单车架的ANSYS有限元分析
作者：互联网
1三维建模
1.1 单车实体设计与建模
使用Soildworks建立自行车的简化三维模型，如下图所示。
下图为自行车架的三维模型，车架是构成单车的基体，联接着单车的其余各个部件并承受骑者的体重及单车在行驶时经受各种震动和冲击力量，因此除了强度以外还应有足够的刚度，这是为了在各种行驶条件下，使固定在车架上的各机构的相对位置应保持不变，充分发挥各部位的功能。车架分为前部和后部，前部为转向部分，后部为驱动部分，由于受力较大，所有要对后半部分进行加固。
1.2 单车材料的选择
单车的车身选用铝合金（6061-T6）T6标志表示经过热处理、时效。其属性如下：
弹性模量：6.90E+10(N/)
泊松比：0.33
质量密度：2.70E+3(N/)
抗剪模量： 2.60E+10(N/)
屈服强度：2.75E+8(N/)
1.3 单车模型的简化
为了方便单车的模拟分析，提高电脑的运算效率，可对单车进行初步的简化；单车受到的力的主要由车架承受，因此必须保证车架能够有足够的强度、刚度，抗振的能力，故分析的时候主要对车架进行分析。简化后的车架如下图所示。
1.4 单元体的选择
单车车架为实体故定义车架的单元类型为实体单元（solid）。查资料可以知道3D实体常用结构实体单元有下表。
| 单元名称 | 说明 |
| Solid45 | 三维结构实体单元，单元由8个节点定义，具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形、大应变功能，其高阶单元是solid95 |
| Solid64 | 用于模拟三维各向异性的实体结构。单元由8个节点定义，本单元具有大变形、大应变功能 |
| Solid65 | 用于模拟三维有钢筋或无钢筋的混凝土模型，该单元能够计算拉裂和压碎而且该单元可应用与加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）等。 |
| Solid92 | 具有二次位移特性，非常适合模拟不规则模型，（例如由各种CAD/CAM系统产生的网格模型）。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变等功能。 |
| Solid95 | Solid45、solid185单元 |
| Solid147 | 砖形单元，最多支持阶数为8的项式 |
| Solid148 | 四面体单元，最多支持阶数为8的多项式 |
| Solid185 | 用于建立三维实体结构模型。单元有8个节点定义，其高阶单元是solid95 |
| Solid186 | 用于建立三维实体结构模型。单元有20节点定义的结构实体单元 |
| Solid187 | 高阶三维10节点实体单元。适用于产生不规则网格模型，solid92是它的类似单元 |
根据上表各单元结构的特点初步选择单元Solid186。
2 利用ANSYS分析单车结构受力
2.1文件导入
建模使用Soildworks，导出为x_t文件,再将x_t格式的车架导入Ansys中,file--import--x_t--找到格式为x_t的车架文件，文件导入后如下图所示。
2.2单车结构的有限元分析
2.2.1对ANSYS软件的介绍
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo， NASTRAN、Algor、I－DEAS、AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。
2.2.2单车结构的静力学分析
首先打开ANSYS，定义全局参数。
1、网格划分与材料设置
（1）设置分析模型为结构件， Preference-structure。
（2）定义属性单元类型（Element Type），选择Preprocessor-Element Type-add/edit/delet-add-solid-20node 186，点击ok。
（3）定义材料模型、材料属性和模型组合（Material Models），设置材料属性。Preprocessor-Material Props-Material，Moderls-Structural-Elastic-Isotropic弹性模量输入为6.90E+10，泊松比为0.33。
（4）从Solidworks中导入模型，File-Import-Para，选择要导入的模型，点击OK。
（5）可以看出导入的三维模型在ANSYS中现在还不是正常三维模型的状态，需要对模型面修复重画，使之成为可以用于有限元分析的三维模型。点击PlotCtrls--style--solid model facets然后选normal facet，再replot一下，得到修复后的构建体，修复后的构建体在ANSYS中是三维模型，可以进行有限元分析的预处理。
（6）对模型进行体的划分。Main Menu--Preprocessor--Meshing--Mesh Tool--Lines Set--Pick All--NDIV No. of element divisions 设置为10--OK--Mesh--选择实体--OK
（7）在划分好的模型基础上，开始建立用于有限元计算的网格。划分好网格的模型如下图。
2、加载与求解
（1）在划分网格之后设置边界条件，选择Main Menu--Solution--Define Loads--Apply--Structural--Displacement--On Areasà选择下图中的红色面--点OK--弹出的对话框中选择All DOF--OK完成约束。
（2）设置载荷，假设驾驶人的重量为60kg，那么作用在单车上的力的大小就为600N。设定安全系数为3，则施加在单车上面的力大小为1800N。
选择Main Menu--Solution--Define Loads--Apply--Structural--Pressure--On Areas--选择下图中的红色面--点OK--弹出的对话框中在VALUE Load PRES value 处设置参数为1800--OK完成
（3）定义求解控制菜单，选择Main Menu--Solution--Analysis Type--Sol’n Controls命令--打开对话框勾选Calculate prestress effects项--OK
（4）计算，选择Main Menu--Solution--Solve--Current LS--弹出的对话框如下，点OK继续
接着会弹出提示的对话框，点Yes，然后系统开始运算。
当提示出现Solution is done对话框表示运算完成，点Close。
3、查看等效应力、应变结果
a、查看应变结果
Main Menu--General Postproc--Plot Results--Contour Plot--Nodal Solu--弹出对话框中（如下图）选择Nodal Solution--在Undisplaced shape key中选择Deformed shape with undeformed model(方便区分变形前后的对比)--分别查看X、Y、Z和总的应变图
X方向的变形图
Y方向的变形图
Z方向的变形图
总的变形图
b、等效应力的结果
Main Menu--General Postproc--Plot Results--Contour Plot--Nodal Solu--弹出对话框中（如下图）选择Nodal Solution--Stress--von Mises stress--在Undisplaced shape key中选择Deformed shape only
（4）在模型上建立路径，查看关键部位的应力分析曲线。Path operation-define path-by nodes以nodes节点来定义path路径。
（5）定义输出项目。
| 内容 | |
| A11 | 左上角内侧等效应力分布线 |
| A21 | 左下角内侧等效应力分布线 |
| A31 | 右上角内侧等效应力分布线 |
| A12 | 右下角内侧等效应力分布线 |
| A13 | 正视图横杆等效应力分布线 |
| A22 | 正视图竖杆等效应力分布线 |
（6）进行等效应力分析，Plot Operations-Plot Path Item-On Graph。输出表面路径的A11,A21,A31,A12,A13,A22，得到路径的等效应力分布曲线图，查看各点应力的数值表。
A11路径的应力曲线图
A21路径的应力曲线图
A31路径的应力曲线图
A12路径的应力曲线图
A31路径的应力曲线图
A22路径的应力曲线图
标签：有限元,--,模型,三维,ANSYS,单车,单元 来源： https://blog.csdn.net/qq_42816065/article/details/122397421