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1、汽车设计课程设计指导书（有限元分析在汽车设计中的应用）汽车工程系2012年12月说明汽车设计是车辆工程专业课程之一，也是最重要的一个 实践性内容。其目的和作用是使学生能将已学过的力学、机 械以及汽车知识综合运用于汽车零部件系统设计中，从而培 养学生对汽车零部件系统的综合设计和实践能力。这是在所 有实践性课程中最具活力，最能培养学生的自主学习、实践 能力，最能培养学生创新思维的课程之一。汽车设计课程设 计根据课题难易程度分为二到六人一组、各组独立完成，在 学生设计过程中鼓励他们自主设计，积极创新。学生汽车设计课程设计的成绩主要从工作态度、设 计工作量、质疑答辩等几部分组成。具体从出勤情况、设计
2、论证、软件操作能力与设计能力、设计工作量与工程图图面 质量、设计说明书质量、回答问题情况等方面评定。最终成 绩按五级制记分，分为优秀、良好、中等、及格和不及格五 个等级。 设计报告按电子档附件要求进行书写）1. 前言随着我国汽车工业的迅速发展，以CAD/CAM/CAE为主的计算机 应用技术，开辟了产品设计的新面貌。目前，作为CAE中应用最广泛 的有限元分析已成为设计链中的必要环节， 进入下一个技术流程。新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和 刚度问题，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用。1.1课程设计的目的课程设计是使学生全面、 和方法的重要环节。设计中的应用这个专题，使学生能够进一步掌
3、握CAE软件分析技术， 初步掌握CAE分析在汽车零部件结构设计中高效率和高精度的应用效 果，为毕业设计及在今后的工作中解决实际问题打下良好的基础。1.2 课程设计的任务明确在汽车设计进行有限元分析的六大步骤；掌握利用ANSYS Workbench软件对一维、二维、三维和轴对称结 构进行实体建模、网格剖分、加载求解和后处理的方法； 掌握对结构进行静态强度、刚度和模态分析的方法； 初步掌握对复杂结构进行有限元分析的高级技术；如，基于有限元 分析的实体建模技术、冻结、切片、参数化建模；梁单元的应用、 二维、轴对称问题的简化与分析、接触区域的处理、Stress Tool及 Beam Tool的用法、收
4、敛性问题；参数研究以及目标驱动的优化等。 通过文献检索和阅读，结合课程设计对应的结构，明确汽车简化零 部件的简化方案，分析对实际结构进行有限元分析边界条件的合理 设置。掌握对汽车简化零部件进行CAE分析的基本方法，完成“汽车典 型零部件简化模型的有限元分析”并写出分析计算说明书。1.3 课程设计的要求参照时间安排与要求学习CAE软件相关功能；明确汽车简化零部件的结构形状与边界条件的简化方案；合理确定 汽车典型零部件简化模型的面向有限元分析的实体建模方案、有限 元分析方案；合理制定结构参数化研究与优化方案。 完成分析计算说明书，不同零部件的分析具体要求见附录1。1.4 注意事项工作时应严格遵守汽
5、车数字应用中心上机管理的各项规定； 除最后的答辩外，课程设计的所有工作均按分组进行；课程设计成 绩的一部分将反映协同工作的能力。小组成员应共同完成上机练 习；讨论分析方案；协调意见；修正错误，准备有限元的分析计算 说明书等。分析计算说明书包括三部分，第一部分为汽车典型零部件简化模型 的有限元分析，着重反映个人在课程设计中完成的工作，报告中注 重对汽车设计、有限元、力学基本概念的理解和讨论。每个人至少 针对一个知识点进行较为详细的探讨；第二部分为课程设计的总 结、收获和心得体会；第三部分为文献阅读报告，即对汽车零部件 的研究领域的文献进行广泛阅读和理解。该报告中重点体现汽车零 部件边界条件的合理
6、设置、有限元分析方案两方面进行论述； 认真准备答辩，答辩不通过者必须重新完成指定的课程设计内容后 方能进入毕业设计环节；课程设计完成后，需在规定时间内上交纸质资料和电子文档资料， 纸质资料有分析计算说明书和工作日志，分析计算说明书电子档、分析模型的.agdb、.dsdb、.wbdb、.dxdb等 文件。电子文档放在建好的“班号学号姓名”的文件夹中，并 上交给相关老师存档。1.5 进度安排序号工作内容所需时间1 课题介绍、技术要求、人员安排0.5 天2 按任务计划学习CAE软件的进阶功能2.0天1.0天3 文献检索和阅读确定汽车典型零部件简化模型的有限元分析方案1.0天1.5天2.0天2.0天2
7、.0天2.0天1.0天建立三维模型 建立有限元模型结果分析、方案优化与对比分析有限元分析整理编写分析计算说明书10 设计总结与答辩1.6 时间安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间工作安排时间一工作安排第*上机地点：汽车数字应用中心； 开始时间：上午： 8：10，下午：2：10附录 1 汽车典型零部件简化模型有限元分析要求及分析计算说明书要求任务 1：连杆简化模型的有限元分析1. 分析任务：a. 对图一所示的连杆的二维简化模型进行有限元分析，确定该设计是否满足结构 的强度要求；若强
8、度不够，修改设计直至最大应力减小至材料允许的范围内。在 修改结构时，注意不可改变连杆小头衬套的内径和连杆大头的内径，也不可改变 连杆各处的厚度和材料。b. 采用三维结构对图示连杆进行强度分析，与二维结构分析结果进行比较；c. 对结构进行参数化研究与目标驱动的优化设计。2. 分析所需数据：a. 连杆采用两种材料，连杆本体用的是40Cr结构钢，左侧小头中的衬套用的是 铜。b. 连杆杆身和大头的厚度为1.5m m,小头的厚度为3.0m m。注意在杆身和小头 的过渡处有R2.0的过渡圆角；c. 连杆结构的其它尺寸如图二所示；d. 施加在大、小头内壁上的边界条件用于模拟连杆与曲轴及活塞销的连接。假 定载
9、荷为轴承载荷，角为90的内壁上；e. 40Cr材料的弹性模量：210GPa；泊松比：0.3；屈服极限为：850MPa,设计 安全系数为6；设计安全系数为4。3. 完成该分析应掌握的CAE技术：a. DM模块中草绘工具的运用；b. 利用草图轮廓建立平面；c. 创建冻结体,区分二维连杆的不同厚度和材料的各个平面d. 使用印记面功能,按边界条件分割线或面；e. 导入DS模块，设置模型参数(材料、厚度等)f. 通过不同接触类型,定义各几何体的模型关系；g. 比较各种接触类型，求解分析并找到合理接触方案；h. 收敛的功能；i. 运用整体尺寸与局部细化控制网格质量；j. 轴承载荷的施加；k. 法向约束的施
10、加；l. 查看应力、变形、接触结果及安全系数；m. 优化模型，并在DS模块中适时更新，对比各种方案；n. DX中的参数化研究及目标驱动的优化；o. 查看有限元模型中的所有明细资料 (FE Model)；p. 结果出图，多窗口对比分析；4. 分析计算说明书内容的基本要求：对分析任务的描述；列出分析所需数据：利用多窗口显示的功能绘出连杆的实体模型和网格模型，在模型上能反映出 连杆各部位材料、厚度的不同；绘图反映连杆的边界条件； 绘出对连杆原设计进行有限元分析后得到的变形图和应力图，安全系数分布 图；收敛分析的结果；结果后处理：结果的多种方法显示，注释任意位置的应力及位移；详细说明对不符合设计要求的
11、结构所作的设计修改；及最终符合设计要求的 计算结果； 参数化研究及目标驱动的优化结果； 在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加、结果设 置，参数化研究与优化等各个步骤中出现的）及解决的办法； 通过文献检索和阅读，针对连杆实际结构边界条件的合理设置和有限元模型 的分析方案进行总结；课程设计总结和心得体会。5. 分析计算说明书的格式要求：分析报告采用A4打印，正文用5号字体；课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式图一 连杆简化模型的几何形状图二 连杆简化模型的尺寸任务 2：转向节臂简化模型的有限元分析1. 分析任务： 对图三所示的转向节臂的三维简化模型进行有限元分析。方
12、式；根据转向节臂的工作情况，确定载荷和约束的施加方式；分析该结构的应 力和变形并评价该设计是否满足结构的强度要求。对结构进行参数化研究，并完 成目标驱动的优化设计。2. 分析所需数据：转向节臂简化模型的形状和尺寸如图三、四所示；转向节臂使用的材料为40Cr,弹性模量：210GPa,泊松比：0.3；屈服极限： 850MPa，设计安全系数为8。在结构右侧是一个螺栓孔,通过螺栓与转向直拉杆（图中未表示）相连；左 侧的圆柱凸台与转向节相连,使车轮转向。左侧的圆柱凸台传递的力矩有两种：矢量方向为Z,大小为24Nm；矢量方向为Y,大小为14Nm；3. 完成该分析应掌握的CAE技术：DM模块中草绘工具的运用
13、；DM模块创建三维实体模型：拉拔（Extrude） 参数化建模；导入DS模块，设置材料参数；网格剖分的功能,四面体、六面体、扫掠等不同的方案； 单元的尺寸控制：运用整体尺寸与局部细化控制网格质量； 创建局部坐标系,施加载荷。约束的施加方法及区别（无摩擦约束,圆柱面约束,固定约束） ； 多载荷步分析功能,载荷工况组合；局部位置的应力以及位移云图； 收敛的功能； 结果后处理：结果的多种方法显示,注释任意位置的应力及位移； m.DX中的参数化研究及目标驱动的优化； 查看有限元模型中的所有明细资料 （FE Model）； 结果出图,多窗口对比分析；4. 分析计算说明书内容的基本要求：对分析任务的描述：
14、列出分析所需数据； 利用多窗口显示功能绘制转向节臂的实体模型,四面体、六面体、扫掠以及 自由网格模型图；绘制转向节臂边界条件图； 利用多窗口显示的功能绘出变形图以及应力云图； 列表比较应用不同单元网格形状的有限元模型的节点和单元数、总的约束反 力、最大变形、误差值和最大Misses应力；列表比较不同模拟约束方案的约束反力、最大位移、最大Misses应力和误差 值；5.a.b.收敛分析的结果；参数化研究与目标驱动的优化结果与分析；在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加、结果设置，参数化研究与优化等各个步骤中出现的）及解决的办法；通过文献检索和阅读，针对转向节臂实际结构边界条件
15、的合理设置和有限元模型的分析方案进行总结；课程设计总结和心得体会。分析计算说明书的格式要求：分析报告采用A4打印，正文用5号字体；图三 转向节臂简化模型的几何形状课程设计说明书封面及内页参照学院规定的统一格式；图四 转向节臂简化模型的几何尺寸任务 3：钢板弹簧简化模型的有限元分析1. 分析任务： 对图五所示的钢板弹簧的三维简化模型进行有限元分析。分别采用四面体、六面体及自由方式进行网格剖分；考虑低阶单元和高阶单 元的应用，和安全系数； 采用二维单元计算简化模型的最大 Misses 应力变形； 维模型进行计算； 若钢板弹簧简化模型改为图六所示结构，分析结构的三维简化模型的最大 Misses 应力、变形和安全系数； 利用参数化研究与目标驱动的优化功能对图六所示的结构进行结构的优化设 计。2. 分析所需数据：钢板弹簧简化模型的形状和尺寸如图五所示；板长为900m m,宽为250mm,厚为25mm；钢板弹簧采用的材料的弹性模量为211GPa，
