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基于有限元技术的汽车运动机构仿真 刘莹，杨洋，乔鑫 （华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳） 关键词：ABAQUS；多体运动机构；有限元； 摘要：应用有限元软件ABAQUS 对整车运动机构进行运动仿真，根据实车参 数建立合理的转向系统机构，开闭件系统等运动机构并对其进行分析，获得各子 系统中部件间的相对位移与应力变化情况，评价其合理性与设计可行性。 1 前言 1.1 概述 有限元法诞生于20 世纪中叶。随着大型有限元通用程序的推广以及计算机 硬件技术的飞速发展，有限元技术在 20 世纪60 年代中期开始被广泛应用于汽 【3】 车分析设计中 。其分析过程分为结构离散化、单元特性分析、坐标变换、边 界条件处理和结构综合这几个步骤。目前大型有限元软件有ABAQUS、NASTRAN 和 ANSYS等。 由于汽车本身结构复杂，所承受的载荷也十分复杂，同时也受到各种路面激 励和各种车速条件下惯性力的作用以及各连接构件之间的相互约束作用，因此很 难用经典力学方法求解。而有限元法由于其能解决结构形状和边界条件都任意的 【4】 力学问题的优点，将被得到广泛应用 。 20 世纪90 年代以后，机械系统动力学分析与仿真技术已能成熟应用于汽车 行业。其中多刚体系统的建模理论已经成熟。但在现代汽车的产品开发阶段，已 经不仅仅满足于传统的弹性分析，更需要进行整车非线性系统分析，即整车操纵 稳定性和平顺性不能仅以刚体模型进行分析，还要考虑结构的变形效应 从传统的多刚体力学分析到考虑结构弹性的应力响应，如悬架系统、车身系 统等，使得多柔体系统的建模成了一个研究热点。 从整个汽车CAE的角度来说，汽车多体系统分析软件可完成三项任务：(1) 对直接设计的系统进行性能预测；(2)对已有的系统进行性能测试评估；(3)对 原有的设计进行改进。分析的范围包括：运动分析、静态分析、准静态分析、动 态分析、灵敏度分析等【5】。 1.2 主要研究内容 本文以中华系列某型号轿车为研究对象，利用有限元软件ABAQUS建立转 向系统与开闭件系统及整车的运动仿真模型，进行运动机构的有限元分析，具体 研究如下： 1、根据实际的转向系统，建立运动机构模型，实现机构运动的正确传递。 2 、根据实际的开闭件系统，按照气动实验的参数要求，建立前后舱盖与两 侧车门的运动机构模型，实现机构运动的正确传递。 3、研究整车级复杂系统（转向系统、开闭件系统，车轮子系统）的机构运 动，通过有限元软件精确地实现复杂机构的运动仿真。 2．运动学仿真的理论基础 有限元分析与多体动力学仿真是拥有相同的系统动力学求解基础。有限元分 析使用惯性坐标系下的惯性矩阵能更好地适应小位移分析的需要。而在多体仿真 软件中使用的局部坐标系下的局部单元矩阵，能及时有效地描述系统内不同构件 的位置几何关系。 在有限元分析中，分析对象划分的网格节点，是相对于对象本身的某一惯性 坐标。为了描述方便，一般将惯性坐标固定连在物体的一端，并将坐标的一个轴 线与物体的轴线重合。将有限元分析的柔体加入多体系统中，需将柔体作相对的 位移，即需将柔体分析的有限元方程乘以转换矩阵，从而实现由局部坐标向整个 模型的惯性坐标的转换。 采用拉格朗日方法建立的多体系统动力学，当代入其各项因子后，其简化式 如有限元方程： 。。 。   [ ] M x +[C]{x}+[K]{x} {f }   a   而有限元模型的通用结构分析方程，一般是在有限元分析对象的局部坐标系 下建立的。方程中的变量是相对于局部坐标的坐标元素。为了实现有限元分析方 程与多体系统动力学分析方程的统一，可以通过多体理论中坐标转换矩阵B，实 现有限元分析方程向多体系统动力学的转换。 对于形如上式的有限元方程，其惯性坐标下的刚度、阻尼、质量矩阵，是由 局部坐标系的响应矩阵乘以局部坐标向惯性坐标的转换矩阵得到的。即