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1、 汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì) 題 目 基于proe的引擎蓋建模 及有限元分析 班 級(jí) M10車輛工程 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 緒 論 隨著社會(huì)的快速發(fā)展，汽車已成為人類社會(huì)生活中不可缺少的工具，汽車工業(yè)已成為許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家

2、的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車工業(yè)是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，已被只要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和新型工業(yè)國(guó)家列為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。中國(guó)汽車工業(yè)自1953年起步以來(lái)，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為汽車生產(chǎn)大國(guó)，被國(guó)際制造商組織列為世界十大汽車生產(chǎn)國(guó)之一。汽車引擎蓋的生產(chǎn)是汽車制造的一個(gè)重要生產(chǎn)過(guò)程。在板材沖壓成形技術(shù)中，以汽車覆蓋件為代表的大型薄板零件的沖壓成形技術(shù)已發(fā)展成為一個(gè)很重要的組成部分。 汽車覆蓋件是汽車車身的重要組成零件，分為外覆蓋件和內(nèi)覆蓋件。外覆蓋件指的是汽車車身外部的裸露件，這種零件的特點(diǎn)是涂裝后不能再添加其他的裝飾層。因此，對(duì)于外覆蓋件的表面質(zhì)量要求很高。 采用有限元

3、法的數(shù)值模擬研究板料成形問(wèn)題始于20世紀(jì)70年代。1971年，日本學(xué)者Yamada首先將彈塑性有限元方法引入到板料成形模擬中，分析了圓筒形的拉伸問(wèn)題。同時(shí)Hibbitt在Hill有限變形理論基礎(chǔ)上采用拉格朗日描述，建立了大變形彈塑性有限元理論。在國(guó)外，早在90年代以前板料成形有限元數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)廠家和模具生產(chǎn)制造公司用來(lái)提高產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力的必備技術(shù)。 第一章 引擎蓋的特點(diǎn) 1.1表面質(zhì)量 引擎蓋表面上任何微小的缺陷都會(huì)在涂漆后引起光線的漫反射而損壞外形的美觀，因此引擎蓋表面不允許有波紋、折皺、凹痕、擦傷、邊緣拉痕和其他破壞表面美觀的缺陷。引擎蓋上的裝飾棱線和筋條要求

4、清晰、平滑、左右對(duì)稱和過(guò)度均勻?？傊嫔w不僅要滿足結(jié)構(gòu)上的功能要求，更要滿足表面裝飾的美觀要求。 1.2制造材料 采用橡膠發(fā)泡棉和鋁箔材料制造而成，在降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的時(shí)候，能夠同時(shí)隔離由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，有效保護(hù)引擎蓋表面上的漆面，防止老化。 1.3作用 1、空氣導(dǎo)流。對(duì)于在空氣中高速運(yùn)動(dòng)物體，氣流在運(yùn)動(dòng)物體周邊產(chǎn)生的空氣阻力和擾流會(huì)直接影響運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)引擎蓋外形可有效調(diào)整空氣相對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)的流動(dòng)方向和對(duì)車產(chǎn)生的阻礙力作用，減小氣流對(duì)車得影響。通過(guò)導(dǎo)流，空氣阻力可分解成有益力，力高前輪輪胎對(duì)地的力量，有利于車的行駛穩(wěn)定。流線型引擎蓋外觀基本是依照這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。

5、 2、保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)及周邊管線配件等。引擎蓋下，都是汽車重要的組成部分，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電路、油路、剎車系統(tǒng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)等等。對(duì)車輛至關(guān)重要。通過(guò)提高引擎蓋強(qiáng)度和構(gòu)造，可充分防止沖擊、腐蝕、雨水、及電干擾等不利影響，充分保護(hù)車輛的正常工作。 3、美觀。車輛外觀設(shè)計(jì)是車輛價(jià)值的一個(gè)直觀體現(xiàn)，引擎蓋作為整體外觀的一個(gè)重要組成部分，有著至關(guān)重要的作用，賞心悅目，體現(xiàn)整體汽車的概念。 4 、輔助駕駛視覺(jué)。駕駛員在駕駛汽車過(guò)程中，前方視線和自然光的反射對(duì)駕駛員正確判斷路面和前方狀況至關(guān)重要，通過(guò)引擎蓋的外形可有效調(diào)整反射光線方向和形式，從而降低光線對(duì)駕駛員的影響。 5 、防止意外。引擎工作在高溫高壓易燃環(huán)

6、境下，存在由于過(guò)熱或者是原件意外損壞而發(fā)生爆炸或者是燃燒、泄露等事故，引擎蓋可有效阻擋因爆炸引起的傷害，起到防護(hù)盾作用。有效阻隔空氣和阻止火焰的蔓延，降低燃燒風(fēng)險(xiǎn)和損失。 6、特殊用途平臺(tái)。特種車輛中，有利用高強(qiáng)度引擎蓋作為工作平臺(tái)，起到支撐作用。 第2章 引擎蓋結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)化模型 2.1研究對(duì)象 研究對(duì)象是現(xiàn)代轎車普遍采用的引擎蓋，本次研究選取的上海大眾帕薩特2003款轎車（見(jiàn)圖1.1）的引擎蓋作為研究對(duì)象，來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化研究。簡(jiǎn)化的引擎蓋模型是一種假設(shè)，對(duì)這一假設(shè)進(jìn)行基于ANSYS的有限元分析，檢驗(yàn)該車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性以及是否滿足各項(xiàng)技術(shù)性能的要求，為引擎蓋的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供思路

7、和參考依據(jù)。 圖1.1 2.2 簡(jiǎn)化原則和步驟 原則： (1)盡量減小建模的復(fù)雜度； (2)盡量不引起結(jié)構(gòu)的剛度改變。 步驟： (1)將對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度影響較小的附件除去，減少的重量用施加的力補(bǔ)上。 (2)簡(jiǎn)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 第3章 在PROE中建立引擎蓋三維模型 本次研究選取的是上海大眾帕薩特2003款，經(jīng)實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)為144cm，寬100cm，引擎蓋中心頂點(diǎn)到左右圓弧邊長(zhǎng)度為74cm，選取厚度為1cm。引擎蓋的整體彎度可看成圓弧形狀，半徑為r=373.79cm。 打開(kāi)proe軟件，進(jìn)行拉伸1操作，按照實(shí)際測(cè)量尺寸畫弧面進(jìn)行草繪，再進(jìn)行拉伸，如圖3

8、.1 圖3.1 進(jìn)行拉伸2和拉伸3操作，按照實(shí)際車體引擎蓋的形狀，對(duì)拉伸1進(jìn)行拉伸操作，將拉伸1進(jìn)行切割，切割2次，得出引擎蓋的大體形狀。見(jiàn)圖3.2、圖3.3、圖3.4和圖3.5。 圖3.2 圖3.3 圖3.4 圖3.5 進(jìn)行拉伸4操作，按照實(shí)際車體引擎蓋的形狀，對(duì)引擎蓋上邊角進(jìn)行拉伸切割。如圖3.6和圖3.7。 圖3.6 圖3.7 將proe的prt格式保存為iges格式（便于在proe軟件繪出的圖形導(dǎo)入ansys軟件中）：執(zhí)行操作文件--保存副本命令，再在“保存副本”對(duì)話框的文件類型欄內(nèi)選擇“iges”的文件格式保存即可。 第4章 在ANS

9、YS中對(duì)引擎蓋進(jìn)行研究 4.1 關(guān)于單位、正負(fù)和方向 為了保證單位統(tǒng)一，列出本文所用到的所有單位，如表2-1所示。后文各項(xiàng)數(shù)據(jù)將不再標(biāo)出單位。 表2-1 單位 名稱 單位 名稱 單位 長(zhǎng)度 m 力 N 質(zhì)量 kg 壓力 Pa 時(shí)間 s 加速度 m/s2 彈性模量 Pa 角度 泊松比 無(wú) 密度 kg/m3 正負(fù)和方向都取決于ANSYS中的坐標(biāo)系。 4.2 單元類型的確定 對(duì)于鈑金件，比較適用的是shell（殼）單元，可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，而且可以達(dá)到較高的精度。如果使用shell單元來(lái)做分析，那么必須以面的形式來(lái)建立車門裝配模型。筆者

10、已經(jīng)嘗試過(guò)用面的形式來(lái)建立車門裝配模型，但沒(méi)有成功。因?yàn)?，車門零件之間的連接關(guān)系，在有些情況下不能用面之間的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，這里采用了solid（實(shí)體）單元，也就是用體的形式來(lái)建立車門裝配模型，獲得了成功。 4.3 ANSYS前處理 4.3.1導(dǎo)入過(guò)程 打開(kāi)ANSYS軟件，proe零件導(dǎo)入ANSYS中：從菜單 file >import> IGES如圖4.1，找到之前Pro/E文件的路徑打開(kāi)。 圖4.1 4.3.2創(chuàng)建有限元模型 進(jìn)入前處理器并定義單元類型：選取菜單Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，彈出如圖4

11、.2所示，Element Types對(duì)話框，單擊按鈕Add，設(shè)置如下： 左邊列表框中選擇Structural Shell。 右邊列表框中選擇Elastic 4node63。 Element typ ereference number項(xiàng)輸入1。 圖4.2 圖4.3 4.3.3定義單元常數(shù) 選取菜單Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete，如圖4-2，在Real Constants對(duì)話框中單擊Add按鈕，彈出Element Type for Real Constants對(duì)話框，設(shè)置如下： Real C

12、onstant Set項(xiàng)輸入1，即單元實(shí)常數(shù)編號(hào)為1. TK（I）輸入0.01（僅僅輸入一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的厚度，其他默認(rèn)與節(jié)點(diǎn)I等厚度） 圖4.4 4.4.4定義材料屬性 選取菜單Maln Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models,彈出Define Material Model Behavior對(duì)話框,在右邊Material Models Available框中連續(xù)雙擊選擇Structural>linear>Elastic>Isotropic,接著彈出linear Isotropic Properties for Materi

13、al…對(duì)話框，設(shè)置下列選項(xiàng)。如圖4.5 l EX項(xiàng)輸入6e10。 l PRXY項(xiàng)輸入0.3。 單擊OK按鈕返回Denne Material Model Behavior對(duì)話框，選擇該對(duì)話框菜單Define Material Model Behavior> Material>Exit。 圖4.5 4.4.5給面分配單元屬性 選擇菜單Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool,彈出如圖4-4對(duì)話框，在Element Attributes下拉列表中選擇Areas，單擊其后的Set按鈕，彈出Area Attributes拾取對(duì)話框，單擊Pick A

14、ll按鈕，在Area Attributes屬性分配對(duì)話框，設(shè)置下列選項(xiàng)。 MAT Material numbers選擇1，即面材料類型為1。 REAL Real constant set number選擇1，即面單元實(shí)常數(shù)為1。 TYP Element type number選擇1 shell63，即單元類型為1。 ESYS Element coordinate sys選擇0，即面單元坐標(biāo)系為0號(hào)總體直角坐標(biāo)系。 4.4.6執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)劃分 在Mesh Tool對(duì)話框中，勾選Smart Size,拖動(dòng)滾動(dòng)條到4（數(shù)字即為劃分單元格大小。數(shù)字越大，單元格越大，網(wǎng)格越疏；反之，單

15、元格越小，網(wǎng)格越密，時(shí)間也越長(zhǎng)。），點(diǎn)擊Mesh，彈出Mesh Area拾取對(duì)話框，單擊Pick All按鈕執(zhí)行網(wǎng)格劃分操作。結(jié)果如圖4.6所示。 圖4.6 4.5 施加載荷并執(zhí)行求解 4.5.1進(jìn)入求解器并選擇分析類型 選取菜單Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出New Analysis對(duì)話框，選擇Static，單擊OK按鈕。 圖4.7 4.5.2設(shè)置載荷步選項(xiàng) 選取菜單Main Menu>Solution>Analysin Type>Sol’n Control,選擇Basic選項(xiàng)卡，設(shè)置如下選項(xiàng)： Time

16、 Control的Time at end of load step項(xiàng)輸入1，即終點(diǎn)時(shí)間為1。 選擇Time increment選項(xiàng)，即選擇時(shí)間增量控制方法。 Time step size項(xiàng)輸入0.2，即時(shí)間增量為0.2。 Frequency項(xiàng)選擇Write every Nth sub step,即所有載荷子步的結(jié)果都輸入結(jié)果文件。 單擊OK按鈕。 4.5.3施加固定邊界條件 Main>Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>On Lines,彈出Apply U,ROT on Lines拾取對(duì)話框，鼠標(biāo)拾取引擎蓋

17、內(nèi)側(cè)邊，單OK按鈕彈出Apply U,ROT on Lines對(duì)話框，在列表中選擇All DOF,其他項(xiàng)默認(rèn)設(shè)置。 4.5.4施加面域均布?jí)毫? 選取菜單Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Areas, 彈出Apply PRES on Areas拾取對(duì)話框，鼠標(biāo)點(diǎn)擊引擎蓋上表面，單擊OK按鈕彈出Apply PRES on Areas壓力對(duì)話框，VALUE Load PRES value項(xiàng)輸入2000，其他項(xiàng)默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕。 圖4.8 圖4.9 圖4.10 4.5.5執(zhí)行求解

18、 選取菜單Main Menu>Solution>Solve>Current LS,彈出Solve Current Load Step對(duì)話框，同時(shí)彈出/STAT Command窗口。閱讀/STAT Commend窗口中的載荷步提示信息，如果發(fā)現(xiàn)存在不正確的提示，單擊/STAT Command窗口菜單/STAT Command>File>Close，關(guān)閉/STAT Command窗口，然后單擊Solve Current Load Step對(duì)話框中Cancel按鈕退出求解，修改錯(cuò)誤之處。當(dāng)/STAT Command窗口中所提示無(wú)誤時(shí)，同樣關(guān)閉/ STAT Command窗口，然后單擊Solve C

19、urrent Load Step對(duì)話框中的OK按鈕執(zhí)行求解。當(dāng)求解結(jié)束時(shí)，彈出提示信息對(duì)話框顯示“Solution is done!”,表示求解成功完成。如圖4.11顯示。 圖4.11 4.6 觀察總體變形 選擇菜單Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour plot>Nodal Solu,彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，如圖4.12設(shè)置下列選項(xiàng)： Item to be contoured項(xiàng)選擇Nodal Solution>DOF soulution>Displacement vector sum

20、,即選擇總位移。 Undisplaced shape key項(xiàng)選擇Deformed shape only,即只繪制變形結(jié)果模型。 Scale Factor項(xiàng)選擇Auto Calculated，即變形比例縮放尺寸控制，選擇自動(dòng)計(jì)算變形比例。 單擊Additional Options彈出附加選項(xiàng)： Scale Factor contact items項(xiàng)輸入1.0，即結(jié)果項(xiàng)數(shù)值的放大比例系數(shù)。 Number of facets per slsment edge項(xiàng)選擇Corner only。 圖4.12 單擊OK按鈕，最終得到圖4.13變形等值圖。 圖4.13 圖

21、4.14 4.7 結(jié)果分析 通過(guò)實(shí)際的測(cè)量和簡(jiǎn)化proe三維圖的繪畫，再經(jīng)過(guò)ANSYS前處理，施加載荷及后處理后得到有效的變形等值圖，得到的結(jié)果，分析得出此次研究上海大眾帕薩特2003款汽車的引擎蓋在施加2000N均布?jí)毫Φ那闆r下，在形狀突變的引擎蓋邊緣兩個(gè)部分顏色為紅色，由此可以看出此處受到的應(yīng)力應(yīng)變較大，引擎蓋的其他地方設(shè)計(jì)還可以，在之后的設(shè)計(jì)時(shí)，可在此設(shè)計(jì)較好應(yīng)力應(yīng)變值得加強(qiáng)筋或加強(qiáng)板，以此來(lái)改善引擎蓋的變形程度。 但總體來(lái)講此次研究的引擎蓋較為合理的。也為后期的修改完善提供較好的幫助。 參考文獻(xiàn) [1] 黃亞娟，丘宏揚(yáng)，陳松茂.CAD/CAE/CAM技術(shù)在汽車覆蓋件模具中的應(yīng)用與發(fā)展[J].機(jī)電工程技術(shù)，2004，33（5）：13-15. [3] 黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007. [4] 王澤鵬,胡仁喜,康士延.ANSYS 13.0/LS-DYNA 非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.