单车ansys有限元分析.doc

广州大学机械设计制造及其自动化特色专业

机械设计报告

设计题目: 单车的设计及ansys有限元分析

专业班级: 09机械1班

姓 名: 冯进福

学 号: 0915020064

指导老师: 江 帆

完成日期: 2012-6-19

单车的设计及ansys模拟分析
一、单车实体设计与建模
1、总体设计
单车的总体设计三维图如下，采用pro-e进行实体建模，建模时主要分为三个部分即：前轮、车架、后轮，然后进行组装。此单车是基于现有的单车进行改善，使车身的结构更加简单，减轻其自身的重量，同时也减少了骑车者的负担，让骑车者骑车时感觉更舒服，而且单车停放时占地小，方便停放。

2、车架
车架是构成单车的基体，联接着单车的其余各个部件并承受骑者的体重及单车在行驶时经受各种震动和冲击力量，因此除了强度以外还应有足够的刚度，这是为了在各种行驶条件下，使固定在车架上的各机构的相对位置应保持不变，充分发挥各部位的功能。车架分为前部和后部，前部为转向部分，后部为驱动部分，由于受力较大，所有要对后半部分进行加固。

3、前后轮
前后轮（前轮和后轮）的作用是承受单车本身和骑车者的全部重量，另一个作用是车轮的旋转推动单车向前走及转向，因此必须具有足够的强度，以免在行驶中受到震动发生折断，同时要求车轮须圆正，可保持在旋转时平稳，此外车轮结构要有适当弹性，以增强避震性，提高骑行者的舒适性。

二、单车有限元模型
1、材料的选择
单车的车身选用铝合金（6061-T6）T6标志表示经过热处理、时效。
其属性如下：
弹性模量：
泊松比：0.33
质量密度：
抗剪模量：
屈服强度：
2、单车模型的简化
为了方便单车的模拟分析，提高电脑的运输效率，可对单车进行初步的简化；单车受到的力的主要由车架承受，因此必须保证车架能够有足够的强度、刚度，抗振的能力，故分析的时候主要对车架进行分析。简化后的车架如下图所示。

3、单元体的选择
单车车架为实体故定义车架的单元类型为实体单元（solid）。查资料可以知道3D实体常用结构实体单元有下表。
单元名称
说明
Solid45
三维结构实体单元，单元由8个节点定义，具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形、大应变功能，其高阶单元是solid95
Solid64
用于模拟三维各向异性的实体结构。单元由8个节点定义，本单元具有大变形、大应变功能
Solid65
用于模拟三维有钢筋或无钢筋的混凝土模型，该单元能够计算拉裂和压碎而且该单元可应用与加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）等。
Solid92
具有二次位移特性，非常适合模拟不规则模型，（例如由各种CAD/CAM系统产生的网格模型）。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变等功能。

Solid95
Solid45、solid185单元
Solid147
砖形单元，最多支持阶数为8的项式
Solid148
四面体单元，最多支持阶数为8的多项式
Solid185
用于建立三维实体结构模型。单元有8个节点定义，其高阶单元是solid95
Solid186
用于建立三维实体结构模型。单元有20节点定义的结构实体单元
Solid187
高阶三维10节点实体单元。适用于产生不规则网格模型，solid92是它的类似单元
根据上表各单元结构的特点初步选择单元solid45。
4、网格的划分
1)将IGES格式的车架导入ansys中
fileàimportàIGESà找到格式为IGES的车架文件，文件导入后如下图。

2）选择单元体
Main MenuàPreprocessoràElement TypeàAdd/Edit/DeleteàAdd(弹出对话框选择下图所示的单元体)

3）定义车架材料的属性
Main MenuàPreprocessoràMaterial PropsàMaterial Models（按照下图给车架定义材料属性）

定义材料的弹性模量：、泊松比：0.33

定义材料的质量密度：

4）画分网格
Main MenuàPreprocessoràMeshing àMesh Toolà弹出的对话框中设置网格的边界长度设为10à点Meshàpick all（自动生成网格如下图所示）

三、单车静强度分析
1)导入已画分好的模型网格
2）进行菜单过滤
Main MenuàPreferencesà弹出的对话框中勾选Structuralà点OK

3）定义分析类型
Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàNew Analysisà勾选Staticà点OK

4）定义求解控制菜单
选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàSol’n Controls命令à打开对话框勾选Calculate prestress effects项àOK

5）施加约束
选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàDisplacementàOn Areasà分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面à点OKà弹出的对话框中选择All DOFàOK完成约束

6）施加载荷
假设驾驶人的重量为60kg，那么作用在单车上的力的大小就为600N。设定安全系数为3，则施加在单车上面的力大小为1800N。
选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàPressureàOn Areasà
选择与座包接触的支管的面（如下图所示）à点OKà弹出的对话框中在VALUE Load PRES value 处设置参数为1800àOK完成

7）打开输出设置菜并设置参数
选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàOutput CtrlsàSolu Printoutà弹出的对话框中勾选Every substepàOK完成

8）计算
选择Main MenuàSolutionàSolveàCurrent LSà弹出的对话框如下，点OK继续

接着会弹出提示的对话框，点Yes，然后系统开始运算。

当提示出现Solution is done对话框表示运算完成，点Close。

运算结束后的车架模型

9）查看等效应力、应变结果
a、查看应变结果
Main MenuàGeneral PostprocàPlot ResultsàContour PlotàNodal Soluà弹出对话框中（如下图）选择Nodal Solutionà在Undisplaced shape key中选择Deformed shape with undeformed model(方便区分变形前后的对比)à分别查看X、Y、Z和总的应变图

X方向的变形图

Y方向的变形图

Z方向的变形图

总的变形图

b、等效应力的结果
Main MenuàGeneral PostprocàPlot ResultsàContour PlotàNodal Soluà弹出对话框中（如下图）选择Nodal SolutionàStressàvon Mises stressà在Undisplaced shape key中选择Deformed shape only

四、模态分析
1）定义分析的类型
选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàNew Analysisà弹出对话框勾选ModalàOK完成

2）打开定义分析类型菜单
选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàAnalysis Optionsà弹出Modal Analysis对话框，在No.of modes to extract和NMODE No.of modes to expand填15àOK完成à弹出对话框中在FREQE End Frequency中设置10000àOK完成

3）施加约束条件
选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàDisplacementàOn Areasà分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面à点OKà弹出的对话框中选择All DOFàOK完成约束

4）进行输出菜单的设置
选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàOutput CtrlsàSolu Printoutà弹出的对话框中在Item for printout control 出选择All items，在Print frequency处勾选Every substepàOK完成

5）进行运算
选择Main MenuàSolutionàSolveàCurrent LSà弹出的对话框如下，点OK继续

接着会弹出提示的对话框，点Yes，然后系统开始运算。

当提示出现Solution is done对话框表示运算完成，点Close。
6)分析结果
选择Main MenuàGeneral PostprocàPlot ResultsàContour PlotàNodal Soluà弹出对话框中选择Nodal SolutionàStressàvon Mises stressàOK完成（查看总变形）
也可以通过动画观看变形的过程
选择主菜单栏上的PlotCtrlsàAnimateàdeformed resultsà弹出的对话框中左边选择Stress，右边选择von Mises SEQVàOK完成

五、谐响应分析
1）导入已画分好的车架网格模型
2）进行菜单过滤
选择Main MenuàPreferencesà弹出的对话框中勾选Structuralà点OK

3）设置分析类型
选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàNew Analysisà勾选HarmonicàOK

4）设定分析选项
选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàAnalysis Options，出现谐响应分析选项设置对话框，设定“Solution method”为Full，设定“DOF printout format”为Amplitud+phase,单击OK，出现完全法谐响应分析设置对话框，采用默认设置。

5）设定输出控制选项
选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàOutput CtrlsàSoluprintout,弹出对话框设定打印频率为“Last substep”。

6）设置求解选项
选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàTime/FrequencàFreq and Substeps,在出现的对话框中Harmonic freq range（谐波频率范围）设为0和7.5，Number of substeps（子步数）设为30，Stepped or ramped b.c（加载方式）选择Stepped（Ramped 载荷的幅值随各子步逐渐增长，Stepped在频率范围内的所有子步载荷将保持恒定的幅值）

7）施加约束条件
选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàDisplacementàOn Areasà分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面à点OKà弹出的对话框中选择All DOFàOK完成约束

8）施加简谐激励载荷
Main MenuàSolution>Define loadsàApplyàStructuralàForce/MomentàOnNodesà在与座包接触的面上选择一个关键节点，弹出的对话框中选择Z方向，设定载荷幅值-1800 （Real part of force/mom）

9）进行求解
选择Main MenuàSolutionàSolveàCurrent LSà弹出的对话框如下，点OK继续

接着会弹出提示的对话框，点Yes，然后系统开始运算。

当提示出现Solution is done对话框表示运算完成，点Close。
10）后处理查看结果
选择Main MenuàTimeHist Postpro，如下弹出对话框，点击左上边绿色的图标增加一个节点。

弹出如下对话框，选择Nodal SolutionàDOF SolutionàZ-Component of displacement

选择如下图所示与座包接触的面上的一个节点（也可以选择其他的节点）àOK完成

返回如下所示对话框，里面增加了刚才选择的那个节点，然后点左上角第三个图标显示图形。
也可以选择不同的节点，其波形图也不同。

下图为与转向接触面上的一个节点的曲线图

六、瞬态动力分析
1)给定载荷随时间变化的曲线图，如下所示

2）定义分析的类型
选择Main Menu à Solution à Analysis TypeàNew Analysisà弹出对话框选TransientàOKà默认弹出的对话框àOK完成

3）定义求解控制选项
选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàSol’n Controls命令，在Time at end of loadstep处填2，勾选Time increment选项，并在Time step size后给0.2、Minimum timestep后给0.05、Maximum time step后给0.5。设置完后在对Transient进行设置（下面第二个图）在Full Transient Options处勾选Ramped loading，在Mass matrix multiplier后给值5，OK完成。

4）施加约束条件
选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàDisplacementàOn Areasà分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面à点OKà弹出的对话框中选择All DOFàOK完成约束

5）定义第一个载荷
选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàPressureàOn Areasà
选择与座包接触的支管的面à点OKà弹出的对话框中在VALUE Load PRES value 处设置参数为1800àOK完成

6）定义输出项目
选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàOutput CtrlsàSolu Printout，弹出的对话框中在Item for printout control处选择All items，勾选Every substep，OK完成。

7）定义为第一个载荷步
选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填1（即上面定义的第一个载荷和时间为第一个载荷步）

8）定义第二个载荷步
a、选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàSol’n Controls命令，在Time at end of loadstep处填4，其他值保持默认，设置完后在对Transient进行设置在Full Transient Options处勾选Stepped loading，其他值保持默认OK完成。
b、选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填2
9）定义第三个载荷步

a、选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàSol’n Controls命令，在Time at end of loadstep处填5，其他值保持默认，设置完后在对Transient进行设置在Full Transient Options处勾选Ramped loading，其他值保持默认OK完成。
b、选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàPressureàOn Areasà
选择与座包接触的支管的面à点OKà弹出的对话框中在VALUE Load PRES value 处设置参数为900àOK完成
c、选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填3

10）定义第四个载荷步
a、选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàSol’n Controls命令，在Time at end of loadstep处填6，其他值保持默认，设置完后在对Transient进行设置在Full Transient Options处勾选Stepped loading，其他值保持默认OK完成。
b、选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填4

11）定义第五个载荷步
a、选择Main MenuàSolutionàAnalysis TypeàSol’n Controls命令，在Time at end of loadstep处填7，其他值保持默认，设置完后在对Transient进行设置在Full Transient Options处勾选Ramped loading，其他值保持默认OK完成。
b、选择Main MenuàSolutionàDefine LoadsàApplyàStructuralàPressureàOn Areasà
选择与座包接触的支管的面à点OKà弹出的对话框中在VALUE Load PRES value 处设置参数为0àOK完成
c、选择Main MenuàSolutionàLoad Step OptsàWrite LS File，弹出如下对话框，在Load step file Number n处填5
12）后处理查看结果
选择Main MenuàTimeHist Postpro，如下弹出对话框，点击左上边绿色的图标增加一个节点。

弹出如下对话框，选择Nodal SolutionàDOF SolutionàZ-Component of displacement

选择如下图所示与座包接触的面上的一个节点（也可以选择其他的节点）àOK完成

所选节点Z方向的随时间变化的应变图

所选节点随时间变化的应力曲线图

下图为与转向接触面上的一个节点的曲线图

所选节点Z方向上随时间变化的应变曲线图

所选节点随时间变化所受的应力图

根据上面所选的两个点可以知道，应变的的大小是跟应力的大小是成正比的关系的。

参考文献
1、李黎明 ansys有限元分析实用教程 清华大学出版社
2、白葳、喻海良 通用有限元分析 清华大学出版社
3、邓宗全，胡明．自行车的运动学建模．中国机械工程．14卷22期，2003，11 33 / 33
4、网站资源

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