基于MxSim的車輛結(jié)構(gòu)有限元分析 課件 第四章 車輛結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

第四章：車輛結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析《基于MxSim的車輛結(jié)構(gòu)有限元分析

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結(jié)構(gòu)靜力分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)，主要目標(biāo)是在固定載荷的作用下計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變、力，同時考慮定常加速度引起的平衡慣性載荷。該分析方法不考慮慣性和阻尼的影響，假設(shè)載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變化非常緩慢。在結(jié)構(gòu)靜力分析中，假設(shè)結(jié)構(gòu)中的工作應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律，呈線性關(guān)系；同時，假設(shè)結(jié)構(gòu)的變形（位移）相對于結(jié)構(gòu)的整體尺寸來說很小，因此可以采用線性方程進(jìn)行計算。從應(yīng)用的角度來看，結(jié)構(gòu)的靜力分析通常是評估許多結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的有效方法。

在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計中，靜力分析被廣泛應(yīng)用，如對車架和車橋的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析，對軸類零件和傳動零件進(jìn)行強(qiáng)度校核等。效果預(yù)覽圖1效果預(yù)覽圖24.1?靜力分析概述定義：靜力學(xué)（Statics）是研究物體平衡或力系平衡規(guī)律的力學(xué)分支。平衡指的是物體相對于慣性參考系（通常為地球）處于靜止或勻速直線運動的狀態(tài)，即加速度為零的狀態(tài)。靜力學(xué)一詞由法國數(shù)學(xué)家、力學(xué)家皮埃爾·伐里農(nóng)于1725年引入。（1）研究如何將復(fù)雜的力系簡化為簡單的力系，以便于分析。（2）等效力系與合力的概念，即如果兩個力系分別作用于剛體時產(chǎn)生的外效應(yīng)相同，則稱這兩個力系是等效力系。力系的簡化與等效（1）平衡：物體相對于慣性參考系保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)。（2）

剛體：在任何情況下都不發(fā)生變形的物體。（3）

力的外效應(yīng)與內(nèi)效應(yīng)：外效應(yīng)指力使物體整體運動狀態(tài)發(fā)生變化；內(nèi)效應(yīng)指力使物體內(nèi)部形狀發(fā)生變化。靜力學(xué)主要研究外效應(yīng)。（4）靜力學(xué)公理：包括二力平衡公理、加減平衡力系公理、力的平行四邊形法則、作用與反作用定律、剛化公理等。

內(nèi)容（1/2）基本概念和公理4.1?靜力分析概述（1）分析物體在力系作用下的受力情況，包括主動力和約束力。（2）繪制受力圖，明確標(biāo)示出所有作用在物體上的力。物體受力分析3（1）建立平衡條件，如二力平衡條件、三力平衡匯交定理等。

（2）用數(shù)學(xué)方程表示平衡條件，構(gòu)成平衡方程，用于求解未知力。平衡條件與平衡方程44.1?靜力分析概述應(yīng)用：靜力學(xué)在工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于：汽車工程用于汽車的設(shè)計、性能研究、懸掛系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的設(shè)計，提高汽車的穩(wěn)定性和安全性。航空航天工程在飛行器的設(shè)計和性能分析中，應(yīng)用靜力學(xué)原理確定合適的構(gòu)造和材料，確保飛行器的穩(wěn)定性和安全性。土木工程在土木結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工中，通過受力分析，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。機(jī)械工程設(shè)計機(jī)械組件和機(jī)械系統(tǒng)時，分析力的平衡條件，確定各部件之間的受力關(guān)系，設(shè)計出穩(wěn)定和可靠的機(jī)械系統(tǒng)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計通過靜力學(xué)分析，計算建筑物的受力分布和結(jié)構(gòu)的承載能力，確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。靜力學(xué)主要用于分析固定載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不考慮系統(tǒng)的慣性及阻尼，其中線性靜力學(xué)是靜力學(xué)中最基礎(chǔ)的一類問題。在線性靜力分析中必須滿足以下三個假設(shè)條件。4.1?靜力分析概述1、小變形在線性靜力分析中，系統(tǒng)發(fā)生的變形相對于系統(tǒng)整體尺寸非常小，變形并不

顯著影響整個系統(tǒng)的剛度。3、固定裁荷線性靜力學(xué)問題中假設(shè)載荷和約束并不隨時間發(fā)生變化，載荷的加載過程是一個非常均勻緩慢的過程。2、線性材料線性靜力學(xué)問題考慮的是材料在彈性變形階段的行為，即滿足應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。只有滿足上述三個基本假設(shè)才屬于常見的線性靜力學(xué)問題，線性靜力學(xué)比較關(guān)注系統(tǒng)的支反力、變形和應(yīng)力大小。4.2?實例分析－工字梁結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析4.2.1?實例描述

工字型鋼梁作為土木建筑中最為常見的一種鋼梁結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用在房屋建筑、鋼鐵管道鋪設(shè)等民用設(shè)施行業(yè)中。對于工字梁鋼架結(jié)構(gòu)，通常都需要對鋼梁的應(yīng)力及撓度進(jìn)行分析。

本案例通過MxSim有限元軟件對此材料力學(xué)的問題進(jìn)行了分析，相比利用材料力學(xué)知識的理論計算，不僅結(jié)果計算準(zhǔn)確簡潔還能將結(jié)果可視化呈現(xiàn)，這也是本文采用MxSim仿真分析的一大優(yōu)勢。本實訓(xùn)的目的是使學(xué)生學(xué)會掌握MxSim在三維實體建模方面的一些技術(shù)，并深刻體會MxSim軟件在網(wǎng)格劃分方面的強(qiáng)大功能。4.2?實例分析－工字梁結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析4.2.2?分析步驟創(chuàng)建完成的工字梁輪廓幾何線創(chuàng)建完成的工字梁橫截面創(chuàng)建完成的工字梁幾何實體1.創(chuàng)建幾何模型

2.網(wǎng)格網(wǎng)格剖分

3.材料定義

4.截面屬性的創(chuàng)建與賦予

5.單元類型的定義與關(guān)聯(lián)

6.創(chuàng)建分析工況

7.施加載荷

8.施加邊界條件

9.創(chuàng)建輸出

10.提交計算任務(wù)

11.后處理4.3?實例分析－某汽車前橋轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析4.3.1?實例描述轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車底盤部分重要的受力零部件，承擔(dān)著轉(zhuǎn)向和承載的雙重任務(wù)，是汽車中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件，它的機(jī)械性能和可靠性直接關(guān)系到汽車的安全性能。在汽車行駛過程中，它不僅承受前軸負(fù)載，在車輛轉(zhuǎn)向、制動時還要承受條件惡劣的載荷作用，因此其在強(qiáng)度、抗沖擊性方面都有很高要求。為保證行車安全，對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度分析十分重要，一般要進(jìn)行側(cè)滑工況、不平路面工況、緊急制動工況等計算。

本實例對汽車的典型轉(zhuǎn)向節(jié)零件建立仿真模型，模擬緊急制動的特定工況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析轉(zhuǎn)向節(jié)與節(jié)臂的連接轉(zhuǎn)向節(jié)安裝位置4.3?實例分析－某汽車前橋轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析4.3.2?操作步驟1.導(dǎo)入幾何模型2.網(wǎng)格剖分1）幾何清理詳細(xì)設(shè)置2）網(wǎng)格剖分詳細(xì)設(shè)置3.材料定義4.截面屬性的創(chuàng)建與賦予5.單元類型的定義與關(guān)聯(lián)6.創(chuàng)建分析工況7.施加載荷1）創(chuàng)建加載的柔性連接點2）施加集中力8.施加邊界條件1）創(chuàng)建邊界條件施加的剛性連接2）創(chuàng)建邊界條件9.創(chuàng)建計算任務(wù)10.后處理汽車前橋轉(zhuǎn)向節(jié)模型創(chuàng)建制動工況位移與應(yīng)力云圖4.4?實例分析－某汽車白車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分析（1）彎曲剛度是指在車身受到外部力作用時，車身產(chǎn)生彎曲變形的能力。彎曲剛度的高低直接影響到車身的剛性和穩(wěn)定性，高彎曲剛度可以提高車身的穩(wěn)定性和操控性能，減少車身的變形和振動，提高乘坐舒適性和行駛穩(wěn)定性。（2）

扭轉(zhuǎn)剛度是指在車身受到扭轉(zhuǎn)力作用時，車身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的能力。扭轉(zhuǎn)剛度的高低直接影響到車身的扭轉(zhuǎn)剛性和操控性能，高扭轉(zhuǎn)剛度可以提高車身的操控性和穩(wěn)定性，減少車身的扭轉(zhuǎn)變形和振動，提高行駛的穩(wěn)定性和安全性。在汽車設(shè)計制造過程中，車身剛度是其中最重要的一個設(shè)計指標(biāo)之一，車身剛度直接影響到車輛的安全性、舒適性和性能。車身剛度主要分為整體剛度和局部剛度，而車身彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計是車身