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1、 汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計 課程設(shè)計 題 目 基于proe的引擎蓋建模 及有限元分析 班 級 M10車輛工程 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 緒 論 隨著社會的快速發(fā)展，汽車已成為人類社會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)達國家

2、的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車工業(yè)是衡量一個國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，已被只要工業(yè)發(fā)達國家和新型工業(yè)國家列為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。中國汽車工業(yè)自1953年起步以來，經(jīng)過50多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為汽車生產(chǎn)大國，被國際制造商組織列為世界十大汽車生產(chǎn)國之一。汽車引擎蓋的生產(chǎn)是汽車制造的一個重要生產(chǎn)過程。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，這種零件的特點是涂裝后不能再添加其他的裝飾層。因此，對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題。同時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)制造公司用來提高產(chǎn)品核心競爭力的必備技術(shù)。 第一章 引擎蓋的特點 1.1表面質(zhì)量 引擎蓋表面上任何微小的缺陷都會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、左右對稱和過度均勻。總之引擎蓋不僅要滿足結(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)動機噪音的時候，能夠同時隔離由于發(fā)動機工作時產(chǎn)生的熱量，有效保護引擎蓋表面上的漆面，防止老化。 1.3作用 1、空氣導(dǎo)流。對于在空氣中高速運動物體，氣流在運動物體周邊產(chǎn)生的空氣阻力和擾流會直接影響運動軌跡和運動速度，通過引擎蓋外形可有效調(diào)整空氣相對汽車運動時的流動方向和對車產(chǎn)生的阻礙力作用，減小氣流對車得影響。通過導(dǎo)流，空氣阻力可分解成有益力，力高前輪輪胎對地的力量，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原理設(shè)計的。

5、 2、保護發(fā)動機及周邊管線配件等。引擎蓋下，都是汽車重要的組成部分，包括發(fā)動機、電路、油路、剎車系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)等等。對車輛至關(guān)重要。通過提高引擎蓋強度和構(gòu)造，可充分防止沖擊、腐蝕、雨水、及電干擾等不利影響，充分保護車輛的正常工作。 3、美觀。車輛外觀設(shè)計是車輛價值的一個直觀體現(xiàn)，引擎蓋作為整體外觀的一個重要組成部分，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。駕駛員在駕駛汽車過程中，前方視線和自然光的反射對駕駛員正確判斷路面和前方狀況至關(guān)重要，通過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，起到防護盾作用。有效阻隔空氣和阻止火焰的蔓延，降低燃燒風(fēng)險和損失。 6、特殊用途平臺。特種車輛中，有利用高強度引擎蓋作為工作平臺，起到支撐作用。 第2章 引擎蓋結(jié)構(gòu)及其簡化模型 2.1研究對象 研究對象是現(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（見圖1.1）的引擎蓋作為研究對象，來進行簡化研究。簡化的引擎蓋模型是一種假設(shè)，對這一假設(shè)進行基于ANSYS的有限元分析，檢驗該車門結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、可靠性以及是否滿足各項技術(shù)性能的要求，為引擎蓋的設(shè)計和優(yōu)化提供思路

7、和參考依據(jù)。 圖1.1 2.2 簡化原則和步驟 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上。 (2)簡化復(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)實際測量長為144cm，寬100cm，引擎蓋中心頂點到左右圓弧邊長度為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proe軟件，進行拉伸1操作，按照實際測量尺寸畫弧面進行草繪，再進行拉伸，如圖3

8、.1 圖3.1 進行拉伸2和拉伸3操作，按照實際車體引擎蓋的形狀，對拉伸1進行拉伸操作，將拉伸1進行切割，切割2次，得出引擎蓋的大體形狀。見圖3.2、圖3.3、圖3.4和圖3.5。 圖3.2 圖3.3 圖3.4 圖3.5 進行拉伸4操作，按照實際車體引擎蓋的形狀，對引擎蓋上邊角進行拉伸切割。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中對引擎蓋進行研究 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 長度 m 力 N 質(zhì)量 kg 壓力 Pa 時間 s 加速度 m/s2 彈性模量 Pa 角度 泊松比 無 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 對于鈑金件，比較適用的是shell（殼）單元，可以大大節(jié)省計算時間，而且可以達到較高的精度。如果使用shell單元來做分析，那么必須以面的形式來建立車門裝配模型。筆者

10、已經(jīng)嘗試過用面的形式來建立車門裝配模型，但沒有成功。因為，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實現(xiàn)。因此，這里采用了solid（實體）單元，也就是用體的形式來建立車門裝配模型，獲得了成功。 4.3 ANSYS前處理 4.3.1導(dǎo)入過程 打開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。 圖4.1 4.3.2創(chuàng)建有限元模型 進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對話框中單擊Add按鈕，彈出Element Type for Real Constants對話框，設(shè)置如下： Real C

12、onstant Set項輸入1，即單元實常數(shù)編號為1. TK（I）輸入0.01（僅僅輸入一個節(jié)點位置的厚度，其他默認(rèn)與節(jié)點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…對話框，設(shè)置下列選項。如圖4.5 l EX項輸入6e10。 l PRXY項輸入0.3。 單擊OK按鈕返回Denne Material Model Behavior對話框，選擇該對話框菜單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拾取對話框，單擊Pick A

14、ll按鈕，在Area Attributes屬性分配對話框，設(shè)置下列選項。 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號總體直角坐標(biāo)系。 4.4.6執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)劃分 在Mesh Tool對話框中，勾選Smart Size,拖動滾動條到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，時間也越長。），點擊Mesh，彈出Mesh Area拾取對話框，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對話框，選擇Static，單擊OK按鈕。 圖4.7 4.5.2設(shè)置載荷步選項 選取菜單Main Menu>Solution>Analysin Type>Sol’n Control,選擇Basic選項卡，設(shè)置如下選項： Time

16、 Control的Time at end of load step項輸入1，即終點時間為1。 選擇Time increment選項，即選擇時間增量控制方法。 Time step size項輸入0.2，即時間增量為0.2。 Frequency項選擇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對話框，在列表中選擇All DOF,其他項默認(rèn)設(shè)置。 4.5.4施加面域均布壓力 選取菜單Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Areas, 彈出Apply PRES on Areas拾取對話框，鼠標(biāo)點擊引擎蓋上表面，單擊OK按鈕彈出Apply PRES on Areas壓力對話框，VALUE Load PRES value項輸入2000，其他項默認(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對話框，同時彈出/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對話框中Cancel按鈕退出求解，修改錯誤之處。當(dāng)/STAT Command窗口中所提示無誤時，同樣關(guān)閉/ STAT Command窗口，然后單擊Solve C

19、urrent Load Step對話框中的OK按鈕執(zhí)行求解。當(dāng)求解結(jié)束時，彈出提示信息對話框顯示“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對話框，如圖4.12設(shè)置下列選項： Item to be contoured項選擇Nodal Solution>DOF soulution>Displacement vector sum

20、,即選擇總位移。 Undisplaced shape key項選擇Deformed shape only,即只繪制變形結(jié)果模型。 Scale Factor項選擇Auto Calculated，即變形比例縮放尺寸控制，選擇自動計算變形比例。 單擊Additional Options彈出附加選項： Scale Factor contact items項輸入1.0，即結(jié)果項數(shù)值的放大比例系數(shù)。 Number of facets per slsment edge項選擇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 通過實際的測量和簡化proe三維圖的繪畫，再經(jīng)過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均布壓力的情況下，在形狀突變的引擎蓋邊緣兩個部分顏色為紅色，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)計還可以，在之后的設(shè)計時，可在此設(shè)計較好應(yīng)力應(yīng)變值得加強筋或加強板，以此來改善引擎蓋的變形程度。 但總體來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 [1] 黃亞娟，丘宏揚，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].機電工程技術(shù)，2004，33（5）：13-15. [3] 黃金陵.汽車車身設(shè)計[M].北京：機械工業(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例指導(dǎo)教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.