汽车CAD/CAE技术与工程应用/羊玢 清华大学出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

《汽车CAD/CAE技术与工程应用》以国内汽车行业产品设计开发的技术现状及发展趋势为背景，围绕汽车产品设计开发这一主线，结合汽车产品的结构特点和开发模式，系统介绍CAD/CAE技术在汽车工程领域应用的基本原则和实施要点。

第1章绪论

1.1汽车CAD/CAE技术概述

1.1.1汽车CAD／CAE概念

1.1.2汽车CAD/CAE集成的关键技术

1.1.3汽车CAD/CAE技术的应用

1.2汽车CAD／CAE技术的发展

1.2.1CAD／CAE技术发展的历史

1.2.2CAD／CAE技术发展的趋势

1.3汽车CAD／CAE系统结构

1.3.1CAD／CAE集成系统的特点

1.3.2CAD/CAE集成系统的典型体系结构

第2章CAD/CAE技术在汽车行业中的应用

2.1CAD技术在汽车行业中的应用

2.1.1CAD技术在汽车行业中的应用领域

2.1.2国外汽车行业CAD技术应用情况

2.1.3我国制造业和汽车行业CAD技术应用情况

2.1.4我国制造业和汽车企业应如何应用CAD技术

2.2CAE技术在汽车设计中的应用

2.2.1计算机辅助工程概述

2.2.2CAE技术在汽车产品开发中的全面引入

2.2.3CAE技术需要解决的关键问题

2.2.4国内汽车行业的CAE技术应用情况

2.2.5发展中的汽车CAE技术

2.3常见的汽车CAD／CAE系统

2.4CAD／CAE系统软硬件选用原则

2.4.1CAD／CAE系统的硬件选用原则

2.4.2CAD／CAE系统的软件选用原则

第3章汽车CAE的部分主流软件系统及其应用

3.1CAE软件及选择

3.2ADAMS软件及其应用

3.2.1MSC.ADAMS简介

3.2.2基于ADAMS/Car四轮转向汽车操纵动力学仿真

3.3ANSYS软件及其应用

3.3.1ANSYS简介

3.3.2基于ANSYS的白车身结构分析

3.4Nastran软件及其应用

3.4.1MSC.Nastran简介

3.4.2MSC.Nastran在轻型客车NVH特性研究中的应用

3.5SYSNOISE软件及其应用

3.5.1LMS. SYSNOISE简介

3.5.2应用SYSNOISE进行车身乘坐室声振模态分析

3.6MATLAB/Simulink软件及其应用

3.6.1MATLAB/Simulink简介

3.6.2应用MATLAB/Simulink进行四轮转向车辆的控制研究

3.7RecurDyn软件及其应用

3.7.1RecurDyn简介

3.7.2应用RecurDyn进行汽车发动机正时链系统仿真

3.8RADIOSS软件及其应用

3.8.1RADIOSS简介

3.8.2应用RADIOSS进行保险杠碰撞仿真

第4章汽车驱动桥壳CAD建模与优化设计

4.1驱动桥壳的功用及结构形式

4.2UG NX软件简介

4.2.1UG产品的特点

4.2.2UG各功能模块

4.3驱动桥壳建模

4.3.1桥壳本体总成建模

4.3.2桥壳半轴套筒建模

4.3.3桥壳凸缘建模

4.3.4桥壳加强环建模

4.3.5制动器支架固定板建模

4.3.6弹簧固定座建模

4.3.7桥壳盖总成建模

4.4驱动桥壳的有限元分析

4.5结构静力学分析

4.5.1满载荷静力学分析

4.5.22.5倍满载荷静力学分析

4.6结构模态分析

4.7优化分析

4.7.1结构优化设计

4.7.2参数化优化设计

第5章汽车车轮钢圈结构强度分析

5.1车轮钢圈的功用及结构形式

5.2建模设计平台简介

5.2.1CATIA草图设计平台

5.2.2零件设计平台

5.2.3创成式曲面造型设计平台

5.2.4FreeStyle(自由曲面设计)平台

5.3车轮钢圈建模

5.3.1钢圈本体总成建模

5.3.2梅花形分布沉头孔建模

5.3.3梅花形分布凹槽建模

5.3.4环形下沉切割凹槽建模

5.3.5轮辐主体建模

5.4CATIA V5有限元分析的特点

5.5车轮钢圈有限元网格划分

5.6车轮钢圈结构强度分析

第6章轿车前悬架动力学仿真及优化设计

6.1ADAMS的设计流程

6.2前悬架设计基本思路

6.2.1设计内容及要求

6.2.2建模过程中的假设

6.2.3分析优化的依据

6.3前悬架模型的建立

6.3.1建立汽车前悬架模型

6.3.2测试前悬架模型

6.3.3细化前悬架模型

6.3.4定制界面

6.3.5优化前悬架模型

6.4仿真结果分析

第7章汽车双离合自动变速器传动机构建模与仿真

7.1双离合器自动变速器结构及工作原理

7.2传动机构结构及工作原理

7.3DSG传动机构齿轮的建模

7.3.1斜齿轮传动相关知识

7.3.2创建表达式

7.3.3渐开线的绘制

7.3.4齿轮模型的创建

7.4轴及其他零件的建模

7.5DSG传动机构虚拟装配

7.5.1UG装配模块介绍

7.5.2轴上零件装配

7.5.3轴间装配

7.6DSG传动机构运动仿真分析

7.6.1建立运动分析方案

7.6.2一挡运动学仿真

7.6.3倒挡运动学仿真

第8章汽车自动变速器壳体逆向工程设计

8.1Geomagic软件特点

8.2壳体点云数据的处理

8.2.1多边形阶段的处理过程

8.2.2粗糙多边形的锐化

8.2.3孔的生成和整合

8.3曲面模型的创建

8.3.1检测曲率

8.3.2构造曲面片

8.3.3构造格栅

8.3.4生成曲面

8.4实体模型的创建

第9章DSG自动变速器离合器建模与虚拟装配

9.1DSG自动变速器基本结构和原理

9.2离合器参数化建模

9.2.1离合器K1

9.2.2离合器K2

9.2.3驱动盘

9.2.4离合器鼓

9.2.5离合器内部构件

9.3离合器虚拟装配

9.3.1离合器各部件总装

9.3.2虚拟装配动画制作

第10章基于热应力场耦合的涡旋压缩机动、静涡盘有限元分析

10.1涡旋压缩机概述

10.2涡旋压缩机工作原理

10.3动、静盘模型前期处理及其模型分析

10.3.1实体建模

10.3.2材料属性

10.3.3网格单元

10.3.4定义分析步

10.3.5边界条件及载荷

10.3.6提交分析作业

10.4动、静盘有限元分析

10.4.1热应力作用下的强度和变形结果分析

10.4.2气体压力作用下的强度和变形结果分析

10.4.3温度场和气体压力耦合作用下的应力与变形分析

10.4.4模型优化后的应力与变形分析

10.5总结与展望

第11章虚拟现实技术在自动变速器3D仿真的应用

11.1虚拟现实概述

11.2系统开发工具简介及其作用

11.2.1三维模型建模平台CATIA

11.2.2模型的格式转换平台3DVIA Composer

11.2.3三维模型的渲染以及分坐标平台3D Max

11.2.4虚拟交互平台Virtools

11.2.5辅助工具Photoshop CS4

11.3模型从CATIA到Virtools之间的关键技术

11.3.1格式问题

11.3.2模型的渲染

11.3.3分坐标

11.3.4模型导入Virtools的初步设置和对象建立

11.4虚拟装配平台开发

11.4.1虚拟交换环境

11.4.22D帧的设置

11.4.32D帧的BB设计

11.4.4动作BB的设置

11.4.5整体界面

11.5总结与展望

11.5.1操作BB的技巧

11.5.2模型以及界面的分组

11.5.3IC的设置

11.5.4命名技巧

11.5.5展望

第12章面部碰撞对行人头部生物力学模型损伤影响

12.1研究背景及意义

12.2头颈部有限元模型

12.3面部碰撞对头部生物力学模型损伤影响

12.3.1应力波传播路径

12.3.2颅内生物力学参数

12.4讨论

12.5总结与展望

第13章基于3D打印制造的汽车踏板设计优化

13.1基于3D打印制造踏板的设计背景及功用

13.2Altair Inspire软件简介

13.2.1Altair Inspire产品的特点

13.2.2Altair Inspire各功能模块及优化流程

13.3踏板结构拓扑优化详细过程

13.3.1踏板模型导入与优化空间指定

13.3.2拓扑优化工况设定

13.3.3拓扑优化设置并计算

13.3.4优化结果验证确认设计可靠性

13.3.5利用PolyNURBS拟合优化结果建模

13.3.6利用仿真分析验证最终设计的可靠性

参考文献

"羊玢，男，1974年8月生，湖南大学博士后，教授、硕士研究生导师。南京林业大学汽车与交通工程学院副院长，中国汽车工程学会会员，中国生物医学工程学会会员，南京机械工程学会常务理事，南京机械工程学会汽车与内燃机专委会主任委员，国防工业出版社普通高等教育汽车类专业“十二五”规划教材编写委员会副主任委员，南京林业大学车辆工程研究所副所长、国家职业技能鉴定汽车修理工考评员、全国三维数字化创新设计大赛评审专家。应邀担任2本国际期刊编委，多本国内外期刊、会议审稿人。担任江苏省战略性新兴产业专家委员会、江苏省货物招标评标委员会、中国国际招标网等会员或专家。担任2015ICITBS（智能交通、大数据和智慧城市）国际会议执行主席、International Journal of Mechanical Science、Biomed Research International、汽车技术等国内外期刊审稿人。

先后主持或参与省内外科研项目30余项，主持教研项目8项。在学术期刊和学术会议上发表论文107篇，其中第一或通讯作者SCI收录9篇，EI或ISTP收录10篇，CSCD收录8篇。主编出版学术专著2部，教材4部。申请专利35项，获授权"

暂无出版社相关信息，正在全力查找中！

    第3章汽车CAE的部分主流软件系统及其应用

     3.1CAE软件及选择

     CAE涵盖了工程和制造业信息化的所有方面，其相关软件即称为CAE软件。CAE软件能够对通用及特定产品进行性能分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品的技术创新。使用CAE软件，可以对创新设计方案快速实施性能与可靠性分析，并进行模拟运行，及早发现设计缺陷。在创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发周期。

     CAE技术的研究始于20世纪50年代中期，CAE软件则出现于70年代初期，到80年代中期CAE软件在可用性、可靠性和计算效率上已基本成熟。当前，商品化CAE软件的功能、性能、前后处理能力、单元库、算法库、材料库，特别是用户界面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。其中，前后处理是CAE软件与用户交互以及实现与CAD、CAM等软件无缝集成的关键环节。通过增设与相关软件(如CATIA、UG、Pro/E、SolidEdge及SolidWorks等)的接口数据模块，实现有效的集成。并可通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块，实现特定行业的有效应用。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要取决于单元库和材料库的丰富和完善程度，知名CAE软件的单元库中一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库，使其对工程和产品的物理、力学行为具有较强的分析模拟能力。CAE软件的计算效率和计算结果的精度主要取决于算法库，特别是在并行计算机环境下运行，优选高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍甚至几百倍的差异。CAE软件现已可以在超级并行机，分布式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。

     CAE软件的种类繁多，并处在不断推陈出新的过程中。具体到汽车CAE领域： 一方面，许多支持通用机电产品设计开发的商品化主流软件系统已获得充分应用，如ADAMS、Nastran、ANSYS、SYSNOISE、AutoSEA、FLUENT、STAR？CD、GT？POWER、RECURDYN等，它们构成了现阶段汽车CAE应用软件体系的主干； 另一方面，一些面向汽车产品设计开发领域特定问题的专用商品化软件系统(或软件系统中的功能模块)也在不断完善和发展，例如，应用于汽车悬架系统整车匹配分析的ADAMS/Car，适用于电动汽车仿真分析的ADVISOR、PSAT，适用于工程履带车辆分析的RECURDYN等，并已在工程实际中发挥着重要作用。另外，设计开发人员也可能会视具体情况编写一些灵活、实用的小型计算与分析程序，或基于商品化的CAE软件系统进行必要的二次开发，从而大大方便了其具体工作。在这方面，MATLAB/Simulink、C及C++语言等的应用极为活跃。

     在CAE软件应用的过程中，势必会涉及对实际问题的分析。通常情况下，对于一个实际问题，分析的思路可能有多种，而同一种分析思路下又可能采用多种分析软件来完成。当然，对于不同的软件，各自所具有的特点又有所不同。比如，对一个构件进行有限元分析时，就需要在Nastran、ANSYS、ABAQUS、MARC等众多软件中进行取舍。可见，CAE软件的合理选择十分重要。选择的方法通常有两种： 一种是依据工程人员对软件的了解程度直接做出判断，可直接根据实际经验以及对软件应用的熟练程度进行选取，这里的实际经验可以是来自于以往的工程实际，也可以是自己对该软件的侧面了解； 另一种则是依据软件调研得到的相关资料作为选择过程的支持条件。当然，通过调研得到的信息通常情况下都比较烦琐，即具有不确定性。需要进行信息的筛选核对，才能最终被我们所应用。CAE软件的选择处理流程如图3.1所示，特别是对于其中“不可直接判断”的情形，软件调研中必须全面了解软件技术水平和软件供应商的技术支持能力。同时，应该把所涉及的软件特点，以及企业需求和企业实际情况等因素充分考虑进去，并要特别注意软件之间的衔接以及相关企业之间软件平台的一致或对接。另外，形成软件与试验能力的互补与互动也是非常重要的一个方面。这样才能做出最终合理的选择。

     图3.1CAE软件的选择处理流程

     3.2ADAMS软件及其应用

     3.2.1MSC.ADAMS简介

     虚拟样机仿真分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是对机械系统的运动学与动力学进行仿真的商用软件，由美国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)开发，在经历了12个版本后，被美国MSC公司收购。ADAMS集建模、计算和后处理于一体。ADAMS由许多个模块组成，基本模块是View模块和Postprocess模块，通常的机械系统仿真都可以用这两个模块来完成。另外，在ADAMS中还针对专业领域而单独开发一些专用模块和嵌入模块，例如，专业模块包括汽车模块ADAMS/Car、发动机模块ADAMS/Engine、铁路车辆模块ADAMS/Rail、飞行器模块ADAMS/Aircraft等； 嵌入模块如振动模块ADAMS/Vibration、耐久性模块ADAMS/Durability、液压模块ADAMS/Hydraulic、控制模块ADAMS/Control和柔性体模块ADAMS/AutoFlex等。

     目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建接近参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的Lagrange方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

     ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本： UNIX版和Windows NT/2000版。

     MSC.ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。具体情况如下：

     (1) 基本模块。包括用户界面模块ADAMS/View、求解器模块ADAMS/Solver、后处理模块ADAMS/Postprocessor，它们提供了最基本的建模、求解和观察仿真结果的工具。

     (2) 扩展模块。包括振动分析模块ADAMS/Vibration、液压模块ADAMS/Hydraulics、试验设计与分析模块ADAMS/Insight、耐久性分析模块ADAMS/Durability等，它们提供针对特定领域的通用性扩展功能。

     (3) 接口模块。包括柔性分析模块ADAMS/Flex、控制模块ADAMS/Control、CATIA专业接口模块CAT/ADAMS、Pro/E接口模块Mechanical/PRO等，提供与其他领域软件的接口。

     (4) 专业领域模块。包括汽车整车匹配分析模块 ADAMS/Car、汽车底盘模块ADAMS/Chassis、驾驶员模块ADAMS/Driver、动力传动系统模块ADAMS/Driveline、轮胎模块ADAMS/Tire、发动机模块ADAMS/Engine、铁路车辆模块ADAMS/Rail、飞行器模块ADAMS/Aircraft等，提供针对特定领域的专业处理。

     (5) 工具箱。包括二次开发工具包ADAMS/SDK、虚拟试验工具箱Virtual Test Lab、钢板弹簧工具箱Leafspring Toolkit、飞机起落架工具箱ADAMS/Landing Gear、履带/轮胎式车辆工具箱Tracked/Wheeled Vehicle、齿轮传动工具箱ADAMS/Gear Too1等，提供便捷操作处理功能。

     值得注意的是，目前在汽车CAE领域，ADAMS/Car的应用已比较普遍。ADAMS/Car吸收了奥迪、宝马、雷诺和沃尔沃等汽车公司的设计开发经验，能够快速建立高精度的车辆子系统模型和整车模型，可通过高速动画直观地再现各种工况下的车辆运动学(Kinematics)和动力学(Dynamics)仿真，并输出表征稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性等的性能参数。

     ADAMS/Car分为Standard Interface(标准界面)和Template Builder(模板)两种模式，每一种模式对应着不同的菜单界面和功能。其中，Template Builder模式为车辆设计人员提供了广阔的设计空间，专业设计人员可以在该模式下选择、修改或自主搭建车辆各个子系统的参数化模型，即所谓的“模板”。而Standard Interface模式则是在模板的基础上，实现子系统模型及整车模型的修改、组装及仿真分析和数据处理等功能。通常情况下，ADAMS/Car采用自下而上的建模顺序，建模步骤是： 首先，在Template Builder模式下创建所需的模板，或对已有的模板进行修改以适应建模要求； 然后，根据建立的模板在Standard Interface模式下建立子系统模型，并将子系统模型组装成系统总成或整车模型； 最后，根据研究目标对组装好的悬架总成或整车模型给出不同的分析命令，即可进行不同工况下的仿真分析或优化设计。

     可见，在Template Builder中建立模板是ADAMS/Car仿真分析首要的关键步骤，具体需要经历物理模型的简化、确定Hardpoint、创建Part、定义Mount、创建Geometry、定义Attachment、定义Parameter Variable、定义Communicator等处理过程，有些情况下还需进行一些特殊的定义，如摩擦力、传感器、作动器等。

     3.2.2基于ADAMS/Car四轮转向汽车操纵动力学仿真

     在汽车产品设计开发中，平顺性、操纵稳定性、制动效能等是极为重要的整车性能指标，为揭示其内在规律及影响因素。汽车四轮转向(4WS)技术是改善汽车操纵稳定性的主要手段之一，也是汽车主动底盘技术的重要组成部分。运用4WS技术，可以有效减小低速行驶时汽车的转弯半径，使汽车在低速行驶时更加灵活。同时，该技术还可以大大地改善汽车在高速行驶时横摆角速度和侧向加速度等瞬态响应指标，提高高速行驶时的操纵稳定性。这里基于ADAMS/Car实施了相应的建模与分析，概要如下：

     (1) 基础数据准备。分析对象为某型轿车。建模所需基础数据包括： 相关零部件及总成的三维CAD模型，整车基本参数，悬架挂点空间坐标，车身质心、质量与转动惯量，减振器阻尼特性，钢板弹簧刚度特性，悬架橡胶衬套特性，轮胎特性等。其中许多数据需要通过试验来获取，并需要事优选行坐标系的定义。所选的车辆及机构定位参数如表3.1所列。

     表3.1车辆及机构部分定位参数

     整车主要定位参数数据悬架主要定位参数数据

     轴距/mm3517.9主销后倾角/(°)9.3

     轮距/mm

     前轮距1600.8主销内倾角/(°)13

     后轮距1601.6车轮外倾角/(°)1.0

     车身质心位置/mm(距前轴位置) 1877.76车轮前束角/(°)0.1

     注： 前后悬架数值相同，故只列出其中一组。

     (2) 模板构建。在Template Builder模式下，一共构建出8个模板： 前悬架模板、后悬架模板、转向系模板、动力总成模板、传动系模板、制动系模板、轮胎模板、车身模板。总体上讲，可授权给一般技术人员 (非虚拟样机开发人员)进行调整的模板要素有4种类型： ①Hardpoint，定义对象的几何量值； ②General Part，定义刚体构件的质量和转动惯量； ③Parameter Variable，定义有关角度、载荷、刚度等； ④Property File，定义减振器、弹性衬套、轮胎及路面特性。具体到每个模板，其可授权调整的要素不尽相同。

     (3) 子系统生成。在Standard Interface模式下，调用所构建的模板，一共生成了9个子系统： 前悬架、后悬架、转向系、动力总成、传动系、制动系、前轮、后轮、车身。其中，前轮与后轮调用了同一轮胎模板。

     (4) 整车装配。在Standard Interface模式下，将上述各子系统加以集成即构成了整车的装配体模型，或称“虚拟样车”，如图3.2所示。在运用ADAMS软件建立车辆的机构动力学模型时，可以对悬架以及转向机构的一些关键点进行参数化建模，如前轮前束、主销后倾、主销内倾、车轮外倾角的定位参数等。通过改变这些定位参数，可以方便地仿真车辆在不同定位参数下的平顺性及操纵稳定性状况，还可以通过定义目标函数，对悬架及转向机构进行优化，从而选出最为合理的结构模型。

     图3.2虚拟样车

     (5) 置信度检验与修正。这里同样需要进行仿真结果的置信度检验与必要的模型修正。主要手段仍然是将仿真试运行结果(计算过程由ADAMS/Solver在后台完成)与相应的试验结果进行比对，从中判明误差来源及修正方向。其中有许多试验需要依据国家标准进行。在选择具体试验项目时，还要权衡费用与周期控制等问题。

     (6) 仿真分析及结果。采用通过检验与修正的虚拟样车，可以进行操纵稳定性的仿真分析，并在ADAMS/Postprocessor中以适当形式显示分析结果。动态响应分析的部分结果如图3.3~图3.5所示。

     (7) 优化设计。在上述仿真分析的基础上，可进一步实施动力总成悬置系统的优化设计。ADAMS/View自带有这种优化设计功能，实施中需要经历一系列的操作处理： 设定优化目标、初定设计变量、定义仿真脚本(或选取默认脚本)、灵敏度分析、确定设计变量、设定约束条件、执行寻优过程、读取优化结果、优化效果验证(仿真验证、试验验证)等。

     图3.3蛇行试验横摆角速度曲线

     图3.4不同质量下横摆角速度曲线

     图3.54WS车辆后轮主销位置不同的横摆角速度曲线

     3.3ANSYS软件及其应用

     3.3.1ANSYS简介

     ANSYS软件是融结构、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，由世界上优选的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如UG NX、Pro/E，Nastran、ALGOR、I？DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

     3.3.1.1软件功能简介

     软件主要包括三个部分： 前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。

     启动ANSYS，进入欢迎界面以后，程序停留在开始平台。从开始平台(主菜单)可以进入各处理模块： PREP7(通用前处理模块)、SOLUTION(求解模块)、POST1(通用后处理模块)、POST26(时间历程后处理模块)。ANSYS用户手册的全部内容都可以联机查阅。

     用户的指令可以通过鼠标单击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在.LOG文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查看.LOG文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根源。.LOG文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由ANSYS自动读入并执行，这是ANSYS软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。

     3.3.1.2前处理模块PREP7

     双击实用菜单中的Preprocessor，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容： 实体建模和网格划分。

     1. 实体建模

     ANSYS程序提供了两种实体建模方法： 自顶向下与自底向上。

     自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的优选图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和复制实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、复制和删除。

     自底向上进行实体建模时，用户从大力度优惠级的图元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次定义相关的线、面、体。

     2. 网格划分

     ANSYS程序提供了使用便捷、高质量地对CAD模型进行网格划分的功能。包括4种网格划分方法： 延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能十分强大，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

     3.3.1.3求解模块Solution

     前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。

     单击快捷工具区的SAVE_DB将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，单击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。

     ANSYS软件提供的分析类型如下：

     1. 结构静力分析

     结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS软件中的结构静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

     2. 结构动力学分析

     结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

     3. 结构非线性分析

     结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS软件可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

     4. 动力学分析

     ANSYS软件可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

     5. 热分析

     ANSYS软件可处理热传递的三种基本类型： 传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热？结构耦合分析能力。

     6. 电磁场分析

     主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

     7. 流体动力学分析

     ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热？流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

     8. 声场分析

     ANSYS软件的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

     9. 压电分析

     用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析。可进行4种类型的分析： 静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

     3.3.1.4后处理模块POST1和POST26

     ANSYS软件的后处理模块包括两个部分： 通用后处理模块POST1和时间历程响应后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。

     1. 通用后处理模块POST1

     单击实用菜单项中的General Postproc选项即可进入通用后处理模块。这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果(如应力)在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色代表了不同的值(如应力值)。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区(如应力范围)，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。

     2. 时间历程响应后处理模块POST26

     单击实用菜单项中的TimeHist Postpro选项即可进入时间历程响应后处理模块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，POST26还可以进行曲线的代数运算。

     3.3.2基于ANSYS的白车身结构分析

     汽车白车身的抗扭刚度和抗弯刚度是必须满足的基本性能之一。如果刚度不足，在使用过程中车体变形大，特别是立柱、门框、窗框等关键部位的变形过大，就可能造成门锁变形、内饰脱落、整车密封性差甚至车门卡死、框内玻璃被挤碎等现象。因此，在设计过程中必须考虑车身整体刚度和关键部位的变形量的控制。车身的强度不足，会造成局部开裂或断裂，影响汽车的使用寿命和安全性能。因此，车身必须满足强度要求。

     同时，还必须考虑车身的抗疲劳载荷的能力，即部件的疲劳强度计算，估算疲劳寿命。经验表明，如果结构的尺寸选择正确，使该结构能承受优选的偶然载荷的作用，那么它的疲劳强度也就足够了。更重要的是车身动态性能的好坏。客车在实际运行过程当中，会遇到各种复杂的路面激励和冲击，通过有限元模型瞬态分析结果的分析，就可以在设计阶段避免问题的发生。

     本案例以某轻型客车白车身为对象，在白车身有限元模型的基础上模拟了静态弯曲和静态扭转两种工静态工况，并进行了模态分析。同时，讨论了车架与车身的连接方式对车身侧偏刚度的影响。

     1. 模型的建立

     本书中采用的CAD模型是在CATIA中建立的三维模型，有限元模型在ANSYS中建立。通过CATIA中的ASSEMBLY模块可以实现车身各总成的装配。装配好的各总成如图3.6所示。

     2. 模型的导入、修整及重构

     从ANSYS中读入CATIA的PART文件，然后对模型进行修改。ANSYS 7.0以上版本有直接和CATIA的接口，可以直接读入零件的PART文件。在CATIA中，零件的每一个曲面都由各自的线段组成，相邻的曲面之间没有共用边界线。这样，就不能满足ANSYS中自动网格划分的功能要求。所以，要先删掉重复的线以及线上所包括的点，并用布尔运算

在线阅读地址：汽车CAD/CAE技术与工程应用/羊玢 清华大学出版社在线阅读

在线听书地址：汽车CAD/CAE技术与工程应用/羊玢 清华大学出版社在线收听

在线购买地址：汽车CAD/CAE技术与工程应用/羊玢 清华大学出版社在线购买

暂无原文赏析，正在全力查找中！

编辑推荐

《汽车CAD/CAE技术与工程应用》强调系统集成应用的观念，注重现代设计方法与技术手段的结合；加强与相关课程和教材的衔接，注重专业知识与CAD/CAE技术的结合；理论联系实际，提高解决问题的能力。

前言

当代汽车工业已成为国民经济的支柱产业，其发展水平反映了国家工业技术的综合实力，而是否具有独立自主的产品设计开发能力，则关系到民族汽车工业的生死存亡。现阶段，作为优选设计技术的代表，CAD/CAE技术已成为汽车企业产品设计开发的有效手段，以CAD/CAE为核心的技术体系成为企业核心技术的有效载体。目前，我国汽车产销量均跃居世界第一，随着行业总量的不断提升和市场竞争的白热化，加上知识产权问题的压力，产品自主设计开发能力的培养和提升已成为汽车企业生存与发展的关键问题，而CAD/CAE技术的推广应用正是解决这一问题的锐利武器。

现阶段，CAD/CAE技术的推广应用已受到国内汽车行业的高度重视，相关企业迫切需要掌握CAD/CAE技术的高素质人才，而国内高校汽车专业针对这方面的人才培养工作明显滞后于企业需求。其中，缺乏针对性的教材成为亟待解决的问题。为了适应培养高素质应用型工程技术人才的需要，作者抛弃了现有市面有关汽车(机械)CAD或CAE书籍主要介绍一两种软件具体操作的弊端，将重点放在汽车零部件CAD/CAE的具体操作和学习上。作者结合了多年来在汽车CAD/CAE技术教学、科研和工程培训实践中的经验，在编写过程中形成如下的鲜明特点：

1. 强调系统集成应用的观念，注重现代设计方法与技术手段的结合。

汽车CAD/CAE技术正经历着由传统单元技术向系统集成的重要转变，CAD/CAE作为建模和分析的工具是建立在科学和系统的技术与设计方法的基础之上的。针对车辆工程设计的特点，本书有选择地介绍了现代设计方法的常用技术，并且融入设计案例之中，读者在掌握应用工具软件的同时，可以学习CAD建模技术、动态设计、有限元分析、系统动力学等设计思想，培养现代设计思维。

2. 加强与相关课程和教材的衔接，注重专业知识与CAD/CAE技术的结合。

为了加强与“工程制图”“汽车设计”“汽车理论”“汽车构造”等课程及其教材的衔接，本书从三维设计分析软件的教学入手，利用三维设计功能完成汽车系统及其零部件的结构设计、分析仿真及结构优化。

3. 理论联系实际，提高解决问题的能力。

本书理论联系实际，结合设计对象，把CAD建模与系统分析和仿真结合起来，通过案例给出解决问题的具体思路、应用技术和方法，注重提高解决实际问题的能力。从工程应用的角度出发，带领读者学习相关的技能和应用方法。

针对国内汽车CAD/CAE技术日益增长的需求，本书作者在长期从事CAD/CAE领域教学和科研的基础上，参阅了国内外数十种同类书籍和有关文献资料，同时紧密结合现代设计和工程应用现状，以三维实体建模、运动学和动力学仿真、有限元分析为主线，介绍了现代设计理论与方法。以具有代表性的CAD软件CATIA/UG NX、有限元软件ANSYS/NASTRAN、机械系统动力学仿真软件ADAMS/RecurDyn为对象，对汽车CAD/CAE的建模理论、方法、求解及典型工程应用等进行了由浅入深的讲解，力求做到汽车基础知识和近期新方法介绍两者兼顾。全书结合实例编写，方便读者学习，并做到举一反三，触类旁通。本书可作为高校本科生教材，也可作为研究生和工程技术人员的参考书，教学时数为40学时。为适应各类不同院校、不同专业的教学需要，教师可根据各校具体情况选择其中的部分章节，仍能保持整个教材体系结构的完整性。

在学习新技术时，边学边动手是更有效的方法，边学边做正是学习本教材的方法。为此，本教材非常强调实战能力的提高，在每一章里都有一个实例，带领读者去学习相关的技能和应用方法。读者只要在计算机上照着做一遍，就可以基本了解汽车CAD/CAE的功能及其方法。另外，由于汽车CAD/CAE技术发展迅猛，软件系统版本更新周期很短，读者在使用本教材时，建议注重汽车零部件建模和分析思维的训练。本书示例所用的模型文件，读者可通过清华大学出版社网站下载，也可通过Email向作者索取。书中示例中打开的文件如无特别说明，即为下载文件中的同名文件。

本书由南京工程学院羊玢和湖南大学鄂加强任主编，南京理工大学紫金学院杨敏、南京工程学院张袁元任副主编，湖南大学曹立波教授担任主审。南京工程学院张袁元和臧立国、长沙理工大学吴刚、南京理工大学紫金学院谢继鹏、Altair大中国区徐成斌和王琮翔参编，全书由羊玢统稿。

本书在编写过程中参阅了国内外有关的书籍和资料，并得到了南京工程学院车辆工程系、Altair大中国区总部李征的大力支持，王群、苗中良、张清、周健、张维民、郑庆乾等同学也付出了不少努力，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，编写时间仓促，虽经反复琢磨，书中错误和不足之处在所难免，敬请专家和广大读者不吝指正，也欢迎读者来信共同探讨。联系方式： yangb123@126.com。

编者

2019年2月