基于ANSYS的车辆结构有限元分析

第1章有限元法原理和基本概念1

1.1　引言1

1.2　有限元法基本原理2

　　1.2.1　平面问题概述3

　　1.2.2　结构离散化5

　　1.2.3　位移函数5

　　1.2.4　单元刚度矩阵8

　　1.2.5　载荷移置与等效节点载荷11

　　1.2.6　结构总体刚度方程12

　　1.2.7　位移边界条件的处理16

　　1.2.8　应力计算及导出结果的计算17

1.3　有限元分析与变分原理19

　　1.3.1　泛函和变分19

　　1.3.2　变分原理19

　　1.3.3　能量变分原理19

1.4　有限元方程解法20

　　1.4.1　概述20

　　1.4.2　总体刚度矩阵的一维变带宽存储21

　　1.4.3　直接法21

　　1.4.4　迭代法23



第2章ANSYS的基本使用方法25

2.1　ANSYS软件介绍25

2.2　ANSYS软件的使用28

　　2.2.1　ANSYS软件解决问题的步骤28

　　2.2.2　ANSYS软件的使用版本29

2.3　ANSYS经典版的使用30

　　2.3.1　图形用户界面30

　　2.3.2　对话框及其组成控件31

　　2.3.3　ANSYS的菜单系统34

　　2.3.4　命令流输入39

2.4　ANSYS经典版实例分析40

　　2.4.1　问题描述及解析解40

　　2.4.2　ANSYS分析步骤40

　　2.4.3　命令流46

2.5　ANSYSWorkbench的使用47

　　2.5.1　ANSYSWorkbench的启动方法47

　　2.5.2　ANSYSWorkbench的用户界面48

　　2.5.3　ANSYSWorkbench的应用方式53

　　2.5.4　ANSYSWorkbench项目管理53

　　2.5.5　ANSYSWorkbench文件管理56

2.6　ANSYSWorkbench实例分析57

　　2.6.1　问题描述及解析解57

　　2.6.2　分析步骤57



第3章创建实体模型62

3.1　几何模型与有限元模型创建技术62

3.2　ANSYS中直接创建实体模型62

　　3.2.1　实例3-1：直齿圆柱齿轮的创建62

　　3.2.2　实例3-2：带轮的创建71

　　3.2.3　实例3-3：棘轮的创建80

　　3.2.4　实例3-4：保持架的创建88

　　3.2.5　实例3-5：螺母的创建93

　　3.2.6　实例3-6：斜齿圆柱齿轮的创建99

　　3.2.7　实例3-7：管道接头的创建105

3.3　复杂实体导入ANSYS中创建有限元模型112

　　3.3.1　ANSYS实体建模简介112

　　3.3.2　实例3-8：出料口模型的导入112



第4章车辆结构静力学分析115

4.1　ANSYSAPDL平台进行静力学分析115

　　4.1.1　静力学分析步骤115

　　4.1.2　实例4-1：车桥静力学分析116

　　4.1.3　实例4-2：轴的扭转分析121

4.2　ANSYSWorkbench平台进行静力学分析129

　　4.2.1　静力学分析步骤129

　　4.2.2　实例4-3：车桥静力学分析129

　　4.2.3　实例4-4：支架静力学分析135



第5章车辆结构的模态分析143

5.1　ANSYSWorkbench模态分析简介143

5.2　实例5-1：边梁式车架模态分析144

5.3　实例5-2：车辆螺旋弹簧模态分析148

5.4　实例5-3：车辆钢板弹簧模态分析153

5.5　实例5-4：水泥罐车整车模态分析162



第6章车辆结构的瞬态分析165

6.1　瞬态动力学分析方法简介165

　　6.1.1　瞬态分析的原理165

　　6.1.2　瞬态分析分析步骤166

6.2　实例6-1：车辆多自由度振动瞬态分析168

6.3　实例6-2：车辆结构中转向桥连杆瞬态分析175



第7章车辆结构的谐响应分析183

7.1　ANSYS谐响应分析简介183

　　7.1.1　谐响应分析的原理183

　　7.1.2　谐响应分析步骤184

7.2　实例7-1：车辆多自由度振动谐响应APDL分析186

7.3　实例7-2：车辆多自由度振动谐响应Workbench分析195



第8章车辆结构的疲劳分析201

8.1　疲劳分析基础201

8.2　转向桥连杆的疲劳分析202

8.3　货车钢板弹簧的疲劳分析210

　　8.3.1　实例8-1：钢板弹簧有限元静力分析211

　　8.3.2　实例8-2：钢板弹簧疲劳有限元分析220



第9章车辆结构的优化设计224

9.1　车辆结构件的轻量化设计和拓扑优化224

　　9.1.1　ANSYSWorkbench拓扑优化简介224

　　9.1.2　实例9-1：悬架控制臂的拓扑优化和轻量化设计225

　　9.1.3　实例9-2：整体式转向梯形机构优化设计233

9.2　响应面优化239

　　9.2.1　参数化建立几何模型基础239

　　9.2.2　DesignExploration概述242

　　9.2.3　响应曲面优化设计的操作步骤243

　　9.2.4　实例9-3：对控制臂进行响应面优化的步骤243



参考文献259