。