車后蓋的有限元分析說明書

北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 （4-1）式中M——質(zhì)量矩陣；K——剛度矩陣；X——位移向量；——作用力向量當(dāng)時，忽略阻尼影響，方程變?yōu)? （4-2）自由振動時，結(jié)構(gòu)上各點作簡諧振動，各節(jié)點位移 （4-3）由式(4-2)和(4-3)得 （4-4）求出特征值和特征值，又因為，求得系統(tǒng)各階固有頻率即模態(tài)頻率，固有振型即模態(tài)振型。3.2.3邊界條件以及載荷輸入邊界條件意為約束條件，我們需要在網(wǎng)格中確定幾個node作為限制點，限制其1個或者多個自由度從而達(dá)到限制整個零件的作用。載荷亦為同理，需要選中部分node施加作用力，作用力通過節(jié)點到達(dá)整個零件達(dá)到影響效果。本文中的模態(tài)分析為自由模態(tài)分析，是一種不加任何約束以及載荷的自由狀態(tài)，故邊界條件以及載荷的創(chuàng)建與輸入在此不加以說明，會在后續(xù)靜力學(xué)分析中詳細(xì)解釋添加步驟。雖然沒有載荷及約束，我們也需要一個載荷集來輸入工步中，所以我們點擊laodcollectors創(chuàng)建一個frequency（頻率）的載荷集，隨便挑選一個顏色之后將cardimage設(shè)置為EIGRL，詳細(xì)見圖3-20。圖3-20圖3-20然后點擊creat/edit，在彈出界面設(shè)置頻率分析各個選項。V1和V2為固有頻率的顯示范圍，這里選擇1~200，ND為固有頻率的階數(shù)，這里選擇前10階固有頻率，詳細(xì)見圖3-21所示。圖3-21圖3-21完成該步驟之后，我們需要建立一個工況loadstep，計算機分析時會按照這個工況步驟來計算所需結(jié)果。進(jìn)入analysis–loadstep命令界面，輸入一個name之后，選中tpye，在擴展欄中找到normalmodes（模態(tài)分析），勾選methodstruct再在后續(xù)擴展欄中選中之前創(chuàng)造的frequency，點擊creat就完成了創(chuàng)建工步的步驟，詳細(xì)見圖3-22所示。圖3-22圖3-223.2.4計算進(jìn)入analysis–optistruct命令界面，在inputfile（輸入文件）中選擇你要保存計算結(jié)果的文件位置，謹(jǐn)記不能有中文路徑。Exportoption（輸出選項）選擇all，runoption（運行選項）輸入analysis（分析），memoryoption（記憶選項）選擇memorydefault（默認(rèn)），隨后點擊optistruct即可開始分析流程。3.2.5分析結(jié)果若之前的步驟完全沒有錯誤。則計算完成時則會提示analysiscompleted（計算完成），若遇到錯誤，則會提示theprocessingmeeterror（過程遇到錯誤），若遇到錯誤，可以去之前設(shè)置保存文件的位置到后綴為out的文件，用記事本打開之后可以看到錯誤報告。完成計算之后，關(guān)掉計算頁面并并進(jìn)入post–deformed命令界面，界面如圖3-23所示。圖3-23圖3-23Simulation（模擬）中可以選擇頻率階數(shù)，該零件從第七階開始分析故選擇七階。Datetype（數(shù)據(jù)類型）選擇eigenvector（特征向量），modeluntis（模型單元）選擇10，點擊contour再點擊liner，則會顯示計算結(jié)果。本文中計算了10階振動頻率，前六階為剛體模態(tài)，故這里選用后四階頻率。后四階振動最大頻率用圖表3-24顯示。模態(tài)階數(shù)振動類型固有頻率7階彎曲振動29.3赫茲8階扭轉(zhuǎn)振動33.3赫茲9階扭轉(zhuǎn)振動43.9赫茲10階彎曲振動赫茲圖表3-24圖表3-243.2.6云圖展示7階振動頻率為29.3赫茲時，車門振動主要是彎曲振動，意為達(dá)到7階頻率時，車門產(chǎn)生了彎曲變形，稱為七階變形，如圖3-25，圖3-26所示。圖3-26圖3-25圖3-26圖3-25左圖為變形云圖，紅色為變形部位，灰色為原零件。從圖可以看出雖然整個車框都有產(chǎn)生變形，但是車門中央部位變形最為嚴(yán)重，非常契合右圖應(yīng)變云圖中的結(jié)果。8階振動頻率為33.3赫茲，車門主要為扭轉(zhuǎn)變形。附應(yīng)力變型圖。如圖3-27、圖3-28所示。圖3-27圖3-28圖3-27圖3-289階振動頻率為43.9赫茲，車門主要為扭轉(zhuǎn)變形，附應(yīng)力、變形云圖，如圖3-28、圖3-29所示。圖3-29圖3-2810階振動頻率為56.9赫茲，車門主要為彎曲變形，附應(yīng)力、變形云圖，如圖3-30、圖3-31所示。圖3-29圖3-28圖3-31圖3-30圖3-31圖3-303.3車門下垂剛度有限元分析3.3.1剛度的介紹所謂剛度就是機構(gòu)或者材料在受力時抵抗變形的能力，是一種衡量材料受力變形的難易度的一個物理量，也是材料在靜力學(xué)分析中最重要的一個物理量。在靜載荷下抵抗變形的能力為靜剛度，反之在動載荷下抵抗變形的能力為動剛度。3.3.2剛度分析的介紹剛度分析在汽車件中非常常見，比如保險杠的剛度分析，當(dāng)我們約束住零件連接處或者接觸處的自由度并且給予零件一個外力之后，輸入計算步驟邊可以客觀的顯示出被分析件在承受力時產(chǎn)生的變形和最大應(yīng)力，可以成為優(yōu)化設(shè)計可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。3.3.3邊界條件與載荷的創(chuàng)建與輸入邊界條件意為約束條件，我們需要在網(wǎng)格中確定幾個node作為限制點，限制其1個或者多個自由度從而達(dá)到限制整個零件的作用。載荷亦為同理，需要選中部分node施加作用力，作用力通過節(jié)點到達(dá)整個零件達(dá)到影響效果。我們點擊loadcollector按鍵，進(jìn)入界面之后，在name處輸入spc（約束），cardimage選擇nocardimage，點擊創(chuàng)建。之后我們把spc層設(shè)為當(dāng)前層。完成之后我們點擊analysis–constraints，進(jìn)入操作界面，操作界面如下圖3-32所示。圖3-32圖3-32圖3-33利用shift加鼠標(biāo)左鍵框選我們需要約束的點之后，我們可以在操作界面的右邊進(jìn)行約束操作。dof1、dof2、dof3、dof4、dof5、do6分別對應(yīng)了x軸移動自由度、y軸移動自由度、z軸移動自由度、x軸旋轉(zhuǎn)自由度、y軸旋轉(zhuǎn)自由度、z軸旋轉(zhuǎn)自由度，勾選表示限制該自由度。Size欄表示顯示該約束的比例大小，左下方的復(fù)選欄表示持續(xù)不斷的量。如果間歇約束的施加可以更改選項。而本文所分析零件車門是通過鉸鏈與車鎖進(jìn)行鏈接的，故我們先用剛性單元模擬出鉸鏈鏈接。在快捷鍵f4中點擊threenode欄，再選中鉸鏈孔一周的三個網(wǎng)格點擊circlecenter（圓中心）之后可以在圓心處添加臨時node，再通過tool–translate功能，將圓心node平移出網(wǎng)格，再在1d–rigids中將圓中心node與鉸鏈圓外圍的一圈node做剛性單元鏈接，再在中心node上限制其六個自由度如下圖3-33所示。圖3-33本文中鉸鏈z方向的轉(zhuǎn)動自由度放開，而車鎖亦是全約束。自此邊界條件創(chuàng)建完成。由于我們是研究車門下垂剛度分析，故我們不能簡簡單單得在analysis–force中隨意的在所有node上施加一個垂直向下的力。我們需要創(chuàng)建一個重力場來模擬重力下垂。首先我們選擇loadcollectoer按鍵，進(jìn)入界面之后在name欄輸入gravity（重力），隨意選擇一個顏色之后在后方cardimage中選擇GRAV（重力英文縮寫）點擊creat/edit，此時彈出的操作界面如下圖3-34所示。圖3-34圖3-34其中g(shù)選擇9800，因為HM中加速度G對應(yīng)的的單位是T（噸）不是KG,故在數(shù)值上要大1000倍，n1代表x方向，n2代表y方向，n3代表z方向，這里我們輸入0,0,-1代表在z的負(fù)方向上添加一個1g的重力加速度，但是若我們要模擬車身顛簸情況下車門下垂模擬時，我們應(yīng)該添加大于1倍的重力，這時候只要把n3由-1改成-2（兩倍重力）就能達(dá)到預(yù)設(shè)效果。完成重力場和約束的加載之后，我們需要設(shè)置工步（loadstep）來讓系統(tǒng)進(jìn)行計算，進(jìn)入analysis–loadstep命令界面，在name輸入名稱之后，在后方的分析類型中選擇linearstatic（線性分析），在spc擴選欄中選中我們的約束集，在load擴選欄中選中我們的重力場集，點擊creat完成創(chuàng)建，創(chuàng)建如圖3-35所示。圖3-35圖3-353.3.4模擬計算完成創(chuàng)建之后，進(jìn)入analysis–optistruct命令界面，在inputfile（輸入文件）中選擇你要保存計算結(jié)果的文件位置，謹(jǐn)記不能有中文路徑。Exportoption（輸出選項）選擇all，runoption（運行選項）輸入analysis（分析），memoryoption（記憶選項）選擇memorydefault（默認(rèn)），隨后點擊optistruct即可開始分析流程。3.3.5分析結(jié)果若之前的步驟完全沒有錯誤。則計算完成時則會提示analysiscompleted（計算完成），若遇到錯誤，則會提示theprocessingmeeterror（過程遇到錯誤），若遇到錯誤，可以去之前設(shè)置保存文件的位置找到后綴為out的文件，用記事本打開之后可以看到錯誤報告。完成計算之后，關(guān)掉計算頁面并并進(jìn)入post–contuor命令界面，界面如圖3-36所示。圖3-36圖3-36在datetype中選中displacement（位移）作為顯示量點擊contuor，可以看到在預(yù)定約束以及重力場的作用下，零件的最大位移量。最大位移云圖如下圖3-37所示。圖3-37圖3-37車門外板這等大覆蓋件應(yīng)該具有相應(yīng)的剛度，例如抗凹，抗碰撞等等。其中車門的下垂剛度是車門設(shè)計中較為重要的一個指標(biāo)，尤其是車門前鉸鏈對于變化應(yīng)力較為敏感是車門剛度不足導(dǎo)致下垂的主要原因。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以看到最大位移為0.485mm，而且危險點在門頂附近，這些數(shù)據(jù)可以幫助設(shè)計人員在設(shè)計車門密閉性的時候，充分考慮惡劣路況的情況。更好的完善汽車車門優(yōu)化。在datetype中選中stress可以看到零件在在預(yù)定約束以及重力場的作用下最大應(yīng)力以及危險點。應(yīng)力云圖如下圖3-38所示。圖3-38圖3-38整個車身在hypermesh中可以在tool工具面板中查看質(zhì)量，該車身外殼的質(zhì)量約為17公斤，在經(jīng)過顛簸路面時采用了2.5倍重力。接觸面積利用零件本身厚度以及鉸鏈孔的直徑估算后得出約為1.38平方厘米。預(yù)算出應(yīng)力為3.07mpa。1mpa約等于10公斤每平方厘米，根據(jù)圖中鉸鏈處可以判定受力值為2.93mpa至5.85mpa，符合我們預(yù)算值。應(yīng)力較大點在于車門鎖上方靠近車窗的位置，最大應(yīng)力為26.3兆帕。這時候就需要設(shè)計師們根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化車門危險點結(jié)構(gòu)，盡可能的提高其剛度。第4章結(jié)論汽車車門的有限元分析主要通過HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格建立與后處理，在后處理觀察計算結(jié)果中，還需要HyperView軟件。本課題主要針對汽車車門的模態(tài)分析和重力下垂剛度分析進(jìn)行研究。在模態(tài)分析中，在給定的條件下，得出汽車車門在各階共振頻率下產(chǎn)生的應(yīng)力情況和變形情況。根據(jù)分析結(jié)果，再考慮其他外在因素，例如汽車行駛過程中顛簸造成的振動以及多倍重力加速度等等，合理的避開這些頻率，若汽車車門整體發(fā)生共振，不僅損壞汽車車門，而且對于汽車整體的封閉性也會造成一定的影響。在重力下垂剛度分析中，通過對汽車車門施加約束和力，得出汽車車門在給定條件下產(chǎn)生的應(yīng)力、位移和變形情況。通過在HyperView中觀察計算的結(jié)果，可以得出應(yīng)力較為集中的位置和某點的應(yīng)力值，位移最大的位置和最大位移量，變形情況和變形最大量，把這些結(jié)果數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，看汽車車門的重力下垂剛度是否滿足要求。通過對汽車車門進(jìn)行有限元方法分析，分析結(jié)果對實際設(shè)計環(huán)節(jié)提供了大量數(shù)據(jù)支持，增加了對汽車車門設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性，同時，也節(jié)約了大量的設(shè)計成本和設(shè)計時間。致謝本論文是我在魏志輝老師的認(rèn)真指導(dǎo)與幫助下完成的。在整個任務(wù)期間雖然困難重重，但依舊保質(zhì)保量的完成了任務(wù)。畢設(shè)期間魏志輝老師提供給了我極大的幫助，幫我指明了分析過程中的錯誤以及軟件使用的方法。更是讓我篤定今后的職業(yè)方向，在這點上我還是要非常感謝魏志輝老師。有限元分析是一個較為前沿并且難度略高的一種技術(shù)，學(xué)習(xí)這項技術(shù)以及有限元軟件hypermesh更是大大提高了我自學(xué)的能力以及面對困難時的耐心，亦非常慶幸老師能夠及時的為我提供咨詢以及幫助，我對魏老師表示由衷的感謝。參考文獻(xiàn)[1]陳國華．基于有限元的汽車車門靜態(tài)強度剛度計算與分析．機械制造與研究．1671-5276(2006)06-0021-04[2]汪偉，辛勇。車門有限元建模及模態(tài)分析.機械設(shè)計制造，2009，（11）[3]董學(xué)勤，辛勇，楊凡.基于Hyperworks的汽車車門有限元建模及剛度分析.機械科學(xué)與技術(shù)，2008,27（7）[4]武和全，辛勇，董學(xué)勤.某越野車車架有限元建