毕业设计（论文）开题报告车辆自载重测量装置中力学有限元分析.doc

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1、东北大学秦皇岛分校控制工程学院毕业设计（论文）开题报告设计(论文)题目：车辆自载重测量装置中力学有限元分析学生姓名：谢 波专 业：机械工程及自动化班级学号：5091423指导教师：赵一丁开题时间：2012.7.23一 课题的意义与依据 1. 什么是车辆自载重测量装置车辆自载重测量装置是一种对汽车自身载重情况进行测量的测量器。该装置的基本原理是采用激光测距传感器作为称重传感器，并将该装置固定在钢板弹簧的上端车架上来测量车架在装载前后距地高度变化来衡量车辆的载荷。 当车辆上加载载荷时，支撑车架的钢板弹簧以及减震器的变形量也会随之变化；不同的载荷，钢板弹簧和减震器的变形量是不同的。测距传感器检测出加

2、载荷前后车架的变化量，并且将变化量转化为电信号，再经过滤波和A/D转换，将模拟信号转变为数据信号，然后传送给单片机进行运算和处理，由显示设备将车辆的载重情况显示出来。这样可以实时的检测车辆是否超重。本系统采用的激光测距传感器，原理上与目前存在的称重系统有一定的区别。目前多采用电容、电阻式传感器，在复杂环境下易受到干扰。同时采用本系统结构简单，避免了目前存在的车载称重系统结构的复杂化，对现有汽车的改装也更为方便。 2.力学有限元分析的优势及应用有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元

3、素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元方法是结构分析的一种数值计算方法，它在 50 年代初期随着计算机 的发展应运而生，并得到广泛应用。这一方法的理论基础牢靠，物理概念清晰， 解题效率高，适用性强，目前已成为机械产品动、静、热特性分析的重要手段， 它的程序包是机械产品计算机辅助设计常用方法库中不可缺少的内容之一在当 前科学技术及生产技术发展日新月异的情况下，市场的需求是瞬息多变的，机械 产品以多品种、小批量生产为主，这就要求新产品设计、制造周期短，质量高， 成本低，具有较强的竞争能力。3. 车辆自载重测量装置中力学有限元分析的重要性车辆自载重测量装置通过在钢板弹

4、簧附近的车架的测距传感器，在测得钢板弹簧的垂直应变；通过试验或理论计算得到钢板弹簧的相关系数，从而可以间接测得簧载质量，进而计算出车辆载荷。钢板弹簧的相关系数的确定需要严谨的理论计算，有限元分析的方法对结构力学方面的计算是非常精确的，也是非常权威的。一些大型的有限元分析软件如：ANSYS有限元分析软件在结构力学方面的精确度是是很高的。钢板弹簧是汽车中广泛应用的弹性元件, 刚度是其重要的物理参量。因此, 在产品试制出来之前,如何更准确的计算其实际刚度就成为大家共同关心的问题。传统的计算方法, 如“共同曲率法”和“集中载荷法”等均存在一定的局限性, 在计算中往往需要加入经验修正系数来调整计算结果。

5、随着计算机的发展, 有限元法因其精度高、收敛性好、使用方便等优点逐渐被应用到板簧的设计中。邹海荣等1应用有限元法分析了某渐变刚度钢板弹簧的异常断裂问题, 提出了避免此种断裂的改进措施。胡玉梅等1针对某汽车后悬架的钢板弹簧应用 Ansys 软件分析了其静态强度特性, 给出了钢板弹簧在不同载荷作用下的应力分布, 计算结果与试验符合的较好。谷安涛2则讨论了应用有限元法设计钢板弹簧的一般流程,给出了设计的示例。有限元法的最大优点之一就是可以仿真设计对象的实际工作状态, 因而可以部分代替试验, 指导精确设计。汽车钢板弹簧存在非线性和迟滞特性4。应用有限元法进行分析时需要考虑大变形及接触, 即需要同时考虑

6、几何非线性和状态非线性, 这将使得计算不容易收敛, 因而需要较高的求解技巧及分析策略。二 国内外研究现状近年来，国内外学者对车架的有限元分析进行了大量的研究，取得了大量的 研究成果。Ao, Kazuo 等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进 行了详细的介绍。郑兆昌等人应用大型结构软件 SAP.SP 对车车架进行了动态分析。提出了利用车架模态分析结果直接对结构动态特性进行评价的方法。传统的钢板弹簧强度分析中，应用简化力学模型，基于材料力学的小挠度梁的线弹性理论为基础进行计算。因为各簧片的计算十分复杂，人们常用的做法是把问题抽象成简单的数学、力学模型，在一定的假设条件下进行计算。在对钢

7、板弹簧的垂直方向载荷的计算上，主要有以下三种常用的计算方法：1）三角形板计算法。将各片弹簧假设为一个整体的三角形板，直接根据材料力学中的纯弯载荷下的简支梁模型，并假设梁为小变形，即挠曲线很小以简化应力计算，可求出各截面上的应力分布，但对各片的应力值要求得到较准确的结果是很困难的。 2）板端接触法。将钢板弹簧各片分开考虑，并假设力在钢板弹簧各片间的传递仅靠各片端来完成。对各片的处理，采用法一中的弯曲梁模型计算得到各片的应力状态分布。但在通常的少片弹簧中，上下各片间的接触状态并不仅限于片端，此法也不能较好的模拟出板簧的实际工作状况。 3）共同曲率法。假定各片的弯曲具有共同的曲率，即各片是在全长上彼

8、此相互间紧密接触，没有间隙状态下发生弯曲。另由各片截面上弯矩分布的连续性，假设出各片的弯矩分布状态，由此弯矩图计算出各片的应力状态。使用该方法的前提是假设钢板弹簧各簧片的挠度完全相等，并忽略簧片间的相对滑移以及簧片间的摩擦。上述三种计算方法均从不同角度和不同程度上对实际工作中的钢板弹簧进行了简化，并不能反应实际工作中同时存在的大变形，装配预应力和各叶片间复杂接触的非线性状态。而且计算中的假设条件与钢板弹簧实际承载情况不尽相符，所以其计算结果存在不同的误差。 目前汽车使用钢板弹簧的结构类型就弹簧弹性特性曲线：(1) 稍偏变截面钢板弹簧，如图1-b所示，为减少弹簧质量，弹簧厚度沿长度方向制成等厚，

9、其弹性特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性2-a。这种弹簧主要用于轻型货车及大、中型载货汽车悬架。(2) 两级变刚度复式钢板弹簧，如图1-c所示，这种弹簧主要用于大、中型载货汽车后悬架。弹性特性如图2-b所示，为两级变刚度特性，开始时仅主簧起作用，当载荷增加到某值时副簧与主簧共同起作用，弹性特性由两条直线组成。(3) 渐变刚度钢板弹簧，如图1-d所示，这种弹簧多用于轻型载货汽车与厢式客车后悬架。副簧放在主簧之上，副簧随着汽车载荷变化逐渐起作用，弹簧特性呈非线性特性，如图2-c所示。 1 2 国外对钢板弹簧的研究已提出了精益设计的概念，也就是强调考虑结构的大变形，准确模拟片间的接触状态，并精确计

10、算包括组装时预应力的各簧片工作时的应力状况。这种精益设计的基础是建立钢板弹簧的有限元模型，使用有限元数值计算方法对钢板弹簧进行强度分析。另外，国内目前关于钢板弹簧的应力状况研究和疲劳寿命研究多是分离起来进行的，在钢板弹簧准确的应力状况研究前提下计算其疲劳寿命的研究不多。在国外的零部件疲劳寿命的计算研究中已出现完整的软件解决方案。该解决方案基于使用局部应力应变法计算结构的疲劳寿命，并分为两个主要模块。一个模块使用有限元模型的静态分析，完成模型局部弹塑性的应力应变范围计算。另一模块为结构的疲劳寿命计算部分，完成载荷谱的统计，并进行累积损伤计算结构的疲劳寿命3。在国外某些公司应用中还出现CAD/CA

11、E集成的软件解决方案，如Mechanical Dynamics Ltd.公司在对一种飞翼式切割机的疲劳寿命研究过程中，综合运用了PRO/E,ADAMS，ANSYS，和FE-FATIGUE多种应用软件。该分析过程首先使用PRO/E建立切割机的几何装配模型，然后通过PRO/E和ADAMS之间的接口将模型导入到ADAMS软件中进行切割机的运动过程的动态模拟。可在模拟过程中得到模型各组件的变形情况和受力特征，并将之导出到ANSYS软件中，用于切割机模型的应力应变的有限元数值计算，经过ANSYS计算阶段可得到模型应力信息文件。在ADAMS的动态模拟中，还可以生成模型坐标位置如何随时间变化的信息文件。FE

12、-FATIGUE软件接收这两部分信息文件，并考虑材料的疲劳强度特性即可用来进行该切割机的疲劳寿命计算分析。使用上述两种软件技术均能以较少的金钱和时间消耗来预测零部件的疲劳寿命，但它要求各软件模块之间或者是各应用软件之间紧密的模型数据集成，在通常的实验室环境下，很难得到这些软件间良好的互通接口模块。 近年内，国内有不少学者对钢板弹簧的分析计算提出了不同的见解。其中，吉林大学张义民教授带领课题组提出汽车钢板弹簧的可靠性设计方法，在基本随机变量的概率特性已知的情况下，使用二阶矩阵对钢板弹簧进行可靠性设计，从理论上推导了计算不同厚度的钢板弹簧的可靠性设计表达式。2002 年又提出了运用二阶矩阵法和约束

13、随机方向法对钢板进行可靠性优化设计，推导了计算不同厚度的多片钢板弹簧的可靠性优化设计的表达式，运用优化方法得出了钢板弹簧的设计参数最优解4。同年，合肥工业大学王其东教授利用多刚体动力学理论，建立了起钢板弹簧的多刚体动力学模型，导出动力学方程，并对其动态特性进行计算机仿真，研究钢板弹簧动刚度随静载荷、动载荷及激振频率和振幅的关系5。2003年，北京航天航空大学丁能根等利用 ANSYS 有限元软件进行接触模拟，分析钢板弹簧的迟滞特性，给出了加载和卸载过程的载荷-变形特性图，分析不同摩擦系数对钢板弹簧迟滞特性和阻尼特性的影响6。三 课题的内容 本课题重要研究的内容是利用有限元分析的方法在车辆加载后的

14、支撑车架的钢板弹簧进行静力学弹性变形的分析。得出车辆载重和钢板弹簧弹性变形之间的关系。为车辆自载重测量装置的设计提供数据支持。当车辆上加载载荷时，支撑车架的钢板弹簧以及减震器的变形量也会随之变化；不同的载荷，钢板弹簧和减震器的变形量是不同的。本课题就是有限元分析方法在车辆负载车架钢板弹簧弹性变形分析方面的具体应用。主要目的：就是掌握三维绘图软件的使用，对车架及钢板弹簧进行三维建模并对该车车架进行抗弯静载强度测试，以根据实验结果修正有限元计算模型。利用有限元分析软件对车架的弯曲变形及钢板弹簧弹性变形进行计算分析， 为车辆自载重测量装置中载重和距地距离之间的关系提供理论依据。三维制图软件建立车架的

15、几何模型，通过大型结构分析通用有限元软件对该车车架 进行静态、模态分析。主要通过以下步骤完成：1) 通过三维制图软件软件建立某型号的车架及弹簧钢板的三维几何模型。2) 建立多片钢板弹簧的有限元模型。该建模过程考虑了钢板的片间摩擦，设置了片间摩擦单元。由于板簧在运作的过程中存在装配应力，在有限元分析中，将每一片自由的簧片进行装配，成为少片变截面钢板弹簧总成。3) 设定约束条件和承载情况。 4) 对不同工况下车架的强度和变形进行计算。 5) 根据计算结果进行分析，为自载重测量装置设计提供精确的数据支持。 在以上步骤中，第 2，3，4 步是核心步骤，第 1 步是最重要的准备工作。四 设计进度安排毕业

16、设计（论文）选题：2011年7月18日2011年7月22日调研与资料收集：2011年7月25日2011年8月19日理论设计：2011年8月22日2011年9月9日设计与研究，撰写毕业设计（论文）初稿： 2011年9月13日2011年10月21日五 参考文献1邹海荣等. 基于非线性的汽车钢板弹簧断裂问题分析. 华中科技大学学报自然科学版,2003,31(3) : 96- 98.2 胡玉梅等.汽车后悬架的非线性有限元分析. 重庆大学学报,2003,26(4) : 38- 41.3 Integrated Durability Analysis Using ANSYS, ADAMS, and FE-Fatigue. TerranceW.Ewanochko16thEuropean Mechanical Dynamics User Conference4 张义民，贺向东，闻邦椿.车辆用钢板弹簧的可靠性优化设计.工程设计，2002.1.5 王其东，方锡邦，钱立军，马恒永，唐永琪.基于虚拟样机技术的汽车钢板弹簧设计及分析研究.机械工程学报，2001.12.6 丁能根.马建军.钢板弹簧迟滞特性的有限元分析.汽车工程，2003.01