汽车典型零部件简化模型有限元分析要求及分析计算说明书要求

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1.2 课程设计的任务 ¾ 明确在汽车设计进行有限元分析的六大步骤; ¾ 掌握利用 ANSYS Workbench 软件对一维、二维、三维和轴对称结
构进行实体建模、网格剖分、加载求解和后处理的方法; ¾ 掌握对结构进行静态强度、刚度和模态分析的方法; ¾ 初步掌握对复杂结构进行有限元分析的高级技术;如,基于有限元
分析的实体建模技术、冻结、切片、参数化建模;梁单元的应用、 二维、轴对称问题的简化与分析、接触区域的处理、Stress Tool 及 Beam Tool 的用法、收敛性问题;参数研究以及目标驱动的优化等。 ¾ 通过文献检索和阅读,结合课程设计对应的结构,明确汽车简化零 部件的简化方案,分析对实际结构进行有限元分析边界条件的合理 设置。 ¾ 掌握对汽车简化零部件进行 CAE 分析的基本方法,完成“汽车典 型零部件简化模型的有限元分析”并写出分析计算说明书。
汽车设计课程设计指导书
(有限元分析在汽车设计中的应用)
汽车工程系 2012 年 12 月
说明
汽车设计是车辆工程专业课程之一,也是最重要的一个 实践性内容。其目的和作用是使学生能将已学过的力学、机 械以及汽车知识综合运用于汽车零部件系统设计中,从而培 养学生对汽车零部件系统的综合设计和实践能力。这是在所 有实践性课程中最具活力,最能培养学生的自主学习、实践 能力,最能培养学生创新思维的课程之一。汽车设计课程设 计根据课题难易程度分为二到六人一组、各组独立完成,在 学生设计过程中鼓励他们自主设计,积极创新。
力、最大变形、误差值和最大 Misses 应力; f. 列表比较不同模拟约束方案的约束反力、最大位移、最大 Misses 应力和误差
值;
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g. 收敛分析的结果; h. 参数化研究与目标驱动的优化结果与分析; i. 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、结果设
置,参数化研究与优化等各个步骤中出现的)及解决的办法; j. 通过文献检索和阅读,针对转向节臂实际结构边界条件的合理设置和有限元
1.4 注意事项 ¾ 工作时应严格遵守汽车数字应用中心上机管理的各项规定; ¾ 除最后的答辩外,课程设计的所有工作均按分组进行;课程设计成
绩的一部分将反映协同工作的能力。小组成员应共同完成上机练 习;讨论分析方案;协调意见;修正错误,准备有限元的分析计算 说明书等。 ¾ 分析计算说明书包括三部分,第一部分为汽车典型零部件简化模型 的有限元分析,着重反映个人在课程设计中完成的工作,报告中注 重对汽车设计、有限元、力学基本概念的理解和讨论。每个人至少 针对一个知识点进行较为详细的探讨;第二部分为课程设计的总 结、收获和心得体会;第三部分为文献阅读报告,即对汽车零部件 的研究领域的文献进行广泛阅读和理解。该报告中重点体现汽车零 部件边界条件的合理设置、有限元分析方案两方面进行论述; ¾ 认真准备答辩,答辩不通过者必须重新完成指定的课程设计内容后 方能进入毕业设计环节; ¾ 课程设计完成后,需在规定时间内上交纸质资料和电子文档资料, 纸质资料有分析计算说明书和工作日志,电子文档资料有答辩 PPT、 分析计算说明书电子档、分析模型的.agdb、.dsdb、.wbdb、.dxdb 等 文件。电子文档放在建好的“班号+学号+姓名”的文件夹中,并 上交给相关老师存档。
1.6 时间安排 时间
周一下午
周二

周三


周四
周五
工作安排
师生见面,布置课程设计工作* 学习 CAE 软件的进阶功能(DM 模块,DS 模块) 学习 CAE 软件的进阶功能 (DX 模块) 文献检索和阅读;明确汽车简化零部件的结构和边界条件 的简化方案,了解对实际结构进行有限元分析的边界条件 讨论确定汽车典型零部件简化模型的有限元分析方案
定载荷为轴承载荷,分布在小头夹角为 90º 的内壁上;约束施加在连杆大头夹 角为 90º 的内壁上;
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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。
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
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1. 前言 随着我国汽车工业的迅速发展,以 CAD/CAM/CAE 为主的计算机
应用技术,开辟了产品设计的新面貌。目前,作为 CAE 中应用最广泛 的有限元分析已成为设计链中的必要环节,没有有限元分析的设计不能 进入下一个技术流程。新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和 刚度问题,可通过有限元分析在设计阶段解决,大幅度提高了设计质量, 缩短了产品开发周期,节省大量开发费用。
模型的分析方案进行总结; k. 课程设计总结和心得体会。 5. 分析计算说明书的格式要求: a. 分析报告采用 A4 打印,正文用 5 号字体; b. 课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式;
4. 分析计算说明书内容的基本要求: a. 对分析任务的描述:列出分析所需数据; b. 利用多窗口显示功能绘制转向节臂的实体模型,四面体、六面体、扫掠以及
自由网格模型图; c. 绘制转向节臂边界条件图; d. 利用多窗口显示的功能绘出变形图以及应力云图; e. 列表比较应用不同单元网格形状的有限元模型的节点和单元数、总的约束反
周五
设计总结与答辩
* 上机地点:汽车数字应用中心; * 开始时间:上午:8:10,下午:2:10
附录 1 汽车典型零部件简化模型有限元分析要求
及分析计算说明书要求
任务 1:连杆简化模型的有限元分析
1. 分析任务: a. 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。 b. 采用三维结构对图示连杆进行强度分析,与二维结构分析结果进行比较; c. 对结构进行参数化研究与目标驱动的优化设计。
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d. 左侧的圆柱凸台传递的力矩有两种: z 矢量方向为 Z,大小为 24Nm; z 矢量方向为Y,大小为 14Nm;
3. 完成该分析应掌握的 CAE 技术: a. DM 模块中草绘工具的运用; b. DM 模块创建三维实体模型:拉拔(Extrude)、冻结等操作; c. 参数化建模; d. 导入 DS 模块,设置材料参数; e. 网格剖分的功能,四面体、六面体、扫掠等不同的方案; f. 单元的尺寸控制:运用整体尺寸与局部细化控制网格质量; g. 创建局部坐标系,施加载荷。 h. 约束的施加方法及区别(无摩擦约束,圆柱面约束,固定约束);; i. 多载荷步分析功能,载荷工况组合; j. 局部位置的应力以及位移云图; k. 收敛的功能; l. 结果后处理:结果的多种方法显示,注释任意位置的应力及位移; m. n. DX 中的参数化研究及目标驱动的优化; o. 查看有限元模型中的所有明细资料 (FE Model); p. 结果出图,多窗口对比分析;
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。
3. 完成该分析应掌握的 CAE 技术: a. DM 模块中草绘工具的运用; b. 利用草图轮廓建立平面; c. 创建冻结体,区分二维连杆的不同厚度和材料的各个平面; d. 使用印记面功能,按边界条件分割线或面; e. 导入 DS 模块,设置模型参数(材料、厚度等); f. 通过不同接触类型,定义各几何体的模型关系; g. 比较各种接触类型,求解分析并找到合理接触方案; h. 收敛的功能; i. 运用整体尺寸与局部细化控制网格质量; j. 轴承载荷的施加; k. 法向约束的施加; l. 查看应力、变形、接触结果及安全系数; m. 优化模型,并在 DS 模块中适时更新,对比各种方案; n. DX 中的参数化研究及目标驱动的优化; o. 查看有限元模型中的所有明细资料 (FE Model); p. 结果出图,多窗口对比分析;
图一 连杆简化模型的几何形状
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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。对结构进行参数化研究,并完 成目标驱动的优化设计。
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1.3 课程设计的要求 ¾ 参照时间安排与要求学习 CAE 软件相关功能; ¾ 明确汽车简化零部件的结构形状与边界条件的简化方案;合理确定
汽车典型零部件简化模型的面向有限元分析的实体建模方案、有限 元分析方案;合理制定结构参数化研究与优化方案。 ¾ 完成分析计算说明书,不同零部件的分析具体要求见附录 1。
4. 分析计算说明书内容的基本要求: 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图,安全系数分布
图; e. 收敛分析的结果; f. 结果后处理:结果的多种方法显示,注释任意位置的应力及位移; g. 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
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1.5 进度安排
序号
工作内容
1
课题介绍、技术要求、人员安排
2
按任务计划学习 CAE 软件的进阶功能
3
文献检索和阅读
4
确定汽车典型零部件简化模型的有限元分析方案
5
建立三维模型
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建立有限元模型
7
有限元分析
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结果分析、方案优化与对比分析
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整理编写分析计算说明书
10 设计总结与答辩
所需时间
0.5 天 2.0 天 1.0 天 1.0 天 1.5 天 2.0 天 2.0 天 2.0 天 2.0 天 1.0 天
学生《汽车设计课程设计》的成绩主要从工作态度、设 计工作量、质疑答辩等几部分组成。具体从出勤情况、设计 论证、软件操作能力与设计能力、设计工作量与工程图图面 质量、设计说明书质量、回答问题情况等方面评定。最终成 绩按五级制记分,分为优秀、良好、中等、及格和不及格五 个 等 级 。( 设 计 报 告 按 电 子 档 附 件 要 求 进 行 书 写 )
1.1 课程设计的目的
课程设计是使学生全面、系统掌握和深化汽车设计课程的基本步骤 和方法的重要环节。通过在汽车设计课程设计中引入有限元分析在汽车 设计中的应用这个专题,使学生能够进一步掌握 CAE 软件分析技术, 初步掌握 CAE 分析在汽车零部件结构设计中高效率和高精度的应用效 果,为毕业设计及在今后的工作中解决实际问题打下良好的基础。
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计算结果; h. 参数化研究及目标驱动的优化结果; i. 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、结果设
置,参数化研究与优化等各个步骤中出现的)及解决的办法; j. 通过文献检索和阅读,针对连杆实际结构边界条件的合理设置和有限元模型
的分析方案进行总结; k. 课程设计总结和心得体会。 5. 分析计算说明书的格式要求: a. 分析报告采用 A4 打印,正文用 5 号字体; b. 课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式;
周一
建立结构面向有限元分析的三维模型

ຫໍສະໝຸດ Baidu
周二
讨论结构的三维模型,建立结构的有限元模型

周三
继续建立结构的有限元模型

周四
结构的有限元分析与模型修正
周五
继续结构的有限元分析与模型修正
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周一
结果分析、方案优化与对比分析

周二
继续结果分析、方案优化与对比分析

周三
整理编写分析计算说明书

周四
继续整理编写分析计算说明书
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