车辆结构有限元分析_交通运输

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前言

作者结合近年参与车辆装备研究科研课题，以及在“车辆结构有限元”课程讲授过程中取得的成果，编写了本书。书中简单介绍了有限元技术在车辆结构分析中的地位作用与应用现状

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第1章车辆结构有限元分析概述

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1.1 有限元技术在车辆工程中的地位与作用

近年来中国车辆工业发展迅速。2009年汽车整车产量达1379万辆，销售1364万辆，成为世界第一汽车生产和消费国。2011年我国汽车销售超过1850万辆。但是，

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1.2 有限元技术在车辆工程中的应用

1.发动机机体发动机机体同时承受着热负荷和机械负荷，本质上是多物理场耦合工作体，图1-5是某V6发动机机体热分析、结构分析和热—结构耦合分析的有限元模型。机

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1.3 本书的主要内容

通过前面的介绍中可以看出，由于有限元法能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题而被广泛使用。应用有限元法可以在汽车设计中对所有的结构件、主要零部件的刚度、

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第2章有限元分析基础

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2.1 有限元分析理论基础

有限元分析的基本思想是将连续体进行离散，划分成为网格进行计算，这些网格叫做单元。网格间相互连接的交点叫做节点。网格和网格的交线叫做边界。模型上节点总数是有限的，

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2.1.1 有限元分析的基本步骤

1.物理模型离散化（划分网格）将需要分析的物理模型离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称为单元离散，通俗的说法就是将模型划分为网格。离散后单元与单元之间通过

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2.1.2 有限元分析实例

一般而言，有多种方法可用于推导有限元问题的公式，其中包括直接法、最小总势能法、加权余数法。这里有必要指出，无论怎样建立有限元模型，有限元分析的基本步骤都与以上列

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2.2 ANSYS基本操作

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2.2.1 用户界面

ANSYS软件功能非常强大，应用范围很广。ANSYS软件虽然不断升级，但是其界面从ANSYS6.0开始基本稳定下来，不同版本间差别不大。下面介绍ANSYS用户界

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2.2.2 ANSYS的数据库

ANSYS采用通用的集中式数据库存储所用模型数据及分析结果。模型数据（包括实体模型和有限元模型、材料参数等）通过前处理器写入数据库；载荷及约束通过求解器写入数据

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2.2.3 ANSYS的文件格式

ANSYS文件包括数据库文件、计算结果文件、图形文件等。下面介绍ANSYS运行过程中生成文件的类型及其功能（假定所有文件的文件名均为Frame）。（1）Fra

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2.2.4 ANSYS的帮助系统

ANSYS 12.0如其以往的版本一样，提供了强大的在线帮助系统。它包括ANSYS所有命令的解释说明和图形用户界面（GUI）的解释，还提供了详细的在线教程和AN

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2.2.5 简单实例

接下来以图2-1为例，介绍经典的ANSYS操作环境下的基本操作。基本数据如下：E=200GPa，w1=0.002m，w2=0.001m，t=0.00125m，L

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2.3 ANSYSWorkbench基本操作

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2.3.1 ANSYSWorkbench操作界面

ANSYS Workbench操作界面主要包括主菜单、工具箱和项目规划区（Project Schematic）三部分，如图2-29所示。 1.工具箱和项目规划区

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2.3.2 ANSYSWorkbenchMechanical

汽车结构有限元分析的静力学分析、动力学分析（包括模态分析、谱分析、谐响应分析）、疲劳分析都可以在ANSYS Mechani-cal中完成，本节主要介绍采用Mec

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2.3.3 简单实例

1.准备工作启动ANSYS Workbench。双击ANSYS Workbench图标，可以启动ANSYS Workbench，如图2-38所示。打开文件Me

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2.4 有限元分析中的单位制

大部分有限元分析软件中，虽然不需要专门定义单位，但是需要统一。虽然ANSYS也可以不专门进行单位定义，但是为了在分析过程中概念明确，避免发生错误，本书建议在进行

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2.4.1 ANSYSWorkbench操作平台下的单位设置

启动ANSYS Workbench，单击主菜单Units，就可以对ANSYS Workbench下的单位制进行选择，如图2-64所示。图2-64 ANSYS

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2.4.2 ANSYSApdl操作平台下的单位设置

ANSYS Apdl操作平台下，可以采用下面的方法定义单位。启动ANSYS的传统操作平台，在命令行运行下列指令进行定义。 /Units，Label Label

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第3章车辆结构常用材料在ANSYS中的定义

工程数据是进行车辆结构有限元分析的基础数据。弹性模量和泊松比是进行有限元分析的必要数据，如果单纯进行静力学分析，只需要这两个基本输入；如果要进行动力学分析，包括

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3.1 车辆结构常用材料

车辆上所用的合金结构钢大体可以分为以下几类：各种轴类（如曲轴、半轴、连杆等）用钢、齿轮钢、弹簧钢、冷锻钢和高强度标准件用钢。车辆上大量的轴类采用调质合金结构钢和

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3.1.1 各种轴类

（1）曲轴曲轴分铸造曲轴和锻造曲轴，其中锻造曲轴用钢，在轻型和中负荷发动机上通常用40Cr、50MnB或45钢。对于重型车和军用汽车发动机曲轴，则采用淬透性和

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3.1.2 齿轮用钢

自20世纪80年代以来，车辆齿轮钢的基本系列钢号变化不大，高强度齿轮钢多用Cr-Mo钢和Ni-Cr-Mo钢。长期以来，我国的渗碳齿轮钢多用20CrMnTi和20

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3.1.3 弹簧

车辆用弹簧可分悬架弹簧和气门弹簧。悬架弹簧可分为螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧。为了满足减小汽车自身质量的要求，使得悬架各类弹簧的设计应力大幅度提高，尤其是变截面

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3.2 在ANSYSWorkbench中定义车辆结构材料特性

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3.2.1 ANSYSWorkbench工程数据操作界面

在ANSYS Workbench中可以对材料数据进行定义、添加、编辑、复制和删除等操作。打开工程文件EngineeringData.wbpj，如图3-1所示，

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《车辆结构有限元分析》简介

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