清扫车车架有限元分析.doc

1、 外 文 翻 译专 业 机械设计制造及其自动化学 生 姓 名 严国林 班 级 B 机制 074 学 号 0710101414 指 导 教 师 刘绍娜 外文资料名称：Dynamic Stress Analysis of Vehicle Frame Using a Nonlinear Finite Element Method 外文资料出处 ：KSME International Journal, Vol.17No.10,pp.1450-145Z 2003 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语：签名： 年 月 日采用非线性有限元方法的车架动态受力分析Gyu Ha Kim*,

2、Kyu Zong Cho孙宝童译摘要：对于一种完整的车辆工程和发展项目来说，结构完整性是对客车或者轻型卡车的基本要求。车辆产品性能的结果是以耐久性、NVH、防撞性以及乘员安全来衡量。车辆的性能水平直接影响到车辆的市场化、利润，最重要的是未来的汽车制造商。在本研究中，我们使用虚拟实验场方法（VPG）来获取动态压力或拉力的分布情况，VPG 使用非线性的、动态的、有限单元法，这些方法大大扩展了传统线性、静态假设的使用范围。VPG 的方法也是利用现实的轮胎/路面相互作用的边界条件。为了证实预测的动应力和疲劳临界区，进行了单一碰撞实验、道路模拟加载以及现场试验。对预测结果与实验结果进行比较,综合寿命预测

3、方法论的可行性得到了验证。关键词:行驶与操纵；VPG 方法；动态应力分析；非线性有限单元法1 前言在车辆开发过程中，耐久性测试,以及耐撞性测试,需要投入大量的时间和费用。最近 CPU 和应用软件的迅速发展, 现在使用计算机辅助工具进行耐久性设计是可能的,即使车辆原型是成熟的。这降低了耐久性实验和工程实际车辆生产的规定时间。已有的动力-应力分析计算了车辆疲劳主要动应力历程和疲劳表现之后动态分析及受力分析与相关的软件应用,如 DADS 跟 NASTRAN 程序,然后整合动态加载历程和应力系数。当各部分的灵活性考虑到的话，这种方法是一个复杂的过程。但是,我们还是不能准确的考虑轮胎材料以及非线性的组件

4、表面之间的相互作用。这种方法也要求分析师在各种软件应用在各个方面对其进行分析。这需要大量的人力和时间。图 1、 使用 VPG 对疲劳强度评价分析的程序图为了补充现有的方法进行动态应力分析,本研究针对:(1)发展 VPG 方法,可能仅用一个模型就能够生产所有必要的结果,其中包括一项计划,一个过程；(2)大大降低时间和人力的需要构建模式设计分析动力学、准静态应力及疲劳；(3)准确分析疲劳度,改善了动态应力的准确性。图 1 显示的是使用 VPG 对疲劳强度评价分析的程序图。2 现有的动态应力分析方法2.1 车辆动态分析多体动力学分析程序,可用于动态运动分析，也是利用动态分析一辆汽车结构。在此研究中,

5、研究了多用途的汽车上有一个框架。分析模型的构建使用了DADS,商业 CAE 工具。它认为所有部件都是严格的刚体。然而,框架的灵活性,被认为是必要的(DADS;Shin 和 Yoo,2000 年)。当部分被认为是僵硬的,检查主要振动频率的零件在一个高得多的地区的路负载是一个重要的研究,。然而明确的定量标准,尚未有寻获。用于该研究中的前悬挂的车辆应是一个独立悬架双横臂的类型。该悬架是一种轴有四个链接。该模型的仿真在进行的轮子的凹凸测试中经过双方的速度同时为 40 公里/小时。目的是为了计算每节悬挂部件的负载对车辆反应力及力矩平衡的影响。假定撞的是一个直与宽 160 毫米,高 85 毫米。车辆被以这

6、样一种方式渡过凹凸到达一个静力平衡(eta / VPG;Papadrakakis,1981 年)。图 2给出的是车架碰撞运行测试图形动画。图 2、 车架碰撞运行测试图形动画2.2 准静态应力分析由动应力分析的历史来看,其中最流行的一种准静态应力分析方法,可以介绍基于有限元应力分析利用在关节运动各组成部件等部位力及力矩平衡的反应受到限制。考虑弹性物体的灵活性，用 DADS 对多体动力学系统分析其运动方程为（1）对于柔软车体的弹性变形,如果我们忽略了速度和加速度就可以从公式（1）得到公式(2)。（2） 如果我们考虑的是有限元模型的自由度，公式(2)变成（3）如果我们表达一种一般加载历程为铁(t)的

7、应力-时间历程,在车体某一特定点可以介绍一种形式具有 n 加载历程的线性函数,如方程(4)所示。（4）当 为单位力向量加载历程时，方程可如公式（5）所示（5）在静态应力分析中,如果一个应力场是在恒定的某一特定时间,我们可以说,线性算子 f 是独立于时间的。由叠加原理和静态假设,可以得到方程(6)。（6）这个公式在计算某一特定时间应力-时间历程时非常有用。在本研究中,我们建立了有限元模型的框架(图 3)和应用静态应力分析和叠加原理模型以取得动态应力的历程。当分析模型以 40 公里/小时辗过一个凹凸跑时，在不同的分析结果中,图 4 和 5 代表# 1 和# 2 点应力-时间历程。图 3、 准静态应

8、力分析模型图 4、 #1 点的动态应力-时间历程图 5、#2 点的动态应力-时间历程3 通过虚拟试验场进行动态应力分析的方法直到这一点,正如图 6 显示, 使用相同的分析软件，现有静态应力分析方法不可进行动态及受力分析。这是因为在数据界面软件的处理过程中它花了大量的时间和金钱(张与唐,1996)。图 6、现行的方法与假设然而,通过动态应力分析方法。通过在虚拟试验场,我们可以揭示路面与汽车轮胎之间的接触以及相互作用问题, 非线性材料组件的边界条件、削减成本等问题(Han 等,2000 年)。图 7 阐述了虚拟试验场的方法基本概念。此外,图 8显示的是能适应仿真分析的三种公路形状。图 7、VPG

9、概念（a）波纹型 （b）圆石型 （c）深穴型图 8、典型路面成功的轮胎模型必须能够提供车辆控制、稳定性、调动各力和扭矩从路/轮胎交互作用到一辆汽车底盘/暂停系统的重量。在此模型中，轮胎内部的刚度和阻尼特性对加载条件下动态效应方面的影响也必须考虑在内。在这项研究中, 为了建模最现实的轮胎以及对轮胎模式进行 LS-DYNA 瞬态和准静态动力效应的分析,我们使用了一个薄壳和固体元素模拟了几种轮胎测试。车辆的模型设计是应用采用了 DADS 的相同的动力学分析方法。现在,图 9 所示的是车辆悬挂部分和轮胎模型的前部和后部。（a）前悬架部分 （b）后悬架部分图 9、悬架和轮胎模型仿真对该模型进行了由同一静态应力分析方法的研究。分析模型的图象如图 10 所示。为了降低假想分析所消耗的时间,除了车架和轮胎外所有的部件及路面都是刚体。图 11 显示运动车辗过了一个凹凸跑及使用 VPG 方法对其进行计算的图形动画。图 12 和 13 显示了动应力的变化情况。在过去,用静态应力分析方法,基于研究人员的经验和他们自己的判断来选取弱点。然而,今天,应用 VPG模拟方法,我们可以使用应力分布的图形动画不断地观察每个步骤应力分布情况,洞悉薄弱环节。图 10、VPG 分析模型 图 11、碰撞运行测试图形动画