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1、本文针对当前半挂车轻量化设计面临的挑战,提出了一种基于材料优化的设计方法。首先，我们对半挂车各部件的重量进行了分析和计算，确定了其各自的重量占比，以此为依据对半挂车进行了重量分配。然后，我们考虑使用轻量化材料替换原有半挂车车架材料，提高半挂车的整体轻量化效果。在材料选择方面，我们综合考虑了材料的强度、刚度、韧性、耐腐蚀性等多种因素，并对材料结构进行了优化。最后，我们通过数值模拟对半挂车车架的设计进行了验证，并对优化结果进行了深入分析和评价。实验结果表明，对传统半挂车进行轻量化设计，用高强度钢代替原先的普通钢的设计方法可以有效降低半挂车的自重，提高其载重能力和经济性，具有重要的应用价值和推广意义
2、。关键词：半挂车车架；轻量化设计；有限元分析；CAEAbSTRACTInthispaper,adesignmethodbasedonmaterialoptimizationisproposedtomeetthechallengeoflightweightdesignofsemi-trailer.Firstofall,weanalyzeandcalculatetheweightofeachpartofthesemi-trailer,determinetheirrespectiveweightproportion,basedonwhichtheweightofthesemi-trailerisdi
3、stributed.Then,weconsideredreplacingtheoriginalmaterialswithlightweightmaterialstoimprovetheoveralllightweighteffectofthesemi-trailer.Intermsofmaterialselection,Wecomprehensivelyconsideredthestrength,stiffness,toughness,corrosionresistanceandotherfactorsofthematerial,andadoptedthetopologyoptimizatio
4、ntechnologytooptimizethematerialstructure.Finally,thedesignofsemi-trailerisverifiedbynumericalsimulation,andtheoptimizationresultsareanalyzedandevaluated.Theexperimentalresultsshowthatthedesignmethodofusinghigh-strengthsteelinsteadofordinarysteelforlightweightdesignoftraditionalsemi-trailercaneffect
5、ivelyreducethedeadweightofsemi-trailerandimproveitsloadcapacityandeconomy,whichhasimportantapplicationvalueandpopularizationsignificanceKeywords:semi-truckframe；lightweightdesignmaterial；finiteelementanalysis;CAE第1章绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 背景随着国民经济的快速发展,物流行业作为现代经济发展的重要组成部分，也迎来了蓬勃.发展期。在物流行业中，半挂车作为运输物品的主要载体
6、之一，其安全性和经济性一直是人们关注的重点。随着全球气候变化和环境污染问题的加剧，人们也开始更加注重半挂车的环保性能和可持续性。因此，半挂车轻量化设计成为了当前半挂车行业研究的重要方向之一。传统的半挂车一般采用钢材作为主要材料，这种材料具有强度高、耐磨损、耐腐蚀等特点，但是其自重较大，导致半挂车的整体重量较重，从而降低了其运载效率和经济性。另外，随着交通运输行业的发展，长途运输成为了一种常态化的运输方式，这也使得半挂车的重量问题变得尤为突出。因此，如何实现半挂车的轻量化设计，提高其运载效率和经济性，是当前半挂车行业亟待解决的问题。半挂车轻量化设计是指通过采用新型材料和优化设计等技术手段，实现半
7、挂车重量减轻,从而提高其运载效率和经济性的设计方法。其主要目的是在满足半挂车载重能力和安全性的前提下，尽可能地降低半挂车的自重，减少运输过程中的能源消耗和排放量，从而达到环保和可持续性的目的m。随着科技的不断进步，半挂车轻量化设计技术也在不断发展。目前，半挂车轻量化设计主要采用的技术包括：材料优化设计、拓扑优化设计、仿生学设计、CAE数值模拟等。其中，材料优化设计是指通过选择轻量化材料来替代传统材料，降低半挂车的自重；拓扑优化设计是指通过改变材料的结构和形状，实现减重的设计方法；仿生学设计是指通过模拟自然界中生物的形态和结构，实现减重和增强半挂车的设计方法；CAE数值模拟是指通过数值模拟的方式
8、，对半挂车的结构进行分析和优化，以实现轻量化设计的方法。通过数值模拟，可以模拟半挂车在不同条件下的运行情况，分析其结构受力情况和变形情况，进而进行优化设计。数值模拟技术具有高精度、高效性和可靠性等优点，可以大大降低半挂车轻量化设计的成本和时间。在半挂车轻量化设计中，重量分配也是一个重要的问题。在半挂车的设计中，合理的重量分配可以使得车辆的行驶更加平稳，提高其稳定性和安全性。重量分配的不合理会导致半挂车在行驶过程中发生不稳定的情况，对行车安全产生威胁。因此，在半挂车轻量化设计中，需要综合考虑车辆的结构和重量分配问题，实现安全、经济、高效的设计方案。总之，半挂车轻量化设计是一个不断发展的领域，它可
9、以提高半挂车的经济性和环保性能，为物流行业的可持续发展做出贡献。随着科技的不断进步，半挂车轻量化设计技术也将不断发展和完善，为半挂车行业的发展带来更多的可能性。1.1.2 研究意义半挂车作为物流行业中不可或缺的一部分，其安全性、经济性和环保性能的提高，对于整个物流行业的发展至关重要。轻量化设计作为半挂车设计的一种新思路，具有非常重要的研究意义。首先，轻量化设计可以降低半挂车的燃油消耗和二氧化碳排放量。半挂车作为运输行业中的主要工具之一，其燃油消耗和排放量是对环境产生负面影响的重要因素。通过轻量化设计，可以降低半挂车的整车重量，减少燃油消耗和二氧化碳排放量，为环保事业做出贡献。其次，轻量化设计可
10、以提高半挂车的运输效率。在物流行业中，运输效率是非常重要的一个指标。通过降低半挂车的重量，可以提高其载重能力，进而提高运输效率，降低物流成本，促进物流行业的发展。最后，轻量化设计可以提高半挂车的安全性能。半挂车的安全性能与其结构和重量分配密切相关。通过轻量化设计，可以优化半挂车的结构和重量分配，提高其稳定性和安全性，减少在行驶过程中发生意外事故的风险。综上所述，半挂车轻量化设计具有重要的研究意义。通过不断研究和探索，可以实现半挂车的轻量化设计，提高其经济性、环保性能和安全性能，为物流行业的可持续发展做出贡献。半挂车设计技术的含量相对较低，仅考虑企业利益而缺乏对其设计原理的理解，导致按照不合理的
11、思路进行仿制的结果难以令人满意。因此，迫切需要采用新的工程材料和加工工艺，减轻自重并提高运输效率。这样不仅可以促进我国专用汽车技术的进步，还能缩短与国外产品的差距，增强我国的综合国力，具有十分重要的意义。1.1.3 半挂运输车车架的结构特点市场上常见的自卸半挂车车架主要有3种结构型式，分别为：平台式、阶梯式及凹梁式车架咒平台式货车车架相较于普通货车车架具有许多优势，主要表现在以下几个方面：承载能力强：平台式货车车架由于具有较宽的载货平台，可以更好地分担货物的重量，提高承载能力，满足更高的运输需求。相比普通货车车架，平台式货车车架可以承载更大的货物，有效提高货物的运输效率和运输质量。适用性强：平
12、台式货车车架可以根据不同的运输需求和货物特点，灵活调整车架的长度和高度，以便适应不同的运输场景。此外，平台式货车车架还可以根据需要添加固定装置和滑动装置。阶梯式车架如图1-2所示，货车阶梯式车架是一种采用阶梯式设计的货车车架，具有以下优点：载重能力强：阶梯式车架的设计使得货车能够承受更大的荷载，提高了其载重能力，适用于运输大件、重量货物。稳定性好：阶梯式车架具有更好的稳定性，能够降低货车行驶过程中的颠簸和晃动，保证运输货物的安全性。便于装卸：阶梯式车架的设计使得货物的装卸更加便捷，可通过货车后部的门板或折叠式门进行装卸，提高了工作效率。维护方便：阶梯式车架的结构简单，易于维护和维修，降低了维护
13、成本。可扩展性强：阶梯式车架可根据货物尺寸的不同进行调整，使得运输货物更加灵活多变。综上所述，货车阶梯式车架具有很多优点，是一种较为实用的货车车架设计。图1.4凹梁式车架凹梁式货车车架采用了凹形梁结构，具有结构简单、承载能力强、自重轻、稳定性好等优点。此外，凹梁式车架的设计还能够提高货车的通过性和越野能力，适用于在不良路况下运输货物1.2 国内外研究现状近年来，随着物流业的快速发展和需求的增加，货车运输行业也得到了进一步的发展。为了提高运输效率、降低成本、保障安全等方面，不断涌现出各种新技术、新材料和新工艺，包括车架轻量化、悬挂系统改进、发动机性能提升等。在此背景下，半挂车轻量化设计成为了研究
14、的热点之一。在国内，半挂车轻量化设计技术已经开始得到广泛关注和应用。随着我国经济的快速发展，物流运输需求不断增加，对运输效率和节能降耗的要求也越来越高，因此半挂车轻量化设计技术成为了专用汽车行业发展的重要方向之一。目前国内的半挂车轻量化设计技术主要集中在材料和结构两个方面。在材料方面，越来越多的企业开始使用高强度轻质材料来替代传统材料，如采用高强度钢材、铝合金、碳纤维等材料制造车架和箱体，以达到减轻车重的目的。在结构方面，采用新的设计思路和加工工艺，优化结构布局和连接方式，从而降低车架自重、提高载重能力和行驶稳定性，以实现运输效率的提升。除了轻量化设计技术，国内专用汽车行业还在积极推进智能化、
15、绿色化、节能化等方向的发展。例如，一些企业开始探索利用物联网、云计算、人工智能等技术来提高车辆的智能化水平，实现远程监控和故障预警；同时也不断研发新的动力技术和驾驶辅助系统，以提高专用汽车的绿色化和节能化程度。值得注意的是，虽然国内外已经取得了一定的成果和进展，但半挂车轻量化设计方面还存在一些挑战和难点，如如何保证车架的强度和稳定性，如何提高装载能力和运输效率等。因此，进一步加强研究和技术创新，提高轻量化设计方案的实用性和可靠性，是今后半挂车轻量化设计领域需要解决的重要问题。1.3 研究内容本研究的主要目的是探究半挂车轻量化设计的相关技术和方法，为实现半挂车的轻量化设计提供理论和技术支持。具体
16、而言，研究内容包括以下几个方面：第一,探究半挂车轻量化设计的现状和发展趋势，了解轻量化设计的概念、特点和优点。对轻量化设计的现状和趋势进行分析，可以为后续的研究提供参考和方向。第二，研究半挂车轻量化设计的关键技术和方法，包括材料选择、结构设计、数值模拟等方面。通过研究这些关键技术和方法，可以为实现半挂车的轻量化设计提供理论和技术支持。第三，优化半挂车结构和重量分配，实现半挂车的轻量化设计。通过数值模拟等技术手段，分析半挂车的结构受力情况和变形情况，进而进行优化设计，实现安全、经济、高效的设计方案。评估半挂车轻量化设计的效果和优化方案的可行性。通过实际的测试和仿真分析，对轻量化设计方案进行评估和
17、分析，验证其可行性和有效性，为后续的研究提供参考。综上所述，本研究旨在探究半挂车轻量化设计的相关技术和方法，实现半挂车的轻量化设计，提高其经济性、环保性能和安全性能，为物流行业的可持续发展做出贡献。图1.5半挂车第2章半挂车车架的三维建2.1SOlidWOrkS简介SoIidwOrkS是一款流行的三维计算机辅助设计(CAD)软件，广泛应用于零件设计领域。它提供了丰富的工具和功能，使设计师能够创建精确的三维模型。使用SOIidWorks,设计师可以通过绘制草图、添加特征、进行装配和分析等步骤，快速而准确地设计各种零件。SoIidWorkS还支持参数化建模，允许用户轻松修改设计并自动更新相关特征。
18、此外，SolidWorkS还提供了模拟、可视化和文档生成等功能，使设计师能够全面展示和验证他们的设计。总之，SOlidWOrkS是一款强大而灵活的工具，为零件设计提供了高效、精确和创新的解决方案2.2车架三维建模本次半挂车车架建模应用的SOLlDM)RKS2021进行绘制。软件图标，如下图2-1曲图2.1solidworks2021下面对车架一些零件的三维建模进行演示。(1)打开SoIidWOrkS软件并创建一个新的零件文件。如下图2-2图2.2零件创建菜单(2)选择适当的单位和坐标系，确保你使用的是正确的测量标准。(3)(3)在绘图区域选择适当的平面来创建零件的草图。常见的平面包括前视图、顶
19、视图、右视图等。如下图2-3图2.3基准面的选择(4)在选定的平面上创建草图。你可以使用线条、圆、矩形等工具来绘制零件的外形和特征。草图绘制，如下图2-4图2.4总梁中立板草图(5)使用绘图工具创建所需的几何形状，例如直线、弧线、矩形等。确保按照设计要求精确地绘制零件的尺寸和几何特征。(6)使用约束工具将草图中的元素相互关联和限制。这将确保零件的形状和尺寸在设计过程中保持一致。(7)在草图中添加尺寸和约束条件，以定义零件的尺寸和位置。确保所有的尺寸和约束都符合设计要求。(8)完成草图后，退出草图模式并选择要拉伸或旋转的特征。使用拉伸、旋转、倒角等工具来为零件添加体积和特征。如下图2.5、2.6
20、、2.7拉?(中凸台/基休旌转凸令/S体招痛放年凸白7三体边界凸台田体拉伸切除号型乱向导除扫痛切除放样切刮边K切除国角线性阵歹IJ丽炭横抽壳包殖相交镜向国参专几何体”曲线PJInstantBD今I唱I得I I。I任干凸台拉伸7 X Q从(F)人方向KD向外拔模9)方向2(2)薄里特征(T)草图基准面所选轮席(S)图2.5特征命令菜单图2.6凸台拉伸菜单(9)对零件进行修剪、镜像、填充等操作，以获得所需的最终形状。(10)添加孔、螺纹、凹槽等特征，以满足设计要求和装配需求。图2.7总梁三维模型(11)在完成零件的设计后，进行审查和修正。确保零件的几何形状和尺寸都符合要求，并进行必要的修改。接着选
21、择“外观”选项，按照课程设计说明书中所限定的钢材，选中整体并覆盖为T700钢材。如下图2-9外观、布景和贴图才v0外观(COIOr)晶塑料v品金属图2.8外观界面以便以后使用或进行装配。(12)完成各个零部件的三维模型后，导出或保存零件文件,2.3零件装配下面进行装配界面的演示点击新建文件，如下图2.9新建从零件/装配体制作工程图从零件/装配体制作装配体图2.9新建菜单点击装配体，如下图2-10新廷SOLIDWORKS文件会起休工程国SB计等部件的3D展现事件和/32其它妾晶体的3D指历U2D工程制段，通呈JS于多件或装SB体高级确定取消帮助图2. U选择界面然后进入装配界面，如下图2. 11
22、Update AvailablecacnHwramiftf a x Ttt. MBOJUMlWtAVf*.A now update ortho 3eXPERiENCE Markotptace for SOLIDWORKS ddm available tor download 6 31 2029图2.11装配界面进入后点击左侧对话框浏览，如下图2.12要插入的零件/装配体(P)打开文档(D):嵯AD90HFB.60T.01.01.01.01大梁中由4AD.9.0HFB.60TQ1.01.01.06大梁前力QAD.9.0HFB.60T.01.01.02.04前脖力口艮配置：m-浏览(B).图2.1
23、2插入菜单然后打开文件进行零部件的添加，添加完一个零部件后单机配合然后再插入零部件继续添加第二个零部件，再配合界面可以进行重合配合、平行配合等操作，以此类推插如所有零件进行总模型的装配。下图2.13Q配合ltf)zo高级分析人标准O礴配合选择如图2.13配合菜单最后得到车架三维模型，如下图2.14图2.14车架模型以上是本次车架的绘制三维零件图及装配的步骤。实际操作中，具体的步骤可能会因零件的复杂性和设计要求而有所不同2. 4本章小结本章主要是对半挂车车架的三维模型建立所叙述，对S。IidWOrkS建模应用简单介绍，介绍该应用的的主要功能和应用范围。用S。IidWorkS软件零件设计对半挂车车
24、架进行三维模型建立。第3章有限单元理论及方法3.1有限单元法发展概述有限单元法（FiniteElementMethod,简称FEM）是一种数值分析方法，其起源可以追溯到20世纪50年代初期。最初，FEM被用于解决结构力学和热力学等领域的问题。随着计算机技术的发展，FEM逐渐得到了广泛应用，涉及到了机械、航空、建筑、地质、医学和材料等领域叫在有限单元法发展的早期，该方法被用于解决简单的线性静力学问题。这时，FEM只需要使用少量的节点和单元来建立模型，并且可以通过手动计算来解决问题。然而，随着问题的复杂度增加，手动计算变得不再可行，计算机的出现为FEM的进一步发展提供了有力的支持。20世纪60年代
25、，计算机技术的快速发展为FEM的发展带来了新的机遇。FEM开始被广泛应用于工程领域，同时也得到了学术界的重视。这时，FEM开始逐渐成为一种独立的研究领域，并且涉及到了不同的问题，如非线性、动力学和多场耦合等问题。同时，也涌现出了很多优秀的FEM软件，如ABAQUS、ANSYS、COMSOL等。在20世纪80年代，随着计算机的发展，FEM得到了进一步的提升。这时，FEM开始涉及到了更多的领域，如流体力学、电磁学、声学和生物力学等。同时，也出现了更多的FEM算法，如自适应有限元方法、高阶有限元方法和多尺度有限元方法等。到了21世纪，FEM已经成为了一种非常成熟和广泛应用的数值分析方法。随着计算机技
26、术的不断发展和硬件性能的提升，FEM已经能够处理非常复杂的问题，如非线性、多场耦合和多物理场等问题。同时.，也出现了很多新的FEM算法，如混合有限元法、等参有限元法和虚单元法等。总的来说，有限单元法的发展经历了从简单到复杂、从手动计算到计算机支持、从线性到非线性、从结构力学到多物理场的演变过程。FEM已经成为了解决复杂工程问题的重要工具，同时也是工程领域中一个独立的数学方法L它的发展历程可以概括为以下几个阶段:初期阶段（1940-1950年代）有限单元法最早出现在二战时期，当时的目的是为了解决航空工业中的结构问题。这个阶段主要是研究一些简单的结构模型，主要采用手动计算方法，数值计算并不普及。发
27、展阶段（I960-1970年代）1960年代末，随着计算机技术的发展，FEM开始得到广泛应用。这个阶段的研究重点是发展更加完善的数学理论和算法，并将有限单元法应用于更为复杂的结构问题。由于计算机的出现，有限单元法的计算速度和准确性都有了极大的提高。成熟阶段（1980-1990年代）1980年代后期，随着计算机技术的快速发展，FEM开始向非线性、动态、热力学等多个领域扩展。同时，随着有限单元法的应用范围越来越广泛，人们开始对有限单元法的准确性和可靠性提出更高的要求。因此，在这个阶段，许多新的数学方法和算法得到了广泛的应用和研究，使得有限单元法在实际工程中得到了更为广泛的应用。现代阶段（2000年
28、代至今）进入21世纪后，FEM在高性能计算机的支持下，开始向更为复杂的问题领域发展，如流体力学、生物医学工程、地球物理学等领域。同时，随着科技的不断发展，有限单元法不断推出新的理论和方法，如有限元方法的非线性、热力学、多场耦合等方面的新方法和算法,为更为复杂的工程问题提供了有效的解决方案。综上所述，有限单元法经过多年的发展，从最初的简单模型到现在的高复杂性问题，从手动计算到计算机支持，从线性到非线性，从结构力学到多物理场，已成为解决复杂工程问题的重要工具，同时也是一个独立的数学方法”二数学方法。它的发展历程可以概括为以下几个阶段：初期阶段（1940-1950年代）有限单元法最早出现在二战时期，
29、当时的目的是为了解决航空工业中的结构问题。这个阶段主要是研究一些简单的结构模型，主要采用手动计算方法，数值计算并不普及。发展阶段（I960-1970年代）1960年代末，随着计算机技术的发展，FEM开始得到广泛应用。这个阶段的研究重点是发展更加完善的数学理论和算法，并将有限单元法应用于更为复杂的结构问题。由于计算机的出现，有限单元法的计算速度和准确性都有了极大的提高。成熟阶段（1980-1990年代）1980年代后期，随着计算机技术的快速发展，FEM开始向非线性、动态、热力学等多个领域扩展。同时，随着有限单元法的应用范围越来越广泛，人们开始对有限单元法的准确性和可靠性提出更高的要求。因此，在这
30、个阶段，许多新的数学方法和算法得到了广泛的应用和研究，使得有限单元法在实际工程中得到了更为广泛的应用。现代阶段（2000年代至今）进入21世纪后，FEM在高性能计算机的支持下，开始向更为复杂的问题领域发展，如流体力学、生物医学工程、地球物理学等领域。同时，随着科技的不断发展，有限单元法不断推出新的理论和方法，如有限元方法的非线性、热力学、多场耦合等方面的新方法和算法，为更为复杂的工程问题提供了有效的解决方案。综上所述，有限单元法经过多年的发展，从最初的简单模型到现在的高复杂性问题，从手动计算到计算机支持，从线性到非线性，从结构力学到多物理场，已成为解决复杂工程问题的重要工具，同时也是一个独立的
31、数学方法3. 2有限单元法基本概念及其方法与特点有限单元法（FiniteElementMethod,FEM）是一种应用广泛的数值计算方法，主要用于求解各种物理问题，如结构力学、热传导、电磁场、流体力学等。它将问题离散化为一个有限个单元的集合，每个单元内部采用一种近似方法描述物理量的变化，然后通过组合各个单元的计算结果来得到全局的解。FEM的基本概念包括：单元：问题域（如结构体、热传导介质等）被分解为一些简单的几何单元，如三角形、四边形、六面体等。描述函数：用数学函数描述单元内的物理量分布情况，如位移、温度、电势等。系数矩阵：描述单元间的相互作用关系，即单元之间的边界条件和联结关系，通常由刚度矩
32、阵、质量矩阵和阻尼矩阵等组成。FEM的基本方法可以概括为以下几个步骤：建立数学模型：将问题域分解为一系列单元，并用描述函数描述单元内的物理量分布。离散化：将问题域离散为一组节点，每个节点对应一个未知量，如位移、温度、电势等。建立刚度矩阵：根据单元的描述函数和系数矩阵，将各单元的刚度矩阵组合成全局刚度矩阵。应用边界条件：将已知边界条件（如约束、载荷等）转化为节点位移的限制条件，并修改全局刚度矩阵和载荷向量。解方程：通过求解线性方程组（或非线性方程组），求出各节点的未知量（如位移、温度、电势等）。FEM的特点包括：适用范围广：FEM适用于各种物理问题的数值模拟和优化，如结构力学、热传导、电磁场、流
33、体力学等。精度可控：FEM的精度可以通过增加单元数量、提高描述函数精度等方式来控制。高效性：FEM的计算复杂度与单元数量呈线性关系，可通过并行计算等方式提高计算效率。易于实现：FEM的算法和计算过程都比较简单，可以利用各种数值计算软件和编程语言来实现。适用范围广：FEM不仅可以用于解决结构力学问题，还可以用于其他工程领域，如流体力学、热传导、电磁场等领域的问题求解。灵活性：FEM可以灵活地划分单元，并可以通过改变单元的数量和大小来改变模型的精度。误差控制：FEM可以通过控制单元的数量和大小以及选取合适的插值函数来控制计算误差。适用于复杂边界条件：FEM可以通过对边界条件进行离散化来解决具有复杂
34、边界条件的问题。可视化：FEM可以通过可视化的方式直观地展示结果，帮助工程师和科学家更好地理解问题和解决问题。总之，FEM是一种有效的数值计算方法，具有高效性、易于实现、适用范围广、灵活性、误差控制和适用于复杂边界条件等特点，被广泛应用于工程领域的问题求解。3. 3有限元求解问题的基本步骤有限元方法（FEM）是一种解决工程问题的数值分析方法。它将一个复杂的问题分解成小的、简单的数学模型（有限元），并对这些模型进行数值计算，得到问题的解。下面是FEM求解问题的基本步骤。第一步，建立有限元模型。这个步骤通常包括建立几何模型、离散化、分配材料属性和约束条件等。几何模型可以用CAD软件绘制，离散化则是
35、将模型分割成小的单元，以便进行数值计算。分配材料属性和约束条件也是很重要的，这些信息将影响模型的行为和性能。第二步，建立刚度方程。将每个小单元的行为描述为一个数学模型，然后将它们组合成一个整体模型。这个步骤就是要建立整个模型的刚度方程。刚度方程包含了所有单元的信息,并将它们组合起来得到整体的行为特性。第三步，应用边界条件。在实际应用中，系统的某些部分可能需要受到约束，如固定边界或受力边界。在这个步骤中，需要将这些约束信息应用到整个模型中。第四步，求解刚度方程。将刚度方程和边界条件带入数值计算程序中，进行数值计算，解出模型的响应结果。第五步，分析结果。根据计算结果，可以进行各种分析，如应力分析、
36、位移分析、振动分析等。分析结果可以用来评估设计的合理性，找出潜在的问题，并提供改进方案同。以上就是有限元方法求解问题的基本步骤。需要注意的是，每个步骤都需要仔细设计和执行，否则可能导致计算结果的不准确性。同时，不同的应用场景可能需要不同的步骤和方法，因此需要根据具体情况进行适当的调整和改进。3.4车架有限元分析及其形式车架有限元分析是指利用有限元方法对车架结构进行分析，从而评估其在静力学、动力学、疲劳等方面的性能，优化结构设计，提高车架的稳定性、耐久性和安全性。其基本步骤如下：(1)建立有限元模型：根据车架的实际结构形态，选择合适的有限元单元类型，将车架结构离散成多个有限元单元，同时建立节点、
37、边界条件等模型信息。(2)应用载荷和边界条件：在车架结构上施加真实的载荷和边界条件，包括静载、动载、碰撞、扭转等多种工况下的载荷。(3)求解有限元方程：通过有限元分析软件对车架结构进行求解，得出各节点的位移、应力、应变等结果。(4)结果分析：根据求解结果，评估车架结构的性能，检查是否满足设计要求。如有不足，进行优化设计，再次进行有限元分析，直至满足要求为止。车架有限元分析的形式主要包括静力学分析、动力学分析和疲劳分析。静力学分析主要是研究车架在静止状态下的应力和变形情况。通过施加不同的载荷，求解车架结构的受力和变形情况，评估其在静态工况下的稳定性和强度。动力学分析主要是研究车架在运动状态下的振
38、动和稳定性问题。通过对车架受到的各种动载进行分析，预测其在行驶过程中的振动和动态特性，从而评估车架的安全性和舒适性。疲劳分析主要是研究车架在长期使用过程中的损伤累积和疲劳寿命问题。通过对车架在实际工况下的载荷进行分析，预测其在长期使用过程中可能产生的疲劳破坏情况，从而指导设计优化和维护管理。3.5本章小结总结了有限元法的发展历程、基本概念和方法、特点以及求解问题的基本步骤，同时以车架有限元分析为例说明了有限元法在工程领域中的应用。有限元法具有广泛的适用性和可行性，成为了解决复杂工程问题的重要工具之一第4章半挂车车架静力学分4.1HyperMesh简介图4.1软件界面HyPenneSh是一款专业
39、的有限元前处理软件，由美国Altair公司开发。它主要用于建立、管理和预处理复杂的有限元模型，包括各种类型的结构、流体和热传导问题。HyPenneSh具有直观的用户界面，可帮助工程师快速准确地进行建模、网格化、数据准备和分析预处理等操作叫HyPernIeSh支持各种主流CAD格式，包括IGES、STEPCATIA、SolidWorks.Pro/ENGINEER等，可以通过各种方式导入CAD数据。此外，HyPCnnCSh还提供了丰富的前处理工具，例如自动装配、质量检查、自动网格生成、手动网格编辑等，可以在更短的时间内完成更高质量的网格生成。在分析预处理方面，HyPenneSh提供了强大的后处理工
40、具，例如动态变形、冲击响应、热应力分析等。工程师可以使用这些工具对模型进行分析，评估其设计方案，并进行优化，以提高产品的性能和可靠性。图4.2应用流程总的来说，HyPermeSh是一款功能强大、易于使用、灵活多样的有限元前处理软件，被广泛应用于航空航天、汽车、机械、能源、建筑等领域的设计和分析中，是工程师进行前处理的首选工具之一4. 2半挂有限元模型的建立本文研究的是一种平板式车架，总体尺寸为1095OmmII30mm。车架采用工字形截面的纵梁,腹板厚度约为6mm,上翼板厚度为8mm,下翼板厚度约为IOmIn。鹅颈处纵梁高度为250mm。腹板采用T700材料，其屈服极限为720MPa,泊松比为
41、0.3,密度为7.81(kg三弹性模量为2.06x10的5次方MPa。横梁采用的是冲压成型的槽型钢，厚度为4mm。梁与梁之间的距离为660mmo纵梁和横梁的连接方式为贯穿形式，在贯穿处只焊接横梁腹板，不焊接上下翼板，并留取少量缝隙宽度，以串孔的形式将材料16Mn用于制作贯穿梁，将T700高强度结构钢用于制作横梁。图4.3材料表构件名称材料屈服强度厚度纵梁上翼板HG7006458纵梁腹板T7007205牵引销板16Mn3458贯穿横梁16Mn3454横梁T7007202.75斜支撑16Mn3453井支架T7007203.75边梁T7007202.75纵梁下翼板HG70064510车架的结构图如图
42、4-4所示:ModelInfo:C:UsersDU.Desktopbanguachel.hm图4.4车架结构在建立集合模型时，需要遵守一些原则。总体原则是要去除一些非关键内容，如工具箱、防护网、备胎等，因为这些对整体刚度和强度影响不大。对于结构中小的细节部分，如安装孔洞、缝隙和倒角导园等，需要进行适当处理。部件与部件之间进行焊接的强度和自身物理强度大体相同，因此在清理工程时，需要把图形中糟粕抽出来，通过系统带的编辑修改与剪切程序，完善网格，提高所需网格的质量。最后，将导出的“step”格式文件导入HyPerMeSh进行处理4. 3单元格选择与网格划4. 3.1单元格选择在使用HyPermeSh
43、进行有限元模拟时，选择正确的单元格是非常重要的一步。单元格的选择决定了模拟结果的精度和计算效率。以下是关于HyPermeSh中单元格选择的介绍：HyPermeSh支持多种类型的单元格，包括线性单元、非线性单元、壳单元、实体单元等。对于特定的有限元问题，选择合适的单元格非常重要。例如，在弹性力学问题中，选择线性单元可能会导致应力分布不准确，而非线性单元则可以更好地反映材料的非线性性质。在HyPermeSh中，可以通过不同的方式选择单元格。一种常用的方法是通过手动选择单元格。这种方法可以在可视化界面中直接选择单元格，非常直观。另一种方法是使用过滤器和搜索工具来选择单元格。通过设置不同的搜索条件，可
44、以快速定位到需要的单元格。这种方法适用于模型比较大或者需要选择多个单元格的情况。在选择单元格之前，还需要了解一些相关的概念，比如单元格的类型、单元格的编号、单元格的邻域等。这些概念可以帮助我们更好地理解单元格的选择和使用。总之，正确选择单元格是有限元分析中非常关键的一步。HyPermeSh提供了多种单元格选择的方式和相关工具，帮助用户快速、准确地选择所需的单元格4. 3.2网格划分图4.5网格密度图在进行有限元分析时，网格划分是至关重要的一步，它的质量直接影响分析结果的精度和可靠性。HyPerMeSh是一种常用的有限元前后处理软件，下面将详细介绍HyPerMeSh中的网格划分步骤及其中要注意的
45、事项。(1)准备几何模型：首先需要准备一个几何模型，可以是三维实体模型或者二维表面模型。(2)导入模型：将准备好的几何模型导入到HyPerMeSh中。(3)创建单元集合：在创建网格之前，需要创建单元集合，该集合可以包含不同类型的单元，如四面体、六面体、三角形单元等。(4)定义网格控制参数：在网格划分之前，需要定义网格控制参数，例如最大单元尺寸、网格密度、曲率半径等。这些参数将影响网格质量和分析结果的准确性。(5)网格划分：在完成上述步骤后，可以开始进行网格划分。HyPerMeSh提供多种网格划分工具，如自动划分、手动划分等。自动划分工具会根据网格控制参数自动生成网格，而手动划分工具则需要用户手
46、动选择网格单元并进行划分。(6)检查网格质量：完成网格划分后，需要对网格质量进行检查。HyPerMeSh提供了网格质量检查工具，可以检查网格单元的形状、大小、歪斜程度等指标，以确保网格质量达到要求。(7)修复问题单元：在网格质量检查中，可能会出现一些问题单元，例如倾斜单元、扭曲单元等，需要进行修复或删除。(8)导出网格文件：完成网格划分和检查后，需要将网格文件导出到有限元分析软件中进行后续分析。在进行网格划分时，需要注意以下事项：(1)网格密度要合理：网格密度过高会导致计算时间过长，网格密度过低则会影响计算精度。(2)单元质量要好：单元质量对于分析结果的准确性和稳定性非常重要，应尽可能保证单元
47、质量好，例如六面体单元的长宽比应接近1。(3)节点要对齐：节点应该在模型边界上对齐，以避免边界条件的不确定性。(4)避免出现非法单元：非法单元可能会导致分析失败(5)网格的生成与导出经过以上步骤，我们就可以生成符合要求的网格模型了。在HyPenneSh中，网格的生成主要是通过三种方式：自动划分、手动划分和导入划分，我们需要选择适合的方法来生成网格。当网格生成完成后，我们需要对其进行检查，确保网格的质量符合要求。HyPenneSh提供了许多检查网格质量的工具，比如网格单元质量检查、自由度检查、质量评估等。这些工具可以帮助我们快速找到网格中的问题并进行修正。最后，我们需要将生成的网格导出到相应的仿真软件中进行分析。HyPernIeSh支持多种格式的网格导出，如AbaqUs、AnsysNastranRadiOSS等。我们需要选择适合我们仿真软件的网格格式进行导出，并确保导出的网格符合要求。总结HyPenneSh网格划分是进行有限元分析的重要步骤，需要严格按照流程进行。在划分网格时，我们需要注意选择合适的单元类型和单元大小，同时考虑到模型的几何
