毕业论文（设计）-基于ANSYS的车身结构强度及刚度分析Word文件下载.docx
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最后根据静、动态的分析结果，对车身结构提出改进意见。
关键词：
车身；
有限元法；
静力分析；
动态分析
I
ABSTRACT
ThestructureanalysisofcarbodybasedontheFEMisthefundamentalapproachintheprocessofcarbodydesign-oriented.Also,thewholeprocessofcarbodydesignbecomesparallelindesignandanalysis.
Asaveryimportantpartofthevehicle,thebodyhasimportantinfluencesonthevehicle'
ssafety,powerperformance,economy,comfortandcontrol.Inthedesignofthebody,theapplicationofFEMforanalysisofstatic,dynamiccharacteristicsofthecarbodyskeleton,andtheevaluationofitsstructurestrengthandstiffness,havevitalsignificancesonthefurtherunderstandingofthestructureofthebodystressanddeformation,fullyunderstandingthebodystructureanalysismethod,andthenthewholebodystructuredesignoptimization,improvingvehicleperformance,shortingtheproductdevelopmentcycle,andreducingthecostofdevelopment.
ThispaperisapplyingtheFEMtosimplifythe2046bodyframestructureappropriately.ThenthefiniteelementmodelisestablishedinANSYS.Andinaccordancewiththeactualload,thestaticanalysisofthebodyisfinishedtocheckthestrengthandstiffness.Finally,accordingtotheriskanalysisresults,thisthesishasfoundthebodyframestructureofthefaultsurface.Atthesametime,thedynamicanalysisofthebodyframehasbeenhandledtocalculatethetenordersnaturalfrequenciesforgettingthebodyinherentfrequencyandthecorrespondingvibrationmodel.Finally,accordingtotheresultsofthestaticanddynamicanalysis,thisthesishasputforwardsomesuggestionsforimprovingthebodystructure.
Keywords：
Body；
FEM；
Static；
Dynamic
目 录
第一章绪论 3
1.1汽车车身结构分析的意义 3
1.2课题研究的内容 3
1.3有限元法的基础理论和ANSYS简介 3
1.3.1有限元法的发展 4
1.3.2有限元法的基础理论 4
1.3.3有限元法的应用 4
1.3.4ANSYS简介 5
1.3.5汽车车身结构强度及刚度的分析流程 5
1.4本章小结 5
第二章汽车车身结构的有限元建模 6
2.1建模的准备工作 6
2.1.1单元的选择 6
2.1.2模型的简化处理 6
2.2有限元模型的建立 7
2.2.1几何模型 7
2.2.2材料属性、实常数的指定 7
2.2.3网格划分 7
2.2.4车身载荷的处理 8
2.2.5边界约束的确定 9
2.2.6有限元模型的生成 9
2.3本章小结 9
第三章车身结构的静力学分析 11
3.1车身结构静态强度的分析指标 11
3.2车身结构静态刚度的分析指标 12
3.3强度分析 12
3.3.1载荷及约束的处理 12
3.3.2计算结果与分析 13
3.4刚度分析 15
3.4.1载荷及约束的处理 15
3.4.2计算结果与分析 16
3.5本章小结 17
第四章车身结构的模态分析 18
4.1模态分析的基础理论 18
4.2车身结构的模态分析过程 19
4.3模态分析结果及评价 23
4.4本章小结 24
第五章车身结构的改进意见 25
第六章结论 27
致谢 29
参考文献 30
附录A：
英文资料 31
附录B：
英文资料翻译...............................................................................................
附录C：
其它资料......................................................................................................
附件：
毕业论文光盘资料
第一章 绪 论
1.1汽车车身结构分析的意义
汽车车身是驾驶员的工作场所，也是容纳乘客和货物的场所。
车身应给驾驶员提供良好的操作条件，给乘客提供舒适的乘坐条件，使他们能够抵御汽车行驶时的振动、噪声、废气的侵袭以及外界恶劣气候的影响，并保证完好无损地运载货物且装卸方便。
车身结构和设备还应保证行车安全和减轻事故后果。
车身应保证汽车具有合理的形状，在汽车行驶时能够有效地引导周围的气
流，减小阻力以提高汽车的动力性和燃料经济性，还应保证汽车行驶稳定性和改善发动机的冷却条件，并使室内通风良好。
在新车型的开发设计过程中，如何判断车身结构的合理性及车身结构静、动态性能的优劣，并对车身结构设计进行优化，是一项十分重要的工作。
1.2课题研究的内容
本课题是采用有限元分析法对汽车车身骨架结构作适当简化，在ANSYS中建立其有限元模型；
按照实际载荷进行静力分析，校验其强度；
找出车身骨架结构的危险断面；
对车身骨架进行动态分析，并提取前十阶模态，对车身结构提出改进意见。
毕业设计的具体内容：
1.自学有限单元法的有关内容，自学并熟练掌握ANSYS软件的应用；
2.对2046车身骨架结构作适当简化，在ANSYS中建立其有限元模型，按照实际载荷进行静力分析，校验其强度和扭转刚度；
3.提取车身前十阶自由模态，并定性分析其动态特性，找出车身骨架结构的危险断面，提出改进意见。
1.3有限元法的基础理论和ANSYS简介
有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应
14
用广泛并且实用高效的数值分析方法。
1.3.1有限元法的发展
有限元法是R.Courant于1943年首先提出的。
自从提出有限元概念以来，有限元理论及其应用得到了迅速发展。
过去不能解决或能解决但求解精度不高的问题，都得到了新的解决方案。
在有限元法应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时，有限元法也从分析比较向优化设计方向发展。
印度Mahanty博士用
ANSYS对拖拉机前桥进行优化设计，结果不但降低了约40%的前桥自重，还避免了在制造过程中的大量焊接工艺，降低了生产成本。
有限元法在国内的应用也十分广泛。
自从我国成功开发了国内第一个通用有限元程序系统JIGFEX后，有限元法渗透到工程分析的各个领域中，从大型的三峡工程到微米级器件都采用有限元法进行分析，在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。
目前在进行大型复杂工程结构中的物理场分析时，为了估计并控制误差，常用基于后验误差估计的自适应有限元法。
1.3.2有限元法的基础理论
有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域的满足条件，从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
其基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。
由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域；
然后对单元（小区域）进行力学分析，最后再整体分析。
这种化整为零，集零为整的方法就是有限元的基本思路。
1.3.3有限元法的应用
有限元法最初应用在求解结构的平面问题上，发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题,由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等，由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，其应用的深度和广度都得到了极大的拓展。
其在工程分析的作用已从分析比较拓展到优化设计，并和CAD（计算机辅助设计）结合得越来越紧密了。
1.3.4ANSYS简介
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级
CAD工具之一。
软件主要包括三个部分：
前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出，软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
1.3.5汽车车身结构强度及刚度的分析流程
综上所述，在全面了解和掌握有限元法基本思想和分析过程的条件下，得出进行汽车车身结构有限元分析的基本步骤：
（1）对2046车身骨架结构作适当简化；
（2）在简化的车身骨架结构的基础上，通过单元类型的选择、网格的划分、实常数的定义及相关载荷的施加，完成可供分析计算的有限元模型的建立；
（3）进行有限元模型相关静力学和动力学分析计算；
（4）对计算结果进行后期整理、分析和评定，最终完成有限元分析。
1.4本章小结
本章主要介绍了本课题研究的意义和内容，介绍了有限元法的基础理论，对有限元法的基本思想和分析步骤作了简要的阐述，同时对有限元分析软件
ANSYS的主要功能和特点进行了介绍，并在有限元法的指导下，应用有限元软件ANSYS提出了本文汽车车身结构分析的基本流程，为后文关于车身骨架的有限元分析计算提供了方向指引，并为下一章节关于车身骨架的有限元建模奠定了基本思想。
第二章汽车车身结构的有限元建模
车身骨架是由许多薄壁杆件构成的一个格栅桁架式结构，其结构和受力情况复杂，计算分析难度很高。
因此，建立一个准确、合理的有限元模型，对于汽车车身结构的分析计算和后续优化设计显得相当必要。
2.1建模的准备工作
有限元分析的最终目的，是要再现实际工程问题的数学行为特征，也就是说分析对象必须是原物理模型的准确数学模型。
因此建模的过程就是生成几何模型并得到模型所包括的所有单元、节点、材料属性、边界条件以及实常数等其它一些用来表征原物理模型特征的一个过程。
建立一个结构合理的车身结构，可以准确深刻的反映它的基本特征和力学特性，并且计算强度小、精度高，这也是我们进行车身结构建模的一个基本原则。
2.1.1单元的选择
考虑到车身结构的受力特性，在选择合适单元类型时，要考虑使其对几何结构有良好的近似，同时计算精度、计算机处理能力及配置等因素，单元的大小也要根据分析的具体情况来选择。
所以在本着计算精度高、收敛速度快、计算量小的原则下，一般选择的客车车身结构单元主要有空间梁单元、薄壁梁单元、薄板弯曲单元、膜单元、壳单元以及一些模拟支座或其他特殊单元。
实际选用时，在保证车身结构力学特性的前提下，尽量选择简单的单元类型，这样建立的模型除了满足合理的结构外，可以大大节约计算的时间，有效地提高建模的效率。
本课题选择了壳单元SHELL63来进行建模。
2.1.2模型的简化处理
客车的车身结构是由复杂的空间杆件、抗弯薄板、蒙皮及一系列内外饰组成的空间结构，在运用有限元建立客车车身结构模型时，若完全按照车身的实际尺寸和结构来建立，理论上可以得到精确的分析结果，但是在分析过程中的数据准备、前后模块处理和分析计算会耗费很大的时间、人力和财力。
因此需要结合分析的目的要求和实际情况（数据完整度、计算机的配置和时间等），对模型进行一定的简化处理。
本文在建模过程中对车身骨架采取了以下简化措施：
（1）略去蒙皮、次要杆件和非承载构件。
在客车车身结构中，对一些辅助承载和工艺要求的构件，如扶手、踏板支架、仪表盘支架、灯具安装架、矩形管截面等忽略不计；
（2）对于车身构件上的一些安装孔及倒角等，由于对车身结构的应力分布和
变形影响较小，建模时可以忽略不计；
（3）对一些截面形状不是很规范的构件进行适当的截面形状简化；
（4）对车身骨架结构中距离相邻且作用相同的构件进行合并为一个合体构件。
2.2有限元模型的建立
2.2.1几何模型
本课题所研究的车身几何模型，如图2.1所示。
图2.1 2046越野车车身几何模型
2.2.2材料属性、实常数的指定
本课题中2046越野车车身所采用材料为08钢，其具体材料参数如下表所示。
表2.1车身材料参数
名称
密度（DENS）
弹性模量
（EX）
泊松比
（PREX）
壳厚度
08钢
7.856E－9N/mm3
2.01E5N*mm2
0.3
1.2mm
对于Shell63单元，用户需指定其单元厚度以模拟实际钢板，点击主菜单—Preprocessor—Real Constants—Add／Edit／Delete，在出现的对话框中点击“Add”，选择“Shell63”，完成对钢板厚度的定义。
2.2.3网格划分
网格划分是有限元分析中的一个关键环节，网格划分质量的好坏将直接关系到计算求解的精确程度，一个好的网格划分不仅可以有效的节约计算的时间，也是求解成功的关键。
点击主菜单—Preprocessor—Meshing—MeshTool，出现以下命令框，选择如图所示的情况，点击“Mesh”，在出现的命令框里选择“PickAll”即可，网格化的车身结构如下图所示。
图2.2 “MeshTool”命令框 图2.3 “PickAll”命令框
图2.4 网格化的2046越野车车身结构
2.2.4车身载荷的处理
在进行分析的过程中，本文认为整车模型的全部载荷由整车车身骨架来承担。
车身各处载荷情况如下表所示。
表2.2车身各处载荷情况
载荷位置
载荷大小
顶架纵梁中部
4*245N
驾驶室纵梁中部
2*735N
左一横梁
735N
右一横梁
左二横梁
右二横梁
左三横梁
右轮包发电机
784N
左后部水
左后门及备胎
294N
490N
尾部纵横梁交界处
右后门
431.2N
98N
2.2.5边界约束的确定
本文所采用的约束为点约束，分布在左右底架纵梁上，其具体约束点坐标为：
左右底架纵梁共十二点，坐标（-220）、（1068）、（1840）、（2700）、（3716）、
（4310）。
2.2.6有限元模型的生成
本文建立的车身骨架有限元模型共创建关键点815个，节点112829个，单元50191个，最终的整车车身骨架有限元模型如下图所示。
图2.5 2046越野车车身骨架有限元模型
2.3本章小结
本章在有限元基本思想和方法的指导下，归纳总结了客车车身骨架建模的方法和步骤，对2046越野车车身模型提出了相关合理的模型简化方法，在建立的几何模型基础上，通过选择恰当的单元类型，合理的网格划分与载荷施加，得到了可供分析计算的车身骨架有限元模型，为本文后续对车身结构的有限元静、动态分析和提出改进意见提供了良好的基础保证。
第三章车身结构的静力学分析
结构分析是有限元方法最常用的一个领域，应用有限元对结构进行分析，是一项综合性的工作。
车身结构的静力分析计算是结构在固定不变的载荷的作用下的受力分析。
固定不变的载荷是假设载荷随时间的变化非常缓慢、微小，一般不考虑惯性和阻尼的影响。
如果结构受随时间变化的载荷，静力学分析也可以计算一些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力、离心力），以及一些可以近似看作为等价静力作用的随时间变化的载荷。
本文的静力分析包括车身的强度和刚度分析。
3.1车身结构静态强度的分析指标
利用有限元对汽车的车身骨架进行静态计算分析，主要是研究车身骨架的结构和材料在受到静态载荷时，其所承受的最大应力值不超过材料的许用应力极限值，保证车身结构及其零部件的正常使用功能。
ANSYS提供了第一强度理论（S1）、第二强度理论（S2）、第三强度理论（S3）、
应力强度（SINT即stressintensity）和Mises等效应力（VonMisesStress）。
第一强度理论主要考查绝对值最大的主应力，一般多用于脆性材料的分析和研究。
对于一般发生外力作用下的塑性变形材料分析时，多采用第三、第四强度理论。
第三强度理论主要分析解释了塑性材料是在遇到最大剪应力的条件下，材料内部发生了流动破坏而导致其出现塑性变形的现象，分析结果偏于安全，多用于分析压力容器等。
应力强度是由第三强度理论得到的当量应力，其值为第一主应力减去第三主应力。
Mises等效应力遵循材料力学第四强度理论，认为材料发生塑性变形是由形状改变比能引发的材料流动破坏而引起的，其分析结果更符合实际一些，一般多用于分析钢材等塑性材料。
由于汽车的车身骨架采用不同截面和材料的型钢，所承受的载荷非常复杂，包括拉、压、弯曲、扭转和剪切等各种形式，对其进行有限元强度分析计算一般遵循第四强度理论。
所以工程上通常应用VonMises（米赛斯）准则来判定车身材料是否发生塑性变形。
其准则定义为下式。
其中：
S1、S2、S3一第一、第二、第三强度理论下的三个主应力；
Se一VonMises应力；
sy一材料的屈服应力。
本文根据VonMises准则，通过对结构分析得到的Mises等效应力和推荐的安全系数下的材料许用应力的比较，来进一步判断车身的结构强度是否满足设计要求。
3.2车身结构静态刚度的分析指标
由于汽车车身骨架的刚度在一定程度上对客车车身的强度、疲劳耐久性和
NVH性（Noise噪声、Vibration振动、Harshness声振粗糙度）能等都有着非常大的影响，因此通过车身骨架的刚度来评价分析客车的整车性能，也是客车车身设计要求中不可忽略的一个重要环节。
如果车身刚度设计不合理，在载荷的作用下，易引起门框、窗框和行李箱等部位的开口产生过大变形，轻者导致密封不严而发生渗风、漏雨，重者导致车门卡死而无法正常关闭，甚至挡风窗玻璃被挤碎等问题。
刚度设计不合理还会造成车身振动频率降低、发生结构共振，导致噪声和部件的疲劳损坏，以及破坏车身表面的保护层和车身的密封性，削弱
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