汽车车架简化模型有限元分析

汽车典型零部件简化模型有限元分析

任务1：连杆简化模型的有限元分析

1. 分析任务：

对图一所示的连杆的二维简化模型进行有限元分析，确定该设计是否满足结构的强度要求；若强度不够，修改设计直至最大应力减小至材料允许的范围内。在修改结构时，注意不可改变连杆小头衬套的内径和连杆大头的内径，也不可改变连杆各处的厚度和材料。

2. 分析所需数据：

a．连杆采用两种材料，连杆本体用的是40Cr结构钢，左侧小头中的衬套用的是铜。

b．连杆杆身和大头的厚度为1.5mm，小头的厚度为3.0mm。注意在杆身和小头的过渡处有R2.0的过渡圆角；

c．连杆结构的其它尺寸如图二所示；

d．施加在大、小头内壁上的边界条件用于模拟连杆与曲轴及活塞销的连接。假定载荷分布在小头夹角为90º的内壁上，且为锥状分布；约束施加在连杆大头夹角为90º的内壁上；

e．40Cr材料的弹性模量：210GPa；泊松比：0.3；屈服极限为：850MPa，设计安全系数为6；铜的弹性模量：120GPa，泊松比：0.33；屈服极限为：250MPa；

设计安全系数为4。

3. 完成该分析应掌握的ANSYS技术：

a．单元类型的选择；单元的尺寸控制；

b．不同厚度和材料的二维实体建模；

c．工作平面的灵活应用；

d．按载荷和约束的要求分割线和面；

e．模型参数（材料，实常数，单元类型号等）

f．粘结、合并等布尔运算操作

g．局部坐标系，旋转节点坐标系；

h．线性分布载荷的施加；

i．单元网格误差估计；

j．Ansys 命令日志文件及其在修改设计中的应用；

k．多窗口显示的功能

4. 分析报告内容的基本要求：

a.对分析任务的描述；列出分析所需数据：

b.利用多窗口显示的功能绘出连杆的实体模型和网格模型，在模型上能反映出

连杆各部位材料、厚度的不同；

c.绘图反映连杆的边界条件；

d.绘出对连杆原设计进行有限元分析后得到的变形图和应力等值线图；

e.图示SEPC和SERR并说明有限元分析的建模误差；

f.详细说明对不符合设计要求的结构所作的设计修改；及最终符合设计要求的

计算结果；

g.在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加等各个步

骤中出现的）及解决的办法；

h.整理命令日志文件，并在每个语句后添加说明（说明该语句的功能，说明前

要加！号）。注意：添加的说明（可以用中文说明）应该反映在建模中的操作步骤而不是简单的ANSYS命令定义。

图一连杆简化模型的几何形状

图二连杆简化模型的尺寸

任务2：转向节臂简化模型的有限元分析

1. 分析任务：

对图三所示的转向节臂的三维简化模型进行有限元分析。确定单元类型和分网方式；根据转向节臂的工作情况，确定载荷和约束的施加方式；分析该结构的应力和变形并评价该设计是否满足结构的强度要求。

2. 分析所需数据：

a.转向节臂简化模型的形状和尺寸如图三、四所示；

b.转向节臂使用的材料为40Cr，弹性模量：210GPa，泊松比：0.3；屈服极限：

850MPa，设计安全系数为8。

c.在结构右侧是一个螺栓孔，通过螺栓与转向直拉杆（图中未表示）相连；左

侧的圆柱凸台与转向节相连，使车轮转向。

d.左侧的圆柱凸台传递的力矩有两种：

●矢量方向为Z，大小为24Ｎｍ；

●矢量方向为Ｙ，大小为14Ｎｍ；

3. 完成该分析应掌握的ANSYS技术：

a.单元类型的选择；单元的尺寸控制；

b.结构的三维实体建模；粘结、合并、分割等布尔运算操作；

c.工作平面的灵活应用；

d.按载荷和约束的要求分割线和面；

e.模型参数（材料，实常数，单元类型号等）

f.自由网格和扫掠网格；

g.局部坐标系，旋转节点坐标系；

h.线性分布载荷的施加；

i.表面效应单元；

j.载荷步及载荷工况；

k.单元网格误差估计；

l.Ansys 命令日志文件；

m.多窗口显示的功能。

4. 分析报告内容的基本要求：

a.对分析任务的描述；列出分析所需数据：

b.利用多窗口显示的功能绘出转向节臂的实体模型和网格模型；

c.绘出能反映转向节臂边界条件的图形；

d.利用多窗口显示的功能绘出对转向节臂进行有限元分析后得到的变形图和应

力等值线图；分析设计是否满足强度要求；

e.图示SEPC和SERR并说明有限元分析建模误差；

f.对不同分网方式所得的结果进行比较；

g.在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加等各个步

骤中出现的）及解决的办法；

h.整理命令日志文件。

图三转向节臂简化模型的几何形状

图四转向节臂简化模型的几何尺寸

任务3：钢板弹簧简化模型的有限元分析

1. 分析任务：

对图一所示的钢板弹簧的三维简化模型进行有限元分析。

●分别采用两种不同的四面体单元SOLID45和SOLID92用自由网格方式

进行网格剖分；计算两种情况下的钢板弹簧的三维简化模型的最大Mises

应力和变形；

●分别采用两种不同的六面体单元SOLID45和SOLID95用映射网格方式

进行网格剖分；计算两种情况下的钢板弹簧的三维简化模型的最大Mises

应力和变形；

●采用二维单元计算简化模型的最大Mises应力和变形；

●利用结构的对称性对上述模型中的一种进行计算；

2. 分析所需数据：

ａ.钢板弹簧简化模型的形状和尺寸如图五所示；板长为900mm，宽为250mm，厚为25mm；

ｂ.钢板弹簧采用的材料的弹性模量为211Gpa，泊松比为0.3；

ｃ.钢板弹簧左右两侧各受到一大小为4500N的集中力；

d. 在钢板弹簧中部沿宽度方向，受到铅垂方向的约束；

3. 完成该分析应掌握的ANSYS技术：

a.单元类型的选择；单元的尺寸控制；

b.结构的三维实体建模；拉拔（Extrude）操作；

c.工作平面的灵活应用；

d.模型参数（材料，实常数，单元类型号等）

e.自由网格和扫掠网格；

f.对称性的应用；

g.约束刚体位移；

h.单元网格误差估计；在集中力作用下结构的应力；