节能型三轮汽车行驶系统的设计与制作

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3 车架骨架有限元模型的建立

3．1 有限元模型的基本原理及分析步骤

3．1．1 有限元法的基本原理

有限元分析(FEA)是用数值近似的方法对真实物理系统(包括结构几何尺寸、材料物理特性和载荷工况等)进行模拟，它利用简单而又相互联络的单元，就可以用有限数量的未知量去逼近有无限未知量的真实系统，从而通过求解有限个数值来近似模拟真实环境下的无限个未知量。在这一基本思想下，连续体被视为由若干个基本单元在节点处彼此相连的组合体，无限多自由度的连续结构动态问题被简化成有限个自由度的动态问题。

3．1．2 有限元法的分析步骤

有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用CAD软件建立三维实体几何模型，将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后求出各单元体节点力和位移。

有限元分析的具体步骤是：离散化，即划分单元和网格；施加载荷，描述约束；

计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程；求解结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程；求解线性代数方程组，得出各节点位移，由节点位移求各单元节点力；显示处理计算结果。

上述各步骤中，前两步实际上就是前处理的过程，中间三步主要是计算过程，最后是后处理过程。因此上述各过程也可归纳为如下流程，

图3-1所示：

单元分析

整体分析

计算求解

离散化

图3-1有限元分析流程图

3．2 有限元法的程序实现

从使用有限元程序的角度来讲，有限元分析可分为前处理、计算和后处理三大步。

前处理是对计算对象网格划分、形成计算模型的过程。包括单元类型的选择，结构的材料特征参数的确定，实体建模，节点和单元网格的确定，边界条件或约束条件及载荷的移置等。

计算是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到节点位移的过程。由于商用软件已经针对多种模型进行过验证运算，因此只需要按照提示输入各种条件，包括收敛的方法(在软件中，这常被称为求解器)等，计算机就可以进行计算，得到计算结果。

后处理是对计算结果（应力、应变或振型等）的整理，形成等应力线、变形图、振型图等，以及结果的输出。

3．3 ANSYS10.0软件简介

ANSYS公司的ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，该软件可浮动运行于从PC机、NT工作站、UNIX工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统，数据文件在所有的产品系列和工作平台上均兼容，这样就保证了所有ANSYS用户的多领域多变工程问题的求解。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在产品设计中，用户可以使用ANSYS有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率。ANSYS软件能与大多数CAD软件实现数据共享与交换，如Pro-E、NASTRAN、UG、I-DEAs、AutoCAD等，它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一。

ANSYS的如下特点使得其在有限元分析软件中具有领先地位。

(1) 唯一能实现多场及多场祸合分析功能的软件。用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些类型的相互影响研究。

(2) 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。

(3) 强大的非线性分析功能。

(4) 支持从微机、工作站到巨型机的所有硬件平台，以及所有平台之间的并行计算。

(5) 可与大多数的CAD软件集成并有接口。应用ANSYS提供的数据接口，可精确地将在CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS中，减少重新建模所需的时间。

(6) 方便的二次开发功能。应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户自定义界面语言、外部命令等功能，可以开发适合自己特点的应用程序。

3．6 车架的模态分析

模态分析主要用于决定结构的固有频率和振型，这是动态载荷作用下结构设计中的重要参数，因此对车架进行固有特性的模态分析是很有必要的。

通过模态分析法辨识结构的模态参数，对于给定的系统，系统振型向量的比值与固有频率都决定了系统的固有属性。如果已知结构的固有频率，便可以在设计和改进时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激励频率范围。

对于设计出来的节能型三轮汽车车架能否满足振动方面的要求，一般用该车架的低阶频率来进行结构设计评价，其评价指标为：

(1) 车架低阶频率(即一阶扭转和弯曲频率的值)应高于非簧载结构的固有频率，以避免发生整体共振现象。