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篇(1)

關(guān)鍵詞：有限元法；課程；案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.4？搖 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A？搖 文章編號(hào)：1674-9324（2013）46-0093-03

當(dāng)前中國(guó)高等教育面臨兩個(gè)緊迫局面：一個(gè)來自“全面建成小康社會(huì)”，另一個(gè)來自高校人才培養(yǎng)自身。黨的十提出的“2020年全面建成小康社會(huì)”的發(fā)展目標(biāo)，使得以培養(yǎng)人才、服務(wù)社會(huì)為己任的高等教育，倍感責(zé)任重大，情勢(shì)急迫。目前，大學(xué)本科生已全為“90后”。“90后”在校大學(xué)生一方面善于求新求變，不斷擴(kuò)大信息量和知識(shí)面，另一方面卻更注重實(shí)際、利害、功用[1]。如何根據(jù)“90后”大學(xué)生的特征，將他們培養(yǎng)成為國(guó)家急需人才，這是高等教育迫在眉睫的現(xiàn)實(shí)課題。

現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)（CAE/CAM）是我國(guó)實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)跨越的關(guān)鍵。有限元法作為計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）的先進(jìn)方法之一，是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可缺少的重要手段。有限元法基于先進(jìn)的數(shù)字模型，通過數(shù)值模擬技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品各方面性能，避免了加工物理樣機(jī)并通過試驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)品性能所帶來的高成本低效率問題，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和研發(fā)費(fèi)用。在我國(guó)實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)跨越的趨勢(shì)下，企業(yè)對(duì)具備有限元分析能力的畢業(yè)生需求越來越大。有限元法課程作為機(jī)械、土木等工程本科專業(yè)的重要選修課之一，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量的高級(jí)專門人才有著重要作用。根據(jù)“90后”大學(xué)生的求知特征，開展有限元法課程教學(xué)改革，是培養(yǎng)和提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)高等教育人才培養(yǎng)戰(zhàn)略必然要求。

一、有限元法課程的教學(xué)特點(diǎn)

有限元分析技術(shù)涉及數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)、單元技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、工程中的應(yīng)用四個(gè)方面。“數(shù)力基礎(chǔ)+單元技術(shù)+軟件工具+應(yīng)用對(duì)象”是工程有限元法課程的四個(gè)主要特征[2]。有限元法課程的教與學(xué)必須抓住“理解基礎(chǔ)理論，熟練掌握軟件工具應(yīng)用，廣泛涉獵工程應(yīng)用對(duì)象”這一主線。

二、有限元法課程教學(xué)中的問題

有限元法的基本思想是離散和分片插值，其理論涉及泛函分析、矩陣?yán)碚摗?shù)值計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各應(yīng)用領(lǐng)域（結(jié)構(gòu)、熱、電、磁、光等）基本理論。有限元教學(xué)如果只是一味強(qiáng)調(diào)理論分析，就無法使既“求新求變”又“注重實(shí)際、利害、功用”的“90后”大學(xué)生切實(shí)感受到先進(jìn)方法的魅力，反而因?yàn)榉爆嵉墓酵茖?dǎo)而對(duì)有限元法產(chǎn)生望而生畏的感覺[3]。當(dāng)前有限元法課程教學(xué)的主要問題有兩個(gè)方面。一方面是，過分強(qiáng)調(diào)有限元分析的基礎(chǔ)理論教學(xué)，卻又局限于課程學(xué)時(shí)少、學(xué)生數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)不足而流于形式。學(xué)生覺得理論深?yuàn)W、晦澀難懂，半生不熟，事倍功半。另一方面，實(shí)踐環(huán)節(jié)片面地強(qiáng)調(diào)對(duì)有限元分析軟件的掌握，對(duì)工程應(yīng)用對(duì)象涉獵不足，上機(jī)實(shí)驗(yàn)根據(jù)指導(dǎo)書按部就班完成，學(xué)生缺少自主性、探索性實(shí)踐鍛煉。使學(xué)生覺得上手容易，用起來茫然，無法自主完成實(shí)際問題的研究、探索性分析過程。

1.對(duì)有限元法基礎(chǔ)理論理解不透徹。目前有限元法教材及課程教學(xué)內(nèi)容，大多以大量篇幅和課時(shí)講授有限元法和各種單元的力學(xué)原理。課堂講授花費(fèi)很多時(shí)間進(jìn)行數(shù)學(xué)力學(xué)推導(dǎo)，而用很少時(shí)間講授應(yīng)用。實(shí)踐表明，教學(xué)效果很差，多數(shù)學(xué)生感覺深?yuàn)W難懂，枯燥乏味且不懂應(yīng)用。

2.對(duì)分析對(duì)象的工程背景不熟悉。有限元課程教學(xué)的最終目標(biāo)就是引導(dǎo)學(xué)生“廣泛涉獵工程應(yīng)用對(duì)象”，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行研究、探索性分析的能力。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑就是做實(shí)實(shí)踐環(huán)節(jié)。目前有限元課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要形式有：⑴課堂實(shí)例分析演示；⑵上機(jī)實(shí)驗(yàn)；⑶課外工程實(shí)例研究分析。這些實(shí)踐過程基本都是學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)書完成，缺少自主性、探索性實(shí)踐鍛煉。由于缺少自主性，多數(shù)學(xué)生對(duì)分析對(duì)象的工程背景不熟悉。不清楚研究對(duì)象模型如何簡(jiǎn)化，導(dǎo)致分析過程中不能合理的設(shè)置參數(shù)，對(duì)分析中出現(xiàn)的問題找不出原因予以解決或者對(duì)分析結(jié)果不能做出合理的解釋。無法培養(yǎng)和有效提高學(xué)生用有限元法分析實(shí)際問題能力。

3.對(duì)分析軟件功能模塊應(yīng)用不熟練。對(duì)于復(fù)雜的實(shí)際問題，很少有學(xué)生能夠通過直接編程完成對(duì)結(jié)構(gòu)的分析過程。利用商業(yè)軟件進(jìn)行工程問題有限元分析，“熟練掌握軟件工具應(yīng)用”是目前有限元課程實(shí)踐教學(xué)的基本要求。目前教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問題是，上機(jī)實(shí)習(xí)題目少，涉及的工程問題較簡(jiǎn)單，使得學(xué)生對(duì)軟件功能模塊的應(yīng)用不熟練。在遇到實(shí)際問題時(shí)，不清楚先后步驟；不會(huì)合理的設(shè)置參數(shù)，導(dǎo)致問題不能求解或求解結(jié)果不正確。分析解決實(shí)際問題的能力受到限制。

三、有限元法課程教學(xué)改革實(shí)踐

教學(xué)過程中如何貫徹“理解基礎(chǔ)理論，熟練掌握軟件工具應(yīng)用，廣泛涉獵工程應(yīng)用對(duì)象”這一主線，是有限元法教學(xué)成與敗的關(guān)鍵。加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)理解性教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生分析解決工程實(shí)際問題的能力是教學(xué)改革的大方向。因此，針對(duì)目前有限元課程教學(xué)中的問題，我們對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行了改革。

1.基礎(chǔ)理論教學(xué)化繁為簡(jiǎn)，虛實(shí)結(jié)合。基礎(chǔ)理論從平面桿系結(jié)構(gòu)開始，再到彈性體平面問題，把有限元法基本原理和分析過程循序漸進(jìn)、完整、清晰地講授出來。簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)過程，提高了學(xué)生的理解和接受程度。講授平面桿系結(jié)構(gòu)有限元分析過程時(shí)，以圖1所示的簡(jiǎn)單靜定桁架內(nèi)力分析為例；講授彈性體平面問題時(shí)，以圖2所示的兩端固定平面深梁為例。用這些實(shí)例，把結(jié)構(gòu)離散，單元分析，整體剛度矩陣集成，整體結(jié)點(diǎn)平衡方程，位移邊界條件應(yīng)用，有限元最終解等完整的分析過程展現(xiàn)給學(xué)生。虛實(shí)結(jié)合，這一方法有效地提高了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解和接受程度。

2.采用案例教學(xué)，廣泛涉獵分析對(duì)象的工程背景。基于ANSYS軟件平臺(tái)，精選機(jī)械工程中應(yīng)用實(shí)例，如齒輪、飛輪、主軸等零部件進(jìn)行課堂有限元分析演示，廣泛涉獵分析對(duì)象的工程背景，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到該課程的廣闊應(yīng)用前景。講授單元類型時(shí)，結(jié)合具體工程實(shí)例來介紹軸對(duì)稱單元、板殼單元、實(shí)體單元等類型單元的應(yīng)用。講授單元位移模式和結(jié)構(gòu)分析的h方法與p方法時(shí)，結(jié)合工程實(shí)例分析演示，采用討論式、啟發(fā)式的教學(xué)方式，讓學(xué)生從中體會(huì)不同分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)。案例教學(xué)法，使學(xué)生逐步體會(huì)到如何將一個(gè)工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)換為有限元求解模型，樹立了牢固的工程觀。

3.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)分析軟件“練中學(xué)，學(xué)中用”。“練中學(xué)”。安排16學(xué)時(shí)的課程上機(jī)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，提供8個(gè)左右的實(shí)際問題有限元分析題目，使學(xué)生在上機(jī)練習(xí)中逐步熟悉和掌握ANSYS軟件的功能模塊應(yīng)用。同時(shí)，通過這些練習(xí)，使學(xué)生逐步學(xué)會(huì)將一個(gè)工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)換為有限元求解模型的技能，初步具備解決實(shí)際問題的能力。“學(xué)中用”。課程教學(xué)的終極目標(biāo)是使學(xué)生學(xué)以致用。因此，課程實(shí)踐環(huán)節(jié)考核的最有效指標(biāo)就是學(xué)生能否“學(xué)中用”。在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)改革中，我們?cè)谏蠙C(jī)實(shí)習(xí)之外增加了課程論文考核環(huán)節(jié)，同時(shí)增大這一自主實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核權(quán)重。課程結(jié)束時(shí)，教師給出15個(gè)左右工程實(shí)際問題題目，讓學(xué)生按小組選題并完成分析過程，提交課程論文。學(xué)生也可以自己尋找工程中實(shí)際問題作為課程論文題目，藉此可以鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析解決問題的能力。通過幾年教學(xué)改革實(shí)踐，效果顯著。學(xué)生利用課程論文這個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，熟練、系統(tǒng)地對(duì)所學(xué)知識(shí)和分析軟件進(jìn)行應(yīng)用。一部分學(xué)生結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，自找題目完成課程論文。例如，有學(xué)生自擬“不同筋板結(jié)構(gòu)井蓋的有限元分析”題目并以優(yōu)異成績(jī)完成課程論文；也有學(xué)生結(jié)合教師科研項(xiàng)目開創(chuàng)性地完成“馬鈴薯覆膜穴播種機(jī)機(jī)架有限元分析”課程論文。“學(xué)中用”的目標(biāo)，通過課程論文題目這一實(shí)踐環(huán)節(jié)得到充分體現(xiàn)。

通過幾年來有限元法課程教學(xué)改革實(shí)踐，本科生對(duì)有限元法基礎(chǔ)理論理解加深，軟件的操作應(yīng)用熟練掌握。同時(shí)，通過課程論文環(huán)節(jié)的實(shí)踐鍛煉，學(xué)生對(duì)有限元法有了更深刻的認(rèn)識(shí)，達(dá)到了“學(xué)中用”的教學(xué)目標(biāo)。通過有限元課程教與學(xué)，極大提高了學(xué)生的數(shù)值計(jì)算應(yīng)用能力，為將來從事CAE相關(guān)研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]于亞婷，杜平安.有限元法課程實(shí)踐教學(xué)方法探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，（2）：108-110.

篇(2)

摘要：本文對(duì)YL25C型輪胎壓路機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。在設(shè)計(jì)過程中，提出3種比較理想的結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)3種方案進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，最終選定了簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)方案。本文對(duì)液壓馬達(dá)、減速機(jī)、軸承等元件的選型也做了比較詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與校核、對(duì)軸承進(jìn)行壽命計(jì)算分析。運(yùn)用Pro/E對(duì)所有的0部件進(jìn)行建模，建模完成后進(jìn)行了干涉分析、運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)裝拆順序動(dòng)畫的制作。還通過Pro/e的有限元分析對(duì)軸和機(jī)架焊接件進(jìn)行了有限元分析，針對(duì)機(jī)架焊接件有限元分析結(jié)果，提出機(jī)架焊接件結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案。完成了主要0件的工程圖繪制和加工工藝過程分析。

關(guān)鍵詞：輪胎壓路機(jī) 后輪驅(qū)動(dòng)裝置 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Pro/E建模 有限元分析

The Structural Design about the Simple Supported Rear Drive of Tyre Road Roller

Abstrct: The paper expatiates on the structural design about the rear drive device of tyre road roller. The paper puts forward three structures during the design work, then analyzes the advantages and disadvantages of them in detail, finally chooses a simple supported type structure to use in the design. The paper does much calculation work to choose the right model of the components, such as hydraulic motor, reducer and bearing. The paper checks the strength of the shaft and the service life of the bearing by calculation and analysis. All the parts and components of the device are modeled in using Pro/E. The paper analyzes the interference among parts and components, executes the mechanical motion emulation, and works out an animation about the assembled and unassembled process of the device after the modeling work. The paper uses finite element analysis function in the Pro/E to do finite element analysis work on shaft and supported framework, then makes a structural improvement about the supported framework by using the result of finite element analysis work. The paper also works out drawings and process planning of some major parts and components.

Keyword: tyre roller, the rear drive device, structural design, modeling in Pro/E, finite element analysis (FEA)

篇(3)

關(guān)鍵詞： FRP加固梁ANSYS有限元分析

中圖分類號(hào)：TV331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0、 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,簡(jiǎn)稱FRP)以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗疲勞等優(yōu)越的力學(xué)性能,廣泛地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域之中。在有些條件下傳統(tǒng)建筑材料很難滿足這種發(fā)展要求。FRP復(fù)合材料具有輕質(zhì)，高強(qiáng)，耐腐蝕，抗疲勞，耐久性好，多功能，適用面廣，可設(shè)計(jì)和易加工等多種優(yōu)點(diǎn)。在重要的土木工程中，如超大跨，超高層，地下結(jié)構(gòu)，海洋工程，高耐久性的應(yīng)用，以及特殊環(huán)境工程，永久性工程，結(jié)構(gòu)加固修復(fù)，都具著巨大的優(yōu)越性。

1、單元有限元分析

1.1 單元有限元模型

在文獻(xiàn)[1]中，提出了一種用單元分析FRP-混凝土界面破壞的方法。其基本思路是：用非常小的單元(0.25mm~0.5mm)來模擬混凝土和FRP 片材，在混凝土和FRP片材之間不再設(shè)置膠層，而是將二者直接聯(lián)系在一起，通過混凝土單元的開裂破壞來模擬FRP的剝離。由于單元尺寸很小，因此混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系需要加以修正以考慮尺寸效應(yīng)的影響。研究表明，采用有限元模型可以較好地預(yù)測(cè)FRP 和混凝土之間的面內(nèi)剪切破壞。因此，使用該模型來分析FRP加固混凝土梁IC debonding 界面破壞。有限元模型中，雖然單個(gè)的混凝土單元依然基于彌散裂縫模型，但是因?yàn)閱卧叽绶浅Ｐ?0.5mm 以下)，因此仍然可以較好地模擬裂縫附近的變形以及滑移集中情況。

1.2 界面粘結(jié)滑移關(guān)系

對(duì)于遠(yuǎn)離受彎裂縫的FRP-混凝土界面該裂縫形狀與面內(nèi)剪切試驗(yàn)的裂縫形狀很相似[1]，說明此處的粘結(jié)-滑移關(guān)系與面內(nèi)剪切試驗(yàn)的差不多，故可直接采用由剪切試驗(yàn)得到的界面粘結(jié)-滑移關(guān)系。

1.3 雙重剝離破壞準(zhǔn)則

通過前面的分析可以知道，如果界面距離受彎裂縫較遠(yuǎn)，即與界面單元相連的混凝土單元沒有開裂，其剝離破壞主要是由界面的整體單向相對(duì)滑動(dòng)引起，滑移場(chǎng)比較均勻，采用普通界面單元的形函數(shù)可以較好地估計(jì)單元內(nèi)部的滑移狀態(tài)。

2、ANSYS有限元分析結(jié)果

基于ANSYS軟件分別建立了文獻(xiàn)[2]中的BL20-2、PPL30梁和文獻(xiàn)[3]中的RLII-3梁的有限元計(jì)算模型，各個(gè)試件的材料參數(shù)詳見文獻(xiàn)[2-3]。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，根據(jù)對(duì)稱性，對(duì)每個(gè)試件僅建立了1/4梁的有限元模型。

計(jì)算得到的荷載－跨中撓度曲線及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見圖1所示,將計(jì)算得到的梁的極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見表1所示。

（a）BL20-2梁 （b）PLL30梁 (c)RLII-3梁

圖1 計(jì)算的荷載－跨中撓度曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

表1計(jì)算極限荷載與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

計(jì)算的梁荷載－跨中撓度曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，從加載直到屈服階段，計(jì)算得到的荷載－撓度曲線與試驗(yàn)結(jié)果有很好的吻合；屈服后，BL20-2和PLL30梁的荷載－撓度曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但RLII-3梁的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，模擬結(jié)果未能合理反映梁荷載－撓度曲線的下降段。

計(jì)算得到的三根梁的極限荷載均與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合，即建立的有限元模型可以較好的模擬FRP加固混凝土梁的承載力。

Solid65單元使用彌散式裂縫模型，針對(duì)混凝土的開裂與壓碎，ANSYS中提供了專門的圖形顯示命令PLCRACK。該命令用小圓圈表示混凝土的開裂部位，小八邊形表示混凝土的壓碎部位。如果裂縫張開后又閉合，通過小圓圈中間加X表示。此外，在每個(gè)積分點(diǎn)處可以有至多三個(gè)開裂面，第一、二、三方向裂縫分別用紅、綠、藍(lán)小圓圈表示。限于篇幅限制，僅將模擬得到的BL20-2梁在不同加載過程的破壞形態(tài)列出，如圖2所示。

由于關(guān)閉了混凝土的壓碎選項(xiàng)，混凝土的破壞僅以開裂體現(xiàn)，在破壞前期，最主要的破壞形態(tài)是梁跨中底部混凝土的開裂，且所有開裂形態(tài)基本為彎曲裂縫；在梁的中度開裂階段，開裂高度增加，且在支座上部出現(xiàn)出現(xiàn)剪切斜裂縫；在梁的最終破壞階段，梁的開裂進(jìn)一步加劇，跨中裂縫布滿整個(gè)梁高，支座處剪切斜裂縫向頂部擴(kuò)展。

(a)初始開裂階段

(b)中度破壞階段

(c) 最終破壞階段

圖2 模擬得到的梁在不同加載階段的破壞形態(tài)

3、結(jié)論與展望

本文在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外利用ANSYS軟件對(duì)FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析取得的研究成果的基礎(chǔ)上，建立了FRP加固混凝土梁的有限元計(jì)算模型，模擬得到了梁的荷載－撓度曲線，極限荷載以及梁在不同加載階段的破壞形態(tài)；將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的對(duì)比表明，所建立的有限元模型可以較為準(zhǔn)確的模擬梁的承載能力以及破壞形態(tài)，驗(yàn)證了所建立的有限元模型的正確性。

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和技術(shù)飛速進(jìn)步，世界各國(guó)對(duì)土木工程的要求越來越高。FRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用技術(shù)與材料研究開發(fā),在當(dāng)今世界上已成為復(fù)合材料界與土木工程界共同研究開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。該技術(shù)研究開發(fā)成功后將會(huì)極大地推動(dòng)現(xiàn)代土木工程的技術(shù)進(jìn)步。它還將為現(xiàn)代復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)開辟出巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，因而具有非常廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

作者簡(jiǎn)介：趙健（1979.1－），男，工學(xué)學(xué)士，工程師。

參 考 文 獻(xiàn)：

1Lu Xinzheng, Teng Jinguang, Ye Lieping and Jiang Jianjing. Bond-slip models for FRP sheet/plate-to--concrete interfaces [A]. Proc.2nd International Conference of Advanced Polymer Composites for Structural Applications in Construction [C]. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Ltd, 2004. 152~161.

篇(4)

關(guān)鍵詞：ANSYS；鋼結(jié)構(gòu)框架；風(fēng)荷載；安檢通道

前言

由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及理論的日趨成熟、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，目前已成為一種主要的建筑結(jié)構(gòu)類型應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，主要有：桁架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及支架等。

ANSYS有限元軟件是一個(gè)通用設(shè)計(jì)分析程序，可以用來分析超高超限、體系復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大型有限元軟件，在機(jī)械、土木、電子及航空等不同領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為土木建筑行業(yè)分析軟件的主流。

1設(shè)計(jì)對(duì)象

本文設(shè)計(jì)對(duì)象是為福建某核電站進(jìn)行配套的安檢通道設(shè)計(jì)，該核電站東臨東海，北臨晴川灣。該安檢通道結(jié)構(gòu)尺寸為11m×4m×2.8m，選用單層框架結(jié)構(gòu)，采用設(shè)計(jì)及仿真分析相結(jié)合的方法，進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，從該結(jié)構(gòu)的1：1模型入手，采用AUTOCAD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載作用分析。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1） 主體結(jié)構(gòu)主要為單向受彎，需要有很好的穩(wěn)定性，故立柱采用H型鋼，選擇H型鋼的好處還在于H型鋼截面的慣性中心在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一般情況下，梁為單向受彎構(gòu)件，也通常采用H型鋼。H型鋼的材料在截面上的分布比較符合受彎的特點(diǎn)，用鋼較省，而且其比內(nèi)翼緣有斜坡軋制普通工字鋼截面抗彎性能更高，易于與其他構(gòu)件連接。

2） 通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。當(dāng)強(qiáng)度起主要作用時(shí)可選擇Q345，穩(wěn)定控制時(shí)宜使用Q235。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮故本結(jié)構(gòu)構(gòu)件均選用Q235B。

3） 整個(gè)結(jié)構(gòu)通過焊接在頂部的六個(gè)吊耳進(jìn)行吊裝，強(qiáng)度高。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

4.6 風(fēng)荷載的有限元分析

為設(shè)備做充分的安全考慮，整體迎風(fēng)面積風(fēng)荷載按設(shè)備頂端即Z=2.8m處風(fēng)荷載值進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)出于安全性考慮，分析時(shí)按2.0KN/m2風(fēng)荷載施加荷載。

在ANSYS中建立鋼架整體計(jì)算模型，梁、柱均采用BEAM188單元，作用在鋼結(jié)構(gòu)框架上的各種荷載等效離散化為節(jié)點(diǎn)力，考慮安裝設(shè)備重量對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)框架的影響，采用集中力的方式作用于結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上，在ANSYS中直接加載于結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)上，風(fēng)荷載的計(jì)算如前文所示，風(fēng)向取正Z向。圖3～圖5為結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載作用分析結(jié)果圖，包括結(jié)構(gòu)的變形、等效應(yīng)力等。

4.7 結(jié)果分析

從圖3～圖5可以看出鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載組合荷載作用下，變形很小僅為26.337mm。最大等效應(yīng)力為584.26MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在通道的最右側(cè)迎風(fēng)面的梁上，通道頂部和主梁的重量通過梁與柱的交點(diǎn)向下傳遞，因此鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的整體承載力極限狀態(tài)檢驗(yàn)合格。

在風(fēng)荷載作用下整個(gè)框架在背風(fēng)側(cè)受壓力，迎風(fēng)面受拉力，風(fēng)荷載是作用在鋼架上的主要水平荷載，水平荷載的主要是由主梁和內(nèi)部的設(shè)備安裝鋼梁來傳遞的。側(cè)風(fēng)面的梁均受壓力，這主要是由于計(jì)算的風(fēng)向?yàn)檎齔向，計(jì)算結(jié)果與理論分析相符合。

從ANSYS的仿真計(jì)算結(jié)果及結(jié)果的分析中可以看出主機(jī)組裝機(jī)鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力較大，但由于設(shè)計(jì)構(gòu)件強(qiáng)度及尺寸足夠大，鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的整體形變及構(gòu)件的應(yīng)力、變形均較小，符合規(guī)范的要求及實(shí)際設(shè)備安全運(yùn)行的需要。

5結(jié)論

1）本文根據(jù)項(xiàng)目要求對(duì)安檢通道的鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠滿足安檢通道對(duì)于空間布局、吊裝、安裝固定等方面的要求；

2）本文使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)證，充分考慮該安檢通道所處的位置對(duì)風(fēng)載荷進(jìn)行重點(diǎn)考慮，驗(yàn)證結(jié)果均能滿足項(xiàng)目要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2] GB50017-2003，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S]

[3] 胡柱.快速裂解制生物燃油主機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2010.

篇(5)

關(guān)鍵字：有限元；教學(xué)改革；實(shí)踐

一、有限元課程在機(jī)械專業(yè)中的背景和重要性

有限元法（FEM）是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，已廣泛應(yīng)用在機(jī)械、建筑和航空航天等行業(yè)。有限元分析可為各類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程分析提供可靠依據(jù)，已經(jīng)成為工程科學(xué)中處理難題的重要手段。當(dāng)前，有限元法理論體系已經(jīng)成熟，常用的有限元軟件包括MSC Nastran、Ansys、Abaqus等。

隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，也極大促進(jìn)了有限元技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。特別對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)中，有限元分析已經(jīng)成為設(shè)計(jì)者的重要依據(jù)。涉及有限元法相關(guān)的機(jī)械方面的科研論文眾多，已經(jīng)成為科研人員重要的工具。

根據(jù)機(jī)械專業(yè)性質(zhì)和知識(shí)要求，機(jī)械工程師必須具備必要的有限元分析計(jì)算能力。機(jī)械專業(yè)培養(yǎng)的大多數(shù)學(xué)生要求能夠獨(dú)立運(yùn)用有限元法從事機(jī)械設(shè)計(jì)、研發(fā)能力，這就要求學(xué)生要成為基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)廣闊、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合人才。在機(jī)械發(fā)展水平不斷提高的情況下，必須進(jìn)一步調(diào)高人才的培養(yǎng)質(zhì)量，提高學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用有限元從事機(jī)械設(shè)計(jì)的能力，必須對(duì)有限元課程進(jìn)行改革。

二、有限元課程在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中存在的問題

1. 重理論輕實(shí)驗(yàn)

有限元理論復(fù)雜，涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、數(shù)值方法等方面的知識(shí)，不容易講也不容理解，老師往往花大量的時(shí)間灌輸基本理論。實(shí)踐環(huán)節(jié)僅僅利用計(jì)算軟件按照例子進(jìn)行模擬分析，至于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性沒有進(jìn)行分析，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)有限元分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生懷疑。有限元分析結(jié)果一方面可以參照解析解，沒有解析解的話可以做實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)。很多本科院校根本忽略有限元相關(guān)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)，根本原因是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證需要投入人力、物力和財(cái)力。學(xué)校和老師都應(yīng)加大這方面的投入。

2.前瞻性不足

有限技術(shù)雖然已經(jīng)成熟，但可供研究的內(nèi)容還有很多，很多老師講課的內(nèi)容只講教材，根本不講解研究前沿。只有有限元的教學(xué)和科研有機(jī)結(jié)合，才能全面掌握有限元技術(shù)。在教學(xué)時(shí)，我們既要重視基礎(chǔ)理論，又要重視科技前沿。要求老師對(duì)有限技術(shù)相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)認(rèn)真閱讀，將有限元前沿的知識(shí)合理灌輸給學(xué)生，讓學(xué)生實(shí)時(shí)了解有限技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，很多學(xué)生聽說有限元很難學(xué)，心里有懼怕情緒。再加上有限元課程通常是選修課，令很多學(xué)生避而言之。當(dāng)然，這里有老師的因素，更多的是學(xué)生自身的因素。很多學(xué)生沒有意識(shí)到有限法對(duì)機(jī)械專業(yè)的重要性，老師也要引導(dǎo)學(xué)生提高學(xué)習(xí)熱情。

4.理論和實(shí)踐脫節(jié)

理論與實(shí)際工程結(jié)合才能體現(xiàn)有限元法的重要作用。教學(xué)過程中，老師常常拿梁、桿等簡(jiǎn)單例子進(jìn)行練習(xí)，限制了學(xué)生對(duì)有限元法對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)重要作用的認(rèn)知。做到理論聯(lián)系實(shí)踐，需要老師要掌握利用有限元法機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，這給老師提出更高的要求。老師應(yīng)當(dāng)多參與企業(yè)實(shí)際的機(jī)械項(xiàng)目，不斷積累經(jīng)驗(yàn)。

三、教學(xué)方法改革

根據(jù)有限元課程在授課過程中存在一些問題，應(yīng)從以下方面進(jìn)行改革。學(xué)生只有系統(tǒng)掌握有限元技術(shù)的知識(shí)，才能在機(jī)械設(shè)計(jì)中合理準(zhǔn)確地使用。

1.加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練

有限元法涉及的基礎(chǔ)學(xué)科包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)以及數(shù)值方法相關(guān)的知識(shí)。掌握彈性力學(xué)的基本方程和彈性力學(xué)平衡問題的基本求解方法。能夠推導(dǎo)平面桿系、梁結(jié)構(gòu)和殼單元的解析和數(shù)值解的推導(dǎo)方法。并利用通用的有限元軟件進(jìn)行基本訓(xùn)練鍛煉，加深學(xué)生對(duì)有限元基本原理和流程的理解。在編寫講義時(shí)，應(yīng)著重對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)系統(tǒng)化為側(cè)重點(diǎn)。

加強(qiáng)教師工程背景的培養(yǎng)，特別加大與企業(yè)的合作力度，著重從工程的實(shí)際角度深刻理解有限元法的應(yīng)用。教師應(yīng)從自身情況出發(fā)，對(duì)企業(yè)進(jìn)行考察、調(diào)研，了解企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一些難點(diǎn)，特別是機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及分析計(jì)算內(nèi)容。爭(zhēng)取將這些項(xiàng)目與學(xué)生的培養(yǎng)結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用的能力。學(xué)生既得到了鍛煉，又幫企業(yè)解決一些計(jì)算問題。

2.教學(xué)與研究結(jié)合

從國(guó)內(nèi)外高水平的大學(xué)辦學(xué)理念來看，研究和教學(xué)相互結(jié)合才能讓學(xué)生進(jìn)入高水平。國(guó)內(nèi)的大多數(shù)高校關(guān)于有限元的教學(xué)不是很深入，導(dǎo)致學(xué)生不能深刻地消化有限元技術(shù)的精髓。從機(jī)械專業(yè)的角度來看，利用有限元相關(guān)的科研提高學(xué)生運(yùn)用有限元和機(jī)械設(shè)計(jì)能力是一種很好的途徑。

有限元方面的研究文獻(xiàn)很多，通過研讀專業(yè)文獻(xiàn)，著重體會(huì)有限元建模、邊界條件簡(jiǎn)化、求解、后處理等細(xì)節(jié)內(nèi)容。特別是利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性具有的重要作用。掌握裝置的固有頻率、陣型測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法與過程。

教學(xué)改革的關(guān)鍵是教學(xué)理念的更新，實(shí)踐新的教學(xué)理念，針對(duì)有限元在機(jī)械專業(yè)中這門課程，教師應(yīng)不斷將新的研究成果融入到教學(xué)內(nèi)容中，采用有效地教學(xué)手段，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文靜.“有限元方法及軟件應(yīng)用”課程教學(xué)改革實(shí)踐探索.科學(xué)教育論壇.2005.

篇(6)

關(guān)鍵詞：行業(yè)學(xué)院；教學(xué)改革；汽車零部件；有限元分析；課程探索

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）16-0172-02

汽車工程學(xué)院作為常熟理工學(xué)院新成立的行業(yè)學(xué)院，目的是為周邊城市和汽車行業(yè)輸送人才[1]。為了符合企業(yè)對(duì)人才的要求，開設(shè)了車輛結(jié)構(gòu)有限元課程。該課程若只進(jìn)行軟件模擬分析不能使學(xué)生對(duì)課程有較深的了解。為此，課題小組圍繞汽車零部件有限元進(jìn)行課程探索，與企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合分析、并利用空余時(shí)間參與行業(yè)培訓(xùn)，與相關(guān)設(shè)備廠家積極聯(lián)系，從軟硬件上滿足教學(xué)改革要求。

一、舊模式下的車輛有限元課程

原有車輛有限元課程在軟件所用版本較低，操作上比較復(fù)雜，所學(xué)內(nèi)容到企業(yè)工作后基本用不上。另外，多數(shù)教師是由高校畢業(yè)后直接任教，缺乏實(shí)際應(yīng)用過程。單純軟件教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。

二、車輛有限元課程教學(xué)改革方向

學(xué)院在課程培訓(xùn)目標(biāo)上進(jìn)行較大的教學(xué)改革，不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)術(shù)理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，而且對(duì)學(xué)生在技能操作方面有較多的考核。車輛有限元課程作為教學(xué)改革的課程之一，首先成立課題小組，圍繞怎么上好課、滿足企業(yè)對(duì)人才的要求、使學(xué)生更容易接受課程知識(shí)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熟練操作等方面進(jìn)行討論和探索。

三、車輛結(jié)構(gòu)有限元課程探索內(nèi)容

（1）成立課題小組。原先課程由一位老師進(jìn)行上課，其教學(xué)經(jīng)歷對(duì)該課程有直接影響。為了避免單個(gè)教師教學(xué)經(jīng)歷帶來的局限性，學(xué)院成立了課題小組。小組成員由教授、副教授、博士、有企業(yè)經(jīng)歷的在職教師和企業(yè)在職人員組成，對(duì)每一次課程進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

（2）與企業(yè)聯(lián)合開展課程。為了解企業(yè)需求，學(xué)院利用假期和教師空閑時(shí)間，派遣教師深入企業(yè)進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的培訓(xùn)和實(shí)際操作培訓(xùn)；并與部分企業(yè)聯(lián)合開展觀摩試驗(yàn)教學(xué)課程，通過理論和實(shí)際學(xué)習(xí)，加深對(duì)該課程的理解。

（3）加強(qiáng)軟硬件實(shí)力。首先，采用新版軟件，并與軟件公司積極聯(lián)系，爭(zhēng)取獲得更多的高校版節(jié)點(diǎn)和相關(guān)資源；其次在數(shù)據(jù)建模上，學(xué)院投入資金，購(gòu)買ATOS三維掃描儀，解決汽車零部件數(shù)據(jù)建模方面的困難；另外，設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，建立汽車零部件先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室，新購(gòu)2臺(tái)教師機(jī)終端和45臺(tái)學(xué)生機(jī)終端，從配置上滿足有限元仿真運(yùn)算要求；學(xué)院近期擬對(duì)接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x器進(jìn)行招標(biāo)；從軟件到硬件環(huán)境上滿足該課程開展的需求。

（4）探索開發(fā)車輛結(jié)構(gòu)有限元試驗(yàn)課程。根據(jù)課程大綱要求，重點(diǎn)是將有限元軟件仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將理論與實(shí)際聯(lián)合，充分加深學(xué)生對(duì)該課程的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前開展的試驗(yàn)課程有重型車橋殼理論與實(shí)踐觀摩教學(xué)、推力桿故障有限元分析教學(xué)。近期還將開展轎車車門理論與試驗(yàn)教學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架受力分析試驗(yàn)教學(xué)、傳動(dòng)軸受扭分析試驗(yàn)教學(xué)等試驗(yàn)課程。

四、車輛有限元試驗(yàn)課程介紹

目前開展的試驗(yàn)課程偏少，主要是因?yàn)檎n題組在2016年3月初剛剛成立；另外一些設(shè)備和儀器處于項(xiàng)目驗(yàn)收或購(gòu)買過程中，導(dǎo)致一些試驗(yàn)課程并未實(shí)施。目前是已開展的課程主要有以下兩個(gè)方面：

（1）重型車橋殼理論與實(shí)踐觀摩教學(xué)。通過理論課程的操作教學(xué)，先確保每位同學(xué)能夠在軟件平臺(tái)上完成重型車橋殼的有限元仿真分析，由軟件觀察橋殼幾個(gè)部位的變形量情況。圖1為重型車橋殼臺(tái)架觀摩試驗(yàn)，通過不同載荷加載并記錄多個(gè)測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)位的變形；通過多種載荷進(jìn)行有限元分析和實(shí)際加載過程的對(duì)比，了解軟件仿真過程和實(shí)際測(cè)量過程中的各部位變形量情況。

（2）推力桿故障有限元分析教學(xué)。由企業(yè)提供的推力桿三維，課題小組共同完成的推力桿有限元軟件仿真分析。該教學(xué)主要是通過有限元軟件模擬靜力學(xué)和屈曲分析[2]，使學(xué)生了解推力桿在使用過程中易失效故障部位。

通過軟件分析后，由學(xué)生討論推力桿分析可能會(huì)發(fā)生故障的部位，最后通過推力桿故障圖例，如圖2所示，分析并討論結(jié)果。通過研究和觀察實(shí)際故障件的實(shí)踐教學(xué)模式，加深對(duì)該課程的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生意識(shí)到該課程的作用和意義。

五、車輛有限元課程試驗(yàn)課程規(guī)劃和展望

目前，ATOS三維掃描儀已經(jīng)到位，接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x器正在招標(biāo)過程中，待該儀器到位，即將開展轎車車門理論與試驗(yàn)教學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架受力分析試驗(yàn)教學(xué)、傳動(dòng)軸受扭分析試驗(yàn)教學(xué)。通過ATOS三維掃描儀對(duì)汽車零部件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，采用手持加載儀器對(duì)汽車零部件進(jìn)行加載，然后通過接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x器對(duì)試驗(yàn)的汽車零部件進(jìn)行應(yīng)變掃描分析，通過變形或轉(zhuǎn)化后的應(yīng)力與有限元軟件分析情況進(jìn)行對(duì)比。課題小組通過增加有限元試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面；通過學(xué)習(xí)該課程，不僅掌握軟件操作使用，而且了解如何確認(rèn)分析結(jié)果正確性以及修正過程。

六、總結(jié)

學(xué)院在開展車輛結(jié)構(gòu)有限元課程方面，通過成立課題小組，在教學(xué)改革方面群策群力。并在教學(xué)軟硬件環(huán)境方面大力投資，積極主動(dòng)與企業(yè)聯(lián)系，開展的課程實(shí)例都來自于行業(yè)內(nèi)的汽車零部件，課程與行業(yè)實(shí)際情況緊密聯(lián)系；通過實(shí)踐觀摩、故障研究討論等方式，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)的樂趣。并在后期增加了試驗(yàn)課程的課時(shí)數(shù)，使學(xué)生能夠更直觀的了解該課程和實(shí)際受力情況的對(duì)比，充分認(rèn)識(shí)到該課程的實(shí)用性。

參考論文：

篇(7)

關(guān)鍵詞：

汽車?yán)龋?支架； 離合器踏板； NVH； 振動(dòng)； 傳遞函數(shù)； 優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U463.82; TB115.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Structure optimization of automobile horn bracket based on transfer function

HU Huabin, YANG Jin, TIAN Guannan, ZHAO Suoqiang

(Chery Automobile Co., Ltd., Wuhu 241009, Anhui, China)

Abstract： As to the vibration of a prototype vehicle clutch pedal under horn working condition, the acceleration frequency response function for transfer path is obtained by finite element analysis and experimental test. The acceleration frequency responses at clutch pedal obtained by NVH test are in good consistence with the results of transfer function calculated by finite element method. The horn bracket structure is optimized in the existing design space, and the acceleration frequency responses at clutch pedal before and after horn bracket optimization are compared. The test results of acceleration frequency responses at clutch pedal after horn bracket optimization show that the vibration problem of clutch pedal is almost solved.

Key words： automobile horn; bracket; clutch pedal; NVH; vibration; transfer function; optimization

0 引 言

隨著人們對(duì)汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，汽車駕駛室內(nèi)的振動(dòng)噪聲問題越來越受到重視.方向盤、座椅以及離合器踏板等的振動(dòng)與乘客的感受直接相關(guān)，是乘客能感受到的整車NVH性能的重要指標(biāo).汽車上的一些發(fā)聲電器部件在工作時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)會(huì)給整車帶來許多NVH問題，如警報(bào)裝置-喇叭、音響系統(tǒng)等.汽車是由多個(gè)子結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，某一特定位置的振動(dòng)往往是受一個(gè)遠(yuǎn)處的振動(dòng)源激勵(lì)引起的，因此，在汽車NVH分析過程中常將汽車簡(jiǎn)化為由激勵(lì)源、傳遞路徑和響應(yīng)點(diǎn)等組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng).［1］

針對(duì)某款試驗(yàn)樣車在喇叭工作時(shí)離合器踏板處有明顯振動(dòng)的問題，通過試驗(yàn)測(cè)試和CAE仿真2種方法的綜合應(yīng)用，優(yōu)化喇叭支架，進(jìn)一步提高整車NVH性能.

1 傳遞函數(shù)的基本理論

黏性阻尼多自由度系統(tǒng)的平衡方程式為

Mx¨+Cx?+Kx=f

（1）

式中：M,C,K,f和x分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、力向量和響應(yīng)向量［2］.

對(duì)式(1)進(jìn)行拉氏變換，并假設(shè)初始位移和初始速度為0，可得

(s2M+sC+K)X(x)=F(s)

（2）

式中：s為拉氏變換因子.

式(2)可寫為

Z(s)X(s)=F(s)

(3)

式中：Z(s)為動(dòng)剛度矩陣，其倒數(shù)稱為機(jī)械導(dǎo)納，也稱為傳遞函數(shù)H(s).

式(3)可變換為

X(s)=H(s)F(s)

(4)

對(duì)于實(shí)際的振動(dòng)系統(tǒng)，用jω代替s不會(huì)失去有用信息，對(duì)方程兩邊進(jìn)行傅里葉變換，得

X(ω)=H(ω)F(ω)

(5)

式中：H(ω)為頻率響應(yīng)函數(shù).

系統(tǒng)的頻率響應(yīng)矩陣為阻抗矩陣的逆矩陣，可用傅氏域內(nèi)的H(ω)代替拉氏域內(nèi)的傳遞函數(shù)

H(s).在一定的激勵(lì)作用下，頻率響應(yīng)函數(shù)與系統(tǒng)的響應(yīng)成正比，動(dòng)剛度與系統(tǒng)的響應(yīng)成反比.［3-4］在實(shí)際工程應(yīng)用中，可用有限元分析軟件（如MD Nastran）計(jì)算出單位載荷激勵(lì)下目標(biāo)位置的頻率響應(yīng)函數(shù)，或用試驗(yàn)設(shè)備測(cè)出其傳遞函數(shù).

2 支架優(yōu)化流程

試驗(yàn)樣車的喇叭為蝸牛電子喇叭，分別布置在左、右前縱梁側(cè)面處.左前縱梁處為低音喇叭，工作頻率為400～440 Hz；右前縱梁處為高音喇叭，工作頻率為500～540 Hz.喇叭安裝示意見圖1，其支架一端與喇叭本體螺栓連接，另一端與車身螺栓連接.

2.1 原因分析

在喇叭工作時(shí)，離合器踏板處加速度頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果見圖3，在495 Hz處x向和y向踏板響應(yīng)峰值明顯，y向和z向峰值分別為13.9g和7.6g，而x向峰值過小，在圖上無法顯示.可知，在喇叭工作頻率下，踏板處振動(dòng)響應(yīng)過大，可判斷離合器踏板的振動(dòng)源為喇叭.在喇叭工作時(shí)，較大的振動(dòng)能量通過一定剛度的白車身傳遞到踏板，振動(dòng)傳遞路徑為喇叭喇叭安裝支架前縱梁前圍板踏板.

2.2 有限元模擬結(jié)果

采用HyperMesh建立結(jié)構(gòu)有限元模型，選用基本尺寸為10 mm的殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.模型主要包括白車身、踏板總成和喇叭總成(包含喇叭支架，其中喇叭本體用質(zhì)量單元CONM 2代替)等.最終的模型包括557 773個(gè)單元，三角形單元比例為3.5%.

傳遞函數(shù)的分析方法為在喇叭安裝處采用強(qiáng)制單位位移激勵(lì)，在離合器踏板處輸出其加速度響應(yīng)值，分析頻域?yàn)?00～600 Hz.為提高分析效率，采用模態(tài)法計(jì)算加速度頻率響應(yīng)［5］，離合器踏板處加速度頻率響應(yīng)有限元分析結(jié)果見圖4，可知，在頻率為475 Hz左右時(shí)，離合器踏板y向加速度響應(yīng)最大.結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)完全由結(jié)構(gòu)的共振特性決定，而結(jié)構(gòu)共振是因?yàn)檩斎胼d荷頻率達(dá)到結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)固有模態(tài)因儲(chǔ)存能量而將輸入載荷放大的一種結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài).本文喇叭支架為懸臂結(jié)構(gòu)，很難保證與高、低音喇叭激勵(lì)完全解耦，導(dǎo)致喇叭工作時(shí)在其激勵(lì)方向引起喇叭支架同向振動(dòng)，較大的振動(dòng)能量通過縱梁傳遞，在得到一定衰減的同時(shí)傳遞至踏板處，引起本文NVH問題的產(chǎn)生.

圖 4 離合器踏板處加速度頻率響應(yīng)有限元分析結(jié)果

Fig.4 Finite element analysis result of acceleration frequency response at clutch pedal

2.3 優(yōu)化方案

控制傳遞函數(shù)需要考慮激勵(lì)源、路徑頻率響應(yīng)函數(shù)和響應(yīng)合成等3個(gè)因素.在不改變車身結(jié)構(gòu)件的情況下，只能通過改變喇叭安裝支架的剛度來衰減振動(dòng)能量的傳遞，使喇叭安裝支架在支撐喇叭的同時(shí)承擔(dān)振動(dòng)衰減的功能，并滿足疲勞強(qiáng)度的要求.衰減振動(dòng)與疲勞強(qiáng)度互相沖突：衰減振動(dòng)要求支架剛度小，疲勞強(qiáng)度要求支架剛度大.本文結(jié)合喇叭實(shí)際工作原理（膜片振動(dòng)）及其激勵(lì)與響應(yīng)方向，對(duì)喇叭支架進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的喇叭支架見圖5.

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后

圖 5 優(yōu)化前、后的喇叭支架

Fig.5 Horn bracket before and after optimization

喇叭支架優(yōu)化前、后加速度頻率響應(yīng)有限元分析結(jié)果對(duì)比見圖6，可知，離合器踏板處加速度響應(yīng)值大幅降低（x向0.17g，y向0.09g，z向0.08g），確認(rèn)其改進(jìn)方案有效.通過對(duì)優(yōu)化后的喇叭支架進(jìn)行手工樣件制作和實(shí)車驗(yàn)證，喇叭支架優(yōu)化后離合器踏板處加速度頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果見圖7.通過主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試，離合器踏板處振動(dòng)現(xiàn)象基本消除.

圖 6 喇叭支架優(yōu)化前、后加速度頻率響應(yīng)有限元分析結(jié)果對(duì)比

Fig.6 Finite element analysis result comparison of acceleration frequency response of horn bracket before and after optimization

圖 7 喇叭支架優(yōu)化后離合器踏板處加速度頻率響應(yīng)

測(cè)試結(jié)果

Fig.7 Test result of acceleration frequency response at clutch pedal after optimizing horn bracket

3 結(jié)束語

在整車設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各種激勵(lì)因素對(duì)NVH性能的影響，特別是中、高頻激勵(lì)問題，不僅車身模態(tài)密度較高，而且振動(dòng)能量也較大.在產(chǎn)品開發(fā)階段，合理設(shè)計(jì)振動(dòng)激勵(lì)源和響應(yīng)傳遞路徑，對(duì)確保整車NVH性能有極大意義.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 李傳兵, 徐曉敏, 王新文, 等. 傳遞路徑分析法進(jìn)行車內(nèi)噪聲優(yōu)化的應(yīng)用研究［C］ // LMS第2屆中國(guó)用戶大會(huì)論文集, 北京, 2007.

［2］ 沃德?海倫，斯蒂芬?拉門茲，波爾?薩斯. 模態(tài)分析理論及實(shí)驗(yàn)［M］. 白同化, 郭繼忠, 譯. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2001: 10-11.

［3］ 方同, 薛璞. 振動(dòng)理論及應(yīng)用［M］. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998: 44-50.