基于ANSYS的车辆工程教学中有限元软件教学研究_肖平.pdf

科技视界Science&Technology Vision1绪论目前，由于石油资源的不可再生以及汽车尾气对环境的污染，燃油车的发展受到了限制1。必须找到一种新的能源来替代石油作为驱动汽车的燃料2。而电力由于其清洁性和环保性，越来越多的汽车企业、教学行业研究人员对电动汽车的研究正在如火如荼地进行中3。随着企业、教学科研人员对电动汽车的研究不断深入，各种各样的不同功能的电动汽车相继问世4。在此过程中，轮毂电机因其优秀的驱动特点和动力性能渐渐地进入教学科研人员的视野5。轮毂电机的优势就在于将动力、传动和制动三个系统整合在了一起，集成在车轮内。并且装配轮毂电机的电动汽车不需要离合器、变速器等复杂传动系统和辅助系统的零部件，这使得车辆底盘构造更加简单，传动效率得到提高6。在转向方面，传统汽车采用装备有机械差速系统装置，可以产生车辆左右轮之间的差速，而轮毂电机驱动的电动汽车的动力是由轮毂电机直接驱动车轮，带动车辆行驶。轮毂电机驱动的电动汽车在转向行驶时需要电机控制器对各个车轮的转向机构的电机正反转及转速进行控制。为了在车辆工程实验教学过程中将理论与实际更好地结合起来，更直观地使教学科研人员对车辆的操控性和转向稳定性进行研究，此次利用 solidworks 软件进行模型的建立，然后采用ANSYS 软件对轮毂电机转向机构模型进行受力分析，研究其运动特点，从而在教学过程中达到实践教学的目的。2软件介绍2.1建模软件目前机械绘图软件有许多个，如 solidworks，UG，CATIA 等。之所以选择 solidworks，是因为其简便快捷的特点，使得绘图效率得到较大提升。其具备各种DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.30.30基于 ANSYS 的车辆工程教学中有限元软件教学研究肖平1杨东德1马建国1苗景琦1孙加龙2（1.安徽工程大学机械工程学院 安徽芜湖241000）（2.芜湖中集瑞江汽车有限公司技术研究院 安徽芜湖241002）【摘要】随 着教 育 水 平 的不 断 提高，为 了使 学 生 在车 辆 工 程专 业 的 实 践 能 力 以 及 在 企 业 实 习 绘 图 能 力 得 到 提 升，对ANSYS软件 在 车 辆工程 教学 中 的应用 做了 研 究。一方 面，采 用solidworks软 件 进 行 轮 毂电 机模型 转向机 构的 建 立，为受 力分 析 做准 备。另一 方 面，将 模型导 入 到ANSYS软 件中进 行 受 力 分 析。本文通 过 软 件仿 真分 析 来 预 测装 有 轮毂 电 机的 汽车 轮胎 转 向 运动 受力特点，为 车辆 工程 实 践教 学 与实 验 研 究奠 定了 一 定基 础。【关 键词】车 辆工 程 专业；建 模；ANSYS仿 真；实 践 教 学 研究基 金 项 目：2020年 安 徽 省 高 等 学 校 省 级 质 量 工 程 项 目 资 助：校 企 合 作 实 践 教 育 基 地“安 徽 工 程 大 学 芜 湖 中 集 瑞江 汽 车 有 限 公 司 实 践 教 育 基 地”（2020sjjd012）；安 徽 工 程 大 学2021年 校 级 本 科 教 学 质 量 提 升 计 划 项 目 资 助：教 学 团 队“车 辆 工 程 专 业 教 学 团 队”（2021jxtd02）；安 徽 工 程 大 学2021年 校 级 本 科 教 学 质 量 提 升 计 划 项 目 资 助：基 层 教 学 组 织 示范 项目“车 辆 工 程系”（2021jcjxzz02）。作 者 简介：肖 平，博士，教授，研 究 方向 为汽车 动 力学 与 仿真 技 术。科学课堂104Science&Technology Vision科技视界丰富的建模命令，可以为各种形状的模型提供建模的方法，同时在实践教学中提供了更加可靠高效的方法。Solidworks 软件有功能强大、简单易学、组件繁多和不断创新等特点，这使得 SolidWorks 成为目前教学科研中主流的三维建模解决方案。SolidWorks 能够在设计过程中提供不同的设计方案供用户选择、减少模型错误以及提高模型产品的质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个用户来说，操作简单、方便理解、易学易用。2.2分析软件ANSYS 是一款有限元分析软件。有限元的思想就是把一个连续的物体划分成有限个单元，这些单元通过节点连接，当施加外部载荷或约束时，这些单元承受等效的节点载荷或约束，并根据平衡条件进行分析，然后再综合求解。由于单元的个数有限，节点的个数也有限，所以这种方法称为有限元法。ANSYS 因其庞大的力学分析模块，不仅有静力学分析，还具备对动力学分析的特点。不论是在企业实习还是在教学过程中，都能使学生的研究水平在不断探索研究中得到锻炼与提升。一般来说，ANSYS 软件进行有限元分析可以分为三步：（1）将模型导入到 Workbench 模块中或者在Workbench 模块中进行建模；（2）对模型施加载荷和约束并进行求解；（3）查看应力、应变、变形等结果。3模型建立在实践教学过程中，使用 solidworks 软件建立模型。一般在 solidworks 软件中有两种建模方式：一种是自顶向下，另一种则是自底向上，这两种方法都有各自的特点。自底向上的装配体是通过插入现有零部件并添加相应的配合关系调整它们在装配体中的方向和位置。零件配合关系是指各个零部件的表面、边线或它们与建立的基准面的约束关系。这种方法优势在于对于已有的零部件比如齿轮、轴、轴承等有较好的装配效率。自顶向下是在装配体的文件模式下设计零件，一边装配一边设计零件，这种方法优势在于建模的时可以参考其他零件几何特征，更便于添加各个零件之间的配合关系，使整个装配体装配效果更好。本次建模采用自底向上的方式，首先通过在基准面上进行草图绘制，再利用软件的拉伸、切除、阵列、扫描等特征，建立尺寸确定的各个零件，然后在新建的装配体中依次插入各个零件并添加相应的配合关系。最终得到如图 1 所示的实体模型。图1轮毂电机转向节杆模型其中，转向节杆模型包括以下结构零件，如图 2所示。图2各零部件其中，1转向节杆；2圆柱销；3活塞轴；4电机固定底座。4基于ANSYS的模型有限元实验教学分析在车辆工程专业教学过程中，ANSYS 软件一般用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。主要用于进行线性分析、非线性分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析以及多种物理场的耦合分析7。并且软件还具备智能网格划分、模型局部细化网格、六面体与四面体单元划分等多种网格划分工具，帮助用户完成精确的有限元模型，精确分析零部件的应力集中点、危险截面等极限状况。对轮毂电机转向机构运用 ANSYS 静力学模块分析，首先将建立好的模型文件导入 Workbench 模块中，在软件分析界面添加载荷与约束，具体在转向机构与车轮连接处添加固定约束，在活塞轴处添加一个轴向力，以此来模拟活塞轴在真实情景下运动情况。科学课堂105科技视界Science&Technology Vision图3ANSYS分析5结果分析为了使轮毂电机轮胎转向更加稳定，为其设计一种转向结构，通过曲柄结构推动轮胎运动，完成转向。通过分析得到转向机构在工作时的受力特性。图4分析结果通过模型的建立与仿真分析，可以看出，转向节杆受力最大处位于电动机轴与转向节杆相连处，因此在转向节杆的设计与材料选型时要注意使其具有更长的使用寿命。掌握汽车相关知识，以及对建模，分析软件的运用在实习和教学过程中有了很大的帮助。计算机通过模拟模型在真实情况下的运动特性，使得实物在实际情况不便做实验的情况下提供了非常便捷的帮助，达到了很好的教学效果。6软件教学展望6.1存在的问题与不足（1）在车辆工程传统课堂教学中，师生互动不足，基本上是以老师向学生单方面地传授知识为主，不能充分调动学生的参与性和求知欲。（2）在课时安排方面，软件教学时间相对较少，更多的是以基础知识为主。不能有效地提高学生的软件掌握和使用能力。（3）由于学生层次、能力的不同，导致教师在课堂教学中时不能有效地、有针对性地对每个学生都起到帮助，使得学生层次分化更加严重，学生整体科研素质水平得不到提高。6.2展望针对上述存在的问题与不足，就要做到：（1）教学任务的重心需要从以教师单方面的教学转到以学生为中心的主动求知上来，增加师生互动频率，带动学生自主学习，提高学生的整体科研素质与创新能力8。（2）在课时安排上，教师可根据学生反馈，适当地调整基础知识的教学进度，相对地增加软件教学时间，使每个学生都有机会去了解软件的功能与应用并切身参与到软件的操作与结果分析当中。（3）提倡教师可调整与学生间的多层次互动讨论，实现个性化教学。结合学生自身掌握的理论基础知识情况，分层次互动交流，在保证教学任务的同时，多关照层次较低同学的反馈与提问，引导他们跟上教师的教学节奏，提高整体教学质量与效率。使学生整体素质与能力得到不断提高。【参考文献】1褚文强，辜承林.国内外轮毂电机应用概况和发展趋势J.微电机，2007（9）：77-81.2褚文强，辜承林.电动车用轮毂电机研究现状与发展趋势J.电机与控制应用，2007（4）：1-5.3辜承林.轮毂电机发展思考J.电机技术，2006（3）：3-6.4陈清泉，孙立清.电动汽车的现状和发展趋势J.科技导报，2005，（4）：24-28.5类成朋，王志坤，丁和平.汽车转向机构的优化设计J.山西电子技术，2018（1）：28-30.6陈阁，杨延忠，黄福昊，等.电动汽车轮毂电机发展综述J.汽车实用技术，2022，47（4）：139-143.7陈虹兵，雷华昌.关于接触网V停作业与容、感性效应浅析J.电子制作，2020（8）：95-97.8郭世伟.有限元法与ANSYS软件应用课程教学改革与实践J.当代教育实践与教学研究，2019（4）：113-114.科学课堂106